TUOMAS LAPP AURINKOVOIMALAN KÄYTTÖ LISÄENERGIAN LÄHTEENÄ KIILTO OY:SSÄ

Transkriptio

1 TUOMAS LAPP AURINKOVOIMALAN KÄYTTÖ LISÄENERGIAN LÄHTEENÄ KIILTO OY:SSÄ Diplomityö Tarkastajat: professori Seppo Valkealahti ja lehtori Aki Korpela Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 4. helmikuuta 2009

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma LAPP, TUOMAS: Aurinkovoimalan käyttö lisäenergian lähteenä Kiilto Oy:ssä Diplomityö, 94 sivua, 3 liitesivua Helmikuu 2009 Pääaine: Moderni sähköenergiatekniikka Tarkastajat: professori Seppo Valkealahti ja lehtori Aki Korpela Avainsanat: aurinkoenergia, aurinkokenno, aurinkopaneeli, aurinkosähkö, aurinkovoimala Aurinkokenno muuttaa valon energiaa suoraan sähköksi. Aurinkokennon toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön ja puolijohdeliitoksen varauksenkuljettajia erottavaan voimaan. Markkinoilla on useita eri materiaaleista valmistettuja aurinkokennotyyppejä. Kiteisestä piistä valmistetut aurinkokennot ovat vanhinta ja eniten käytettyä aurinkokennoteknologiaa ja ne kattavat ylivoimaisesti suurimman osan aurinkokennomarkkinoista. Aurinkokennoteollisuus pyrkii nostamaan kennojen hyötysuhdetta ja tehoa sekä samalla alentamaan kustannuksia erilaisilla uusilla kennotekniikoilla sekä järjestelmillä, jotka keräävät auringon säteilyenergiaa suuremmalta pinta-alalta pienemmälle aurinkokennolle tai pitävät aurinkopaneelit koko ajan kohtisuorassa aurinkoon nähden. Tässä työssä selvitetään aurinkosähkön teoriaa alkaen Auringosta ja päättyen aurinkovoimalan teknistaloudellisiin laskelmiin. Energian muodostuminen Auringossa sekä sen välittyminen Maahan käydään lyhyesti läpi. Sen jälkeen selvitetään aurinkokennon toiminta ja sen taustalla olevat ja sen toimintaan vaikuttavat fysikaaliset ilmiöt. Eri aurinkokennomateriaaleihin ja tekniikoihin sekä niiden markkinoihin ja toimintaan käytännössä perehdytään. Aurinkoenergiaa verrataan myös tässä tapauksessa ainoaan mahdolliseen kilpailevaan uusiutuvaan energian tuotantotapaan, tuulivoimaan. Viimeisenä esitellään Kiillon aurinkovoimala. Teorian ja laskelmien perusteella selvitetään aurinkovoimalan soveltuvuutta suorituskykynsä ja taloudellisuutensa puolesta Suomeen. Kiillon aurinkovoimalan kaikki 332 aurinkopaneelia ovat monikiteistä piitä. Aurinkovoimala on Suomen suurin tuottaen 65,88 kw p :n tehon ja 56,3 MWh:n vuotuisen energian, joka vähentää Suomen CO 2 -päästöjä vuodessa kg. Investointipäätöksessä suurena tekijänä olikin juuri ympäristöystävällisyys sekä halu sijoittaa uusiutuviin energiamuotoihin. Voimalan hankintakustannuksiin valtio myönsi 35 %:n investointituen. Siten hankintakustannukset ovat 2,86 /W p ja sähkön tuotantokustannuksiksi 12 snt/kwh. Järjestelmän suorituskykyparametrit ovat kilpailukykyisellä tasolla. Taloudelliset tunnusluvut ovat kuitenkin suhteellisen huonoja ja niiden perusteella investointi on kannattamaton. Tähän vaikuttavat aurinkovoimaloiden kallis hinta, Suomen maantieteellisen sijainnin vaikutukset aurinkoenergian potentiaaliin, suhteellisen halpa sähkön hinta sekä valtion tiukka tukipolitiikka uusiutuville energiamuodoille. Lisäksi paneelit eivät ole asennettu optimaaliseen kulmaan. Kallistuskulmaa muuttamalla saadaan lisättyä hieman energian tuottoa ja siten kaikkia tunnuslukuja parempaan suuntaan.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering LAPP, TUOMAS: Using of solar power plant as additional energy source in Kiilto Ltd. Master of Science Thesis, 94 pages, 3 Appendix pages February 2009 Major: Modern Electric Energy Technology Examiner: Professor Seppo Valkealahti and Lecturer Aki Korpela Keywords: Photovoltaic, PV, Solar energy, Solar cell Solar cell converts the energy of light straight into electricity. Operation of solar cell is based on photovoltaic phenomena and force that separates semiconductor junction s charge carriers. There are several different solar cells manufactured from different materials on the market. Crystal silicon solar cells are the oldest and the most used solar cell technology and they cover superior segment of the solar cell market. Solar cell industry s goal is to raise the efficiency of solar cells and at the same time reduce the costs by new cell technology, sunlight concentrating systems and sun tracking devices. In this thesis the theory of photovoltaics is investigated from the sun to technical and economic calculations of solar power system. Production of energy in the sun and transferring of the energy from the sun to the earth are reviewed shortly. After that the function of the solar cell and physical phenomena which the operation of solar cell is based on and which have influence on the operation of solar cell are being investigated. Different solar cell materials, technologies, the solar cell market and solar cells operation in field conditions are discussed. Solar energy is also being compared in this case to its only possible competitor from renewable energy sources, wind energy. Kiilto s solar power system is presented in the last part of the thesis. Feasibility of the solar power system in Finland based on performance and economy is justified by the theory and calculations. Every one of Kiilto s 332 solar panels are polycrystal silicon. Kiilto s solar power plant is the biggest in Finland with the power of 65,88 kw p and annual electric energy production of 56,3 MWh which reduces annual CO 2 emissions of Finland by kg. The friendliness to the environment and to invest in renewable energy sources were big contributors for the decision making of the investment. Finnish government gave 35 % investment subsidy for the investment of the solar power plant. Hence the total investment cost is 2,86 /W p and the production cost of electricity is 12 snt/kwh. Performance parameters of the system are in competitive level. However the economical key ratios are relatively bad which is why the investment is unprofitable. Main influences on the key parameters are cost of the system, Finland s geographical influences on the solar energy potential, relatively cheap cost of electricity and insufficient policy of financial supports for renewable energy sources. In addition panels tilt angle and azimuth angle are not optimal. Energy yield and key ratios can be increased by changing the panels tilt angle.

4 ALKUSANAT IV

5 V SISÄLLYS 1. Johdanto Aurinkovoiman taustalla oleva teoria Aurinko ja sen säteily Auringon toiminta Auringon säteily Säteily maan pinnalle Puolijohteiden ominaisuuksia Energiavyömalli Piin kiderakenne Elektroni-aukko-parien sähkövirran kuljetus Puolijohteiden seostaminen Valon absorboituminen Puolijohdeliitos Aurinkokennon toimintaan vaikuttavat suureet Virta jännite -kuvaaja Olosuhteiden vaikutus Hyötysuhde Maantieteellisen sijainnin vaikutukset aurinkoenergialle Paneelin atsimuutti- ja kallistuskulman vaikutus Maksimitehopisteen seuranta Puolijohteesta aurinkopaneeliksi Aurinkokennotyypit ja niiden käyttö Pii Monikiteinen pii Yksikiteinen pii Ohutkalvopii Ohutkalvotekniikka Amorfinen pii Kadmiumtelluridi Kupari-indiumdiselenidi ja sen seokset Galliumarsenidi Moniliitoskennot Moniliitoskennon toimintaperiaate Moniliitoskennojen käyttö Aurinkokeräinkennot Aurinkokeräinkennotyypit Keskityksen vaikutus Auringon seuranta Väriainekennot... 48

6 3.6. Aurinkokennotyypit ja käytännön toimivuus Suorituskyky Kestävyys Aurinkokennomarkkinat Kennotuotannon ja markkinoiden maantieteellinen levinneisyys Kennomateriaalien markkinat Hintojen kehitys Aurinko- ja tuulienergian vertailu Kustannukset Paikka- ja aikariippuvuus Energian tuotannon aiheuttamat ympäristövaikutukset Energian takaisinmaksuaika Tuulivoimalan mitoitus Kiillon aurinkosähköjärjestelmä Laitteiston esittely Paneelit Vaihtosuuntaajat Datan keruulaitteet Näyttö ja tiedon esitys Opetuskäytön hyödyntäminen Teknistaloudellinen analyysi Energian tuotanto Auringon säteilytehojakauma Järjestelmän laskennallinen energian tuotantoennuste Suorituskykyparametrit Huipunkäyttöaika Referenssituottokerroin Käyttökerroin Tehollinen hyötysuhde Talouden tunnusluvut Kustannukset Investoinnin sisäinen korkokanta Kannattavuusraja Pääoman tuottoaste Takaisinmaksuaika Tulokset ja niiden arviointi Työn keskeiset tulokset Tulosten arviointi Johtopäätökset Lähteet Liite 1: tutkimuskeskuksen paneelien asennuskaavio Liite 2: tehtaan paneelien asennuskaavio VI

7 Liite 3: aurinkovoimalan lohkokaavio VII

8 VIII LYHENTEET JA MERKINNÄT A pinta-ala A Aurinko Auringon pinta-ala A W Weibullin skaalausparametri AM ilmamassa α atsimuuttikulma α opt optimiatsimuuttikulma 4 α alfahiukkanen B β β opt c C p D d E E F E g E c E v E p e + e ev FF f G s G G ref H h h i η η eff I I d I mp suora säteily kallistuskulma optimikallistuskulma valon nopeus kapasiteettikerroin diffuusi säteily pituus energia fermienergia energia-aukko johtavuusvyön energia valenssivyön energia fononin energia elektronin varaus positronin varaus elektronivoltti täytekerroin taajuus auringon pinnan säteilytehotiheys maanpäällinen säteily referenssisäteily investoinnin hankintameno kappaleen korkeus Planckin vakio sisäinen korkokanta hyötysuhde tehollinen hyötysuhde virta diodin virta maksimitehopisteen virta

9 IX I r I S I SC J κ k k t k W l λ M m n n P P 0 P ac P dc P in P max PR p c p λ p q R R r R s r Aurinko r Aurinko-Maa σ ρ e ρ S s T T Aurinko t θ u υ v vuotovirta diodin saturaatiovirta oikosulkuvirta jäännosarvo Boltzmannin vakio atomien lukumäärää kiderakenteessa nettotulo kunkin ajanjakson lopussa Weibullin muotoparametri pituus aallonpituus auringon säteilyteho massa neutroni järjestelmän pitoaika vuosissa teho alkuperäinen teho vaihtosähköteho tasasähköteho aurinkopaneelin pinta-alalle tulevan valon säteilyn teho maksimiteho käyttökerroin kiteen värähtelyliikemäärä fotonin värähtelyliikemäärä protoni alkeisvaraus heijastunut säteily vuotoresistanssi sarjaresistanssi Auringon säde Auringon ja Maan välimatka Stefan-Boltzmannin vakio ympäristön heijastuskerroin ilman tiheys aurinkovakio varjon pituus lämpötila Auringon pintalämpötila vuoden järjestysnumero Auringon korkeus horisontin yläpuolella asteina atomimassayksikkö neutriino nopeus

10 LYHENTEET JA MERKINNÄT X V V d V mp V oc φ W(v) W p Y l Y r Z d Z s B C CO CO 2 Cu(InGa)Se 2 CuInSe 2 CdS CdTe GaAs GaInP Ge H He HCl I O P POCl 3 Si Sn SiHCl 3 SiO 2 SnO 2 TiO 2 ZnO a-si c-si CPC jännite diodin yli oleva jännite maksimitehopisteen jännite tyhjäkäyntijännite leveyspiiri Weibullin jakauma huippuwatti huipunkäyttöaika referenssituottokerroin dynaaminen impedanssi staattinen impedanssi boori hiili hiilimonoksidi hiilidioksidi kupari-indiumdigalliumselenidi (CIGS) kupari-indiumdiselenidi (CIS) kadmiumsulfidi kadmiumtelluridi galliumarsenidi galliumindiumfosfidi germanium vety helium vetykloridi jodi happi fosfori fosforioksikloridi pii tina trikloorisilaani piioksidi tinaoksidi titaanioksidi sinkkioksidi amorfinen pii kiteinen pii yhdistetty parabolinen keskitin, (engl. Compound Parabolic Concentrator)

11 LYHENTEET JA MERKINNÄT XI DSSC EPIA MG SeG STC TCO väriaineherkistetty aurinkokenno, (engl. Dye-sensitized Solar Cell) Euroopan aurinkosähköteollisuuden järjestö, (engl. The European Photovoltaic Industry Association) metalliteollisuuteen kelpaava pii, (engl. Metallurgigal Grade) puolijohdeteollisuudelle kelpaava pii, (engl. semiconductor-grade) standarditestiolosuhteet, (engl. Standard Test Conditions) läpinäkyvä johdinoksidi, (engl. Transparent Conductive Oxide)

12 1 1. JOHDANTO Aurinko on tärkein tunnettu energialähde. Se lähettää sähkömagneettista säteilyä, joka mahdollistaa elämän Maassa. Auringon valo tuottaa maapallon eliöiden tarvitseman energian sekä ylläpitää maapallon ilmastoa. Kaikki primäärienergia maapallolla on auringosta peräisin lukuun ottamatta geotermistä, vuorovesi- sekä ydinenergiaa. Auringon säteilyn sisältämä energia on hyvin suuri, mutta vain pieni osa siitä voidaan käyttää. Aurinkoenergiasovellukset jaetaan usein lämpöä ja sähköä tuottaviksi. Tässä työssä käsitellään ainoastaan sähköä tuottavia sovelluksia. Auringon lämpöenergiaa on käytetty aina, mutta aurinkosähkön historia alkoi luvulla. Ranskalainen fyysikko Becquerel löysi valosähköisen ilmiön vuonna 1839 havaitessaan, että altistus valolle saa aikaan tietyissä materiaaleissa sähkövirtaa. Vuonna 1883 valmisti amerikkalainen keksijä Fritts seleenistä ensimmäisen toimivan aurinkokennon. Hän ennusti yli 100 vuotta sitten tämän päivän aurinkokennoteknologian ja sovellukset sanoessaan, että mikäli aurinkokennon tuottamaa sähköä ei haluta kuluttaa tuotantopaikalla, se voidaan varastoida akkuihin tai siirtää johdoilla kulutuspaikkaan. Aurinkokennoteknologian moderni aika alkoi vuonna 1954 Bellin tutkijoiden huomatessa pn-diodien generoivan jännitteen valossa. Sittemmin aurinkosähkösovellukset ovat osoittaneet, että sähköä voidaan saada muutenkin kuin konventionaalisilla menetelmillä. Aurinkosähkö on mahdollistanut avaruussovelluksien energian tuotannon jo useiden vuosikymmenien ajan. Myöhemmin aurinkokennojen valmistusmäärien kasvaessa ja hintojen pudotessa aurinkoenergiaa on alettu hyödyntää yhä enemmän maanpäällisissä sovelluksissa. Nykyään aurinkosähkö luo mahdollisuudet energian tuotantoon melkein missä tahansa. Sen avulla saadaan sähköistettyä yksittäisiä asuntoja ja kyliä missä vain sähköverkosta riippumatta. Suurimpana aurinkokennoteollisuuden tavoitteena on tuottaa tehokkaita ja halpoja aurinkokennoja, koska tehoon suhteutettuna aurinkovoimalat ovat yleensä 5-10 kertaa konventionaalisia voimaloita kalliimpia. Tuotantoon sopivia aurinkokennomateriaaleja ja erilaisia valmistustekniikoita onkin jo lukuisia. Osasta voidaan valmistaa tehokkaita, mutta kalliita aurinkokennoja, kun taas toisista on mahdollista valmistaa halpoja ja vähemmän tehokkaita. Nyky-yhteiskunnassa ympäristöasiat ovat yhä tärkeämmässä roolissa, mikä luo aurinkoenergia-alalle enemmän sijoittajia, resursseja tutkimukseen ja yhä kasvavat markkinat. Ympäristöystävällisyytensä vuoksi aurinkoenergia on hyväksytty energiamuoto kaikkien ihmisten keskuudessa. Suomessa aurinkoenergian käyttö on vielä vähäistä muuhun Eurooppaan verrattuna. Tätä voidaan perustella Suomen pohjoisella sijainnilla ja vähäisellä valon määrällä. Kehittyvissä maissa sekä muuten muusta yhteiskunnasta eristyneillä alueilla, kuten saarilla, aurinkosähkö voi olla ainoa järkevä energian tuottotapa huonon tai kokonaan puuttuvan sähkön siirtoverkon takia.

13 1. JOHDANTO 2 Tämän työn toisessa luvussa käydään läpi auringon energian syntyminen ja välittyminen maapallolle. Lisäksi perehdytään aurinkokennon taustalla olevaan teoriaan sekä toiminnan edellyttäviin fysikaalisiin ilmiöihin pääpiirteittäin. Näiden lisäksi kerrotaan, mistä seikoista aurinkokennon toiminta on riippuvainen ja mitkä ilmiöt muuttavat sen toimintaa. Kolmannessa luvussa perehdytään erilaisiin olemassa oleviin aurinkokennoteknologioihin ja materiaaleihin. Lisäksi käydään läpi erilaisia aurinkokennosovelluksia ja niiden toimintaa käytännössä sekä aurinkokennomarkkinoita ja niiden kehitystä yleisesti. Aurinkosähkön soveltuvuutta verrataan yhteen kilpailijaansa tuulivoimaan, jonka käyttöä Kiillon tehdasalueella on myös suunniteltu. Ensimmäisten lukujen yhtenä tavoitteena on toimia Kiillon henkilökunnalle aurinkosähkön oppikirjana auttamaan ymmärtämään aurinkosähköä ja sen teoriaan liittyviä käsitteitä sekä niiden yhteyttä toisiinsa. Työn loppupuolella perehdytään Kiillon aurinkovoimalaan. Aurinkovoimala esitellään komponenteittain ja sille tehdään energian tuotantolaskelmat. Kaikki työssä tehtävät teknis-taloudelliset laskelmat perustuvat energian tuotantolaskelmiin. Viimeisenä esitetään tärkeimmät tulokset, joista tehdään johtopäätökset. Viimeisten lukujen tarkoituksena on näyttää toteen järjestelmän odotettavissa oleva toiminta yleisesti vertailukelpoisina tunnuslukuina suorituskykyparametrein. Taloudellisilla tunnusluvuilla perustellaan järjestelmän hankintaa investointina.

