Jukka Kitunen Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa. Diplomityö

Transkriptio

1 Jukka Kitunen Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa Diplomityö Tarkastajat: Yliassistentti Aki Korpela ja Lehtori Risto Mikkonen Tarkastajat ja aihe hyväksytty Sähköosastoneuvoston kokouksessa

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma KITUNEN, JUKKA: Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa Diplomityö, 79 sivua, 1 liitesivu Joulukuu 2007 Pääaine: Moderni sähköenergiatekniikka Tarkastajat: Yliassistentti Aki Korpela ja Lehtori Risto Mikkonen Avainsanat: aurinkokenno, aurinkosähkö Suomessa, hajautettu energiantuotanto Aurinkokennot ovat puolijohdetekniikkaan perustuvia laitteita, jotka muuttavat valon energiaa suoraan sähköenergiaksi. Tässä työssä on selvitetty aurinkokennojen fysikaalinen toimintaperiaate kohtuullisella tarkkuudella. Aurinkokennojen suorituskyvyn riippuvuus olosuhteista on selitettävissä puolijohteen ominaisuuksilla. Markkinoilla on useita erilaisia aurinkokennotyyppejä, jotka eroavat toisistaan suuresti tekniikan kypsyyden suhteen. Perinteiset piihin perustuvat yksi- ja monikidekennot ovat olleet markkinoilla pitkään ja niillä on vakiintunut asema. Amornen pii, samoin kuin monet muut uudemmat aurinkokennomateriaalit, ovat suorituskyvyltään kiteistä piitä vaatimattomampia, mutta hinnaltaan edullisempia. Galliumarsenidiin perustuvat moniliitoskennot ovat erittäin tehokkaita, mutta kallis hinta rajaa niiden käytön erikoissovelluksiin. Työssä on kuvattu Tampereen teknillisen yliopiston sähkömagnetiikan laitoksella kesällä 2006 rakennettu aurinkosähkön mittausjärjestelmä. Laitteistolla vuoden aikana kerättyä mittausaineistoa on analysoitu ja tulosten perusteella on selvitetty sääolosuhteiden, vuorokauden- ja vuodenaikojen vaikutusta aurinkosähkön tuotantoon. Järjestelmän 125 watin nimellistehoinen aurinkopaneeli tuotti vuoden aikana 117 kwh sähköenergiaa. Aurinkosähkön käyttö maailmassa on viime vuosina lisääntynyt voimakkaasti. Lähes koko kasvu on tapahtunut sähköverkkoon kytketyissä järjestelmissä, jotka ovat hajautetun energiantuotantoperiaatteen mukaisia. Voimakkainta kasvu on ollut Saksassa, joka on nykyään aurinkosähkön hyödyntämisen kärkimaa. Aurinkosähkön soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin arvioitiin vertaamalla saavutettua huipunkäyttöaikaa muualla maapallolla saataviin lukemiin. Maapallolla on huomattavasti Suomea parempia paikkoja aurinkosähkön käyttämiseen, mutta ero Suomen ja Keski-Euroopan välillä havaittiin varsin pieneksi. Suurin poikkeavuus on energiantuotannon voimakkaampi vuodenaikaisvaihtelu Suomessa. Tällä perusteella Suomessa on tekniset mahdollisuudet seurata Saksan esimerkkiä aurinkosähkön hyödyntämisessä. Tarvittavan tuen suuruus olisi Suomessa jonkin verran suurempi. Syyt tähän ovat kuitenkin pääasiassa muualla kuin auringon säteilyn määrässä.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master's Degree Programme in Electrical Engineering KITUNEN, JUKKA: Suitability of photovoltaic energy production in distributed generation in Finland Master of Science Thesis, 79 pages, 1 Appendix page December 2007 Major: Modern Electric Engineering Technology Examiners: Assistant professor Aki Korpela and Lecturer Risto Mikkonen Keywords: solar cell, photovoltaics in Finland, distributed generation Solar cells are semiconductor devices that convert the energy of light directly into electricity. This thesis describes the physical operating principles of solar cells with reasonable detail. The dependence of solar cell performance on operating conditions can be explained with the characteristics of semiconductors. There are several types of solar cells on the market. They dier largely from one another in the matureness of the technology. Traditional silicon based mono- and polycrystalline cells have been available for a long time and have well established position in the market. Amorphous silicon as well as some other newer materials have inferior performance to crystalline silicon but are cheaper. This thesis describes a solar electricity measuring system built in the Institute of Electromagnetics at the Tampere University of Technology during the summer of The measurement data collected by the system during one year has been analysed and based on the results the eect of weather conditions, time of day and time of year on the production of solar elecricity has been studied. The solar panel which has nominal power rating of 125 watts produced 117 kwh of elecricity during the year. The global usage of photovoltaics has increased a lot during the past few years. Most of this growth has happened in grid-connected systems that can be classied as distributed generation. The most rapid development has happened in Germany making it the number one country in photovoltaics. The feasibility of photovoltaics in the climate conditions of Finland was studied by comparing production as full load hours with values achieved elsewhere in the world. There are locations on Earth that are much better positioned to make use of photovoltaics but the dierence between Finland and Central Europe was noticed to be quite small. The biggest dierence is the more pronounced seasonal variation of energy production in Finland. Based on the results of this thesis it can be concluded that Finland has the technical qualications to follow Germany's example in the use of photovoltaics. The proportion of needed incentives would be somewhat larger. However, the primary reasons for this do not include the lesser amount of solar radiation.

4 IV ALKUSANAT Tämä työ on tehty Tampereen teknillisessä yliopistossa sähkömagnetiikan laitoksella. Työssä esitellyn mittausjärjestelmän rakentaminen aloitettiin ollessani laitoksella tutkimusapulaisena kesällä Sain diplomityön tekemistä varten apurahan Fortumin säätiöltä. Haluan kiittää työni ohjaajia yliassistentti Aki Korpelaa ja lehtori Risto Mikkosta hyvistä neuvoista. Akille esitän parhaat kiitokseni erinomaisesta diplomityön aiheesta ja kannustavista kommenteista. Joonasta kiitän avusta mittausjärjestelmän rakentamisessa ja sen kytkentäkaavion laatimisessa sekä lukuisista neuvoista ja tuesta. Heikkiä tahdon kiittää vaihtoehtoisia aurinkokennojen valmistusmateriaaleja käsittelevästä erikoistyöstä, josta oli merkittävää apua tämän työn kirjoittamisessa. Antille esitän kiitokseni avusta ohjelmistojen käytössä sekä suuresta avusta työn oheistuotteena syntyneen mittausaineiston saatavuutta parantavan web-palvelun toteuttamisessa. Kiitän myös Tuomasta tiedoista väriainekennoihin liittyen ja Jukka Jorosta Tampereen Sähkölaitokselta auringon säteilyn mittausdatan toimittamisesta. Tampereella Jukka Kitunen

5 V SISÄLLYS 1. Johdanto Aurinkokennon toimintaperiaate Puolijohteiden erityisominaisuudet Seostetut puolijohteet Puolijohdeliitos Valon absorboituminen Aurinkokennon virta-jännite-käyrä Olosuhteiden vaikutus aurinkokennon toimintaan Aurinkokennotyypit ja kaupalliset aurinkopaneelit Piistä valmistetut aurinkokennot Yksikidekennot Monikiteiset kennot Amornen pii Piin vaihtoehdot Galliumarsenidi Kadmiumtelluridi Kupari-indiumdiselenidi Nanorakenteiset aurinkokennot Kennotyyppien vertailu ja markkinatilanne Ohutkalvotekniikan erityispiirteet Kennojen suorituskyky Markkinaosuudet Aurinkosähkön mittausjärjestelmä

6 VI 4.1 Kuvaus rakennetusta järjestelmästä Aurinkopaneeli Kuorma Mittausjärjestelyt Jännitteen mittaaminen Virran mittaaminen Paneelin lämpötilan mittaaminen Säteilytehotiheyden arviointi Ohjelmistot Järjestelmän mahdollistamat mittaustyypit Energiamittaus Suoritusarvojen riippuvuus olosuhteista Virta-jännite-käyrien mittaaminen Mittaustulokset Vuodenajan vaikutus Vuorokaudenajan vaikutus Pilvisyyden aiheuttama satunnainen vaihtelu Tulosten vahvistaminen ja kallistuskulman merkitys Olosuhteiden vaikutus aurinkopaneelin toimintaan Aurinkosähkön käyttö hajautetussa energiantuotannossa Hajautettu energiantuotanto Erilaiset aurinkosähköjärjestelmät Suomen aurinkosähkömarkkinoiden nykytilanne Aurinkosähkö hajautetussa energiantuotannossa Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa 66

7 VII 6.5 Aurinkosähkön kustannukset Aurinkosähkön käyttöä edistävät tukitoimet Johtopäätökset Lähteet Liite 1: Kytkentäkaavio

8 VIII SYMBOLIT JA TERMIT A c E E e E g F F F G h I 0 I d I l I mp I sc k p P max q T t h V V mp V oc α η λ AM CIGS CIS DSSC NOCT STC Pinta-ala Valon nopeus tyhjiössä Sähkökenttä Elektronin energia Energia-aukon suuruus Fermienergia Täytekerroin Säteilytehotiheys Planckin vakio Saturaatiovirta Diodin virta Valon synnyttämä virta Maksimitehopisteen virta Oikosulkuvirta Boltzmannin vakio Kiteen värähtelyliikemäärä Maksimitehopisteen teho Alkeisvarauksen suuruus Lämpötila Huipunkäyttöaika Jännite Maksimitehopisteen jännite Tyhjäkäyntijännite Auringon korkeus horisontin yläpuolella asteina Hyötysuhde Aallonpituus Air mass, ilmamassa, auringon valon ilmakehässä kulkema matka ilmakehän paksuuksina Cu(InGa)Se 2, kupari-indiumgalliumdiselenidi CuInSe 2, kupari-indiumdiselenidi Dye-sensitized solar cell, väriaineherkistetty aurinkokenno Normal Operating Cell Temperature, aurinkokennon lämpötila tietyissä tyypillisissä olosuhteissa Standard Test Conditions, aurinkokennojen testaamiseen käytetyt standardit testiolosuhteet

9 IX Amornen aine Aukko Autonominen järjestelmä Czochralski-prosessi Fononi Huippuwatti I-tyypin puolijohde N-tyypin puolijohde P-tyypin puolijohde Rekombinaatio Saarekekäyttö Substraatti Suojadiodi Superstraatti Teksturointi Tyhjennysalue Yhdistepuolijohde Kiinteä aine, jolla ei ole säännöllistä kiderakennetta Elektronin puuttumisesta aiheutuva positiivinen näennäinen hiukkanen Järjestelmä, joka toimii itsenäisesti Menetelmä, jolla valmistetaan yksikiteistä puolijohdetta Kiteen värähtelyliikemäärän välittäjähiukkanen Aurinkokennon maksimitehopisteen tehon yksikkö standardeissa testiolosuhteissa Seostamaton puolijohde, jossa ei ole vapaita elektroneja eikä aukkoja (myös intrinsiittinen puolijohde, itseispuolijohde) Seostettu puolijohde, jossa on vapaita elektroneja Seostettu puolijohde, jossa on vapaita aukkoja Elektronin ja aukon yhdistyminen, jossa molemmat häviävät Sähköverkon jakautuminen eri tahdissa käyviin osajärjestelmiin Ohutkalvoaurinkokennon valmistuksen lähtökohtana käytetty pohjamateriaali Aurinkopaneeliin lisätty diodi, joka estää aurinkokennojen vaurioitumisen osittaisen varjon vuoksi Ohutkalvoaurinkokennon valmistuksen lähtökohtana käytetty pintamateriaali Aurinkokennon pintakuviointi Vapaista varauksenkuljettajista tyhjä alue puolijohdeliitoksessa Puolijohde, joka on kahden tai useamman alkuaineen yhdiste

10 1 1. JOHDANTO Aurinko on kiistämättä ihmiskunnan tärkein energialähde. Auringon säteily pitää yllä maapallon ilmaston lämpötilaa, tuottaa eliöiden tarvitseman energian ja muun muassa öljyyn varastoituneena tyydyttää ihmiskunnan energiantarpeen. Itse asiassa kaikki maapallolla esiintyvä energia ydin-, vuorovesi- ja geotermistä energiaa lukuun ottamatta on alun perin auringon tuottamaa. Auringosta maapallolle säteilevä energiamäärä on valtava. Yhdessä tunnissa maapallolle tulee enemmän energiaa kuin ihmiskunta käyttää vuodessa [23]. Auringon lämpöenergiaa on osattu hyödyntää aina. Kuitenkin sähkön keksimisen ja käytön yleistymisen myötä on syntynyt tarve muuttaa muita energiamuotoja sähköenergiaksi. Aurinkosähkön historia alkoi vuonna 1839, kun Becquerel havaitsi tietyissä valon aikaansaamissa kemiallisissa reaktioissa syntyvän sähkövirtaa. Myöhemmin vastaava ilmiö havaittiin seleenissä, joka on kiinteä aine. Havaittua auringon säteilyn muuttumista sähköksi alettiin ymmärtää vasta 1900-luvun alussa kvanttimekaanisen teorian kehityksen myötä. Puolijohdetekniikan keksiminen mahdollisti ensimmäisten käyttökelpoisten aurinkokennojen valmistuksen vuonna [22] Vuosikymmenten aikana aurinkosähköjärjestelmät ovat kehittyneet avaruustekniikan voimanlähteestä kuluttajien saatavilla oleviksi tuotteiksi. Aurinkokennojen hintojen voimakas lasku on tehnyt aurinkosähköstä kilpailukykyisen muihin pieniin energialähteisiin verrattuna. Aurinkopaneeleja on tavallisesti hyödynnetty käyttöpaikoissa, joita ei ole teknisesti tai taloudellisesti mahdollista kytkeä yleiseen sähköverkkoon. Tällaisia paikkoja ovat muun muassa saarissa ja muuten syrjässä sijaitsevat vapaa-ajanasunnot ja veneet. Myös kehittyvissä maissa, joissa sähköverkon kattavuus on puutteellinen, hyödynnetään runsaasti aurinkosähköä. Viime vuosina energiantuotantoon liittyviä ympäristövaikutuksia on alettu huomioida entistä suuremmassa määrin. Taustalla on erityisesti fossiilisten polttoaineiden käytöstä aiheutuvat hiilidioksidipäästöt ja niiden yhteys maapallon keskilämpötilaa nostavaan ilmastonmuutoksen. Kiinnostus puhtaita ja uusiutuvia energiamuotoja kohtaan on lisääntynyt merkittävästi. Aurinkosähkön tuotannon ympäristökuormitukset rajoittuvat kennojen ja paneelien valmistukseen ja käytöstä poistoon. Hiilidioksidipäästöissä mitattuna aurinkosähkön ympäristökuormitus on nykytekniikalla