14 3 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA Aurinkokenno muuttaa auringonvalon suoraan sähköksi ilman mitään liikkuvia osia tai saastuttavia sivutuotteita käyttäen hyväksi puolijohteiden ominaisuuksia. Aurinkokenno tuottaa sähkötehoa niin pitkään kuin siihen osuu valoa. Aurinkokennon toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön, jonka havaitsi ensimmäisenä Becquerel vuonna 1839 tutkiessaan elektrolyyttiin upotettujen elektrodien valosta riippuvaa jännitettä. [1] Tässä luvussa käydään lyhyesti läpi aurinkovoiman ja tarkemmin sanottuna aurinkokennon toiminnan taustalla vaikuttavia luonnonilmiöitä. Ensin tarkastellaan auringon toimintaa ja sen lähettämää säteilyä, minkä jälkeen perehdytään lyhyesti puolijohteisiin aurinkokennon näkökulmasta, aurinkokennon toimintasuureisiin ja niihin vaikuttaviin tekijöihin. Puolijohteista tarkastellaan kiteisiä aineita ja pääasiassa piitä, koska se on tällä hetkellä ylivoimaisesti yleisin kennomateriaali Aurinko ja sen säteily Auringon toiminta Aurinko on aurinkokuntamme keskipiste ja se on energianlähteenä välttämätön kaikelle elämälle maassa. Aurinko koostuu noin 80-prosenttisesti vedystä, noin 20-prosenttisesti heliumista ja siinä on vain 0,1 prosenttia muita aineita. Auringon ollessa plasmaa, atomit ovat atomiytiminä ja alkeishiukkasina. Auringon energia syntyy ydinfuusioprosessien ketjun tuloksena. Näistä tärkeimpänä voidaan mainita niin sanottu hiilisykli, jonka alku- ja lopputuotteet ovat kuvattavissa reaktioyhtälöllä He 2 2υ e p + e + + E. (2.1) Siinä neljä vety-ydintä (protonia 1 p ) yhdistyvät yhdeksi helium-ytimeksi He (alfahiukkanen 4 α ). Alfa-hiukkanen koostuu kahdesta neutronista 1 n ja kahdesta protonista. + Lisäksi reaktiossa syntyy kaksi positronia e, kaksi neutriinoa υ ja energiaa E. Vertailemalla massaa ennen reaktiota ja reaktion jälkeen, on huomattavissa massan pieneneminen reaktion kuluessa. Neutriinojen massa voidaan jättää huomioimatta ja positronin massa on sama kuin elektronin massa. Energiaksi muuttuva kokonaismassaero m saadaan laskettua vähentämällä reaktion 2.1 lähtötuotteiden

15 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 4 massasta reaktiotuotteiden massa. Käyttäen taulukon 2.1 arvoja reaktion massaerotukseksi saadaan m = 0, u. Täten partikkelien kokonaismassa on fuusioreaktion jälkeen vähemmän kuin ennen fuusioitumista. Massaerotus on muuttunut energiaksi E, joka voidaan laskea lausekkeesta 2 E = mc, (2.2) jossa 8 c = 2, m/s on valon nopeus. Tämä yhtälö kuvaa fuusioreaktiossa vapautunutta energiaa, jonka arvoksi saadaan (1 ev = 1, J ). 12 E = 4, J = 26,719 MeV Ytimen sidosenergia E b selittää massoissa tapahtuvat muutokset. Atomiydin koostuu N neutronista ja Z protonista. Ylläpitääkseen tasapainon sidosenergiaa täytyy vapautua ytimen rakentuessa protoneista ja neutroneista. Alfa-hiukkasen, kahden neutronin ja kahden protonin massaero kuvaa helium-ytimen sidosenergiaa. [2, s.46] 27 Taulukko 2.1. Eri hiukkasten ja atomien massoja ( 1u = 1, kg ). Hiukkanen Massa elektroni (e - ) 0, u protoni ( 1 p) 1, u neutroni ( 1 n) 1, u vety ( 1 H) 1, u helium ( 4 He) 4, u alfahiukkanen ( 4 α) 4, u Auringon säteily Aurinko on siis plasmapallo, jota lämmittää sen ytimen fuusioreaktio. Kuumat kappaleet emittoivat sähkömagneettista säteilyä kappaleen pintalämpötilan määrittelemällä aallonpituudella. Täydellisesti absorboivan mustan kappaleen emittoiman säteilyn spektrin määrittelee Planckin säteilylaki. Tämä laki osoittaa, että kappaletta lämmitettäessä emittoidun sähkömagneettisen säteilyn energia ei ainoastaan kasva, vaan myös huippuemissio-kohdan aallonpituus pienenee. Esimerkkinä voidaan ajatella kuumennettua metallia, joka hehkuu punaisena ja sitä lisää kuumennettaessa keltaisena. [1] Auringon keskikohdan lämpötila on arvioitu olevan noin 20 miljoonaa Kelvinastetta. Tämä ei ole kuitenkaan se lämpötila, joka määrittelee auringon ominaisen sähkömagneettisen säteilyemission. Suurin osa intensiivisestä säteilystä syvältä auringon sisäosista absorboituu negatiivisesti varautuneeseen vetyionikerrokseen lähellä auringon pintaa. Nämä ionit toimivat jatkuvana absorboijana suurelle aallonpituusjakaumalle. Lämmön

16 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 5 kerääntyminen tälle kerrokselle aiheuttaa konvektiivisia virtoja, jotka kuljettavat ylimääräisen energian optisen esteen läpi. Päästessään tämän kerroksen läpi kaasu luovuttaa energiaa säteilemällä uudelleen yläpuolella oleviin suhteellisen läpinäkyviin kaasuihin. Auringon säteilevä pinta, johon energia johtuu konvektiivisten virtojen avulla, tunnetaan fotosfäärinä. Lämpötilat fotosfäärissä ovat paljon kylmempiä kuin auringon sisällä. [1] Auringon fuusioreaktiossa 4,3 miljoonaa tonnia massaa muuttuu energiaksi joka sekunti [2, s.46]. Tästä saadaan laskettua auringon säteilyteho M lausekkeen 2.2 energian aikaderivaattana M de dt dm c dt = = 2 = 26 3, W. (2.3) Kun tämä jaetaan auringon pinta-alalla pinnan säteilytehotiheys 12 A Aurinko = 6, km 2, saadaan auringon G M MW = = 63,11. (2.4) S 2 AAurinko m Jokainen neliömetri auringon pinnalla siis emittoi 63,11 megawatin säteilytehon. Siten hieman yli 20 hehtaarin alue Auringon pinnasta emittoi vuodessa 400 EJ:n energian, joka on yhtä suuri kuin maapallon vuosittainen kokonaisprimäärienergian kulutus. Auringon pinnan säteilyvoimakkuudesta voidaan estimoida Auringon pintalämpötila Stefan-Boltzmannin lain avulla G ( T ) S = σt 4, (2.5) 8 W jossa σ = 5, on Stefan-Boltzmannin vakio ja T on lämpötila. Stefan- m 2 K 4 Boltzmannin lain mukaan siis mustan kappaleen säteilemä teho pinta-alaa kohden on suoraan verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin. Täten auringon pinnalle eli fotosfäärille saadaan lämpötila T Aurinko G MW 63,11 m 2 4 S = = 4 = σ 8 W 2 4 5, m K 5777 K. Tässä lämpötilassa fotosfääri säteilee jatkuvalla sähkömagneettisella spektrillä lähellä mustan kappaleen säteilyä.

17 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 6 Ajatellaan tilannetta kuvan 2.1 tapaan siten, että piirretään pallo, jonka pinta-ala on A. Sen keskipiste on Auringon keskipiste ja säde on Maan keskietäisyys auringosta 8 r Aurinko-Maa = 1, 5 10 km. Pallon pinta leikkaa Maan keskipisteen ja sen pinnalle tulee sama kokonaissäteilyteho kuin Auringon pinnalle. Kuva 2.1. Auringon säteily maahan. Auringon pinnan säteilytehotiheys on suoraan verrannollinen maan kiertoradalla vaikuttavaan säteilytehotiheyteen, jota merkitään usein symbolilla S. Tästä saadaan yhtälö GAAurinko = SA, (2.6) jossa A = 4π r. Siten yhtälöstä 2.6 saadaan 2 Aurinko-Maa = A r 1367 A = r = W/m 2, Aurinko S G G 2 Aurinko 2 Aurinko-Maa joka on aurinkovakiona tunnettu auringon keskimääräinen säteilytehotiheys maan kiertoradalla. [2, s ; 3] Valoa voidaan ajatella sen aalto-hiukkasdualistisien ominaisuuksien vuoksi sekä hiukkasina että aaltoina. Fotonin eli valokvantin energia on riippuvainen sen taajuudesta lausekkeen E = hf (2.7) mukaisesti, jossa h on Planckin vakio ja f on taajuus. Taajuuden ja aallonpituuden λ välillä on puolestaan riippuvuus c f =. (2.8) λ

18 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 7 Lausekkeista 2.7 ja 2.8 saadaan fotonin energialle aallonpituudesta riippuvainen lauseke hc E =, (2.9) λ josta näkee suoraan aallonpituuden ja energian välisen suhteen. Aihetta käsitellään tarkemmin luvussa Säteily maan pinnalle Maan kiertoradalle tuleva säteily ei tule kokonaan maan pinnalle, vaan se heikentyy ilmakehässä ainakin 30 prosenttia [1, s. 5]. Auringon säteilystä osa, joka saavuttaa maan pinnan, voidaan jakaa kolmeen komponenttiin. Auringosta suoraan maan pinnalle pääsevää säteilyä kutsutaan suoraksi säteilyksi, B. Ilmakehässä sironnutta säteilyä kutsutaan diffuusiksi säteilyksi, D, ja heijastunutta säteilyä kutsutaan heijastuneeksi säteilyksi, R. Kaikki edellä mainitut komponentit muodostavat yhdessä maanpäällisen säteilyn G. Jopa kirkkaina päivinä auringon paistaessa pilvettömältä taivaalta diffuusin säteilyn osuus on noin %. Pilvisinä päivinä taas maanpäällisestä säteilystä diffuusin säteilyn osuus saattaa nousta jopa 100 %:iin [2, s. 53]. Aurinkokennojen suunnitteluun tämä vaikuttaa siten, että diffuusin säteilyn aallonpituusjakauma poikkeaa suorasta säteilystä. [1, s. 8; 3, s. 8] Säteilyä heikentää ilmakehässä neljä eri tekijää: ilmakehän heijastus, absorptio ilmakehässä, Rayleigh n sironta ja Mien sironta. Ilmakehän eri kaasujen kuten vesihöyryn, otsonin ja hiilidioksidin ja muiden aerosolien aiheuttama valon absorptio on hyvin selektiivistä ja vaikuttaa vain osaan valon spektriä. Ilmassa olevat hiukkaset, jotka ovat halkaisijaltaan valon aallonpituutta pienempiä, aiheuttavat Rayleigh n sirontaa. Rayleigh n sironnan vaikutus kasvaa aallonpituuden pienentyessä. Mien sirontaa aiheuttavat valon aallonpituutta suuremmat hiukkaset, kuten pöly ja jotkin hiukkaspäästöt. Siten Mien sironta on hyvin paikkasidonnaista ja suurempaa esimerkiksi kaupungeissa kuin korkealla vuoristossa. [2, s. 48] Säteilyn heikkenemistä voidaan approksimoida säteilyn ilmakehässä kulkevan matkan avulla. Säteily heikkenee kaikkein vähiten tilanteessa, jolloin se kulkee ilmakehässä lyhimmän mahdollisen matkan. Tällainen tilanne on auringon paistaessa lakipisteestä, zeniitistä. Silloin säteily tulee Maan pinnalle kohtisuorasti. Valon minkä tahansa ilmakehässä kulkevan matkan suhdetta tähän optimitilanteeseen kutsutaan ilmamassaksi, AM. Auringon paistaessa lakipisteestä on AM = 1. Maan kiertoradalla ilmakehän ulkopuolella vallitsee AM = 0. Kun Aurinko havaitaan kuvan 2.2 tapaan jossain muussa kulmassa θ horisonttiin nähden, voidaan ilmamassa laskea lausekkeella

19 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 8 1 AM =. (2.10) sinθ Kuva 2.2. Auringon sijainnin vaikutus ilmamassan suuruuteen. Helpoin tapa arvioida ilmamassaa on mitata jonkun esineen korkeus ja sen varjon pituus. Sen jälkeen ilmamassan voi laskea lausekkeesta 2 s AM = 1+, (2.11) h jossa s on varjon pituus ja h on kappaleen korkeus. Taulukossa 2.2 esitetään auringon valon vaimenemista ilmamassan ja auringon korkeuden suhteen sekä niiden suhdetta muihin säteilyä heikentäviin tekijöihin. [1, s. 6; 3, s. 8] Taulukko 2.2. Auringon korkeuden vaikutus valon heikentymiseen [2, s. 49]. Auringon havainnointikulma Ilmamassa Absorptio Rayleigh n Mien si- Kokonais- (%) sironta (%) ronta (%) vaimennus (%) 90º 1,00 8,7 9,4 0-25,6 17,3 38,5 60º 1,15 9,2 10,5 0,7 29,5 19,4 42,8 30º 2,00 11,2 16,3 4,1 44,9 28,8 59,1 10º 5,76 16,2 31,9 15,4 74,3 51,8 85,4 5º 11,5 19,5 42,5 24,6 86,5 65,1 93,8 Kokonaisvaimennus siis kasvaa auringon laskiessa horisonttia kohti. Säteily vaimenee, vaikka taivas olisi pilvetön. Kuvassa 2.3 havainnollistetaan Auringon säteilytehotiheyttä valon aallonpituuden funktiona tilanteissa AM=0 ja AM=1,5. Yleensä aurinkokennot käyttävät pääasiassa näkyvän valon aallonpituuksia.

20 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 9 Kuva 2.3. Auringon valon spektri Puolijohteiden ominaisuuksia Kaikki nykyään valmistettavat aurinkokennot toimivat puolijohteiden ominaisuuksiin perustuen. Tyypillisimmät puolijohteet koostuvat jaksollisen järjestelmän neljännen ryhmän alkuaineista, kuten piistä (Si), germaniumista (Ge) tai tinasta (Sn). Näiden alkuaineiden atomeilla on neljä elektronia uloimmalla elektronikuorella eli neljä valenssielektronia. Yleisin aurinkokennomateriaali on pii sen hyvän valon absorbointikyvyn, kehittyneen valmistusteknologian ja yleisyyden vuoksi. Seuraavassa käydään läpi piistä valmistettujen aurinkokennojen toiminnan taustalla vaikuttavaa fysiikkaa Energiavyömalli Elektronin mahdolliset energiatilat riippuvat siitä, onko elektroni vapaassa tilassa vai osa atomia, ja vastaavasti onko atomi vapaassa tilassa vai osa materiaalin kiderakennetta. Vapaassa tilassa ollessaan elektroni voi saavuttaa minkä tahansa energian. Erillisissä atomeissa kaikilla atomeilla on sama elektronikonfiguraatio ja elektroneilla on tarkoin määritetyt diskreetit energiatasot. Kiderakenteessa tilanne on aivan toisenlainen. Matalissa lämpötiloissa (T = 0 K) kahden tai useamman atomin muodostaessa molekyylin, Paulin kieltosäännön mukaan kaksi elektronia vastakkaisine spin-momentteineen ovat miehittäneet kaikki energiatasot tiettyyn energiatasoon, Fermitasoon asti. Molekyyleissä elektronien vuorovaikutus muiden atomien kanssa muuttaa energiatasoja ja energiatasot jakautuvat edelleen pienempiin tasoihin, joilla on hyvin lähekkäinen mutta kuitenkin eri energia. Kun monta atomia tuodaan kuvan 2.4 mukaisesti lähelle toisiaan, niiden järjestyessä tarkoin määrättyyn muotoon ja määrätylle etäisyydelle toisistaan kiteeksi, ener-

21 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 10 giatasot ovat niin tiheässä, että sallitut energiatasot levittäytyvät vöiksi eli energiavöiksi. [2 s, 119; 1 s. 18; 4] Kuva 2.4. Energiavyön muodostuminen. X-akselin arvo kuvaa atomien määrää molekyylissä. Viimeisenä arvo k, joka kuvaa atomien lukumäärää kiderakenteessa. Elektronien maksimienergiaa absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa kutsutaan fermienergiaksi, E F. Fermienergia määrää, mitkä energiavyöt voivat olla täysiä, osittain täysiä ja tyhjiä. Siksi sen sijoittuminen energiavyörakenteeseen on tärkeätä. Johteilla fermienergia sijoittuu energiavyön sisälle. Siitä seuraa, että kyseinen energiavyö ei ole johteilla täynnä, vaan elektronit sijoittuvat vyöllä fermienergiatason alapuolelle. Tällöin kyseisen energiavyön elektroneilla on tilaa liikkua. Puolijohteilla ja eristeillä taas fermienergia sijoittuu energiavöiden väliin kielletylle alueelle. Fermienergian alapuolella olevaa vyötä kutsutaan valenssivyöksi ja yläpuolella olevaa vyötä kutsutaan johtavuusvyöksi. Energiavyömallissa elektronit täyttävät vyöt yksi toisensa jälkeen alimmasta vyöstä alkaen. Valenssivyö on korkein täysin miehitetty vyö ja seuraavaksi ylin vyö on johtavuusvyö, joka on nollassa Kelvinasteessa täysin tyhjä. Tila energiavöiden välissä on kielletty alue, jota kutsutaan energia-aukoksi. Tarvittava minimienergia elektronin siirtämiseen valenssivyön energiatilasta E V johtavuusvyön energiatilaan E C määrittää energia-aukon suuruuden Eg = EC EV, (2.12) mitä selvitetään kuvassa 2.5. [2 s. 119; 1 s. 18; 4]

22 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 11 Kuva 2.5. Johteiden, puolijohteiden ja eristeiden energiavyöt Kuvan 2.4 tapaan kiinteät aineet voidaan jakaa sähköisten ominaisuuksiensa mukaan johteiksi, eristeiksi ja puolijohteiksi energiavöidensä miehityksen ja sijainnin mukaan. Ainoastaan johteissa johtavuusvyö on miehitetty osittain tai kokonaan ja valenssi- ja johtavuusvyöt voivat olla limittäin. Elektronit voivat liikkua kiteissä ja aiheuttaa elektronijohtavuuden osittain miehitetyllä johtavuusvyöllä. Eristeillä ja puolijohteilla tilanne eroaa siinä mielessä, että matalissa lämpötiloissa (T 0 K) valenssivyö on täynnä ja johtavuusvyö tyhjä. Ero eristeiden ja puolijohteiden välillä on energia-aukon suuruus. Eristeillä elektronin nostamiseen valenssivyöltä johtavuusvyölle tarvitaan suuri määrä g energiaa suuren energia-aukon vuoksi ( E 5 ev). Puolijohteilla johtavuusvyö on eristeiden tapaan tyhjä, mutta pienemmän energia-aukon vuoksi ( E < 5 ev) elektronit nousevat helpommin johtavuusvyölle. Puolijohteilla pelkkä lämpö riittää nostamaan elektroneja johtavuusvyölle ja lämpötilan noustessa elektroneja nousee yhä enemmän johtavuusvyölle. Siksi puolijohteen sähkönjohtavuus kasvaakin lämpötilan funktiona. Myös fotonit, joiden energia on energia-aukkoa suurempi, voivat nostaa elektroneja johtavuusvyölle. Tätä on havainnollistettu kuvassa 2.6. Vastaavasti fotoni, jonka energia on energia-aukkoa pienempi, ei voi nostaa elektronia johtavuusvyölle. Mikäli taas fotonin energia on energia-aukkoa suurempi, elektronin noustua johtavuusvyölle fotonin energiasta energia-aukon ylittävä osuus muuttuu lämmöksi. [2, s. 120] g Kuva 2.6. Valon energia nostaa elektronin valenssivyöltä johtavuusvyölle.

23 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA Piin kiderakenne Pitääkseen mahdollisimman stabiilin elektronikonfiguraation kaksi elektronia piikiteen kahdesta vierekkäisestä atomista muodostavat elektroniparisidoksen, joka sitoo atomit yhteen kiderakenteessa. Tällöin muodostuu kemiallinen sidos, jossa kaksi atomia jakaa valenssielektroneja tasaisesti keskenään saadakseen uloimman elektronikuoren täyteen. Tällaiset kovalenttiset sidokset yhdessä neljän atomin kanssa antavat piille hyvin pysyvän elektronikonfiguraation. Energiavyömallissa valenssivyö on täysin miehitetty ja johtavuusvyö on tyhjä oltaessa hyvin matalissa lämpötiloissa. Kun lämpötilaa nostetaan tai materiaali altistetaan valolle, on mahdollista, että elektroneja nousee johtavuusvyölle ja nämä elektronit voivat liikkua vapaasti kiteessä. Noustessaan johtavuusvyölle elektroni jättää jälkeensä valenssivyölle tyhjän tilan eli aukon, minkä vuoksi elektronit voivat liikkua myös valenssivyöllä. Elektronit ja aukot muodostuvat aina pareittain eli elektroneja on sama määrä kuin aukkoja. Tätä havainnollistetaan kuvassa 2.7. [2, s. 121] Kuva 2.7. (a) Piin kiderakenne, (b) elektroni-aukko-parin syntyminen Elektroni-aukko-parien sähkövirran kuljetus Puolijohteilla johtavuusvyö on tyhjä elektroneista matalissa lämpötiloissa. Elektroneista tyhjät energiavyöt eivät ymmärrettävästi voi osallistua virran kuljettamiseen kiteessä. Vaikka voisi olettaa, että täynnä elektroneja olevat energiavyöt voivat kuljettaa sähkövirtaa, näin asia ei kuitenkaan ole. Täydetkään vyöt eivät kuljeta virtaa, koska atomien välisissä sidoksissa ei ole ainuttakaan vapaata elektronipaikkaa, johon elektronit voisivat siirtyä. Siksi eristeet eivät johda virtaa kuten metallit. Erittäin yksinkertainen esimerkki virran kulusta puolijohteissa voidaan esittää kaksikerroksisen parkkitalon avulla. Kun kuvan 2.8 a) alempi taso on täynnä ja ylempi taso on tyhjä. Autoilla ei ole tilaa liikkua alemmalla tasolla eikä ylemmällä ole autoja ollenkaan. Kun b-kohdassa yksikin auto nostetaan alemmalta tasolta ylemmälle, sen jälkeen molemmilla tasoilla on tilaa liikkua. Ylempi taso kuvaa puolijohteen johtavuusvyötä.