11 1. Johdanto 2 yhdestä kymmenesosasta yhteen kolmasosaan fossiilisten polttoaineiden kuormituksesta [43, 39, 1]. Aurinkosähkö on yksi puhtaimmista ja turvallisimmista tavoista tuottaa sähköenergiaa [22, s. 10]. Ympäristönäkökulmien korostuminen, aurinkosähkön hinnan lasku ja yleinen energian hinnan nousu ovat johtaneet siihen, että aurinkosähköstä on alettu kaavailla täydentäjää perinteisille energiantuotantomuodoille. Vuoden 2001 aikana asennetusta aurinkosähköstä suurin osa meni ensimmäisen kerran sähköverkkoon kytkettyihin järjestelmiin [8]. Monissa valtioissa kuluttajia on rohkaistu ja tuettu asentamaan taloonsa tällainen järjestelmä, joka syöttää ylijäävän aurinkosähkön yleiseen sähköverkkoon. Tämän työn yhtenä tavoitteena on selvittää tällaisten järjestelmien toimintaa ja käyttömahdollisuuksia Suomessa. Suomen maantieteellinen sijainti rajoittaa aurinkosähkön saatavuutta etenkin talvella, mutta vertailtaessa koko vuoden keskimääräisiä säteilytehotiheyksiä Suomen arvo ei merkittävästi poikkea esimerkiksi Keski- Euroopan lukemista. Maailman suurimpien aurinkosähkön tuottajamaiden ollessa Saksa ja Japani, jotka molemmat sijaitsevat suhteellisen pohjoisessa, voidaan sanoa, että aurinkosähkön hyödyntämisessä poliittisella tahdolla on merkittävä vaikutus. Tässä työssä perehdytään ensin aurinkokennojen toiminnan fysikaalisiin perusteisiin. Sähkövirran ja jännitteen synty puolijohteisiin perustuvissa aurinkokennoissa esitetään kohtuullisella tarkkuudella menemättä kuitenkaan kovin syvälle kvanttimekaanisiin yksityiskohtiin. Lisäksi selvitetään aurinkokennojen sähköisiä erityisominaisuuksia ja ominaisuuksien riippuvuutta kennon toimintaolosuhteista. Nykyisin markkinoilla on lukuisia erilaisia aurinkokennotyyppejä ja vielä useampia on kehitteillä. Työssä kartoitetaan ja vertaillaan yleisesti saatavilla olevat kennomateriaalit ja esitellään kehitystyön alla olevia uusia teknologioita. Aurinkosähkön saatavuutta on mitattu Tampereen teknillisen yliopiston sähkömagnetiikan laitoksen mittauslaitteistolla, joka rakennettiin kesällä Mittausjärjestelmä kuvataan tarkasti ja sen mahdollistamat mittaukset esitellään. Laitteistolla kerättyä mittausdataa analysoidaan ja sen perusteella arvioidaan aurinkosähkön yleisen hyödynnettävyyden lisäksi sääolosuhteiden, vuorokauden- sekä vuodenaikojen vaikutusta järjestelmän tuottamaan sähkötehoon. Lopuksi saatuihin tuloksiin pohjautuen esitetään tarkastelu siitä, mitä aurinkosähköllä voi Suomen olosuhteissa tehdä. Aurinkosähkön soveltuvuutta hajautettuun energiantuotantoon esitellään ja aurinkosähkön taloudellisuutta verrataan muihin energiantuotantomuotoihin.

12 3 2. AURINKOKENNON TOIMINTAPERIAATE Vaikka muitakin aurinkokennotyyppejä on kehitetty ja tutkittu, kaikki nykyisin valmistettavista aurinkokennoista ovat puolijohteisiin perustuvia. Soveltuvia puolijohdemateriaaleja on useita, mutta ylivoimaisesti suosituin on pii johtuen sen yleisyydestä sekä laajasta käytöstä myös muualla elektroniikkateollisuudessa. Tässä luvussa perehdytään tarkemmin vain kiteisten piikennojen toimintaan, mutta teoria on suurelta osin yleistettävissä myös muille puolijohteille. Kaikkien puolijohdetekniikkaan perustuvien aurinkokennojen toiminnan taustalla on valosähköinen ilmiö, joka on pohjimmiltaan valon fotonien ja aineen elektronien välistä vuorovaikutusta. Erittäin yksinkertaistetusti selitettynä osa aurinkokennoon osuvien fotonien energiasta siirtyy kennomateriaalin elektroneille ja kennon rakenteen ansiosta tämä energia saadaan hyödynnettyä sähkövirtana ja jännitteenä [23, s. 26]. 2.1 Puolijohteiden erityisominaisuudet Kiinteät aineet voidaan luokitella sähkönjohtavuuden perusteella eristeisiin, johteisiin ja puolijohteisiin. Erot aineiden ominaissähkönjohtavuudessa syntyvät eroista aineen muodostavien atomien elektronikonguraatioissa. Yhtä atomia tarkasteltaessa elektronin tilaa kuvataan energiatasoilla. Elektronien energiatasot ovat kvantittuneet, mikä tarkoittaa, että elektronin energia ei voi olla mikä tahansa, vaan se voi saada vain tiettyjä diskreettejä arvoja. Kiinteässä aineessa atomit ovat toistensa välittömässä läheisyydessä, jolloin niiden välillä on vuorovaikutuksia. Elektronien energiatasot vaikuttavat toisiinsa, mistä seuraa elektronien diskreettien energiatasojen leviäminen jatkuviksi alueiksi [7]. Elektronin energia E e ei kuitenkaan voi olla mikä tahansa, vaan jatkuvaan energiaalueeseen jää kiellettyjä alueita eli energia-aukkoja [11]. Sallittuja alueita kutsutaan energiavöiksi. Kuva 2.1 esittää tätä energiavyörakennetta. Edellä esitetty yksinkertaistettu energiavyömalli vastaa sitä paremmin todellisuutta, mitä säännöllisemmin aineen atomit ovat pakkautuneet. Puolijohteet ovat lähes

13 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 4 Kuva 2.1: Energiavyörakenne, jossa sallitut energiavyöt on tummennettu. aina kiteisiä materiaaleja, joten niiden atomit sijaitsevat säännöllisessä kidehilassa. Esimerkiksi piillä ja galliumarsenidilla on samankaltainen kiderakenne kuin timantilla [11], joten atomit ovat erittäin lujasti sidottuina paikoilleen. Poikkeamat säännöllisestä kiderakenteesta ovat merkittäviä sen vuoksi, että energiavöihin tulee epäjatkuvuuksia niiden kohdilla. Erityisesti energia-aukon sisälle saattaa muodostua sallittuja energiatasoja, jotka vaikuttavat epäedullisesti puolijohteen toimintaan. Mahdollisimman virheetön kiderakenne siten parantaa puolijohteen ominaisuuksia. Energiavyörakenteen lisäksi aineen sähköisten ominaisuuksien kannalta toinen merkittävä tekijä on elektronien maksimienergia. Absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa tätä energiahuippua kutsutaan fermienergiaksi F. Oleellista on fermienergiatason sijoittuminen energiavyörakenteeseen, sillä se määrää, mitkä energiavöistä ovat täysiä, osittain täysiä ja tyhjiä. Metalleilla fermienergiataso osuu sallitulle energiavyölle, kun taas puolijohteilla ja eristeillä se sijaitsee kielletyllä alueella kuvan 2.2 mukaisesti [44, s. 56]. Fermienergia siis kertoo energiatason, jolla elektronit voivat korkeintaan olla absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa. Energiavyömallissa oleellista on se, että ainoastaan osittain täysillä energiavöillä sijaitsevat elektronit pääsevät liikkumaan ja siten kuljettamaan sähkövirtaa. Tyhjä energiavyö ei sisällä sähköä kuljettavia elektroneja ja täydellä energiavyöllä elektroneilla ei ole tilaa liikkua. Kuten kuvassa 2.2 on esitetty, johteissa fermienergia jakaa energiavyön kahteen osaan, joista alemmalla on elektroneja ja ylemmällä ei ole elektroneja. Siten kyseinen energiavyö on osittain täynnä ja elektronit ovat vapaita kuljettamaan sähkövirtaa. Lisäksi joillakin metalleilla, kuten alumiinilla, energiavyörakenne on sellainen, että kaksi tai useampia energiavöitä sijaitsevat limittäin muodostaen yhtenäisen energia-alueen. Fermienergian osuessa tällaiselle alueelle elektronit pääsevät liikkumaan erityisen hyvin.

14 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 5 Kuva 2.2: Fermienergian F sijoittuminen energiavyörakenteeseen johteissa, puolijohteissa ja eristeissä. Tummennetut alueet ovat elektronien varaamia. Puolijohteissa ja eristeissä fermienergiataso osuu energiavöiden väliin kielletylle alueelle. Tämän alueen alapuolella sijaitsevaa energiavyötä kutsutaan valenssivyöksi ja yläpuolella sijaitsevaa johtavuusvyöksi [11]. Koska fermienergia määrää elektronien maksimienergian, elektronit eivät pääse johtavuusvyölle, joka siten jää tyhjäksi. Kielletyn alueen vuoksi elektronien energia ei voi saavuttaa fermitasoa, vaan korkein energia on valenssivyön yläreuna. Puolijohteissa ja eristeissä on siten ainoastaan täysiä ja tyhjiä energiavöitä, mistä seuraa sähkönjohtamattomuus. Elektronien varaamia energioita on kuvattu mustalla kuvassa 2.2. Ero puolijohteiden ja eristeiden välille syntyy johtavuusvyön alareunan ja valenssivyön yläreunan energioiden erosta [11]. Toisin sanoen erottava tekijä on kielletyn alueen leveys, jota tavallisesti kutsutaan energia-aukoksi E g. Eristeillä energia-aukon suuruus on useita elektronivoltteja ja puolijohteilla se on tyypillisesti yhden elektronivoltin luokkaa. Tätä on havainnollistettu kuvassa 2.2. Energia-aukon suuruudella on merkitystä, koska lämpöliikkeen vuoksi osalla elektroneista on fermitasoa suurempi energia. Jos lämpötila on riittävän korkea ja energiaaukko pieni, voi elektroneja päästä johtavuusvyölle. Eristeissä energia-aukko on niin suuri, että tavallisesti lämpötilan kasvattamisesta saatava energia ei riitä yhdenkään elektronin siirtämiseen johtavuusvyölle. Puolijohteilla sen sijaan energia-aukko on pieni ja niillä havaitaan sähkönjohtavuuden kasvaminen lämpötilan funktiona. Yleisimpien puolijohteiden sähkönjohtavuus on kuitenkin huoneenlämpötilassa erittäin alhainen. [11] Elektronin ylitettyä energia-aukon johtavuusvyöllä on elektroni, joka on vapaa kuljettamaan sähkövirtaa ja valenssivyöllä on yhden elektronin vajaus, jota kutsutaan aukoksi. Aukko mahdollistaa sen vieressä sijaitsevan elektronin siirtymisen aukkoon. Tämän toistuessa samaan suuntaan huomataan, että myös vajaan valenssi-

15 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 6 vyön elektronit pystyvät kuljettamaan virtaa. Yksinkertaisuuden vuoksi valenssivyön elektronien liikettä mallinnetaan positiivisesti varautuneen aukon liikkeenä. [11] Elektronin siirtyminen valenssivyöltä johtavuusvyölle synnyttää siis elektroniaukkoparin eli negatiivisen ja positiivisen varauksenkuljettajan. Huoneenlämpötilassa puolijohteeseen muodostuu vain hyvin vähän elektroni-aukkopareja. Lisäksi johtavuusvyölle noussut elektroni laskeutuu nopeasti takaisin valenssivyölle kumoten aukon. Tätä tapahtumaa kutsutaan rekombinaatioksi. Puolijohteen vapaiden varauksenkuljettajien syntymisnopeus kasvaa lämpötilan noustessa, ja koska varauksenkuljettajia on enemmän, myös rekombinoitumisnopeus on suurempi korkeammassa lämpötilassa. Sähkönjohtavuuden kuitenkin havaitaan kasvavan lämpötilan mukana. 2.2 Seostetut puolijohteet Edellä esiteltyjä puhtaita puolijohteita kutsutaan itseispuolijohteiksi. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi lämpötila-antureina. Monipuolisempia ominaisuuksia puolijohteille saadaan, kun niitä seostetaan epäpuhtauksiksi kutsutuilla toisen alkuaineen atomeilla. Tavallisin puolijohdemateriaali on pii. Kun piihin seostetaan toisen alkuaineen atomeja, joiden koko ei merkittävästi poikkea piiatomien koosta, säilyy kiderakenne lähes ennallaan. Tämä johtuu siitä, että epäpuhtausatomit korvaavat kidehilassa olevia piiatomeja. Pii kuuluu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä neljänteen pääryhmään, joten sillä on uloimmalla elektronikuorella neljä elektronia. Kun piihin seostetaan viidennen pääryhmän alkuainetta, kuten fosforia, jokainen epäpuhtausatomi tuo materiaaliin yhden ylimääräisen elektronin. Tällaista puolijohdetta kutsutaan n-tyypin puolijohteeksi. Jos taas piihin seostetaan kolmannen pääryhmän alkuainetta, esimerkiksi booria, materiaalista jää puuttumaan elektroneja ja puolijohteen sanotaan olevan p-tyyppinen. [11] N-tyypin puolijohteessa epäpuhtausatomien mukanaan tuomien ylimääräisten elektronien energiataso sijaitsee vain hieman johtavuusvyön alapuolella kuvan 2.3 mukaisesti. Tämä energiaero on niin pieni, että huoneenlämpötilan lämpövärähtely riittää siirtämään elektronit johtavuusvyölle. Usein oletetaankin kaikkien ylimääräisten elektronien sijaitsevan johtavuusvyöllä. N-tyypin puolijohteessa sähkövirta pääsee kulkemaan johtavuusvyölle siirtyneiden elektronien ansiosta. [11] Vastaavasti p-tyypin puolijohteessa epäpuhtausatomeista puuttuvat elektronit nostavat niiden kohdalla valenssivyön yläreunaa hieman korkeammalle. Lämpövärähtelyn energia riittää elektronien nostamiseen tälle tasolle luoden valenssivyölle aukon.