24 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 13 Alemmalla tasolla autot voivat liikkua yksi kerrallaan eteenpäin. Siten auton mentävä tila, aukko, liikkuu vastakkaiseen suuntaan. [1, s. 20] Kuva 2.8. Yksinkertainen parkkitalo-analogia elektroni-aukkoparien sähkövirran kuljetuksesta puolijohteessa: (a) Liikkuminen ei ole mahdollista, (b) liikkuminen on mahdollista sekä ylemmällä että alemmalla tasolla. Korkeammissa lämpötiloissa osalla valenssivyön elektroneista on tarpeeksi energiaa hypätäkseen johtavuusvyölle, jossa niillä on vapaata tilaa liikkua, koska elektroni vapautuu kiderakenteen atomien välisistä sidoksista. Elektronin hypätessä valenssivyöltä johtavuusvyölle se jättää jälkeensä aukon. Kun aukon vieressä oleva elektroni siirtyy aukkoon ja tämä jatkuu samaan suuntaan, mahdollistuu elektronien virran kuljetus myös vajaalla valenssivyöllä. Tällöin aukko siirtyy valenssivyöllä vastakkaiseen suuntaan elektroneihin nähden. Puolijohteissa sähkövirran kulkeminen esitetäänkin negatiivisesti varautuneiden elektronien liikkeenä johtavuusvyöllä ja positiivisesti varautuneiden aukkojen liikkeenä valenssivyöllä. Elektroni voi myös pudota takaisin valenssivyölle aukkoon eli rekombinoitua. Tässä tapahtumassa vapaa elektroni muuttuu takaisin kiderakenteen sidoselektroniksi. Samalla muodostunut elektroni-aukkopari häviää elektronin luovuttaessa energiaa fotonin muodossa. Termodynaamisessa tasapainotilassa elektroni-aukkoparien muodostuminen ja rekombinaatio ovat tasapainossa. Ulkoisen energian kuten valon avulla saadaan lisättyä varauksen kuljettajia ja näin siirryttyä pois tasapainotilasta. [5, s. 451; 4, s. 73] Puolijohteiden seostaminen Puolijohdetta kutsutaan itseispuolijohteeksi, jos suurin osa elektroneista ja aukoista on peräisin itse puolijohdeatomeista. Puolijohdemateriaalien johtavuus riippuu vapaiden elektronien ja aukkojen määrästä. Puolijohteita seostetaan epäpuhtausatomeilla, jotta elektroni-aukko-pareja syntyisi enemmän ja rekombinaatio vähenisi, mikä taas parantaa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia. [4, s. 29] Jaksollisen järjestelmän viidennen ryhmän atomeilla on viisi valenssielektronia. Jos piitä seostetaan viidennen ryhmän alkuaineella kuten fosforilla (P), fosforin neljä valenssielektronia osallistuvat kovalenttiseen sidokseen. Kuvasta 2.9 nähdään, että viides va-

25 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 14 lenssielektroni ei voi osallistua sidokseen eikä siten ole valenssivyöllä. Se on sidottuna ryhmän viisi atomiin, joten se ei voi liikkua vapaasti kidehilan läpi eikä siis ole myöskään johtavuusvyöllä. Tämän elektronin vapauttamiseen tarvitaan kuitenkin hyvin pieni määrä energiaa (0,02 ev) verrattuna kovalenttiseen sidokseen osallistuviin elektroneihin. Tämä itse asiassa onkin syy koko seostamiseen. Piin energia-aukkoon 1,1 ev verrattuna tämä ionisaatioenergia on paljon pienempi ja siksi jo huoneenlämpötilan lämpöenergia riittää elektronin vapauttamiseen. Täten suurin osa elektroneista on vapautunut ryhmän 5 atomista ja jättänyt siihen positiivisen nettovarauksen. Johtavuusvyöllä olevaan vapaaseen elektroniin verrattuna tämän viidennen ryhmän epäpuhtausatomiin sidotun elektronin energia E i sijoittuu juuri johtavuusvyön alapuolelle muodostaen energiaaukkoon sallitun energiatason. Seostamista viidennen ryhmän alkuaineilla kutsutaan n- douppaukseksi. Koska n-tyypin puolijohteessa on vapaita elektroneja enemmän kuin aukkoja, elektronit ovat n-tyypin puolijohteen enemmistövarauksenkuljettajia. Kuva 2.9. Puolijohteen seostaminen (a) fosforilla ja (b) boorilla. Saman analogian mukaan kolmannen ryhmän epäpuhtausatomilla kuten boorilla (B) ei ole tarpeeksi valenssielektroneja neljään kovalenttiseen sidokseen. Tätä tilannetta voidaan ajatella siten, että nyt kolmannen ryhmän atomiin on kiinnitettynä aukko, joka edustaa hieman piiatomin aukkoa korkeampaa energiatilaa. Jos ollaan absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa, valenssivyön elektronit eivät pääse liikkumaan, sillä elektroneilla ei ole riittävästi energiaa hypätä booriatomin aukkoon. Huoneenlämpötilassa valenssivyön elektroneilla on sen verran enemmän energiaa, että booriatomin aukko toimii käytännössä samalla tavalla kuin piiatomin aukko. Aukon vapauttamiseen tarvittava energia on sama 0,02 ev kuin elektronin vapauttamiseen tarvittava ja siksi huoneenlämpötila riittää aukkojen vapauttamiseen jättäen kolmannen ryhmän atomeihin negatiivisen nettovarauksen. Sen vuoksi kolmannen ryhmän atomeihin sidottujen elektronien energiataso sijoittuu energia-aukkoon juuri valenssivyön yläpuolelle. Piin seostamista kolmannen ryhmän alkuaineella, jolla on kolme valenssielektronia, kutsutaan p-douppaukseksi. Tällaisista sidoksista puuttuu yksi elektroni. P-tyypin puolijohteessa aukkoja on enemmän kuin elektroneja ja siksi aukkoja kutsutaan enemmistövarauksenkuljettajiksi. [2, s. 122; 3, s. 28]

26 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA Valon absorboituminen Kaikki fotonin energia ei muunnu aurinkokennossa sähköksi. Aurinkokennon pinta heijastaa osan valosta ja osa välittyy aurinkokennon läpi. Lisäksi osa elektroneista rekombinoituu aukkojen kanssa. Aurinkokennot pystyvät muuntamaan fotonien energiasta vain energia-aukkoa vastaavan osan sähköenergiaksi. Tämän ylittävä energia muuttuu kiteissä lämmöksi. Siksi fotonin energia, jonka aurinkokenno muuntaa sähköenergiaksi, riippuu suuresti fotonin aallonpituudesta ja puolijohteen energia-aukon suuruudesta. Koska lausekkeen 2.9 fotonin energian sekä aallonpituuden riippuvuus tunnetaan, voidaan määrittää yhteys maksimiaallonpituudelle λ max ja puolijohteen energia-aukon suuruudelle λ max hc 1, 24 µm ev = =. (2.13) E E g g Tämä kuvaa fotonin suurinta mahdollista aallonpituutta, jolla se vielä pystyy virittämään elektronin puolijohteen valenssivyöltä johtavuusvyölle. [2, s. 125] Auringonvalon absorboituminen on siis fotonin muuttumista elektronin energiaksi, jonka avulla elektroni hyppää valenssivyöltä johtavuusvyölle jättäen jälkeensä aukon eli tuottaen elektroni-aukko-parin. Tämä on aurinkokennon toiminnan perusta. Lisäksi fotonin absorptioprosessiin liittyy vahvasti suure nimeltä kiteen värähtelyliikemäärä, p c, joka kuvaa kiderakenteessa olevien atomien koordinoitua värähtelyliikettä. Absorptioprosessissa sekä kokonaisenergian E = hf että partikkelien värähtelyliikemäärän p on säilyttävä. Kun johtavuusvyön energian minimiarvo osuu kuvassa 2.9 a) energiavärähtelyliikemäärä kuvaajassa samalle liikemäärän arvolle valenssivyön maksimienergian kanssa, valenssivyön elektronin virittyminen johtavuusvyölle onnistuu pelkällä fotonin energialla. Tällaista puolijohdetta kutsutaan suoran energia-aukon puolijohteeksi, joita ovat muun muassa galliumarsenidi (GaAs), kadmiumtelluridi (CdTe) ja kupari-indiumdigalliumselenidi (Cu(InGa)Se 2 ). Kun johtavuusvyön minimienergia ja valenssivyön maksimienergia kuvassa 2.10 b) eivät osu samalle liikemäärän arvolle, valenssivyön elektronin virittyminen johtavuusvyölle vaatii yleensä kiderakenteen välittäjähiukkasen, fononin. Fononi on aalto-hiukkasdualismiin liittyvä hiukkanen, jolla kuvataan atomien koordinoitua värähtelyliikettä. Tällaisia puolijohteita kutsutaan epäsuoran energia-aukon puolijohteeksi, joita ovat muun muassa pii (Si) ja germanium (Ge). Tämä on tärkeä asia tarkasteltaessa valon absorboitumista puolijohteeseen, koska se tekee merkittävän eron puolijohteiden valoabsorption välillä. [6, s. 66] Fotonin absorptioprosessissa kiteen värähtelyliikemäärä säilyy käytännössä muuttumattomana, koska fotonin värähtelyliikemäärä

27 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 16 p λ h = (2.14) λ on erittäin pieni verrattuna kiteen värähtelyliikemäärään p c h =, (2.15) l jossa kiteen hilavakio l << λ. [1, s. 43; 6, s. 70] Kuvan 2.10 a) suoran energia-aukon puolijohteen fotoniabsorptiossa energian säilymislain perusteella absorboidun fotonin energiaksi saadaan E = hf = E 2 E 1, (2.16) jonka täytyy olla energia-aukkoa E g suurempi absorption mahdollistamiseksi. Kun fotonin energia hf kasvaa, kasvaa myös mahdollisen siirtymiskohdan kiteen värähtelyliikemäärä. Absorption todennäköisyys riippuu E1-tason elektronien määrästä ja E2 -tason tyhjien tilojen määrästä. Koska sekä elektronien että tyhjien tilojen lukumäärät kasvavat mentäessä kauemmas vöiden reunalta, kasvaa myös absorptiokerroin nopeasti fotonin energian kasvaessa. Siis tilojen E 1 ja E 2 välin suuruisen energian omaava fotoni absorboituu todennäköisemmin kuin johtavuus- ja valenssivyön välisen energiaminimin omaava fotoni. Elektronin värähtelyliikemäärän säilyessä täytyy myös kiteen värähtelyliikemäärän olla alku- ja lopputilassa samat p 1 p 2 = p. [1, s. 44; 6, s. 71] Kuva Fotoniabsorptio a) Suoran energia-aukon puolijohteella b) epäsuoran energia-aukon puolijohteella

28 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 17 Kuvan 2.9 b) epäsuoran energia-aukon puolijohteilla valenssivyön maksimienergia saa eri värähtelyliikemäärän arvon kuin johtavuusvyön minimienergia. Siksi fotonin absorptioon tarvitaan kaksiportainen prosessi, jossa elektronin värähtelyliikemäärän säilyminen vaatii fotonien ja elektronien lisäksi myös fononin mukanaolon. Fononi sopii tilanteeseen, koska se on matalaenerginen hiukkanen ja sillä on hyvin suuri värähtelyliikemäärä. Elektroni voi siirtyä valenssivyön maksimienergiasta johtavuusvyön minimienergiatasolle tarvittavan värähtelyliikemäärän omaavan fononin emission ( hf > E 2 E1 ) tai absorption ( hf < E 2 E1 ) kautta. Energia ja värähtelyliikemäärä säilyvät molemmissa tapauksissa. Siten vaadittava minimienergia elektronin nostamiseen johtavuusvyölle on hf = E E, (2.17) g p jossa E p on tarvittavan värähtelyliikemäärän omaavan absorboidun fononin energia. Koska epäsuoran energia-aukon puolijohteiden absorptioprosessissa tarvitaan sekä fononia että elektronia, on absorption todennäköisyys paljon pienempi verrattuna suoran energia-aukon puolijohteisiin. Siksi absorptiokerroin on huono ja valo saattaa päästä hyvinkin syvälle puolijohteeseen ennen absorptiota. [1, s. 46; 6, s. 72] Koska yleensä sekä fononia että elektronia tarvitaan epäsuoran energia-aukon puolijohteiden fotoniabsorption mahdollistamiseksi, absorptiokerroin riippuu elektronien alkuja lopputilojen lisäksi myös sellaisten fononien saatavuudesta, joilla on vaadittu värähtelyliikemäärä. Siten suoran energia-aukon puolijohteisiin verrattuna epäsuoran energiaaukon puolijohteilla absorptiokerroin on pieni ja valo tunkeutuu syvemmälle epäsuoran energia-aukon puolijohteisiin. [1, s. 47; 6, s. 73] Edellä mainitut mekanismit ovat pääosassa fotonin absorptiossa. Fotoniabsorptio on kuitenkin mahdollinen myös epäsuoran energia-aukon puolijohteille ilman fononin läsnäoloa, jos fotonin energia on tarpeeksi suuri (piille luokkaa 3,8 ev). Päinvastoin myös suoran energia-aukon puolijohteille absorptio fononin läsnäollessa on mahdollista. Lisäksi absorboitumiseen vaikuttaa muutama muu mekanismi. Absorptio voi tapahtua epäpuhtauksien aiheuttamien energia-aukossa olevien energiatasojen ja energiavöiden välillä. [1, s.50; 6, s70] Puolijohdeliitos p- ja n-tyypin puolijohteita liitettäessä saadaan aikaiseksi pn-liitos. Koska p-tyypin puolijohteen seosatomeilla on vähemmän protoneja ja vastaavasti n-tyypin puolijohteen seosatomeilla on enemmän protoneja kuin puolijohteen atomeilla, n-puolen johtavuuselektronit diffundoituvat kuvan 2.11 mukaisesti p-puolelle ja p-puolen aukot vastaavasti n-puolelle. Liitoskohdan välittömässä läheisyydessä varauksenkuljettajia on hyvin vähän, koska elektronit ovat diffundoituneet n- puolelta p-puolelle jättäen positiivisia io-

29 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 18 neja, ja ovat täten muodostaneet liitoskohdan n-puolelle positiivisesti varautuneen alueen. Aukkojen diffundoituessa vastaavasti p-puolelta n-puolelle muodostuu liitoskohdan p-puolelle negatiivisia ioneja ja negatiivisesti varautunut alue. Siten pn-liitoskohtaan positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden alueiden välille muodostuu n-puolelta p- puolelle suuntautunut sähkökenttä, joka estää varauksenkuljettajia kulkemasta liitoksen läpi loputtomiin ja syntyy tasapainotila, jolloin liitoksessa ei kulje nettosähkövirtaa. Liitoskohdassa aluetta, jossa puolijohteet ovat luovuttaneet tai vastaanottaneet elektroneja, kutsutaan tyhjennysalueeksi, koska se on tyhjä vapaista varauksenkuljettajista. [2;1 s.64; 6 s.83] Kuva Aukkojen ja elektronien diffuusio tyhjennysalueeseen. Tasapainotilanteen ominaisuudet löydetään Fermitason määritelmästä. Termisessä tasapainotilassa olevalla järjestelmällä voi olla vain yksi Fermitaso. Koska n- ja p-puolien fermienergiat poikkeavat toisistaan, siirtyvät valenssi- ja johtavuusvyöt toisiinsa nähden liitoksen molemmin puolin. Kun elektroni nousee valenssivyöltä johtavuusvyölle ja siten vapautuu atomista tyhjennysalueelle, pyrkiessään energiaminimiin se kulkeutuu tyhjennysalueen sähkökentän vetämänä n-puolelle, jossa johtavuusvyön energia on pienempi. Samalla tavalla aukot liikkuvat p-puolelle noustessaan mahdollisimman korkealle energialle. Tämä voidaan selittää energiavyömallissa vyön taipumisella tyhjennysalueella, jota havainnollistetaan kuvassa Toisaalta pn-liitoksen eri puolella olevien valenssi- ja johtavuusvöiden erojen voidaan ajatella johtuvan sähkökentästä, koska energiaero on yhtä suuri energia kuin elektronin liikuttamiseen sähkökentän yli vaadittava energia. [2, s.124; 1, s.64; 6]

30 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 19 Kuva Aurinkokennon toimintaperiaate energiavyömallissa. Diodi on yksinkertainen pn-liitoksesta koostuva elektroniikkakomponentti. Itse asiassa aurinkokennojen voidaan sanoa olevan diodeja, joilla on poikkeuksellisen suuri pnliitoksen pinta-ala. Ilman pn-liitosta aurinkokennossa kyllä syntyisi elektroniaukkopareja, mutta ne rekombinoituisivat niitä liikuttavan voiman puuttuessa. Tämä voima saadaan aikaiseksi juuri liitoskohtaan syntyvällä sähkökentällä, joka erottaa elektronit ja aukot ja mahdollistaa niiden liikkeen eli sähkövirran. [4, s.95] 2.3. Aurinkokennon toimintaan vaikuttavat suureet Virta jännite -kuvaaja Toisin kuin vastuksella, diodilla on erittäin epälineaarinen virta-jännite-riippuvuus. Pnliitoksella on yksi ominainen piirre, johon sen käyttö sähkötekniikassa perustuu: ulkoisella jännitteellä ohjattuna virta voi kulkea liitoksen läpi vain toiseen suuntaan. Diodin virtaa I d voidaan mallintaa Shockleyn yhtälöllä I I e κt qv d = S 1, (2.18) jossa IS on diodin saturaatiovirta, q on alkeisvaraus, V on diodin yli oleva jännite, κ on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila. Diodin jännitteen V ollessa positiivinen p-puoli on suuremmassa potentiaalissa kuin n-puoli. Kun jännite on positiivinen, sähkökenttä työntää varauksenkuljettajat rajapinnalle ja virta kulkee diodin läpi. Tällöin diodi on myötäsuuntainen. Vastaavasti diodin ollessa estosuuntainen virtaa ei kulje. Tällöin jännite V on negatiivinen ja sähkökenttä vetää varauksenkuljettajat pois rajapinnan läheltä. Täten diodin sähkövirran johtavuutta ohjataan jännitteen avulla. [4, s.95] Vaikka aurinkokennon sähköiset ominaisuudet pimeässä muistuttavatkin pn-diodin toimintaa, aurinkokenno ja diodi ovat toiminnallisesti erilaisia. Kun diodin toimintaa ohja-

31 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 20 taan jännitteen avulla, aurinkokennon tapauksessa näin ei ole. Aurinkokennon yli ei syötetä jännitettä, vaan kennon jännite ja virta ovat seuraus kennossa tapahtuvista ilmiöistä kennon altistuessa auringon säteilylle. Valon osuessa aurinkokennoon syntyy valon synnyttämä virta, jota merkitään nyt I SC :llä. Tilannetta voidaan tarkastella piirtämällä kuvan 2.13 osoittama yksinkertainen kytkentä. Siinä aurinkokenno mallinnetaan valon voimakkuudesta riippuvan virtalähteen ja diodin rinnankytkentänä. Virtalähde kuvaa valon aikaansaamaa virtaa. Kuva Aurinkokennon yksinkertainen sijaiskytkentä. Siten aurinkokennon virraksi saadaan I = I I e κt qv SC S 1. (2.19) Pienillä jännitteen arvoilla diodin virta on mitätön ja tilanteessa V = 0 piirissä kulkee ainoastaan valon aikaansaama virta I SC eli oikosulkuvirta. Jännitteen noustessa tarpeeksi diodin virta kasvaa. Tällöin aurinkokennon virta laskee nopeasti. Piirin ollessa tyhjäkäynnissä eli tilanteessa I = 0 kaikki valon generoima virta kulkee diodin läpi. Näin ollen aurinkokennon tyhjäkäyntijännite voidaan kirjoittaa [3, s. 35; 6, s. 92] V OC κt I SC = ln + 1. (2.20) q IS Piiristä ei saada tehoa ulos kummassakaan, oikosulun tai tyhjäkäynnin tilanteessa. Silti ne ovat tärkeitä arvoja, koska ne kertovat piirin maksimivirran ja maksimijännitteen. [3 s.35; 6 s.93] Usein käytetään kuvan 2.14 monimutkaisempaa sijaiskytkentää. Siinä on huomioitu vuotovirta I r, joka on käänteisesti verrannollinen rinnankytkettyyn vuotoresistanssiin R r.