16 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 7 Kuva 2.3: N- ja p-tyyppisten puolijohteiden energiavyödiagrammit. Toisin sanoen elektronit vaativat hieman energiaa päästäkseen epäpuhtausatomin vapaaseen elektronipaikkaan. Tavallisesti oletetaan p-tyypin puolijohteessa olevan yhtä paljon aukkoja kuin siihen on seostettu epäpuhtausatomeja. P-tyypin puolijohteessa sähkövirta pääsee kulkemaan valenssivyön aukkojen liikkeen vuoksi. [11] Puolijohdemateriaaliin lisätyt epäpuhtausatomit vaikuttavat fermienergiaan. Elektroneja luovuttavien atomien lisääminen saa fermitason nousemaan ja elektroneja vastaanottavat epäpuhtaudet laskevat fermitasoa. Asiaa on havainnollistettu kuvassa 2.3. [11] 2.3 Puolijohdeliitos Puolijohteiden hyödyntämisen kannalta oleellisia ovat erilaiset puolijohdeliitokset. Yksinkertaisin puolijohdeliitos saadaan aikaan, kun n- ja p-tyypin puolijohteet tuodaan toistensa kanssa kosketuksiin kuvan 2.4 esittämällä tavalla. Tällöin n-tyypin puolijohteen ylimääräisiä elektroneja siirtyy p-tyypin puolijohteen aukkoihin. Tavallisimmat aurinkokennot ovat oleellisesti vain tällaisia pn-liitosdiodeja. N- ja p- tyyppisten alueiden paksuudet eivät käytännössä ole yhtä suuret, minkä vuoksi kuvassa 2.4 on kuvattu enemmän atomeja p-puolelta kuin n-puolelta. [23] N-tyypin puolijohteessa olevissa seosatomien ytimissä on enemmän protoneja kuin puolijohteen atomien ytimissä. Elektronien siirtyessä n-tyypin puolijohteesta pois jäljelle jää positiivinen kokonaisvaraus. Vastaavasti p-tyypin puolijohteen seosatomien ytimet sisältävät vähemmän protoneja kuin puolijohteen atomit ja aukkojen täyttyessä elektroneilla syntyy negatiivinen kokonaisvaraus. Siksi liitoksen n-puoli tulee kuvan 2.4 mukaisesti positiivisesti varautuneeksi. Vastaavasti liitoksen p-puolelle tulee negatiivinen varaus. Positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden alueiden välille syntyy sähkökenttä E, jonka suunta on n-puolelta p-puolelle. Koska elektronin varaus on negatiivinen, liitoksen yli n-puolelta p-puolelle siirtyvät elektronit joutuvat kulkemaan sähkökenttää vastaan, mikä estää elektronien siirtymistä. Tasapainotilanteessa liitoksen alueelle

17 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 8 Kuva 2.4: PN-liitos. on muodostunut niin sanottu tyhjennysalue, joka käsittää ne alueet, joilla puolijohteet ovat luovuttaneet tai vastaanottaneet elektroneja. Tyhjennysalueen nimitys tulee siitä, että tämä alue on vapaiden varauksenkuljettajien kannalta tyhjä. [23] Tavallisesti tyhjennysalueen reunat approksimoidaan teräviksi, jolloin materiaaliin jää kaksi erityyppistä aluetta. Reunoille jäävät alueet ovat sähköisesti neutraaleja sisältäen runsaasti vapaita varauksenkuljettajia. Keskellä sijaitseva tyhjennysalue taas on sähköisesti varautunut mutta tyhjä vapaista varauksenkuljettajista. [11] Fermienergialle pätee, että tasapainossa olevalla järjestelmällä voi olla vain yksi fermitaso. N- ja p-tyypin puolijohteissa fermitasot poikkeavat toisistaan ja pnliitoksen muodostumisen jälkeen kyseessä on vain yksi järjestelmä. Tästä seuraa, että johtavuus- ja valenssivöiden energiat eri puolilla liitosta siirtyvät toisiinsa nähden. Johtavuusvyöllä olevat elektronit pyrkivät mahdollisimman alhaiselle energialle ja siksi siirtyvät puolelle, jossa johtavuusvyön energia on alhaisempi. Kuvaa 2.3 tarkasteltaessa havaitaan tämän puolen olevan n-tyypin puoli, koska n-puolen energiavöiden on laskettava p-puoleen nähden fermienergioiden asettuessa samalle tasolle. Aukot taas pyrkivät nousemaan mahdollisimman korkealle energialle, minkä vuoksi ne ajautuvat puolelle, jossa valenssivyö sijaitsee korkeammalla eli kuvan 2.3 perusteella p-puolelle. [11] Erojen johtavuus- ja valenssivöiden energioissa pn-liitoksen eri puolilla voidaan ajatella johtuvan myös liitoksen yli vaikuttavasta sähkökentästä. Energiaero on yhtä suuri kuin energia, joka vaaditaan elektronin liikuttamiseen tämän sähkökentän yli. [11] Edellisestä voidaan havaita, että pn-liitos toimii elektroneja ja aukkoja erottelevana laitteena. Jos pn-liitokseen kytketään ulkoinen jännite, napaisuudesta riippuen se joko voimistaa tai heikentää p- ja n-puolen välistä energiaeroa. Ulkoinen jännite on energiaeroa heikentävä, kun plusnapa on kytkettynä p-puolelle. Tällainen riittävän suuri myötäsuuntainen jännite poistaa kokonaan varauksenkuljettajat toisistaan erottelevan vaikutuksen ja virta pääsee kulkemaan liitoksen läpi. [11]

18 2. Aurinkokennon toimintaperiaate Valon absorboituminen Kiteisestä piistä valmistettujen aurinkokennojen toiminta perustuu juuri edellä kuvattuun pn-liitokseen. Kennoon osuvan valon fotonit antavat energiaa puolijohdemateriaalin elektroneille mahdollistaen niiden siirtymisen valenssivyöltä johtavuusvyölle. Valo siis synnyttää kennomateriaaliin ylimääräisiä elektroni-aukkopareja kuvan 2.5 mukaisesti. Ilman pn-liitosta elektronit ja aukot rekombinoituisivat, eikä niiden syntymisestä olisi mitään hyötyä. Aurinkokennossa pn-liitoksen aikaansaama kennon sisäinen sähkökenttä erottelee elektronit ja aukot mahdollistaen niiden liikkeen hyödyntämisen, ennen kuin ne ehtivät rekombinoitua. Kuva 2.5: Fotonin synnyttämä elektroni-aukkopari n- ja p-tyypin puolijohteissa. N-puolelle osuva fotoni saa aikaan elektroni-aukkoparin, josta aukko lähtee sähkökentän vetämänä p-puolelle. Vastaavasti p-puolelle syntyvästä elektroni-aukkoparista elektroni hakeutuu sähkökentän vuoksi n-puolelle. Kennoon osuva valo siis saa aikaan aukkojen liikkeen n-puolelta p-puolelle ja elektronien liikkeen p-puolelta n- puolelle. Kun n- ja p-puolille lisätään virtakontaktit, saadaan kennossa syntyvä sähkövarauksen nettoliike hyödynnettyä ulkoisessa kuormassa sähkövirtana. [23] Jos ulkoista kuormaa ei ole kytketty, pakkautuvat elektronit n-puolelle ja aukot p-puolelle, kunnes niiden varaukset kumoavat kennon sisäisen sähkökentän. Tällöin muodostuva tyhjäkäyntijännite on verrannollinen sisäisen sähkökentän alkuperäiseen suuruuteen. [11] Valon synnyttämät elektroni-aukkoparit saadaan hyödynnettyä tehokkaimmin alueilta, joissa ne altistuvat kennon sisäiselle sähkökentälle. Tämän vuoksi tyhjennysalueessa ja sen lähistössä absorboituvat fotonit ovat kennon toiminnan kannalta oleellisimpia. Aurinkokennot suunnitellaan yleensä siten, että tyhjennysalue on lähellä kennon valaistua pintaa. [11] Eri puolijohdemateriaaleilla on eräs valon absorboimiskykyyn liittyvä tekijä, joka on tähän saakka jätetty huomiotta. Energiavöillä sijaitsevien elektronien ja aukkojen energiat riippuvat kiteen värähtelyliikemääräksi p kutsutusta parametrista.