32 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 21 Lisäksi sarjaresistanssi R s kuvaa kennon ja johtimien välistä resistanssia sekä itse puolijohteen resistanssia. Kytkennät eroavat siis vain siten, että kuvan 2.12 ideaalitilanteen kytkennässä oletetaan sarjaresistanssin olevan nolla ja vuotoresistanssin olevan ääretön. Kytkentöjen eroa voidaan tarkastella tilanteessa, jossa sarjaan kytketyistä kennoista yksi on varjossa eikä siten tuota virtaa. Tällöin yksinkertaisessa sijaiskytkennässä kenno käyttäytyy estosuuntaisesti kytketyn diodin tavoin eikä johda virtaa. Yksinkertaisessa sijaiskytkennässä tehoa ei tuoteta, jos yksikin kenno on varjossa. Käytännössä aurinkokenno siis toimii kuvan 2.14 sijaiskytkennän mukaisesti. [5,7] Kuva Aurinkokennon sijaiskytkentä. Piirin yli vaikuttaa jännite V = V IR, (2.21) d s jossa V d on diodin yli oleva jännite ja R s on sarjavastus. Virraksi saadaan diodin alapuolella olevalle solmupisteelle Kirchoffin jännitelain perusteella ISC = I + Id + Ir. (2.22) Aurinkokennon maksimiteho Pmax saavutetaan niillä arvoilla, joilla virran ja jännitteen tulo saa maksimiarvonsa virta-jännite-kuvaajassa. Kuvassa 2.15 se on suurin mahdollinen suorakulmion pinta-ala virta-jännite-kuvaajan sisällä. Näiden maksimitehopisteen virran I mp ja jännitteen V mp arvojen avulla voidaan laskea kennolle ominainen täytekerroin

33 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 22 P V I = =. (2.23) max mp mp FF V OC I SC V OC I SC Kuva Aurinkokennon virta jännite kuvaaja. Täytekerroin kuvaa kahden suorakulmion pinta-alojen suhdetta kuvassa 2.14 eli virta jännite-kuvaajan suorakulmaisuutta. Sen arvo on aina alle yksi. Tyypillisiä arvoja kiteiselle piille on 0,7 0,75 ja amorfiselle piille 0,5 0,6 [3 s. 37; 6 s. 94; 5, s. 474] Olosuhteiden vaikutus Vaihtelevien olosuhteiden vuoksi aurinkokennon suoritusarvojen määrittämistä varten on sovittu standardiolosuhteet (engl. Standard Test Conditions, STC), jossa säteilytehotiheys on G = 1000 W/m 2, ilmamassa on AM = 1,5 ja kennon lämpötila on T = 25 ºC [3, s. 37]. Aurinkopaneelien standardiolosuhteissa mitattu huipputeho ilmoitetaan huippuwatteina (engl. Peakwatt, W p ). Käytännön sovelluksissa aurinkokennot eivät toimi standardiolosuhteissa. Kaksi tärkeintä primäärimuuttujaa aurinkokennon käyttöön liittyvissä olosuhteiden muutoksissa ovat kennon saavuttava säteilytehotiheys ja kennon lämpötila. Sekundäärisinä näihin vaikuttavat aiemmin mainitut tekijät kuten ilmamassa ja pilvisyys. Lisäksi kennon lämpötilaan vaikuttavat muun muassa ilman lämpötila, tuuli sekä kosteus. Aurinkokennojen operointilämpötilat vaihtelevat melko paljon. Siksi ymmärrys lämpötilavaihtelun vaikutuksista kennoille on tärkeää. Oikosulkuvirta ei ole kovin lämpötilariippuvainen, vaikka se kasvaa hieman lämpötilan funktiona. Tämä voidaan selittää kasvavalla valon absorboinnilla, koska lämpötilan kasvaessa valenssivyön elektronien lämpöenergia kasvaa ja entistä pienempienergiset fotonit pystyvät nostamaan elektronin johtavuusvyölle eli puolijohteen energia-aukko pienenee [1, s. 91]. Lämpötilan nousu

34 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 23 vaikuttaa kennosta saatavaan tehoon sitä alentavasti. Vaikka lausekkeesta 2.20 luulisi jännitteen V OC kasvavan lämpötilan funktiona, näin ei kuitenkaan ole. Lausekkeen 2.20 I S kasvaa lämpötilan funktiona, koska lämpötilan nousu lisää vähemmistövarauksenkuljettajien (n-puolella aukot ja p-puolella elektronit) määrää kennossa. Tämän takia kennon tyhjäkäyntijännitteen lämpötilariippuvuus on negatiivinen. Piikennolle jännitteen aleneminen lämpötilan funktiona on tavallisesti noin 2,3 mv/ºc. Täytekerroin on riippuvainen tyhjäkäyntijännitteestä, joten myös täytekerroin pienenee lämpötilan kasvaessa. Dominoiva lämpötilavaikutus on siis tyhjäkäyntijännitteellä, joka alenee lämpötilan noustessa ja vaikuttaa siten hyötysuhdetta alentavasti. Riippuvuus on pienempi suuremman energia-aukon materiaaleille. Esimerkiksi galliumarsenidilla lämpötilariippuvuus on vain puolet verrattuna piihin. [1, s. 92; 3, s. 44] Valon tuottaman sähkövirran määrä on verrannollinen energia-aukkoa suurempienergisten kennoon saapuvien fotonien määrään. Säteilytehotiheyden kasvattaminen kasvattaa fotonien määrää, mikä taas saa aikaan suuremman sähkövirran. Siten oikosulkuvirta on suoraan verrannollinen säteilytehotiheyteen eli lausekkeen 2.20 I SC riippuu lineaarisesti säteilytehotiheydestä. Jännitteen ja oikosulkuvirran välinen riippuvuus on logaritminen ja juuri sen vuoksi jännitteen riippuvuus säteilytehotiheydestä on pienempi kuin virtariippuvuus. Kennoon saapuva valon määrä on ylivoimaisesti suurin toimintaan vaikuttava olosuhdemuuttuja. Erilaisilla auringon suunnan seurantalaitteilla voidaan vuotuista energiatuotantoa kasvattaa jopa 40 % verrattuna kiinteästi asennettuihin paneeleihin [7, s. 177]. [3, s. 45] Käytännössä aurinkokennon tulisi toimia maksimitehon tuottavilla toimintasuureilla. Se ei kuitenkaan ole aina helppoa toteuttaa. Helpoin, mutta ei kaikista tehokkain, tapa on käyttää kennoa koko ajan maksimitehopistettä pienemmällä jännitteellä, koska oltaessa kuvaajan lineaarisessa osassa lämpötila vaikuttaa vain vähän kennosta saatavaan tehoon. Vaihtoehtoisia tapoja toimintasuureiden optimoinnille kuvataan luvussa Hyötysuhde Hyvin tärkeä aurinkokennon toimintaan liittyvä suure on hyötysuhde. Hyötysuhde määritetään standardiolosuhteissa kennon maksimitehopisteessä tuottaman maksimitehon suhteena kennon pinta-alalle tulevan valon säteilyn tehoon P in lausekkeen P FFV I P P η = max = OC SC (2.24) in in mukaisesti. On siis selvää, että tehokkaassa aurinkokennossa oikosulkuvirta ja tyhjäkäyntijännite ovat suuria ja täytekerroin niin lähellä arvoa yksi kuin mahdollista. Aurinkokennojen suunnittelussa onkin kaksi perustavoitetta: 1. rekombinaation minimointi kaikkialla kennossa ja

35 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA fotonien absorboinnin maksimointi siten, että fotonin energialle pätee E > E g. Siitä huolimatta, että yhtälöt näyttävätkin toisinaan monimutkaisilta, pääperiaatteet ovat helppo ymmärtää. Elektroni-aukko-parit syntyvät valon absorboinnin seurauksena ja varauksenkuljettajien kuljettama nettovirta on saatava hyötykäytettyä ennen varauksenkuljettajien rekombinaatiota. [6, s. 96] Suurin tekijä aurinkokennojen heikkoon hyötysuhteeseen on, että jokainen absorboitu fotoni riippumatta energiastaan voi tuottaa vain yhden elektroni-aukko-parin ja ylimääräinen energia muuttuu lämmöksi. Jo yksinään tämä tekijä pudottaa piikennon maksimihyötysuhteen noin 44 %:n tasolle. Toinen suuri tekijä on, että vaikka energia-aukon energiaa vastaava potentiaali erottaa muodostuneet varauksenkuljettajat, pn-liitokseen perustuvat aurinkokennot pystyvät antamaan vain osan potentiaalisesta maksimiulostulojännitteestään. Lisäksi etenkin piin ongelmana on epätäydellinen valon absorbointi, koska spektristä voidaan absorboida vain se osa fotoneista, joiden energia on energiaaukkoa suurempi eli fotonien suurin mahdollinen aallonpituus vastaa lausekkeen 2.13 mukaisesti energia-aukon suuruutta. Loput häviöistä johtuvat siitä, että osa valosta heijastuu kennon pinnalta takaisin, metalliset kontaktit varjostavat kennon pintaa, sähkövirta ei kulje häviöttömästi sekä vain osa valon synnyttämistä varauksenkuljettajista saapuu virtakontakteille, mistä johtuvat keruuhäviöt. Heijastuminen on yleensä luokkaa 10 % ja sitä voidaan vähentää käyttämällä useampaa pinnoitekerrosta tai teksturoimalla kennon pinta esimerkiksi pyramidin muotoisista paloista, minkä vuoksi heijastuneetkin fotonit voivat vielä absorboitua. Siten heijastuminen voidaan vähentää alle 1 %:n. Yhdessä teksturoinnin kanssa voidaan vielä parantaa valon absorboitumista valmistamalla kennon takakontakti heijastavaksi. Edellä esitetyistä häviöistä johtuen piin teoreettinen maksimihyötysuhde on hieman päälle 30 %. [1, s. 90; 3, s ] Maantieteellisen sijainnin vaikutukset aurinkoenergialle Paikalliset olosuhteet vaikuttavat suoraan aurinkoenergiajärjestelmän energian tuottoon. Tärkein aurinkopaneelien energian tuotantoon vaikuttava suure on auringon säteilyenergia, joka vähenee Maan liikeradasta johtuen päiväntasaajalta pohjoiseen mentäessä. Kuten aikaisemmin kerrottiin, aurinkokennon energian muunnostehokkuus riippuu kennon saavuttavasta auringon säteilytehotiheydestä, kennon lämpötilasta ja säteilyn spektristä. Nämä taas riippuvat maantieteellisestä sijainnista. [8] Aurinkopaneelin vuotuista energian tuottoa heikentää muun muassa ympäristön lämpötila maantieteellisestä sijainnista riippuen. Häviöt ovat luokkaa 3-13 prosenttia standardiolosuhteisiin verrattuna ja kasvavat päiväntasaajaa kohti mentäessä, joten Euroopassa häviöt ovat suurimmillaan Välimeren alueella. Pohjois-Euroopassa lämpötilasta aiheutuvat häviöt ovat huomattavasti pienemmät kuin Etelä-Euroopassa. Tästä johtuen Pohjois-Euroopassa paneelien todellinen hyötysuhde STC-hyötysuhteeseen verrattuna on

36 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 25 suurempi kuin etelässä. Käytössä olevan aurinkoenergian määrä etelässä on kuitenkin huomattavasti suurempi pohjoiseen verrattuna ja sen vuoksi etelässä aurinkovoimalat tuottavat enemmän energiaa nimellistehoa kohden. Näitä havainnollistetaan kuvassa A-kohdassa on piipaneelien vuotuinen keskiarvo todellisesta hyötysuhteesta verrattuna standardiolosuhteiden hyötysuhteeseen säteilytehotiheyden ja lämpötilan funktiona. B-kohdassa on aurinkovoimalan ennustettu vuotuinen energian tuotto huippukilowattia kohden, jota kutsutaan huipunkäyttöajaksi. Suomessa se on kuvan 2.16 mukaan samaa luokkaa Britannian ja Saksan kanssa, vaikka ne sijaitsevatkin huomattavasti etelämpänä. [8] Kuva Maantieteellisen sijainnin vaikutus aurinkopaneelien toimintaan. a) Aurinkopaneelin suhteellinen hyötysuhde. b) Järjestelmän huipunkäyttöaika. [8] Aurinkovoimaloiden energian tuotannossa voidaan Suomessa käyttää suuntaa antavana käyttökertoimena eli suhteena todellisen ja standardiolosuhteiden energian tuotannolle 0,75, joka on noin puolet Välimeren alueeseen verrattuna. Maantieteellisestä sijainnista johtuvia eroja voimaloiden käyttökertoimessa voidaan perustella kuvalla 2.16, jossa vasemmalla on se aika tunteina vuodessa, jolloin aurinko paistaa ja oikealla on keskimääräinen maanpäällinen säteilyenergiatiheys. Aurinkoinen aika tunteina Suomessa on noin 2000 tuntia, kun taas Välimeren alueella vastaava aika on noin 3000 tuntia. Välimerellä aurinko paistaa vuodessa siis keskimäärin puolet enemmän Suomeen verrattuna. Tämän vuoksi myös keskimääräinen päivittäinen auringon säteilystä saatava energia etelässä on Wh/m 2 eli yli kaksinkertainen suhteessa Suomessa saatavissa olevaa noin 2000 Wh/m 2 energiaan. Kuvan 2.17 mukaan parhaat maantieteelliset sijainnit aurinkoenergialle löytyvät aivan eteläisimmästä Euroopasta Välimeren alueelta. Hieman yllättäen Keski-Eurooppa on verrattavissa Pohjois-Eurooppaan ja pohjoisessa on aurinkoista aikaa vuodessa jopa enemmän kuin esimerkiksi Saksassa.

37 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 26 Kuva Maantieteellisen sijainnin vaikutus aurinkoenergiaan [9]. a) Auringon paiste vuodessa tunteina. b) Keskimääräinen päivittäinen maanpäällinen auringon säteilyenergiatiheys Paneelin atsimuutti- ja kallistuskulman vaikutus Aurinkopaneelin tuottama energia riippuu paneeliin osuvasta auringon säteilyenergiasta. Paneelin saavuttama auringon säteilyenergia taas riippuu maantieteellisen sijainnin lisäksi paneelin kallistuskulmasta sekä paneelin atsimuuttikulmasta eli kompassisuunnasta, jota kohti paneeli on asennettu. Pohjoisella pallonpuoliskolla Aurinko paistaa suurimman osan ajasta vuodessa etelästä ja eteläisellä pallonpuoliskolla vastaavasti pohjoisesta. Tämän vuoksi kiinteiden järjestelmien optimaalinen asennussuunta on päiväntasaajaa kohti. Pohjoisella pallonpuoliskolla mentäessä ajallisesti kauemmas keskikesästä aurinko paistaa keskipäivällä lähempänä horisonttia. Samoin suurenee myös optimaalinen kallistuskulma. Siirryttäessä suuremmalle leveyspiirille suurenee kesäpäivän ja talvipäivän pituusero. Sen vuoksi leveyspiirin kasvaessa korostuu kesäajan optimaalisen kallistuskulman merkitys verrattuna talviajan optimaaliseen kallistuskulmaan. Yleisenä nyrkkisääntönä pohjoisimpia ja eteläisimpiä leveyspiirejä lukuun ottamatta voidaan pitää optimaaliselle kallistuskulmalle β opt asennuspaikan leveyspiiriä φ. Pohjoisilla leveyspiireillä, kuten Suomessa leveyspiirin antamasta optimikallistuskulmasta tulee vähentää noin 10. Tarkemmin sanottuna leveyspiirin ja optimikallistuskulman välillä on yhteys βopt = 3,7 + 0,69 φ, (2.25)

38 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 27 josta on piirretty kuvaan 2.18 optimikallistuskulma leveyspiirin funktiona. Kuvasta nähdään, että Tampereen leveysasteella optimikallistuskulma on Optimikallistuskulma ( o ) Leveyspiiri ( o ) Kuva Optimikallistuskulma leveyspiirin funktiona. Optimaalisesta kallistuskulmasta poikettaessa häviöiden kasvamiselle voidaan sanoa suuntaa-antavana kertoimena noin 0,2 % astetta kohden. Atsimuuttikulman vaikutus on vielä pienempi. Optimaalisesta atsimuuttikulmasta poikettaessa voidaan sanoa suuntaaantavasti häviöiden kasvavan vain noin 0,08 % astetta kohden. Tästä johtuen esimerkiksi monet rakennusten katot ja seinät soveltuvat hyvin aurinkoenergiajärjestelmien asennuspaikaksi, vaikka ne eivät olisikaan suoraan etelää kohti. [6, s. 944] Yleensä auringon mitattu säteilyenergiadata ilmoitetaan maanpäällisenä säteilynä G vaakasuoralle tasolle. Maanpäällinen säteily voidaan jakaa suoraksi B, diffuusiksi D ja heijastuneeksi R säteilyksi. Heijastunut säteily tulee maasta heijastuneena ja diffuusi säteily on sironnutta ja siksi usein ajatellaan sen tulevan koko taivaalta. Paneelit asennetaan yleensä kulmaan vaakatasoon ja etelään nähden. Sen vuoksi laskettaessa paneelin saavuttavaa kokonaissäteilyä on kokonaissäteily ensin jaettava komponentteihinsa ja määritettävä kunkin komponentin osuus. Sen jälkeen paneelin kallistus- ja atsimuuttikulman vaikutus voidaan määrittää laskennallisesti. Laskennassa tarvitaan lähtötietoina mittausdata maanpäällisestä säteilystä G vaakasuoralle tasolle, aurinkovakio S, asennus-

39 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 28 paikan leveyspiiri φ, paneelin kallistuskulma β, paneelin atsimuuttikulma α sekä ympäristön heijastuskerroin ρ e. Ensimmäisessä vaiheessa mitattu maanpäällinen säteily jaetaan komponentteihinsa diffuusiksi, suoraksi ja heijastuneeksi säteilyksi, koska säteilyn eri komponentit saapuvat kallistetulle tasolle eri lailla. Suora komponentti avaruudessa saadaan laskettua empiirisillä yhtälöillä. Mitatun maanpäällisen ja laskennallisen suoran säteilyn osamääränä saadaan niin sanottu kirkkauskerroin, joka kuvaa keskimääräistä auringon säteilyn heikkenemää ilmakehässä valitulla paikalla ja valittuna kuukautena. Diffuusi komponentti voidaan laskea empiirisellä yhtälöllä kirkkauskertoimen ja maanpäällisen säteilyn avulla, jonka jälkeen suora komponentti saadaan maanpäällisen ja diffuusin komponentin erotuksena. Seuraavaksi määritetään laskennallisesti erikseen jokainen haluttuun kulmaan kallistetulle ja suunnatulle paneelille tuleva säteilyn komponentti. Viimeisenä maanpäällinen säteily kallistetulle paneelille saadaan kaikkien komponenttien summana. [3; 6] Maksimitehopisteen seuranta Maksimitehopiste siirtyy olosuhteiden muuttuessa. Kennon toimintapiste on tärkeä pitää optimaalisena kennon maksimitehopisteeseen nähden eli muuttaa toimintapistettä maksimitehopisteen mukana. Kennon toimiessa jännitteellä V ja virralla I saadaan kennon tuottamaksi tehoksi P = VI. (2.26) Olosuhteiden muuttuessa siten, että virta muuttuu I :n verran saadaan virraksi I = I + I. (2.27) Kun jännite muuttuu V :n verran, saadaan jännitteeksi V = V + V. (2.28) Siten tehoksi saadaan ( V + V )( I + I ) P + P = (2.29) ja tehon muutokseksi P = VI P + V I + VI + V I. (2.30) Jättämällä tästä äärimmäisen pieni termi V I pois saadaan

40 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 29 P = IV + VI. (2.31) Oltaessa maksimitehopisteessä on oltava P = 0. Tällöin edellisestä saadaan jossa dv di V =, (2.32) I Z d dv = (2.33) di on dynaaminen impedanssi ja Z s V = (2.34) I on staattinen impedanssi. Sijoitetaan lausekkeet 2.33 ja 2.34 lausekkeeseen Siten saadaan maksimitehopisteelle Z d = Z. (2.35) s Maksimitehopiste saadaan selvitettyä kolmella tavalla: 1. Syötetään paneeliin jaksoittain pieni virtasignaali ja mitataan dynaaminen impedanssi ja staattinen impedanssi. Tämän jälkeen toimintajännitettä nostetaan tai lasketaan kunnes saavutaan pisteeseen jossa on Z d = Z s. Tässä pisteessä paneeli toimii maksimiteholla. 2. Toimintajännitettä nostetaan niin pitkään, kuin suhde dp/dv on positiivinen. Toisin sanoen maksimitehopiste löydetään nostamalla jännitettä niin kauan, kuin teho kasvaa. Jos suhde dp/dv on negatiivinen, jännitettä pienennetään. 3. Käytetään hyväksi tietoa, että useimmille aurinkokennoille maksimitehopisteen jännitteen Vmp suhde tyhjäkäyntijännitteeseen V OC on suurin piirtein vakio, K. Esimerkiksi korkealaatuiselle kiteiselle piille on K 0,72. Asennetaan yksi kuormittamaton kenno sähköä tuottavan paneelin yhteyteen ja mitataan jatkuvasti kennon tyhjäkäyntijännite kennon ollessa samoissa olosuhteissa paneelin kanssa. Sitten sähköä tuottavan paneelin toimintajännite asetetaan arvoon KV OC, joka tuottaa maksimitehon. [7]

41 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA Puolijohteesta aurinkopaneeliksi Yksittäinen aurinkokenno tuottaa vain noin 0,5 V:n jännitteen, minkä vuoksi niitä ei yleensä käytetä yksittäisinä. Lähes aina kennoja kytketään paneeliksi, jolloin ne tuottavat suurempia jännitteitä. Riippuen käyttötarkoituksesta ja halutusta tehosta kennoja voidaan kytkeä sarjaan kasvattaakseen jännitettä ja rinnan kasvattaakseen virtaa. Paneeleita kytketään yhteen paneelistoiksi samalla periaatteella. Kennon, paneelin ja paneeliston yhteen kytkemistä on havainnollistettu kuvassa Kuva Aurinkokennon kytkeytyminen aurinkopaneeliin ja paneelistoon. Kennoja kytkettäessä sarjaan paneeliksi kasvaa paneelin jännite kuvan 2.20 a) mukaisesti. Kuvassa 2.20 b) havainnollistetaan vastaavasti rinnan kytkennän virtajännitekäyttäytymistä, jolloin virta kasvaa kennojen lukumäärän mukaan. Samalla analogialla kytketään myös paneelit paneelistoiksi. [5; 7] Kuva Sarjaan ja rinnan kytkennän vaikutus virtaan ja jännitteeseen. Paneeli koostuu yleensä useasta rinnakkaisesta rivistä sarjaan kytkettyjä kennoja. Tällainen paneeli voi jäädä osittain varjoon. Kun yksittäinen kenno jää varjoon, se ei tuota virtaa, vaan lämpenee kuorman tavoin teholla

42 2. AURINKOVOIMAN TAUSTALLA OLEVA TEORIA 31 P 2 = RI, (2.36) jossa R kuvaa varjossa olevan kennon resistanssia. Lämpöä tuottava kenno saattaa kuumentua niin paljon, että se vaurioituu ja heikentää koko paneelin tehoa. Tämän rivin muiden kennojen täytyy toimia suuremmalla jännitteellä korvatakseen varjossa olevan kennon jännitehäviö. Toiminnassa olevien kennojen suurempi jännite pienentää koko rivin virtaa. Virran aleneminen ei kuitenkaan ole suoraan verrannollinen varjostuneen pinta-alan suuruuteen ja on lähes olematon hyvin pienille varjopinta-aloille. Kuitenkin mikäli riittävän suuri määrä kennoja on varjossa, I(V)-käyrä menee rivin toimintajännitteen alapuolelle ja koko rivin virta menee nollaan pudottaen koko rivin tehon nollaan. Yleisesti käytetty tapa varjostuksesta johtuvien häviöiden eliminoimiseksi on jakaa rivit kuvan 2.21 mukaan osiin ohitusdiodeilla. Ohitusdiodit tarjoavat pieniresistanssisen tien muissa osissa olevien kennojen virralle varjokohdan ohitse. Näin koko rivin teho ei mene hukkaan rivin osittaisen varjostuksen aikana. [5; 7] Kuva Ohitusdiodien kytkentä.