19 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 10 Kiteen värähtelyliikemäärä tarkoittaa kidehilan muodostavien atomien koordinoitua värähtelyliikettä, samaan tapaan kuin ilmassa etenevä ääniaalto. Energiavöiden reunojen energioita värähtelyliikemäärän funktiona voidaan approksimoida paraabeleilla siten, että valenssivyön energioita kuvaa alaspäin aukeava paraabeli, jolla on huippuarvo ja johtavuusvyön energioita ylöspäin aukeava paraabeli, jolla on tietty miniarvo. Nämä ääriarvot vastaavat tavallisen energiadiagrammin energiatasoja. [22, s. 71] Kiteen värähtelyliikemäärä on merkittävä tekijä, koska fotonin absorboitumisprosessissa energian E e lisäksi liikemäärän p on säilyttävä vakiona. Fotonilla on suhteellisen suuri energia, mutta vain pieni liikemäärä, minkä vuoksi fotonin absorptio siirtää elektronia energia-liikemäärä -koordinaatistossa lähes pystysuoraan ylöspäin. Puolijohteet voidaan jakaa kahteen luokkaan sen mukaan, osuvatko valenssivyön energiahuippu ja johtavuusvyön energiaminimi samalle värähtelyliikemäärän arvolle. Niin sanotuissa suoran energia-aukon puolijohteissa ne ovat kohdakkain ja tällaisessa materiaalissa fotonin absorboituminen siirtää elektronin suoraan valenssivyöltä johtavuusvyölle, kuten kuvan 2.6 vasemmalla puolella on esitetty. Aurinkokennojen valmistuksessa käytettävistä puolijohteista muun muassa galliumarsenidilla ja kadmiumtelluridilla on suora energia-aukko. [22, s. 71] Kuva 2.6: Fotonin absorboituminen suoran ja epäsuoran energia-aukon puolijohteissa. Aurinkokennojen yleisimmällä valmistusmateriaalilla, piillä, energiavöiden maksimi ja minimi eivät osu samalle kiteen värähtelyliikemäärän arvolle ja energia-aukon sanotaan olevan epäsuora. Ominaisuudesta seuraa, että elektronin suora siirtyminen vyöltä toiselle vaatii huomattavasti enemmän energiaa kuin energia-aukon suuruus antaisi olettaa ja on siten epätodennäköistä. Siirtyminen voi kuitenkin tapahtua pienempienergisen fotonin vaikutuksesta, mikäli tapahtumaan osallistuu kiteen värähtelyliikemäärän välittäjähiukkanen, jota kutsutaan fononiksi. Toisin kuin fotonilla, fononilla on pieni energia, mutta suuri liikemäärä. Fononivuorovaikutus mahdollistaa siten vaakasuuntaiset siirtymät energia-kideliikemäärä -koordinaatistossa. Elektroni pääsee siirtymään valenssivyöltä johtavuusvyölle, kun tapahtumaan liittyy joko fononin emittoituminen tai absorboituminen. Kuvassa 2.6 fononin emittoituminen on merkitty 1:llä ja fononin absorptio 2:lla. [22, s. 72]

20 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 11 Käytännössä vaatimus fononivuorovaikutukseen näkyy puolijohteen kyvyssä absorboida valoa. Suoran energia-aukon puolijohteisiin verrattuna valo etenee epäsuoran energia-aukon puolijohteissa huomattavasti syvemmälle materiaaliin ja puolijohdetta tarvitaan paksumpi kerros, jotta riittävän suuri osa valosta saadaan hyödynnettyä. [23, s. 32] 2.5 Aurinkokennon virta-jännite-käyrä Valaisemattoman aurinkokennon sähköiset ominaisuudet muistuttavat tavallisen pndiodin ominaisuuksia. Diodin virta I d jännitteen funktiona saadaan ideaalisessa tapauksessa Shockleyn yhtälön mukaisesta diodilaista: I d = I 0 (e qv kt 1), (2.1) jossa I 0 on saturaatiovirta, q alkeisvarauksen suuruus, V diodin yli vaikuttava jännite, k Boltzmannin vakio ja T lämpötila. [23] Aurinkokennoon osuva valo ei muuta tätä käyttäytymistä, mutta sen päälle tulee valon synnyttämä virta, joka on tavalliseen diodiin verrattaessa estosuuntainen [11]. Yksinkertaisimmillaan aurinkokenno voidaan mallintaa virtaa tuottavana diodina eli valon voimakkuudesta riippuvan virtalähteen I l ja diodin rinnankytkennän avulla kuvan 2.7 tavoin [23]. Kuva 2.7: Aurinkokennon sijaiskytkentä. Jos kennon virta I sovitaan kuvan 2.7 mukaisesti samansuuntaiseksi diodin virran kanssa, saadaan kennon virralle lauseke I = I 0 (e qv kt 1) Il, (2.2) jonka mukaisia virta-jännite-käyriä on esitetty kuvassa 2.8 eri I l :n arvoilla.

21 2. Aurinkokennon toimintaperiaate I l =0 A (kenno pimeässä) I l =1 A (kenno valossa) 2 Virta (A) Jännite (V) Kuva 2.8: Aurinkokennon ideaaliset virta-jännite-käyrät 25 o C lämpötilassa. Valon aikaansaaman virran vuoksi IV-käyrä alkaa kulkea koordinaatiston neljännen neljänneksen kautta. Tällöin virta on negatiivinen ja jännite positiivinen, joten virran ja jännitteen tulo on negatiivinen. Tämä tarkoittaa komponentin tehon muuttumista kulutuksesta tuotannoksi. Toisin sanoen virta lähtee kennon positiivisesta navasta. Asian voi ajatella myös siten, että jännite aurinkokennon yli pysyy samansuuntaisena, mutta valon vaikutuksesta sen läpi kulkeva nettovirta muuttaa suuntaansa muuttaen samalla tehon suunnan. [8] Yleensä aurinkokennon virta-jännite-käyriä piirrettäessä kennon tuottama virta sovitaan positiiviseksi, jolloin saadaan kuvan 2.9 mukainen kuvaaja. Samoin piirretään ainoastaan positiiviset akselit, koska jännitteet ja virrat voivat olla negatiivisia ainoastaan ulkoisen teholähteen vaikutuksesta. Aurinkokennon virta-jännite-käyrään liittyy muutamia tärkeitä parametreja. Virran maksimiarvo on oikosulkuvirta I sc ja jännitteen maksimiarvo tyhjäkäyntijännite V oc. Niin sanotussa maksimitehopisteessä virta-jännite-käyrällä (merkitty kuvaan 2.9) virran ja jännitteen tulo saavuttaa maksiminsa eli kennosta saatava teho on suurimmillaan. Tämän pisteen virta on I mp, jännite V mp ja teho P max. Parametri nimeltään täytekerroin määritellään suhteena F F = P max V oc I sc = V mpi mp V oc I sc.[11] (2.3)