43 32 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYT- TÖ Tässä luvussa esitellään tämän päivän yleisimmät aurinkokennomateriaalit ja tämänhetkiset trendit piiteknologiasta ja toisen sukupolven ohutkalvoteknologiasta, joka tullee valtaamaan aurinkokennomarkkinat lähitulevaisuudessa. Ohutkalvoteknologia pitää sisällään amorfisen piin ja ohuet piikalvot sekä monikiteiset puolijohdeyhdisteet kuten kupari-indiumdiselenidi, kadmiumtelluridi ja galliumarsenidi sekä nanoteknologiaan perustuvat väriainekennot. Lisäksi luvussa esitellään aurinkokennojen ominaisuuksia käytännössä ja aurinkokennomarkkinoita. Aurinkokennoja voidaan jakaa kategorioihin monella eri tavalla. Yksi tapa on lajitella ne puolijohteen paksuuden mukaan. Perinteiset kiteiset piikennot ovat noin µm paksuja. Vaihtoehtoinen tapa valmistaa aurinkokennoja on ohutkalvotekniikka, jossa kennon paksuus on 1-10 µm. Nykyään 80 % aurinkokennoista perustuu paksuun tekniikkaan ja loput 20 % on usein taskulaskimissa, kelloissa ja kulutuselektroniikassa käytettyä ohutkalvotekniikkaa. Yksi tapa jaotella aurinkokennot on tehdä se kennomateriaalin kiderakenteen mukaan kuten esimerkiksi yksikiteinen, monikiteinen ja amorfinen pii. Kennot voidaan jaotella myös niissä käytettyjen puolijohdetyyppien mukaan, tai tarkemmin, ovatko molemmat sekä p- että n-tyyppi samaa materiaalia. Molempien ollessa samaa materiaalia, liitosta kutsutaan sama-aineiseksi liitokseksi ja vastaavasti kun pn-liitos on tehty eri materiaaleista, kutsutaan sitä heteroliitokseksi. Tässä kategorisointi on tehty käytetyn kennomateriaalin mukaan Pii Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen. Piitä ei kuitenkaan esiinny luonnossa puhtaana, vaan se on piioksidipitoisissa mineraaleissa. Yleisyyden lisäksi piitä käytetään aurinkokennoteollisuudessa paljon jo olemassa olevan kehittyneen elektroniikan piitekniikan vuoksi. Vaikka piin ominaisuudet eivät tee siitä ideaalista aurinkokennokäyttöön, ovat piikennojen hyötysuhteet korkeimpien joukossa sekä niillä on suhteellisen hyvä valon absorbointikyky. Lisäksi pii on osoittautunut luotettavaksi niin maanpäällisissä kuin avaruussovelluksissa. [2; 5, s. 486; 10]

44 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Monikiteinen pii Raaka-aine aurinkokennoille ja muille puolijohteille voisi olla hiekka, mutta tavallisesti käytetään luonnollisesti puhdistettua korkealaatuista piioksidia (SiO 2 ) tai kvartsia. Ensimmäinen askel muuttaa piioksidi kiteiseksi piiksi on hyvin energiaintensiivinen prosessi. Se tehdään valokaariuunissa hiilen läsnäollessa, jolloin piioksidi ja hiili reagoivat muodostaen piitä ja hiilimonoksidia: SiO + 2C Si 2CO. (3.1) 2 + Reaktiotuotteena saatava pii on metalliteollisuuteen kelpaavaa (engl. Metallurgigal- Grade, MG) % piitä. Puolijohde- ja aurinkokennoteollisuutta varten piin tarvitsee olla paljon puhtaampaa, joten piitä puhdistetaan Siemens-prosessin avulla. Siinä pii sekoitetaan suolahapon kanssa kuparikatalyytin läsnäollessa Si + 3HCl SiHCl + H. (3.2) 3 2 Reaktiossa 3.2 syntyvät kaasut lauhdutetaan ja tislataan moneen kertaan. Tuloksena saadaan puolijohdeteollisuuteen kelpaavaa (engl. Semiconductor-Grade, SeG) trikloorisilaania SiHCl 3. Trikloorisilaanista pii erotetaan kuumentamalla sitä vedyn läsnä ollessa, jolloin vety korvaa piin trikloorisilaanissa SiHCl + H Si 3HCl. (3.3) Tuloksena saatava pii on 99,9999 % puhdasta monikiteistä piitä, joka kaadetaan sulana muottiin. Kiteet muodostuvat jähmettymisen aikana. Kovettuneet piipalkit sahataan käyttötarkoitukseen sopiviksi ohuiksi piikiekoiksi. [1, s.106; 5, s. 487]. Monikiteistä piitä voidaan valmistaa myös toisella tapaa niin sanotuksi nauhapiiksi. Tämä perustuu lankojen vetämiseen sulan piin läpi, jolloin kahden langan väliin jää sulan piin pintajännityksen ansiosta ohut piikalvo, joka kiteytyy piinauhaksi. Tällä tavoin prosessissa säästetään sahaamisesta johtuvaa hukkapiitä, jolloin päästään jopa 50 prosentin kustannussäästöihin. Kuitenkaan nauhapiin suuren kidevirhetiheyden ansiosta sen sähköiset ominaisuudet eivät ole piikiekkojen tasolla ja nauhan paksuus vaihtelee niin paljon, ettei se kelpaa aina suoraan aurinkokennomateriaaliksi. [6] Yksikiteinen pii Monikiteisestä piistä saadaan yksikiteistä Czochralski-prosessilla. Monikiteinen pii sulatetaan yhdessä douppausaineen kanssa. Piin tapauksessa se on yleensä boori, joten saadaan aikaiseksi p-tyypin puolijohdetta. Sen jälkeen sulan piin ja boorin sekoitukseen

45 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 34 upotetaan pieni, noin kynän kokoinen siemen-piikide. Hyvin tarkan lämpötilan säädön seurauksena siemen voidaan vetää hitaasti pyörittäen sulasta piistä siten, että sula pii jähmettyy siemenen pinnalle muodostaen poikkileikkaukseltaan pyöreän yksikiteisen piipalkin. Näistä palkeista leikataan ohuita siivuja, jotka ovat periaatteessa valmiita puolijohdemateriaaliksi. [1, s. 106; ] Tehtäessä aurinkokennoa täytyy vielä lisätä n-tyypin epäpuhtausatomeja korkealämpötilaisessa epäpuhtausatomien diffuusioprosessissa, jossa saadaan aikaiseksi pn-liitos. Yleensä siinä käytetään fosforia. Yleisimmässä prosessissa kantokaasua johdetaan sulaan fosforioksikloridin (POCl 3 ) läpi ja sekaan johdetaan hieman happea. Tämä johdetaan kuumennettuihin piisiivuihin, joiden pintaan syntyy fosforia sisältävä oksidikerros ºC:n lämpötilassa fosfori diffundoituu oksidista piihin. Kun fosforiepäpuhtaudet syrjäyttävät booriepäpuhtaudet piikiekon pinnoilla muodostaen ohuen vahvasti doupatun n-tyypin alueen, saadaan poikkileikkaukseltaan kuvan 3.1 a) mukainen piikiekko. Tämän jälkeen oksidikerrokset poistetaan sivuilta ja takaa. Siten saadaan poikkileikkaukseltaan kuvan 3.1 b) mukainen piikiekko. [1, s. 108; 5, s. 487; 11, s. 5] Kuva 3.1. Piin valmistus a) fosfori on diffundoitunut piikiekon pintakerrokseen muodostaen n-tyypin alueen, b) fosforikerrokset on poistettu piikiekon reunoilta ja alapuolelta. Metalliset virtakontaktit sekä p- että n-puolelle kiinnitetään yleensä tyhjiöhaihdutuksella. Siinä metallia kuumennetaan tyhjiössä niin paljon, että se höyrystyy ja sitten jähmettyy kylmemmän kennomateriaalin pinnalle. Alapuolelle yleensä laitetaan koko pinnalle kontakti, kun taas yläpuolelle haihdutetaan ohut ristikko, koska kontaktit varjostavat itse kennoa. [1, s. 109] Virtakontaktien valinnalla voidaan vaikuttaa kennon toimintaan. Käytettäessä alumiinia takakontaktina se ei ainoastaan toimi johtimena, vaan ollessaan myös kolmannen ryhmän alkuaine se muodostaa p + -kerroksen. Tämän kerroksen muodostamat ylimääräiset aukot pienentävät resistanssia piin ja alumiinin välissä vähentäen rekombinaatiota [5, s.488]. Vähentäen varjostusta etupuolen kontaktit voidaan tehdä leikkaamalla kennon pintaan laserilla ohuita viiltoja, jotka täytetään metallilla (engl. laser grooved, buriedcontact cells). Myös takapuolen kontaktit voidaan tehdä samalla tekniikalla. [11, s. 9] Yhdessä jalostuneimmista tekniikoista (PERL, the passive-emitter rear locally diffused) etupuoli teksturoidaan pyramidin muotoisilla ulokkeilla tai rei illä heijastumisen vähen-

46 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 35 tämiseksi ja valon absorboitumisen parantamiseksi [5, s. 488]. Piiteknologian vahvuuksina voidaan luetella suhteellisen korkea hyötysuhde, erinomainen kestävyys, suhteellisen pienikustannuksinen tuotantovolyymin kasvatus, tekniikan ja kulutusketjun kypsä ikä sekä potentiaali pienentää kustannuksia edelleen Ohutkalvopii Pii on epäsuoran energia-aukon puolijohde. Auringonvalon absorptioon vaadittava puolijohdekerroksen paksuus on suurempi kuin suoran energia-aukon puolijohteilla. Piin mahdollisimman täydelliseen absorptioon vaadittavan paksuuden raja on noin 700 µm. Niin suuri materiaalipaksuus ei ole suotavaa kaupalliseen tuotantoon, koska paksu piikerros nostaa kennojen kustannuksia. Yksityiskohtaiset mallit pinnan karakteristiikasta ja heijastumisesta piin sisällä auttavat valon absorptiota. Niiden avulla piikerroksen paksuutta voidaan pienentää. [6] Piikerrosta ohennettaessa pienenee absorptio ja siten myös virta. Virta siis kasvaa piikerroksen paksuuden funktiona ja saturoituu noin 700 µm:n kohdalle. 300 µm:n kohdalla virrantiheys on vielä viiden prosentin sisällä saturaatioarvosta, joten tällä paksuudella saadaan vielä tehokkaita kennoja. Sen lisäksi, että ohuempi piikerros säästää materiaalia, se myös pienentää sisäistä rekombinaatiota. Siten kennon ohentaminen kasvattaa tyhjäkäyntijännitettä ja parantaa täytekerrointa. Kuitenkin kennon ohentuessa pinnan kiderakenne ei ole tasaista, vaan pinnan rekombinaatio kasvaa hyvin merkittäväksi osaksi kokonaisrekombinaatiota. Tämä taas saattaa huonontaa tyhjäkäyntijännitettä, jos pinnan rekombinaatiota ei pienennetä samanaikaisesti. [6, s. 308] Materiaalin ohentaminen kasvattaa tyhjäkäyntijännitettä. Tilanne saattaa kuitenkin toimia päinvastoin, mikäli pinnan rekombinaatiota ei pienennetä jatkuvasti. Täysi hyöty piikiekkojen ohentamisesta aiheutuvan koko puolijohdetilavuudessa tapahtuvan rekombinaation pienenemisellä saadaan ainoastaan sisäänrakennetuilla sähköisillä varauksenkuljettajien heijastimilla. [6, s. 309] Siten ohuet kennot voivat tuottaa suuremman jännitteen ja täytekertoimen, jos pinnan rekombinaatiovaatimukset otetaan huomioon. Ottaen nämä seikat huomioon, ohuemmista kennoista saadaan tehokkaampia kuin paksuista kennoista ja on selvää, että kustannukset laskevat merkittävästi kennojen ohentuessa. Ohuissa piikennoissa pinnan teksturointi ja valoansoitus on ensiarvoisen tärkeätä. Aurinkokennoteollisuuden tavoitteena on ohentaa piikerrosta nykyisestä noin 350 µm:stä alle 100 µm:iin seuraavien vuosien aikana ja siitä edelleen aina 10 µm:iin asti. [6] 3.2. Ohutkalvotekniikka Perinteiset ensimmäisen sukupolven aurinkokennot kärsivät monista rajoitteista. Yksi hyvin olennainen rajoite on niiden perusmateriaalin, piin valmistustekniikasta johtuva korkea hinta. Hyvin olennainen tapa pienentää aurinkosähkön kustannuksia on vähentää kennomateriaalin määrää pienentämällä sen paksuutta. Jos olisi mahdollista ohentaa

47 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 36 kennoa ylläpitäen sama teho, laskisivat materiaalikustannukset. Juuri tämä on toisen sukupolven aurinkokennojen eli ohutkalvokennojen tavoite. Niiden absorptiohyötysuhde on noin 100-kertainen kiteiseen piihin verrattuna. Siten 1-2 µm:n materiaalipaksuus riittää absorboimaan jopa 90 % valosta. Tämä helpottaa vähentämään puolijohdemateriaalin massaa olennaisesti ja siten alentaa hintaa. Ohutkalvokennojen arvioitu takaisinmaksuaika on 3-5 kertaa lyhyempi kuin piin. Ohutkalvokennojen perusrakenne on ensimmäisen sukupolven kennoihin verrattuna samantapainen. Olennaisin ero on, että ohutkalvokennoja ei valmisteta bulkkiraaka-aineesta vaan ne valmistetaan yleensä kuvan 3.2 tapaan ohuen lasisuperstraatin alle tai lasisubstraatin päälle erilaisilla kasvatustekniikoilla. Suurten alueiden yhtenäisen monoliittisen integroinnin avulla saadaan minimoitua hukkapinta-ala sekä liitettyä materiaalit ja virtakontaktit jo kasvatusvaiheessa. Tällä tavoin kennoja ei tarvitse juottaa virtakontaktien avulla sarjaan, vaan kennot kytkeytyvät automaattisesti sarjaan. Ohutkalvokennot koostuvat yleensä 5-10:stä eri kerroksesta. Jotkut näistä ovat vain nm:n paksuisia ja siitä huolimatta ne voidaan valmistaa joko neliömetriluokan lasisubstraatin päälle tai jopa kilometriluokkaa oleville joustaville muovi- tai metallisubstraateille [12]. Sen vuoksi ohutkalvotekniikka sopii hyvin massatuotantoon, jonka avulla valmistuskustannuksia saadaan pienennettyä. Etupuolen virtakontaktina käytetään yleensä läpinäkyvää johtavaa oksidikerrosta SnO 2 tai ZnO, joten siitä ei aiheudu varjostavaa pintaa itse kennomateriaalille. Takapuolen virtakontaktina voidaan käyttää muita metalleja kuten alumiinia. Tulevaisuudessa pyritään myös käyttämään absorption tehostamiseksi materiaaleja, joissa valenssi- ja johtavuusvyön välissä on kolmas vyö, sekä materiaaleja, joissa yksi fotoni voisi vapauttaa useamman elektroni-aukkoparin [13; 14]. Kuva 3.2. Ohutkalvokennon yksinkertainen rakennekuva. Ohutkalvokennojen tarvitsema vain nanometriluokan puolijohdekerros on kiteisen piin satoihin mikrometreihin verrattuna hyvin vähän. Kennomateriaalin ohuuden ansiosta fotonit, jotka eivät absorboidu, kulkevat kennon läpi kokonaan. Tämä taas luo kaksi erityisominaisuutta. Puoliläpinäkyvyytensä ansiosta ohutkalvopaneeleita voidaan käyttää esimerkiksi rakennusten ikkunoissa, jolloin ne tummentavat ikkunaa ja tuottaa sähköä

48 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 37 samanaikaisesti. Lisäksi niistä voidaan tehdä tandemkennoja, jotka absorboivat spektristä suuremman alueen fotoneja eri kerrosten erikokoisten energia-aukkojen takia. Yksikerroksisten ohutkalvokennojen hyötysuhteet eivät ole yhtä hyviä kuin kiteisten piikennojen, mutta käytettäessä tandemkennoja päästään perinteisiä piikennoja parempiin hyötysuhteisiin. Moniliitoksisia tandemkennoja käsitellään tarkemmin luvussa 3.3. [5, s. 493; 15] Ohutkalvotekniikalla on lukuisia etuja piikennoihin verrattuna, vaikka ohutkalvokennot eivät ylläkään yksikerroksisina kiteisten piikennojen saavuttamiin hyötysuhteisiin. Pitkällä aikavälillä toteuttaakseen oletuksen, että tuotantovolyymin nostaminen johtaa kustannusten suuntautumisen materiaalikustannuksiin, on kiinnitettävä huomiota ohutkalvoihin piin sijasta. Toistaiseksi ei ole kuitenkaan vielä pystytty ratkaisemaan lopullisesti kaikkia ohutkalvoteknologian vaatimuksia. Piiteknologiaan verrattuna tämän päivän ohutkalvovalmistustekniikka on nuorta, eikä vielä tarpeeksi kehittynyttä ohutkalvojen suureen massatuotantoon, jossa paneelien valmistuskustannukset saataisiin alle yhden euron huippuwattia kohden [12]. Lisäksi valitettavasti moni ohutkalvotekniikassa tarvittava materiaali on myrkyllinen, niiden saatavuus on niukkaa ja kennojen kestävyys ei ole vielä kovin tutkittua piikennoihin verrattuna. Aurinkokennoteollisuudessa monet piin lisäksi käytetyt aineet ovat harvinaisia. Ohutkalvokenoissa käytettäviä galliumia, germaniumia, indiumia, rutheniumia, seleeniä ja telluuria louhitaan vähemmän kuin kultaa, mikä jo sinänsä selittää niiden suhteellisen korkean hinnan. [16; 17] Amorfinen pii Piipohjaiset aurinkokennot voidaan valmistaa myös lasin tai polymeerisubstraatin päälle höyrystetystä ohuesta amorfisesta piikalvosta. Tämä tapa vaatii vain vähän valmistusmateriaalia ja siksi sen tuotannossa aiheutuu säästöjä. Valitettavasti tämä tekniikka tuottaa suuren kidevirhetiheyden ja siksi amorfisen piin, a-si, hyötysuhde on monikiteistä piitä heikompi. Ohuiden kerrosten takia tässä tekniikassa on mahdollista hyödyntää tandemliitoksia, mikä on nostanut amorfisen piin hyötysuhdetta yli 10 prosenttiin. [6; 15] Vastakohtana kiteisille materiaaleille amorfisella piillä ei ole säännöllistä kiderakennetta. Kiteisen piin kiteissä sama atomijärjestys toistuu pitkällä välimatkalla. Yksikiteisellä piillä se voi olla jopa muutama senttimetri. Amorfisella piillä sama atomijärjestys toistuu vain alle nanometrin välimatkalla, joten sen ei sanota olevan kiteinen. Sen epäjärjestyneessä hilassa on paikallisia tetran muotoisia sidoskuvioita, joissa on rikkinäisiä Si-Si -sidoksia. Nämä rikkinäisten sidosten aiheuttamat materiaalin kidevirheet toimivat eräänlaisina rekombinaatiokeskuksina. Epäjärjestyksen vuoksi värähtelyliikemäärän säilymislaki ei päde a-si:lle ja sen absorptiokerroin on korkeampi. Absorptiokerroin on amorfiselle piille kahta kertaluokkaa korkeampi kiteiseen piihin verrattuna, mikä vuoksi se tarvitsee vain muutaman mikrometrin paksuuden tehokkaaseen auringonvalon absorptioon. Kuitenkin a-si:n epäjärjestyneen rakenteen vuoksi kidevirheitä esiintyy paljon (~10 19 /cm 3 ), mikä taas estää aineen douppauksen, koska kidevirheissä muodostuneet

49 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 38 varauksenkuljettajat rekombinoituvat. Tämä ongelma voitetaan passivoimalla rikkinäiset sidokset pienillä atomeilla, jotka pääsevät kiteisiin ja liittävät ne toisiinsa. Tämä tehdään seostamalla amorfiseen piihin vetyä noin 5 10 %. [6; 13] Amorfisen piin laitesuunnittelu eroaa kiteiseen piihin perustuvien laitteiden suunnittelusta kahdella tapaa. Substraattina käytetty lasi voidaan korvata ohuella joustavalla terässubstraatilla, jolloin kennosta saadaan niin joustava, että se voidaan laittaa rullalle käytön jälkeen. Tällaiset kennot soveltuvat monenlaisille alustoille. Amorfisen piin teoreettinen maksimihyötysuhde on 28 %. Parhaat laboratoriohyötysuhteet ovat luokkaa 13 % ja kaupallisten paneelien hyötysuhteet kuitenkin vain luokkaa 5 8 % [5, s. 494]. Valon aikaansaamien varauksenkuljettajien muodostuminen täytyy tapahtua alueella, jossa on koko ajan sähkökenttä. Tämä saadaan aikaan p-i-n -rakenteella, jossa kevyesti doupattu tai kokonaan douppaamaton i-alue (engl. intrinsic) erottaa p- ja n-alueet. n- alueen runsaiden positiivisten varausten ja p-alueen runsaiden negatiivisten varausten muodostama sähkökenttä kattaa lähes koko kennon paksuuden. Sen vuoksi valon missä kohtaa tahansa kennoa aikaansaamat elektroni-aukkoparit kulkeutuvat i-alueen läpi sähkökentän kuljettamina. Lisäksi varauksenkuljettajien pieni liikkuvuus doupatuilla alueilla sekä kerrosten ohuus aiheuttavat riittämättömän johtavuuden mahdollistaakseen sivulta tulevat varauksenkuljettajavirrat. Tämän voidaan kuitenkin korjata läpinäkyvällä johdinoksidilla. [11, s. 17] Osa vedyttämisen tuottamasta hyödystä kumoutuu valon vaikutuksen alaisuudessa. Absorptio i-kerroksessa aiheuttaa Strabler-Wronski efektiä, joka heikentää hyötysuhdetta lisäämällä kidevirheitä ja kasvattamalla sirontaa. Strabler-Wronski efekti on riippuvainen fotonien absorptiomäärästä ja siten kennoon kohdistetun valon intensiteetistä, sen kestoajasta ja i-kerroksen paksuudesta. Sisävalaistuksella tähän on vain pieni vaikutus verrattuna ulkona olevaan auringon valoon. [3, s. 65] Kaupalliset kennot täytyy siksi suunnitella stabiilisti toimiviksi auringonvalossa. Laboratoriolaitteiden taas ei tarvitse olla niin stabiloituja. Kaupallisten kennojen ja stabiloimattomien laboratoriokennojen välillä on suuri ero hyötysuhteissa. Tämä selittää yksikerroksisten amorfisten kennojen suhteellisen alhaisen hyötysuhteen ja sen miksi amorfiset kennot eivät ole saavuttaneet suurempaa osaa markkinoilla. [11, s. 16] Yksiliitoksisen kennon hyötysuhde voi laskea Strabler-Wronski-efektin vuoksi jopa 30 % ja siksi sen minimointi on tärkeätä [6, s. 511]. Koska Strabler-Wronski-efekti on riippuvainen myös i-kerroksen paksuudesta, voidaan sitä pienentää monikerroksisilla liitoksilla, joissa valon absorptio on jaettu kahteen tai kolmeen i-kerrokseen [3, s.65]. Amorfisen piin energia-aukko on yleensä 1,75 ev, joka on hieman kiteisen piin energiaaukkoa (1,12 ev) suurempi. Energia-aukon kasvaessa kennon jännite kasvaa ja virta pienenee, koska pienemmällä määrällä fotoneita on tarpeeksi energiaa luoda elektroniaukkopareja. Koska teho on jännitteen ja virran tulo, löytyy yksiliitoksiselle kennolle optimi energia-aukko, jolla saadaan tehokkain laite. Tällainen optimaalinen energia-

50 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 39 aukko on noin 1,4 ev (AM1), joten kiteisen piin energia-aukko on liian pieni ja amorfisen liian suuri. Amorfisella piillä on sellainen kätevä ominaisuus, että sen energiaaukkoa voidaan muuttaa seostamalla sitä toisten IV-ryhmän aineiden kanssa siten, että siirryttäessä ryhmässä ylöspäin energia-aukko kasvaa. Alentaakseen a-si:n energiaaukkoa kohti optimia sitä voidaan seostaa jaksollisessa järjestelmässä piin alapuolella olevan germaniumin kanssa. Näin energia-aukkoa saadaan alennettua arvoon 1,3 ev. Jos taas a-si:tä seostataan sen yläpuolella olevan hiilen kanssa, saadaan energia-aukko kasvatettua arvoon 2 ev. Näitä molempia käyttämällä saadaan aikaiseksi tandemliitos. Idea on tehdä monikerroksisia puolijohdeliitoksia siten, että alaspäin mentäessä energiaaukko pienenee. Näin ylin kerros absorboi kaikista suurienergisimmät fotonit ja päästää lävitseen pienienergisemmät fotonit, jotka absorboituvat alemmalle kerrokselle ja niin edelleen. Tällä tavalla hyötysuhdetta saadaan nostettua. [5, s. 497] Kadmiumtelluridi Kadmiumtelluridilla (CdTe) on tiedetty olevan ideaalinen energia-aukko auringon valon absorboimiseen jo 1950-luvulta lähtien. Teknologian valinta kaupallisiin tuotteisiin voidaan siten perustella sen sopivuutena odotettuihin markkinoihin, olemassa olevaan tietotaitoon ja taloudellisiin näkökohtiin. [3, s. 71] On olemassa pienikustannuksisia tekniikoita valmistaa kadmiumtelluridia korkealaatuisia aurinkokennoja varten. Kadmiumtelluridi on paras esimerkki ryhmien II VI yhdisteistä. CdTe:n energiaaukko on 1,44 ev, jonka vuoksi se on lähellä optimia maanpäällisissä sovelluksissa. Vain yhden mikrometrin paksuinen kerros absorboi jopa 90 % kyseessä olevalla energia-aukolla käytettävissä olevasta auringon valosta [12]. CdTe voidaan doupata sekä p- että n-tyyppiseksi, mutta yleensä sitä kuitenkin käytetään p-kerroksena heteroliitoskennoissa. Heteroliitoksissa ongelmia aiheuttaa kahden aineen erikokoinen kiderakenne, mikä aiheuttaa kuvassa 3.3 esitettyjä rikkinäisiä sidoksia. Kiderajojen aktiivisuutta materiaalissa on kuitenkin mahdollista pienentää jälkikäsittelyllä, jossa kiteitä suurennetaan [11, s. 23]. Lisäksi tuotannossa olevien paneelien hyötysuhde on alle puolet laboratoriopaneeleihin verrattuna. Yksi siihen vaikuttava tekijä on, että laboratorioissa käytettävä korkean lämpötilan borosilikaattilasi on liian kallista massatuotantoon. Myös yleisesti käytetyn CdTe/CdS/SnO 2 -liitoksen CdS-kerroksen paksuuden kriittisyys on ongelmallinen, sillä kerros saa olla laboratorio-olosuhteissa paljon ohuempi, kuin mikä on tuotannossa mahdollista. [5, s. 499]

51 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 40 Kuva 3.3. Kahden eri materiaalin erisuurien kiderakenteiden aiheuttama rikkinäinen sidos. Kadmium on ympäristömyrkky ja mahdollinen karsinogeeni. Ympäristönäkökulmat liittyen kadmiumin ja sen yhdisteiden myrkyllisyyteen ovat hidastaneet CdTe-tekniikan tuloa. Nämä asiat nousevat esille CdTe-kennojen valmistuksessa, kehityksessä ja kennojen hävittämisessä elinkaarensa lopussa. Tuotantoon liittyvät ongelmat pystytään epäilemättä hallitsemaan. Tuotekehityksen vaarat johtuvat lähinnä myrkyllisten kaasujen syntymisestä esimerkiksi tulipalon yhteydessä. Erityishuomiota tarvitsee tuotteiden loppusijoittaminen ja hävittäminen, ettei Cd pääse pohjavesiin. Tuotannon jatkuvuuden puute nostaa esille lisää huolenaiheita kierrättämiseen liittyen. [11, s. 23] CdS/CdTepaneelit sisältävät noin 6g kadmiumia neliömetriä kohden, mutta se on täysin eristetty kennon sisälle, joten normaalikäytössä se ei aiheuta riskejä. Lisäksi kadmiumtelluridi on yhdisteenä kemiallisesti stabiilimpi eikä niin haitallinen kuin kadmium sellaisenaan [12]. Jos kaikki aurinkopaneelin kadmium höyrystyy esimerkiksi tulipalon vuoksi, hengitettäessä tätä kaasua muodostuu vakava terveysriski. Kuitenkin todennäköisyys hengittää vaarallinen määrä kadmiumia ilman, että hengittää tappavaa määrää muita palotuotteita, on todella pieni. [5, s. 499] Euroopan alueella sekä CIS- että CdTe-kennoja uhkaa vaarallisten aineiden käyttöä rajoittava RoHS-direktiivi, joka kieltää käyttämästä kadmiumia 0,01 painoprosenttia enempää [18]. Toistaiseksi aurinkokennot ovat kuitenkin vapautettu RoHS-direktiivin alaisuudesta, koska näiden avulla voidaan pienentää sinkkiteollisuuden sivutuotteena saatavan kadmiumin ympäristövaikutuksia ja ylläpitää korkea turvallisuus kuluttajalle. Aineiden myrkyllisyys saattaa kuitenkin vaikuttaa negatiivisesti nykyajan yhä ympäristömyönteisempään ajattelutapaan ja sitä kautta markkinoihin. [17, s.387]

52 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Kupari-indiumdiselenidi ja sen seokset Kiinnostus kolmiarvoiseen kupariin alkoi 1970-luvulla ja ensimmäiset ohutkalvokennot kupari-indiumdiseleenistä (CuInSe 2, CIS) valmistettiin vuonna Kupariindiumdiseleeni on kolmiarvoinen yhdiste. Se koostuu ensimmäisen ryhmän alkuaineesta kuparista, kolmannen ryhmän alkuaineesta indiumista ja kuudennen ryhmän alkuaineesta seleenistä. I-, III-, ja VI-ryhmän puolijohdeyhdisteitä kuten kupariindiumdiseleeniä, kuparigalliumdiseleeniä (CGS) ja niiden seosta kupari-indiumgalliumdiseleeniä (CIGS) kutsutaan usein kuparikiisuksi niiden tetragonaalisen kiderakenteen vuoksi. Seosten energia-aukot soveltuvat hyvin homo- ja heteroliitoksille sekä suora energia-aukko minimoi absorptiokerroksen paksuuden. Sähköiset ominaisuudet ovat stabiilit ja niitä voidaan muuttaa stoikiometrian ja douppauksen avulla. Seostamalla joko galliumia indiumiin, rikkiä seleeniin tai molemmilla tavoilla saadaan energiaaukon suuruutta muokattua välillä 1,0 2,4 ev. Nämä materiaalit ovat helposti valmistettavissa laajasta kirjosta eri yhdisteitä. [5, s. 500; 11, s. 23; 10; 13] Kupari-indiumdiseleeni voi olla joko n- tai p-tyypin puolijohdetta ja sen absorptiokerroin on suurin mitattu. CIS:n sähköiset ominaisuudet riippuvat suuresti kupari/indiumsuhteesta ja stoikiometrian ohjaus on olennaista tehokkaalle kennolle. CIS-kennoja ei yleensä valmisteta sama-aineisiksi liitoksiksi, koska ne eivät ole stabiileja eivätkä tehokkaita, vaan parhaat kennot ovat heteroliitoksisia kadmiumsulfidin (CdS) kanssa. Näiden aineiden kiderakenteet sopivat hyvin yhteen, joten kiteiden välinen rekombinaatio ei ole voimakasta. CdS voi olla vain n-tyypin puolijohdetta, joten näissä liitoksissa CIS on p-tyypin puolijohdetta. Optimaalisessa kennossa on ohut, noin 30 nm:n kerros CdS:a. [3, s. 68] Ulkoisen häiriön, esimerkiksi säteilyn aiheuttamat virheet CIGS:n rakenteessa korjaantuvat itsestään voimakkaasti liikkuvien kupari-ionien vaikutuksesta. Tämä on luontainen etu käytettäessä CIGS:ä aurinkokennomateriaalina. Kuitenkin kapseloimattomien laitteiden on huomattu heikkenevän lämmön ja kosteuden vaikutuksessa. Saadakseen samanlaisen kestävyyden kuin piikennoilla on kapselointiin tehtävä ilmatiiviit tiivisteet. Kapseloitujen CIGS-kennojen stabiilisuus ei ole enää ongelma useiden suoritettujen kenttätestien tuloksien perusteella. Vaikka CIS- ja CIGS-kennojen hyödyt ovatkin yleisesti tiedostettu, on niiden tehon havaittu heikkenevän huomattavasti, jopa yli 10 % ensimmäisten 6 12 kuukauden aikana ulkoilmakäytössä. Lisäksi CdS on myrkyllistä ainetta, joten sen korvaamista kannattaisi harkita. [11, s. 23; 13] Galliumarsenidi Galliumarsenidi (GaAs) on ollut aurinkokennotutkijoiden mielenkiinnon kohde useita vuosia. Se muodostuu III-ryhmän aineesta galliumista ja V-ryhmän aineesta arseenista. Galliumarsenidilla on 1,42 ev:n suuruinen suora energia-aukko, joka on lähes ideaalinen auringon valon spektriin nähden ja siksi GaAs kennot ovatkin yksiliitoksisista ken-

53 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 42 noista tehokkaimpia. Piihin verrattuna GaAs:n lämpöstabiilius ja säteilyn kesto ovat omaa luokkaansa. Galliumarsenidi on kuitenkin hyvin kallista. [6; 5; 15] GaAs-kennon hyötysuhteen lämpötilariippuvuus on positiivinen toisin kuin piin. Sen vuoksi ne sopivat erittäin hyvin auringonsäteilyä kerääviin järjestelmiin. Myös kosminen säteily vaikuttaa GaAs-kennoihin vähemmän kuin piikennoihin ja ohutkalvoina ne ovat kevyitä, joten ne sopivat hyvin avaruuskäyttöön. Toisaalta gallium on erittäin harvinaista ja siksi kallista ainetta. Kun tämä vielä yhdistetään kennojen erittäin vaativaan valmistustekniikkaan, tulee valmistuskustannuksista niin korkeat, että niiden käyttö painottuu juuri avaruuskäyttöön ja aurinkokeräinkennojen yhteyteen. Suuren kiinnostuksen kohteena ovat myös moniliitoskennot, joissa GaAs yhdistetään muiden materiaalien kanssa. Galliumarsenidia käytetään usein galliumindiumfosfidin sekä germaniumin kanssa moniliitoskennoissa ja aurinkokeräinkennoissa niiden yhteensopivan hilarakenteen ja energia-aukkojensa vuoksi. GaInP:n energia-aukon suuruus on noin 1,9 ev riippuen kuitenkin kasvatusoloista sekä galliumin ja indiumin järjestyksestä. Germaniumin ( E g = 0, 67 ev) sähköiset ja optiset ominaisuudet ovat hyvin tutkittuja. Sen hilarakenne on GaAs:n kaltainen timanttirakenne. Se on myös mekaanisesti GaAs:a lujempi soveltuen hyvin lisäaineeksi GaAs-substraatteihin. Galliumin, indiumin ja germaniumin harvinaisuuden vuoksi pitkäaikaisen saatavuuden ennustaminen on vaikeata. [6] 3.3. Moniliitoskennot Vuosisadan lopulla aurinkokennojen hyötysuhteen nostamisen tutkiminen kääntyi moniliitoskennoihin. Moniliitoskennoja kutsutaan usein myös III V -kennoiksi niissä käytettyjen materiaalien koostuessa pääasiallisesti ryhmien kolme ja viisi alkuaineista. Tämän hetken parhaan hyötysuhteen kennot ovat kolmikerroksisia koostuen GaInP:sta, GaAs:ta ja Ge:sta. Koska näiden materiaalien sähkö-optiset ominaisuudet ovat muokattavissa, sopeutuvat nämä materiaalit erittäin hyvin moniliitoskennoiksi. Tällaiset kennot muodostuvat kahdesta tai useammasta sarjaan kytketystä kerroksesta, jotka jokainen muodostavat yhden puolijohdeliitoksen. Niiden suurempi hyötysuhde on seurausta kyvystä muuntaa suurempi osa auringon valosta sähköksi, mikä saadaan aikaan eri puolijohdemateriaalien erikokoisista energia-aukoista, jotka absorboivat suuremman osan fotoneista auringon spektristä. Kennot valmistetaan siten, että päällimmäisenä kerroksena on materiaali, jolla on suurin energia-aukko. Se absorboi suurienergisimmät fotonit ja päästää lävitseen pienempienergiset fotonit seuraavalle materiaalille ja niin edelleen. [6; 15; 19]

54 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Moniliitoskennon toimintaperiaate Moniliitoskenno absorboi suuremman osan auringon spektristä kuin yksiliitoskenno. Ajatellaan ideaalista yksiliitoksista kennoa, jonka energia-aukko on E g. Fotoni, jonka energia hf on suurempi kuin E, absorboituu. Tästä fotonin energiasta osa, joka on suuruinen, muuttuu sähköenergiaksi ja ylimääräinen energia hf E g muuttuu lämmöksi. Kuitenkaan fotoni, jonka energia on pienempi kuin g E g :n E g ei absorboidu eikä muutu sähköiseksi energiaksi. Siksi suurin sähköenergian muunnostehokkuus on fotonilla, jonka energia on yhtä suuri kuin E g. Koska auringon spektri on laaja pitäen sisällään fotoneja välillä 0 4 ev, yksiliitoksisien kennojen tehokkuus on rajoittunut. Sen vuoksi spektri jaetaan osiin ja muunnetaan osat sähköenergiaksi materiaaleilla, joiden energia-aukko on juuri niihin sopiva. Ajatellaan kuvan 3.4 tilannetta, jossa vaaka-akselille on piirretty aallonpituus lausekkeiden energian, taajuuden ja aallonpituuden yhteyden avulla. Kuva 3.4. Moniliitoskennon toimintaperiaate Spektri jaetaan energian mukaan kolmeen osaan hf1, hf1 hf2 ja hf2 hf3 siten, että pätee hf1 > hf2 > hf3. Näiden spektrin alueiden valo muuntuisi sähköenergiaksi oletuksella, että on E g 1 = hf1, E g 2 = hf 2 ja E g 3 = hf3. Tästä seuraa, että mitä useampaan osaan spektri jaetaan, sitä suurempi osa fotoneista absorboituu ja päästään suurempaan kokonaishyötysuhteeseen. Tämä tapahtuu kuitenkin siten, että siirtyminen yhdestä kahteen energia-aukkoon on huomattava. Siitä eteenpäin ero pienenee aina lisättäessä energia-aukkojen määrää. Tämä on sinänsä hyvä, koska käytännössä yli neljän tai viiden