22 2. Aurinkokennon toimintaperiaate Virta (A) Jännite (V) Kuva 2.9: Aurinkokennon muokattu virta-jännite-käyrä, johon on merkattu maksimitehopiste. 2.6 Olosuhteiden vaikutus aurinkokennon toimintaan Aurinkokennosta saatavaan tehoon vaikuttavat suoraan kolme tekijää: valon määrä, sen aallonpituusjakauma ja kennon lämpötila. Myös muilla olosuhdetekijöillä on merkitystä, koska ne vaikuttavat näihin tekijöihin. Tällaisia epäsuoria tekijöitä ovat muun muassa ilman lämpötila, tuulen nopeus ja suunta, ilmanpaine ja -kosteus sekä pilvisyys [11, 32]. Auringon korkeus horisontin yläpuolella määrää valon ilmakehässä kulkeman matkan, joka vaikuttaa valon määrään ja aallonpituusjakaumaan. Tätä kuvataan ilmamassalla (air mass, AM). [11] Ylivoimaisesti voimakkain vaikutus aurinkokennon tehoon on valon määrää kuvaavalla säteilytehotiheydellä, jonka yksikkö on W m 2. Valon fotonit luovat kennoon elektroni-aukkopareja, joiden ajautuminen kennon sisäisen sähkökentän vuoksi synnyttää sähkövirran. Kennon virta on suoraan verrannollinen syntyvien elektroniaukkoparien määrään, joka puolestaan on suoraan verrannollinen kennoon osuvien fotonien määrään. Tästä seuraa lähes lineaarinen riippuvuus aurinkokennon oikosulkuvirran ja säteilytehotiheyden välille. [11] Kennoon osuvan valon määrän lisäksi aallonpituusjakauma on tärkeä tekijä, koska se määrää fotonien energiajakauman. Fotonin energia saadaan sen aallonpituudesta yhtälön E = hc λ (2.4)

23 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 14 mukaisesti, jossa h on Planckin vakio, c valon nopeus tyhjiössä ja λ fotonin aallonpituus. Maanpinnan saavuttavan auringon säteilyn fotonien aallonpituudet vaihtelevat välillä nm [11], joten niiden energiat vaihtelevat välillä 0,5 4,1 ev. Fotonilla on oltava riittävästi energiaa siirtämään elektroni energia-aukon yli. Tästä syystä aallonpituudelle saadaan maksimiarvo, jota pidempiaaltoiset fotonit eivät pysty synnyttämään sähkövirtaa aurinkokennossa. Aurinkokennojen yleisimmän valmistusmateriaalin piin energia-aukko on 1,1 ev [22], jolloin aallonpituus saa olla enintään 1100 nm. Toisaalta huomattavasti energia-aukkoa suurienergisempien fotonien energiasta suuri osa menee sähkövirran synnyttämisen sijasta kidevärähtelyiden energiaksi ja lopulta nostaa kennon lämpötilaa. [11] Erityisesti epäsuoran energia-aukon puolijohteilla, kuten piillä, fotonien aallonpituudella on merkitystä myös absorboitumismatkaan. Fotonit, joiden energia on vain hieman energia-aukkoa suurempi, voivat siirtää elektroneja johtavuusvyölle vain fononivuorovaikutuksen kautta ja absorboituminen on tehottomampaa. Valon aallonpituusjakauman vaikutus kennon sähkötehoon riippuu siten voimakkaasti kennomateriaalista. [11] Aurinkokennon lämpötila vaikuttaa sen suorituskykyyn, mikä johtuu siitä, että puolijohteiden ominaisuudet ovat lämpötilariippuvia. Lämpötila vaikuttaa aurinkokennon sähköisiin ominaisuuksiin pääasiassa energia-aukon muuttumisen kautta. Energia-aukko pienenee hieman lämpötilan noustessa ja kasvaa lämpötilan laskiessa. Energia-aukon pienenemisen vuoksi lausekkeessa 2.2 esiintyvä saturaatiovirta I 0 likimain tuplaantuu jokaista 5 K:n lämpötilannousua kohti [11, s. 88]. Lämpötilan vaihtelu käytännön ulkoilmaolosuhteissa on pääsääntöisesti kymmenien asteiden luokassa, mistä johtuen lämpötilan vaikutus kennon toimintaan ei kuitenkaan ole kovin dramaattinen. Tärkein käytännössä havaittava muutos on tyhjäkäyntijännitteen pieneneminen lämpötilan kasvaessa, joka johtuu edellä mainitusta energia-aukon pienenemisestä ja saturaatiovirran suurenemisesta. Piikennoilla vaikutus on noin 2,3 mv/k koko merkittävällä lämpötila-alueella. Suuremman energia-aukon kennomateriaaleilla, kuten galliumarsenidilla, tyhjäkäyntijännitteen lämpötilariippuvuus on pienempi. [11] Aurinkokennon ominaisuudet lähestyvät parhaita mahdollisia ominaisuuksia, kun lämpötila laskee ja säteilytehotiheys kasvaa. Tällöin kennon tuottama tyhjäkäyntijännite on suuri. Virta-jännite-käyrän suorakulmaisuutta kuvaava täytekerroin on siten riippuvainen tyhjäkäyntijännitteestä ja pienenee tyhjäkäyntijännitteen laskiessa. Tästä seuraa täytekertoimen huononeminen lämpötilan noustessa. [11]

24 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 15 Lämpötilan nousu vaikuttaa jonkin verran myös oikosulkuvirtaan nostaen sitä hieman. Tämä johtuu puolijohteen energia-aukon pienenemisestä lämpötilan funktiona, jolloin yhä matalaenergisemmät fotonit voivat synnyttää elektroni-aukkopareja. [11] Kokonaisuutena kennon tuottaman sähkötehon kannalta lämpötilan nousulla on negatiivinen vaikutus. Aurinkosähköjärjestelmän muiden komponenttien kannalta merkittävää on myös se, että kennon maksimitehopiste siirtyy lämpötilan noustessa matalammille jännitteille. Tämä tarkoittaa, että maksimitehopisteen jännite V mp ei ole vakio, vaan se riippuu olosuhteista. Tämän huomioiminen on tärkeää kennosta saatavan energian maksimoimiseksi. Voimakkaimmin aurinkopaneelin energiantuottoon vaikuttava epäsuora tekijä on pilvisyys. Tummat sadepilvet saattavat laskea aurinkopaneeliin saapuvan valon määrän 5%:iin pilvettömään säähän verrattuna. Toisaalta ohuet pilvet laskevat säteilytehotiheyttä huomattavasti vähemmän. Hetkellisesti pilvet saattavat jopa nostaa aurinkopaneeliin osuvan valon määrää. Tämä tapahtuu, kun auringosta saapuva suora säteily pääsee pilvien välistä esteettä paneeliin ja taivaalla olevat pilvet lisäävät pilvistä sironneen epäsuoran säteilyn määrää. Pilvisyys vaikuttaa valon määrän lisäksi myös sen suunta- ja aallonpituusjakaumaan. Pilvisyyden vaikutusta käsitellään tarkemmin luvussa 5.3. Ilman lämpötila, tuulen nopeus ja tuulen suunta ovat yhteydessä aurinkokennon lämpötilaan. Kennoon osuva auringon säteily nostaa sen lämpötilan tyypillisesti huomattavasti ilman lämpötilaa korkeammaksi. Virtaava ilma kasvattaa paneelista konvektiolla poistuvaa lämpötehoa laskien kennojen lämpötilaa. Tuulen suunta vaikuttaa yhdessä paneelin asennustavan kanssa tähän jäähdytystehoon. Ilmamassa kertoo valon ilmakehässä kulkeman matkan ennen sen osumista aurinkokennoon. Sillä kuvataan pilvettömän ilmakehän vaikutusta aurinkokennon toimintaan. Ilmamassan määrää järjestelmän sijainti maapallolla, vuodenaika ja kellonaika. Pienin ilmamassan arvo maan pinnalla saadaan, kun aurinko paistaa suoraan ylhäältä zeniitistä. Tällöin ilmamassa on 1. Suomen leveysasteilla tätä ei koskaan saavuteta, vaan minimiarvo on noin 1,3. Ilmamassan arvo voidaan likimääräisesti laskea auringon korkeudesta kaavalla ilmamassa 1 cos(90 α), (2.5) jossa α on auringon korkeus horisontin yläpuolella asteina [23]. Kyseinen kaava ei päde auringon ollessa hyvin matalalla, koska se ei ota huomioon maanpinnan kaareutumista ja valonsäteiden taittumista ilmakehässä. Ilmamassan suurin mahdollinen