55 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 44 liitoksen kennojen toiminta ja stabiilius ovat hyvin arveluttavia. Hyötysuhteen kasvaminen energia-aukkoja lisätessä ei kuitenkaan pidä paikkaansa, mikäli materiaaleja ei valita oikein. [6, s. 364] Yleisesti käytetty tapa on kasata kennot 1, 2 ja 3 kuvan 3.4 tapaan päällekkäin. Energiaaukkojen täytyy pienentyä alaspäin mentäessä. Tällöin auringonvalo osuu ensimmäisenä kennoon, jolla on suurin energia-aukko, E g1. Fotonit, joiden energialle pätee hf > E g 1, absorboituvat. Sen jälkeen fotonit joiden energia on hf < E g 1, jatkavat ensimmäisen kennon läpi ja näistä fotoneista absorboituvat toiseen kennoon ne joille on voimassa Eg 2 < hf < Eg1. Viimeisenä fotonit, joiden energia on hf < E g 2, jatkavat toisen kennon läpi ja ne fotonit, joille pätee Eg3 < hf < Eg 2, absorboituvat kolmanteen kennoon. Tällaisessa tapauksessa täytyy kaikkien muiden liitoksien materiaalien, paitsi alimman, olla läpinäkyviä, jotta valo pääsee niistä läpi aina viimeiseen kennoon asti. [6] Moniliitoskennojen käyttö Moniliitoskennojen korkea säteilynkestävyys on saanut avaruusteknologian kiinnostumaan niistä avaruussovellusten energialähteenä ja viimeisten vuosien aikana GaAskennot ovatkin korvanneet perinteiset piikennot avaruustekniikassa. [6, s. 363] Tällä hetkellä moniliitoskennot ovat maanpäälliseen käyttöön sellaisenaan vielä liian kalliita. Se johtuu kalliista materiaaleista, prosesseista ja moniliitoskennoteollisuuden suuntautuneisuudesta avaruustekniikkaan, jossa luonnollisesti kustannukset eivät ole niin merkittävä kriteeri. Jo moniliitoskennojen tuotanto vaatii suuria investointeja, koska ainoastaan yksi niiden kasvatusprosesseihin käytettävä MOVPE-reaktori maksaa miljoonia euroja sekä lisäksi Ge- tai GaAs-substraatti on hyvin kallista verrattuna muihin kennomateriaaleihin. Aurinkokennoteollisuuden vaikeutena on se, että tietyn tehoiseen aurinkopaneeliin tarvitaan useita aurinkokennoja. Suuri määrä taas tarkoittaa suuria kustannuksia substraateille. Koska kasvatusajat ovat pitkiä, tarvitaan MOVPE-reaktoreita paljon. Lisäksi suurissa kennoissa virheiden määrä kasvaa ja heikentää tehokkuutta. Tämä on erittäin tärkeä asia, koska puhuttaessa pienistä laitteista kuten muista elektroniikkakomponenteista, yksi virhe voi vioittaa yhden laitteen tuhannesta, mutta puhuttaessa suuremmista laitteista yksi virhe voi vioittaa yhden kymmenestä. Tämä on yksi syy siihen, miksi moniliitoskennoja ei käytetä vielä suuren luokan maanpäällisissä sovelluksissa. Yksi vaihtoehto pienentää suuren luokan moniliitosaurinkosähköjärjestelmien kustannuksia on käyttää kennoja aurinkokeräinpeilien tai linssien kanssa, jolloin valo heijastetaan suurelta alueelta linsseillä tai peileillä pienelle kennopinta-alalle. [6; 10; 15; 16]

56 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Aurinkokeräinkennot Aurinkokeräinkennot keräävät valon suurelta pinta-alalta pienelle kennopinta-alalle peilien tai linssien avulla. Pienen tarvittavan kennopinta-alan vuoksi voidaan käyttää tehokkaita ja kalliita moniliitoskennoja ja siten korvata tarvittava kallis kennopinta-ala halvemmalla optisella materiaalilla. Näin saavutetaan muun muassa pienemmät energian tuotantokustannukset ja korkeammat kennohyötysuhteet. Kuitenkaan käytännössä kustannusten pienentäminen korvaamalla kennopinta-alaa valon keskittämisellä ei ole vielä onnistunut, vaan keräintyyppiset järjestelmät ovat vielä perinteisiin ratkaisuihin nähden kalliimpia niiden todellisten markkinoiden puutteen vuoksi. Lisäksi valmistajia on hyvin vähän ja valmistusmäärät ovat pienet. Kuitenkin itse kennoja lukuun ottamatta materiaalit ja valmistustekniikka ovat yksinkertaisia, minkä vuoksi keräinkennoissa on vähemmän materiaaliongelmia harvinaisten ja kalliiden materiaalien takia, vähemmän myrkyllisiä aineita, kierrättäminen helppoa ja nopea tuotanto on mahdollista missä vain kuluttajaa lähellä. Ratkaisu tuntuu yksinkertaiselta ja on tutkittu jo pitkään. Kuitenkin käytännön sovellukset ovat osoittautuneet petollisen vaikeiksi kennojen lämpövuon aiheuttamien vaatimusten ja suurten virrantiheyksien vuoksi. Lisäksi kustannustehokkaiden ja luotettavien auringon seurausjärjestelmien löytäminen sekä järjestelmän muotoilu aiheuttaa ongelmia. Suurimman markkinavaikeuden aurinkokeräinkennoille luo niiden auringon sijainnista riippuva luonne, joka vaatii erillisen auringon seurausjärjestelmän. Se ei sovi tämän päivän rakennuksiin ja aurinkokennomarkkinoille, jotka ovat suuntautuneet pääasiassa rakennusten katoille. Perinteisille aurinkopaneeleille on jo olemassa valmiit markkinat, jotka suosivat pienempiä, liikuteltavampia ja usein verkosta irrallaan olevia ratkaisuja. Aurinkokeräinkennot taas rinnastetaan usein perinteisiin voimalaitoksiin niiden suurtehoisempaan luokkaan suuntautumisen sekä suuren ja ei-liikuteltavan rakenteensa vuoksi. Liikkuvien osien ja optiikan vuoksi keräinkennot vaativat enemmän huoltoa ja sen takia yleinen käsitys on, että ne eivät ole luotettavia. Lisäksi korkeilla valon intensiteettitasoilla järjestelmien rakentaminen perinteisistä aurinkokennoista tulee vaikeaksi, koska suhteelliset häviöt kasvavat kennon leveyden mukana. Erittäin kapeiden kennojen käyttö taas kasvattaa kontaktien suhteellista osuutta joka on pois energian tuotannosta. [6; 20-22] Aurinkokeräinkennotyypit Aurinkokeräinkennot voidaan jakaa eri luokkiin esimerkiksi valoa keskittävän optiikan toteutuksen, aurinkoa seuraavien akselien lukumäärän ja mekaanisen toteutuksen mukaan. Suurin osa aurinkokeräinkennoista perustuu joko valoa taittavien linssien toimintaan tai valoa heijastavien peilien tai kaukaloiden toimintaan. Kaikki yli 5 cm halkaisijaltaan olevat linssit ovat liian paksuja ja kalliita, minkä vuoksi käytetään Fresnel-linssejä. Niiden polttopiste voi olla sekä pisteen että suoran muotoi-

57 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 46 nen. Mikäli käytetään pistemäistä polttopistettä, linssin takana on yleensä yksi kenno ja kennorivi käytettäessä suoran muotoista polttopistettä. Useimmiten linssit tehdään akryylimuovista sen hyvän muovattavuuden ja säänkeston takia. Toinen tapa Fresnellinssien käytölle on koota ne parketiksi, joka suojaa vaikeasti puhdistettavissa olevaa linssin takapuolta ja itse aurinkokennoja. Vaihtoehtoinen tapa valoa taittaville linsseille on valoa heijastavat linssit tai peilit. Kuten hyvin tiedetään, poikkileikkaukseltaan paraabelin muotoinen pinta heijastaa valon paraabelin akselin suuntaisesti polttopisteeseen. Linssien tapaan myös paraabelien polttopisteet voivat olla sekä pisteen että suoran muotoisia. [6] Asettamalla kennon ympärille poikkileikkaukseltaan paraabelin muotoiset valoa heijastavat seinät saadaan yhdistetty parabolinen keskitin (engl. Compound Parabolic Concentrator, CPC). Siinä polttopisteet ovat vastakkaisella puolella kennoa. Paraabelit laajenevat ylöspäin mentäessä, kunnes pinta on pystysuora, jolloin avauskulma on suurin mahdollinen. Valon tullessa suurimmasta avauskulmasta se osuu vain toiseen paraabelipintaan ja heijastuu siitä kennon reunalle polttopisteeseen. Valon siirtyessä normaalin suuntaan säteet osuvat enemmän alaspäin ja kennoon Keskityksen vaikutus Aurinkokeräinkennoissa valon keräyspinta-alan suhdetta kennopinta-alaan kutsutaan keskityssuhteeksi. Keskityssuhteet vaihtelevat staattisten järjestelmien suhteesta 2 aina aurinkoa seuraavien järjestelmien suhteeseen Yleisin määritelmä valon keskityssuhteelle on geometrinen keskityssuhde, joka määritellään primäärilinssin tai -peilin pinta-alan suhteena aktiiviseen kennopinta-alaan eli valaistavaksi suunniteltuun pintaalaan. Kennon reunalla, jonne valoa ei keskitetä, on usein sähköliitosväylät. Tämä ei välttämättä heikennä kennon tehokkuutta, kuten kävisi tavallisen kennon tapauksessa. [6] Toinen tapa mitata keskitystä on keskityksen tehokkuus, eli monenko auringon säteilytehokkuus saadaan keskitettyä. Keskityssuhde 1000 aiheuttaa jo suhteellisen äärimmäiset olosuhteet. Stefan-Boltzmannin lain mukaan tällainen säteilyvoimakkuus lämmittää mustan kappaleen 1450 ºC:n lämpötilaan, joten tarvitaan tehokkaita jäähdytysjärjestelmiä [21, s. 106]. Auringon säteilyn standardi huippuarvo on usein asetettu arvoon 0,1 W/cm 2. Tavallisesti kaikki valon säteily ei tule kuitenkaan ylhäältä vaan diffuusin säteilyn takia säteilyä tulee myös muista suunnista eikä siksi pääse keräimen kautta itse kennoon. Siksi aurinkokeräinkennoille standardiolosuhteet eivät päde. Niille käytetään usein standardiolosuhteiden säteilyintensiteettinä arvoa 850 W/m 2, joka on suoran säteilyn osuus kirkkaana päivänä. Lisäksi, jos linssi taittaa tulevasta valosta 85 % kennoon, saadaan keskityksen tehokkuudeksi 0,85 0,85 = 0, 72 -kertainen määrä geometrisesta keskityksestä. Tällöin saadaan keskitettyjen aurinkojen määrä laskettua jakamalla keski-

58 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 47 tetyn valon säteilyintensiteetin keskiarvon ja aktiivisen kennopinta-alan suhde luvulla 0,1 W/cm 2 ja kertomalla kertoimella 0,72. Siis esimerkiksi 10 W:n keskitetty valo 2 cm 2 :n aktiiviselle kennopinta-alalle tuottaa 36 auringon säteilyintensiteetin. Koska aurinkokeräinkennot keräävät suurimmaksi osaksi suoraa säteilyä, diffuusin säteilyn osuus maanpäällisestä säteilystä vaikuttaa aurinkokeräinkennojen energian tuottoon sitä heikentävästi ja siksi todellisiin hyötyihin päästään vain aurinkoisilla alueilla. [6; 20; 22] Yleensä siis kennon aktiivinen pinta-ala on todellista pinta-alaa pienempi. Tyypillisesti 1 1 cm 2 kennon aktiivinen pinta-ala on 0,8 0,8 cm 2 = 0,64 cm cm:n piikiekosta saadaan 52 kpl 1 1 cm 2 kennoja. Näihin kennoihin kohdennettaessa 100-kertainen geometrinen keskitys tarvitaan primäärilinssiksi 8 8 cm 2 = 64 cm 2. Piikiekosta saatava kokonaisteho on siten 0,85 0, = 240 W. Jos piikiekko käytettäisiin perinteiseen tasokennoon, samalla hyötysuhteella sen pinta-alaksi saataisiin 78 cm 2 ja tehoksi 7,8 W. Yleensä aurinkokeräinkennoissa auringon keskityksen vaikutuksesta hyötysuhde on suurempi kuin samasta materiaalista valmistetuilla perinteisillä aurinkokennoilla, vaikka esimerkiksi piikennojen hyötysuhde laskee kennon lämpötilan funktiona. Tosin muualla paitsi kaikista aurinkoisimmilla alueilla valoa keskittävien järjestelmien huipunkäyttöaika on pienempi kuin perinteisten aurinkopaneelien. Aurinkokeräinkennoja on taloudellisesti kannattavaa käyttää vasta noin 1000:n keskityssuhteilla. Piin käyttöä rajoittaa keskityssuhde , koska suurempien keskityssuhteiden aiheuttama lämpötila ja syntynyt liiallinen virta aiheuttaisi häiriöitä. [1; 6; 16] Auringon seuranta Auringon seurantajärjestelmän tarkkuusvaatimukset riippuvat keskityssuhteesta. Mitä suurempi on keskityssuhde, sitä tarkempi täytyy auringon seurantajärjestelmän olla. Auringon seurantajärjestelmiä on sekä yksi- että kaksiakselisia. Pistepolttopisteiset keskittimet vaativat usein kaksiakselisen auringon seurantajärjestelmän, jotta keskitetty valo osuu jatkuvasti itse kennoon. Mekaanisesti nämä ovat vaativampia kuin yksiakseliset ratkaisut. Kuitenkin pistepolttopisteiset keskittimet yltävät suurempiin keskityssuhteisiin kuin suorapolttopisteiset ja siksi pienempiin kennokustannuksiin. Suorapolttopisteiset järjestelmät vaativat yleensä vain yksiakselisen seurantajärjestelmän. Ne kärsivät suurista optisista poikkeamista, kun aurinko ei paista kohtisuorasti linssiin nähden, koska linssin polttoväli pienenee auringon kulman kasvaessa linssin normaalista. [6, s. 456] Aurinkokeskittimet eivät välttämättä tarvitse auringon seurantajärjestelmää lainkaan, koska aurinko näkyy vain osassa taivasta. Yleensä tällaisissa sovelluksissa käytetään CPC-keskittimiä. Staattisia järjestelmiä voidaan valmistaa korkeintaan vain hieman yli 10:n keskityssuhteilla. Vaikka staattiset keskittimet ovat hyvin kiinnostavia monimutkaisen auringon seurantajärjestelmän poissaolon vuoksi, ei ole vielä kaupallista järjestelmää, jossa keskityksen aiheuttama kennokustannusten lasku kompensoisi keskittimen kustannukset. [6]

59 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Väriainekennot Väriaineherkistettyjä aurinkokennoja (engl. Dye-sensitized Solar Cell, DSSC) voidaan kutsua myös nanorakenteisiksi aurinkokennoiksi niiden nanorakenteisen fotoelektrodin vuoksi sekä kolmannen sukupolven aurinkokennoiksi. Lisäksi DSSC-kennoissa tapahtuvan fotosynteesin vuoksi niitä voidaan kutsua orgaanisiksi tai kemiallisiksi aurinkokennoiksi. Perinteisten aurinkokennojen toiminta perustuu pn-liitoksen molemminpuolisten puolijohdemateriaalien varaustenkuljettajien erottelevaan voimaan. Näissä valosähkökemiallisissa kennoissa tämä liitos on puolijohde-elektrolyyttiliuos. [6; 15; 21] DSSC-kennon sydämenä on jodidi-trijodidi -elektrolyytti ja huokoinen titaanioksidikerros eli fotoelektrodi, joka muodostuu nanokokoisista toisiinsa sintratuista titaanioksidipartikkeleista. TiO 2 -fotoelektrodille käytetään läpinäkyvällä johdinoksidilla (TCO) päällystettyä lasisubstraattia. Koska noin 10 µm:n paksuinen fotoelektrodi koostuu nanopartikkeleista, on sen pinta hyvin huokoista. Siten aktiivista pinta-alaa saadaan neliösenttimetriä kohden tuhatkertainen määrä. TiO 2 -kerroksen adsorboima väriaine, kuten ruthenium, absorboi valon. Väriainemolekyyli hapettuu fotonin osuessa siihen ja elektroni siirtyy TiO 2 :n johtavuusvyölle. Elektronit diffundoituvat TiO 2 -nanopartikkelien läpi kohti etukontaktia (TCO) ja lopulta ulkoisen kuorman kautta vastaelektrodille. Hapettunut väriainemolekyyli vastaanottaa elektronin I - -ionilta pelkistyen takaisin ja I - - ioni hapettuu takaisin I 3 - -ioniksi. Hapettunut I 3 - -ioni diffundoituu kohti vastaelektrodia pelkistyen takaisin jodidi-ioneiksi. Tätä havainnollistetaan kuvassa 3.5. Kuva 3.5. Väriainekennon toimintaperiaate.

60 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 49 Toisin kuin perinteisissä pn-liitokseen perustuvissa aurinkokennoissa, väriainekennoissa ei tapahdu elektroni-aukkoparien rekombinoitumista, koska elektronit liikkuvat vain väriaineesta puolijohteeseen ja valenssivyölle ei muodostu aukkoja. Varauksenkuljetus tapahtuu TiO 2 -kalvossa, joka on erillään väriaineesta, jossa fotonien absorptio tapahtuu. Sen vuoksi varauksenkuljettajien erotus tapahtuu tehokkaasti. Tämä mekanismi on samanlainen luonnon fotosynteesin kanssa. TiO 2 :n energia-aukko on niin suuri, etteivät fotonit absorboidu siinä. Mikäli näin kävisi, väriaineesta puolijohteeseen siirtyneet johtavuuselektronit rekombinoituisivat. [6] Väriainekennot ovat tällä hetkellä 15 vuotta tutkittuina suhteellisen uutta teknologiaa. Niiden ominaisuudet tunnetaan kuitenkin jo melko hyvin. DSSC-kennot ovat perinteisten kiinteän olomuodon kennojen ainoa vakava kilpailija ja niiden massatuotannon odotetaan olevan hyvin halpaa, koska materiaalit ovat halpoja sekä niiden kokoaminen on melko yksinkertaista ja helppoa. Kuitenkin päästäkseen kaupalliseen tuotantoon tarvitaan vielä kehitystä tehokkuuteen, stabiiliuteen ja itse kennotuotantoon liittyen. Muidenkin aurinkokennojen tapaan väriainekennojen tehokkuus laskee pinta-alan kasvun mukaan ja suuren kennon oikosulkuvirrantiheys saattaa laskea jopa 30 %. Lisäksi väriainekennojen yksi vaikeus on nanokiteisen TiO 2 -fotoelektrodin valmistuksen laadun tasaisuus. [6; 23-25] Yksi suurimmista ongelmista on pitkäaikaisesti stabiilien väriainekennojen valmistus. Vaikka sisätilatestit ovatkin osoittaneet hyviä tuloksia, on kennojen sinetöinnillä ja oikeiden kemikaalien löytämisellä saavutettava ulkoilman vaatimukset. Monoliittisillä väriainekennoilla on onnistuttu saavuttamaan lisää tehokkuutta, pitkäaikaista stabiiliutta ja luotu niille pienikustannuksisia tuotantosuunnitelmia [26]. Yli 10 %:n hyötysuhteita on saavutettu pienten, noin 0,25 cm 2 kennojen avulla ja on lisäksi havaittu fotoelektrodiin lisättävän hyvin ohuen magnesiumasetaattikerroksen lisäävän tehokkuutta. Lisäksi tavallisesti alle 10 %:n hyötysuhteita voidaan nostaa esimerkiksi moniliitostekniikkaa hyödyntäen. Tuotekehityksen tarkoitus on tuoda ilmi, kuinka tehokkuus, stabiilius ja taloudellisuus voidaan yhdistää aikaansaadakseen pienikustannuksisen, jopa alle 1 /W p kennotuotannon. DSSC-kennojen markkinat tulevat suuntautumaan perinteisille aurinkokennomarkkinoille keskittyen kuitenkin aluksi amorfisen piin markkinoille sisätiloissa käytettävään kulutuselektroniikkaan kuten taskulaskimiin ja kelloihin. Sen jälkeen markkinat levinnevät pientehoisiin verkosta irti oleviin sovelluksiin. [6; 23-25] 3.6. Aurinkokennotyypit ja käytännön toimivuus Suorituskyky Yleensä ensimmäisenä aurinkokennojen ominaisuuksista kiinnitetään huomiota hyötysuhteeseen. Taulukossa 3.1 on esitetty eri kennomateriaalien ja -tyyppien mitattuja

61 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 50 laboratorio- ja paneelihyötysuhteita. Laboratoriohyötysuhde on yhden laboratorioolosuhteisiin valmistetun kennon hyötysuhde ja paneelihyötysuhde on käytännön aurinkopaneelin hyötysuhde. Keskityssuhde-sarakkeesta näkee käytetyn auringon keskityssuhteen, mikäli kennoa oli testattu myös auringonsäteilyä keskittävällä järjestelmällä. Taulukko 3.1. Aurinkokennomateriaalien parhaita hyötysuhteita [6; 27-29]. Materiaali Laboratorio-η Paneeli-η Keskityssuhde (%) (%) Pii yksikiteinen 25,0 27,3 22,7 93 monikiteinen 20,4 Ohutkalvo Amorfinen pii tandem 9,5 12,1 10,4 CIS / CIGS 19,5 21,5 13,4 14 CdTe 16,7 10,7 Ohutkalvopii 16,6 8,2 III - V GaAs 26,1 27,8 216 InP 21,9 DSSC 10,4 Moniliitoskennot GaInP / GaAs / Ge 32 34,7 333 GaInP / GaAs 30.3 GaAs / CIS 25,8 GaInP/GaAs/GaInAs 40,1 143 Amorfisen piin hyötysuhteen laskuun vaikuttaa jopa 20 % valon aikaansaama virhetiheyden kasvaminen [30]. Monenlaisissa sääolosuhteissa tehtyjen tutkimusten mukaan amorfisen piin huipunkäyttöaika on noin 8 % korkeampi kuin kiteisen piin (c-si). Syy tähän on amorfisen piin huomattavasti pienempi tehon lämpötilakerroin, noin 0-0,2 % verrattuna kiteisen piin -0,4-0,6 %:iin. On jopa tutkimustuloksia amorfisen piin positiivisesta tehon lämpötilariippuvuudesta. Arizonassa tehdyn kenttäkokeen mukaan a-si - paneelilla oli 30 % parempi akun lataamiskapasiteetti ampeeritunneissa mitattuna verrattuna saman tehoiseen c-si paneeliin. Suurin kausittainen hyöty a-si paneeleista saadaan kesällä suurimman auringon säteilyintensiteetin vuoksi sekä lisäksi lämmin ilma pienentää valon aikaansaamaa virhetiheyden kasvua. Myös CIGS-kennojen huipunkäyt-

62 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 51 töajan on huomattu olevan kiteistä piitä parempia, muttei kuitenkaan amorfisen luokkaa. [12, s.401] Arizonassa tehdyn viisivuotisen tutkimuksen mukaan paneelien energian huipunkäyttöajaksi saatiin jopa 1813 kwh ac /kw dc käyttäen horisontaalista yksiakselista aurinkoa seuraavaa järjestelmää. Tutkituille järjestelmille aurinkoa seuraavien järjestelmien käyttö toi hyviä tuloksia kiinteisiin järjestelmiin verrattuna. Yksi- ja kaksiakselisen auringonseurausjärjestelmän energian tuotannon lisäyksen olivat 23 % ja vastaavasti 37 %. [31] Kestävyys Aurinkosähkön kustannuksia määriteltäessä yksi tärkeimmistä järjestelmän ominaisuuksista on sen kestävyys. Paneelin degradaatio eli tehon alentuminen vaikuttaa ajan myötä suuresti tuotetun energian määrään. Eri tahojen suorittamat kennojen kestävyyskokeet ovat saaneet kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) standardoimaan kiihdytetyin menetelmin tehtävän aurinkokennojen tyyppihyväksyntätestauksen. Tyyppihyväksyntätestauksesta selvinneiden laitteiden voidaan olettaa kestävän ulkoilmakäyttöä yli 20 vuotta. Paneelivalmistajat perustavat antamansa takuun nojaten juuri tällaisiin testauksiin esimerkiksi IEC standardin mukaiseen testiin, jossa paneelit alistetaan muun muassa mekaaniselle ja sähköiselle rasitukselle sekä ilmastonvaihteluille. IEC sertifioitu merkintä saattaa kuitenkin joissain tapauksissa olla harhaanjohtava, koska IEC ei tee testausta, vaan on standardiorganisaationa ainoastaan julkaissut kyseiset testimenetelmät. Yleisesti paneelien takuissa viitataan kolmeen asiaan: materiaaleihin, asennukseen ja paneelin tuottamaan tehoon. Materiaaleille ja asennukselle annetaan takuuta tavallisesti yhdestä viiteen vuotta. Paneelin tuottaman tehon taataan yleensä olevan 10 vuoden päästä yli 90 % ja 25 vuoden päästä vähintään % alkuperäistä. Tulevaisuudessa aurinkokennovalmistajat alkanevat antaa jopa 30 vuoden takuita. Viime vuosien aikana monet paneelivalmistajat ovat määritelleet tehotakuunsa uudelleen siten, että mukaan otetaan vielä tehotoleranssi (~5 %) ja mittaustarkkuus (~3 %). Sen vuoksi siis paneelin sallittu minimiteho olisi 25 vuoden jälkeen 80 prosentilla laskettuna P min P 0 0,95 0,8 0,97 0,737P 0 = = eli 73,7 % alkuperäisestä tehosta. Testauksien avulla ei kuitenkaan ole täysin mahdollista ennustaa paneelin käyttöikää, koska ikääntymiseen liittyviä kaikkia vikaantumismekanismeja ei testata eikä kaikkia edes tunneta. [32-35] Tehon heikkeneminen johtuu monesta tekijästä. Useimmin se johtuu kasvavasta resistanssista, kennojen tai lasin halkeamisesta, delaminaatiosta sekä kennon ja lasipäällysteen välissä käytettävän polymeerin värimuutoksista. Degradaatio on kiteiselle piille tavallisesti alle prosentin luokkaa vuodessa. Vuonna 2004 tehdyssä tutkimuksessa suoritettiin muun muassa standardin IEC61215 mukaiset testit 40 eri valmistajan paneeleille, jotka olivat olleet 22 vuotta ulkoilmassa. 22 vuoden jälkeen keskimääräiseksi degradaatioksi saatiin 9,7 % ja jätettäessä pois yksi selvästi muita huonompi paneelityyppi, oli

63 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 52 degradaatio 6,5 %. Oletettaessa degradaatiofunktio lineaariseksi vastaisi 10 %:n degradaatiota 33 vuoden ikä. [32] Kenttäkokeissa eri kennotekniikoiden välillä on eroja. Perinteisistä piikiekoista valmistetut paneelit ovat saaneet erinomaisia tuloksia kestävyydessä ja luotettavuudessa vuotuisen degradaation ollessa 0,3 1 %. Ohutkalvotekniikasta ei ole niin paljoa tutkimustuloksia. Amorfisen ja kiteisen piin degradaatiovertailututkimukset ovat toisinaan osoittautuneet ristiriitaisiksi. Yleisesti voidaan sanoa amorfisen piin pitkäaikaisen stabiiliuden olevan alkustabilointijakson jälkeen parhaimmissa tapauksissa kiteisen piin tasolla degradaation ollessa prosentin luokkaa vuodessa, mutta yleensä kuitenkin huonompaa [12, s.406; 34]. Uudella niin sanotulla triodikasvatusmenetelmällä sekä hyvin pienellä vetyseostuksella amorfisien piikennojen degradaatiota on saatu pienennettyä huomattavasti [30]. Amorfisen piin degradaatiosta on huonojakin esimerkkejä. Esimerkiksi vuonna 1992 Kalifornian Davisiin asennetun 479 kw:n ensimmäinen suuren kokoluokan amorfista piitä käyttävä järjestelmän teho oli laskenut 12 vuodessa 60 %:iin alkuperäisestä eli 270 kw:iin. Samalla paikalla olleen nauhapiistä valmistetun järjestelmän teho oli laskenut 11 vuodessa 80 %:iin alkuperäisestä. Kolmiliitoksiseen amorfiseen piihin perustuvan järjestelmän teho oli laskenut 10 vuodessa vain 10 % ja viimeisten neljän testivuoden aikana degradaatio oli 0,74 % vuodessa. CdTe-järjestelmän tehon alenemaksi on saatu 5,5 vuodessa 3,3 %, kun taas CIS-järjestelmien tehon on havaittu heikkenevän 8 vuodessa %. Toisaalta uudella tekniikalla on saavutettu huomattavasti parempia tuloksia ja voidaan olettaa nykyaikaisen tekniikan olevan kestävämpää kuin 1980-luvulla valmistetun. Ei ole olemassa olennaista syytä, miksi ohutkalvotekniikan pitäisi olla vähemmän kestävää kuin piikiekoista valmistettavat kennot. Itse asiassa ohutkalvotekniikalla voidaan poistaa joitain kiekoista valmistettujen paneelien perusheikkouksia kuten juotoksien vanheneminen, kennojen halkeaminen ja värimuutokset. [17; 34] Moniliitoskennojen käytön luotettavuutta aurinkokeräinjärjestelmissä on analysoitu samoista materiaaleista valmistettujen suurtehoisten ledien (engl. Light Emitting Diode, LED) kypsän tekniikan ja jo olemassa olevan tiedon avulla. Aurinkokennoissa käytettävät virrantiheydet ovat pienempiä kuin ledeissä ja lämpötila vaikuttaa enemmän ledien toimintaan kuin kennojen. Kosteus on haitallista ledeille kuten myös aurinkokennoille, minkä vuoksi kennojen kapselointi kosteuden estämiseksi on välttämätöntä luotettavia kennoja varten. On esitetty, että III-V kennot toimisivat aurinkokeräinjärjestelmissä luotettavasti jopa tuntia eli 34 vuotta olettaen jokapäiväiseksi käyttöajaksi 8 tuntia. Tämä on pidempi kuin tämän päivän piikennojen takuut. Toisessa tutkimuksessa ennustettiin kaksoisliitoskennojen tyhjäkäyntijännitteen laskevan 20 vuodessa 1000 auringon keskityssuhteella vain 0,5 % [36]. [37]

64 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ Aurinkokennomarkkinat 1950-luvulta lähtien aurinkokennot ovat kehittyneet valtavasti ja viimeinen vuosikymmen on ollut tärkeä aurinkokennoteollisuudelle sen vuosittaisen tuotannon kasvaessa 20-kertaiseksi sekä kustannusten laskiessa merkittävästi. Jos tämä kehitys jatkuu vielä, saavutetaan vuoteen 2015 mennessä maailmanlaajuisesti 30 gigawatin vuosituotanto ja päästään alle yhden euron wattihintaan. Nykyään piikennojen lisäksi on jo muutakin kennotekniikkaa käytettävissä. Kuitenkin piin käytön ja tutkimuksen pitkä historia ja vankka tietotaito luovat sille tällä hetkellä ylivoimaisen markkinaosuuden ja kilpailuvaltin. [16; 17] Kennotuotannon ja markkinoiden maantieteellinen levinneisyys Aurinkokennoteollisuus kasvaa räjähdysmäisesti. Vuodesta 1976 lähtien aurinkokennoteollisuuden keskimääräinen vuotuinen kasvuvauhti on ollut 35 % ja vuosina jopa 81 % [38] luvun lopun 1,2 GW p :n kumulatiivinen asennettujen aurinkopaneelien määrä nousi vuoden 2007 lopulla 9,2 gigawattiin. Siten aurinkoenergiateollisuus onkin yksi nopeimmin kasvavista teollisuusaloista. Sen vuoksi aurinkoenergiateollisuus saa jatkuvasti lisää toimijoita ja rahoitusta, vaikkakin tällä hetkellä 10 suurinta alan yritystä yksin kattavat yli 70 % aurinkoenergiamarkkinoista. [17; 39; 40] Vuoden 2007 aurinkokennomarkkinat nousivat 2826 megawattiin. Kasvua edellisvuodesta oli peräti 62 %. Euroopan markkinat kasvoivat 87 % vuoden 2007 aikana. Kuvassa 3.6 esitetään kumulatiivinen asennettu aurinkopaneeliteho sekä ennuste vuoteen 2012 asti. Vuoden ,9 GW p :n teho saavutetaan mikäli verkkoonsyöttötariffeja otetaan laajamittaisesti käyttöön. Tämän skenaarion mukaan seuraavan viiden vuoden aikana aurinkosähkömarkkinat kasvaisivat viisinkertaisiksi vuoden 2007 markkinoihin verrattuna. [39-42]

65 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 54 Kuva 3.6. Kumulatiivisen asennetun aurinkosähkötehon kehitysennuste [40]. Japani, Saksa ja Yhdysvallat ovat olleet selviä aurinkoenergian edelläkävijöitä tuottaen noin 90 % maailmassa tuotetusta aurinkosähköstä. Samoin itse kennovalmistus on suuntautunut pääasiassa näille alueille. Viime aikoina kuitenkin esimerkiksi Japanin kehitys on jäänyt paikoilleen ja markkinat ovat pienentyneet valtion tukiohjelman loputtua. Tästä syystä japanilaiset kennovalmistajat ovat alkaneet tuoda tuotteitaan yhä enemmän Eurooppaan, kuten myös Kiina tekee omien markkinoidensa pienuuden vuoksi. Kiinan tuottamista kennoista menee vientiin jopa 95 % ja tämän hetken suurin aurinkokennotuotantolaitosten kasvu on juuri Kiinassa. [43] Saksa on dominoinut Euroopan aurinkokennomarkkinoita. Vuoden 1999 uusien verkkoonsyöttötariffien jälkeen muutaman vuoden ajan yli 90 % Euroopan asennetusta aurinkovoimasta oli Saksassa [44, s. 12]. Saksan mallissa sähköyhtiöt ovat velvoitettuja maksamaan verkkoon liitetyistä aurinkosähköjärjestelmistä asiakkaalle 0,35-0,47 /kwh riippuen järjestelmän koosta ja tyypistä. Tämä maksu taas jakautuu sähkölaskuissa koko sähköä kuluttavalle kansalle sen ollessa kuukaudessa 1,25 /talous. Juuri tämän verkkoonsyöttötariffin avulla Saksa on noussut aurinkosähkön luvatuksi maaksi, vaikka se ei olekaan maantieteellisesti aurinkoisimmalla alueella. [43; s.58] Parin viime vuoden aikana Saksan syöttötariffeja on pienennetty 5 % ja markkinat ovat kasvaneet silti. Lisäksi niitä pienennettiin vielä 8 % vuoden 2009 alusta lähtien, joka saattaa hidastaa Saksan markkinakasvua. Tällä hetkellä Saksassa toimii yli 1500 yritystä aurinkosähköalalla. Saksan vuotuiset aurinkokennomarkkinat saavuttivat vuonna 2007

66 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ MW ja kattavat jopa 40 % koko maailman markkinoista. Myös Espanjassa aurinkosähkömarkkinat ovat nousseet räjähdysmäisesti verkkoonsyöttötariffien myötä. Vuonna 2007 Espanjan markkinat kasvoivat peräti 480 % niiden ollessa nyt yli 500 MW. Muita mainittavia nousijoita aurinkosähkömarkkinoilla vuonna 2007 oli Italia, jonne asennettiin uutta aurinkovoimaa 50 MW p. Sen vuoksi Italian aurinkoenergiamarkkinat kasvoivat 350 %. USA:han asennettiin 190 MW p uutta aurinkovoimaa ja lähitulevaisuudessa USA:n odotetaan nousevan taistelemaan jopa Saksan kanssa aurinkokennomarkkinoiden ensimmäisestä sijasta. Japaniin asennettiin uutta aurinkovoimaa 230 MW p ja muualle maailmaan 310 MW p. [39-43] Aurinkokennoteollisuus on jakautunut pääasiallisesti samoille maantieteellisille alueille kuin markkinat. Näistä kuitenkin Aasian maat kuten Kiina, Japani, Taiwan ja Intia tuottavat kennonsa lähes kokonaan vientiin omien markkinoiden pienuuden vuoksi. Kuvissa 3.7 ja 3.8 esitetään sekä maailmanlaajuinen että Euroopan aurinkokennovalmistus prosentuaalisesti. 6% 2% 11% 3% 28% 22% < 1% 27% USA: 273 MW Kiina: 1200 MW Australia: 35,4 MW Eurooppa: 1170,6 MW Japani: 932 MW muut: 141,1 MW Taiwan: 461,6 MW Intia: 64,2 MW Kuva 3.7. Maailman kennovalmistus vuonna 2007 [43; 45].

67 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 56 2% 3% 4% 3% 11% < 1% 75% Saksa: 877,6 MW muut: 9,5 MW Espanja: 132,3 MW Ranska: 39 MW Norja: 46 MW Hollanti: 36 MW Belgia: 29,1 MW Kuva 3.8. Euroopan kennovalmistus vuonna 2007 [43;45] Kennomateriaalien markkinat Piikennoteknologia on nykyään kaikista vanhinta ja kehittyneintä kennotekniikkaa sekä ylivoimainen markkinajohtaja. Kuvasta 3.9 nähdään, että kiteinen pii dominoi tämän päivän aurinkokennomarkkinoita peräti 91-prosenttisesti. Piikennoja on tutkittu jo niin paljon, että sen ympäristöllisetkin puolet tunnetaan hyvin. Ennen moniliitoskennojen laajamittaista maanpäällistä käyttöönottoa niiden ympäristövaikutuksia kuten jätteidenhallintaa, tuotannon ympäristövaikutuksia ja paneelien elinkaarta täytyy tutkia lisää. Lisäksi useat moniliitoskennoissa käytetyt materiaalit ovat harvinaisia. Piiteknologian suuret kustannukset ja ohutkalvotekniikan hyödyt ajavat aurinkokennojen kehitystä kuitenkin koko ajan enemmän ohutkalvoihin päin. [16]

68 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 57 3% 4% 2% 56% 35% monikiteinen pii yksikiteinen pii nauhapii amorfinen pii muu ohutkalvotekniikka Kuva 3.9. Aurinkokennoteknologioiden markkinaosuudet vuonna [46] Nykyään a-si, CdTe ja CIGS ovat valmistetuimmat ohutkalvotekniikat ja näistä a-si on selvästi ohutkalvokennojen markkinajohtaja. a-si -valmistustekniikka on kehittynyt parin viime vuosikymmenen aikana tuotannoksi. CdTe ja CIGS ovat näyttäneet suorituskykynsä ja niiden tuotantovolyymi tulee nousemaan seuraavien muutaman vuoden aikana hyvin paljon tuotekehityksen ja teollisuuden investoijien määrän moninkertaistuessa. Myös uusi teknologia orgaanisille ja väriainekennoille on kiinnostavaa niiden matalien tuotantokustannuksien sekä joustavien substraattien käyttömahdollisuuden vuoksi. Väriainekennoteknologia on kuitenkin vasta kehityksensä varhaisvaiheessa ja ne tarvitsevat aikaa ja kehitystä tullakseen osaksi kaupallista tuotantoa ja kilpailtuja markkinoita. Pelkästään ohutkalvokennojen markkinat kasvoivat 80 % vuonna 2006 ja yli kaksinkertaistuivat vuonna 2007 kattaen nyt noin 10 % markkinoista. Jos kaikki jo julkistettu ohutkalvotuotantokapasiteetti realisoituu, vuonna 2010 ohutkalvoteollisuus saattaa kattaa jo noin 6 GW:n tuotantokapasiteetin [44, s.7]. Tätä aurinkokennoteknologioiden kumulatiivisten osuuksien kehitystä selvennetään kuvassa 3.10.

69 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ koko markkinat (%) Pii Ohutkalvotekniikka Uudet tekniikat vuosi Kuva Aurinkokennotekniikan kehitystrendi [45] Hintojen kehitys Arvioiden mukaan aurinkokennojen hintojen kehittyminen alle euron wattihintaan ja siitä 0,3 /W:iin on mahdollista riippuen tuotantovolyymistä. Tänä päivänä on vielä suuri ero tuotekehitysvaiheessa olevien kennojen ja markkinoilla olevien kennojen välillä prosesseihin liittyvien ongelmien takia. Ohutkalvokennojen hinta on tänä päivänä melko korkea niiden tuotannon alhaisen volyymin takia. Lähitulevaisuudessa hintojen odotetaan kuitenkin laskevan olennaisesti. Aikaisempien kumulatiivisen tuotannon ja hinnan vaihtelun trendien perusteella voidaan ennustaa, että paneelien hinnat laskevat 20 % kumulatiivisen tuotannon kaksinkertaistumista kohden. Nämä trendit ennustavat, että 25 %:n kasvunopeudella saavutettaisiin noin 75 GW:n kumulatiivinen tuotanto vuoteen 2020 mennessä. Siten hintatavoite alle 0,2 /W p toteutuisi olemassa olevalla ohutkalvoteknologialla. Kiteisen piiteknologian täytyisi kiihdyttää kasvuvauhtiaan moninkertaiseksi tämänhetkiseen verrattuna saavuttaakseen saman tavoitteen. [13] Kuvassa 3.11 esitetään kiteisten piikennojen hintojen kehitystä. Nykyään halvimpien yksikiteisten ja monikiteisten paneelien verottomat hinnat ovat 2,92 /W p ja 2,90 /W p molemmat amerikkalaiselta jälleenmyyjältä. Halvimmat ohutkalvopaneelit löytyivät saksalaiselta jälleenmyyjältä hintaan 2,36 /W p. Nämä hinnat ovat yksittäisen paneelin

70 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA NIIDEN KÄYTTÖ 59 ja järjestelmän kokonaishinnasta yleensä noin %. Suurten järjestelmien kokonaiskustannukset ovat 4,71 / W p. [47] Kuva Teholtaan yli 125 W p aurinkopaneelien verottomien jälleenmyyntihintojen kehitys [48]. Kuva 3.12 antaa suuntaa aurinkokennojen kysynnän ja tarjonnan trendille. Ottaen huomioon faktan, että pii on hapen jälkeen maankuoren toiseksi yleisin alkuaine, viime vuosien aikana piin ylisuuri kysyntä on heikentänyt sen saatavuutta ja piikiekkojen toimituspula on antanut kennoteollisuudelle esimerkin kriittisen materiaalin laajamittaisen pulan vaikutuksista. Sen tarjontaan verrattuna suuri kysyntä on aiheuttanut materiaalikustannusten nousun. Tämän hetken tarjontaa suurempi kysyntä on hidastanut hintojen alenemista ja hetkittäin hinnat ovat nousseet. Sen vuoksi markkinoille on tullut yhä suurempi määrä aurinkokennoteollisuudelle kelpaavan piin jalostajia. Lisäksi kennovalmistajat siirtyvät jatkuvasti ohuempiin piikiekkoihin ja suurempiin hyötysuhteisiin materiaalisäästöjen vuoksi. Aurinkokennojen hyötysuhteen ja materiaalin käytön suhdetta selvitetään myös kuvassa Saksan ja Espanjan syöttötariffien muutokset saattavat johtaa myös kysynnän laskuun, joka yhdessä kasvavan tarjonnan kanssa johtanee ylitarjontaan ja yhä kasvavaan kilpailuun tuottajien puolella. Tämä taas pakottaa hinnat voimakkaaseen laskuun. [39; 44]