25 2. Aurinkokennon toimintaperiaate 16 arvo auringonnousun ja -laskun aikoihin on noin 40. [19] Valon kulkeminen ilmassa pienentää aurinkokennoon saapuvan valon määrää ja muuttaa sen aallonpituusjakaumaa. Ilmankosteus ja -paine vaikuttavat ilman optisiin ominaisuuksiin, mikä luonnollisesti muuttaa aallonpituusjakaumaa. Ilman sisältämä kosteus toisaalta parantaa sen lämmönsiirtokykyä ja siten tehostaa lämmön siirtymistä aurinkokennosta pois laskien operointilämpötilaa. Koska aurinkokennojen suorituskyky riippuu merkittävästi olosuhteista, kennojen testaamista ja vertailua varten on sovittu tietyt standardit testiolosuhteet (STC, Standard Test Conditions). Standardi edellyttää, että kennoon osuva kokonaissäteily on 1000 W/m 2, säteilyn aallonpituusjakauma vastaa ilmamassan 1,5 mukaista auringon säteilyä ja kennon lämpötila on 25 o C. [22] Näiden olosuhteiden pitkäaikainen saavuttaminen muualla kuin laboratoriossa on varsin epätodennäköistä. Erityisesti kennon lämpötila aurinkopaneelin sisään asennettuna nousee tavallisesti huomattavasti korkeammaksi kuin 25 o C, kun siihen osuu standardin mukainen säteilyteho. Lisäksi ilmamassan ollessa 1,5 kokonaissäteilytehotiheys jää usein alhaisemmaksi kuin 1000 W/m 2. Standardiolosuhteissa mitatut suoritusarvot vastaavat kuitenkin kohtuullisen hyvin kennon suorituskykyä auringonpaisteessa. [22] Aurinkopaneeleille ilmoitettu nimellisteho on maksimitehopisteen teho juuri näissä standardiolosuhteissa. Tämän nimellistehon arvosta käytetään usein nimitystä huippuwatti W p [4]. Nimestään huolimatta huippuwatti ei ilmaise aurinkopaneelin suurinta mahdollista sähkötehoa, vaan teho voi hetkellisesti olla suurempikin. Aurinkopaneelin tai yksittäisen kennon hyötysuhde η määritellään saatavan sähkötehon ja pinnalle osuvan kokonaissäteilytehon suhteena. Kaavana tämä tarkoittaa, että hyötysuhde on η = P max GA, (2.6) jossa P max on maksimitehopisteen sähköteho, G valon säteilytehotiheys ja A paneelin tai kennon pinta-ala.

26 17 3. AURINKOKENNOTYYPIT JA KAUPALLISET AURINKOPANEELIT Aurinkokennojen valmistusmateriaaleista pii on ylivoimaisesti suosituin. Piistä voidaan valmistaa kennoja useilla eri menetelmillä ja tuloksena on hinnaltaan, hyötysuhteeltaan ja käyttöiältään toisistaan poikkeavia kennoja. Piitä korvaavaksi puolijohdemateriaaliksi on kehitetty lukuisia materiaaleja, jotka pääsääntöisesti soveltuvat aurinkokennojen valmistamiseen ohutkalvotekniikalla. Osalla vaihtoehtoisista materiaaleista saavutetaan piikennoja suurempia hyötysuhteita. Myös perinteiseen puolijohdetekniikkaan perustumattomia aurinkokennoja on kehitetty. Nanorakenteisten aurinkokennojen toimintaperiaate poikkeaa jonkin verran luvussa 2 esitetystä. 3.1 Piistä valmistetut aurinkokennot Vuonna 1954 Bellin laboratoriossa tutkijat yllätyksekseen huomasivat tavallisten piidiodien tuottavan sähkövirtaa huoneen valojen ollessa päällä. Tästä alkoi piiaurinkokennojen kehitys. Muutaman vuoden sisällä löydettiin myös muita aurinkokennojen valmistusmateriaaliksi soveltuvia materiaaleja. Ensimmäisissä aurinkosähkön sovelluksissa käytettiin piikennoja, mutta myöhemmin muun muassa avaruusteollisuus on ottanut käyttöönsä muitakin materiaaleja. Pii on kuitenkin säilyttänyt asemansa tärkeimpänä aurinkokennomateriaalina pitkälle kehitetyn valmistustekniikan ja kohtuullisen hinnan vuoksi. [22] Yksikidekennot Ensimmäiset piistä valmistetut aurinkokennot tehtiin puolijohdeteollisuuden käyttöön valmistellusta piistä. Tämä piilaatu on erittäin puhdasta ja sen kiderakenne on yhdenmukainen kaikkialla materiaalissa. Siinä ei ole raerajoja, koska se koostuu ainoastaan yhdestä kiteestä. Piin energia-aukko on 1,1 ev. Yksikiteisestä piistä on mahdollista valmistaa erittäin korkealuokkaisia aurinkokennoja, mutta ongelmina ovat kiteyttämisprosessin kustannukset ja joissakin tapauksissa kilpailu raakaaineesta muun elektroniikkateollisuuden kanssa. [11]

27 3. Aurinkokennotyypit ja kaupalliset aurinkopaneelit 18 Yksikiteinen pii säilyi suosituimpana kennomateriaalina 1990-luvun lopulle asti ja hyvän suorituskyvyn vuoksi sitä käytetään edelleen paljon [22, s. 256]. Aurinkokennot eivät ole yhtä herkkiä piin epäpuhtauksille kuin muut puolijohdekomponentit, joten piin puhtaudesta on mahdollista tinkiä. Tämä mahdollistaa valmistuksen vaihtoehtoisilla menetelmillä, jotka ovat huomattavasti taloudellisempia. Yksikiteisten kennojen valmistuskustannuksia on pyritty laskemaan muun muassa käyttämällä elektroniikkateollisuuden hylkäämää materiaalia, kuten kakkoslaadun harkkoja ja pois leikattuja päätykartioita. [23] Czochralski-prosessi, jolla sulasta piistä kiteytetään yksikiteistä piitä, tuottaa sylinterin muotoisia harkkoja. Nämä leikataan ohuiksi kiekoiksi. Pyöreät kiekot hukkaavat vierekkäin aseteltuina paljon paneelin pinta-alaa, minkä vuoksi niistä tavallisesti leikataan osa pois kuvan 3.1 tapaan. Yksikidetekniikalla valmistetut aurinkokennot on siten helppo tunnistaa kahdeksankulmaisen muodon perusteella. Kuva 3.1: Yksikiteisestä piistä valmistettu aurinkokenno. [35] Yksikiteisten kennojen tehokkuus perustuu yhtenäiseen kiderakenteeseen, jossa ei ole kidevirheinä toimivia raerajoja. Raerajat toimivat rekombinoitumiskeskuksina tuhoten valon synnyttämiä elektroni-aukkopareja. Yksikiteisten kennojen hyötysuhdetta voidaan edelleen parantaa pinnan teksturoinnilla. Teksturoinnissa pintaan muodostuu pyramidimainen geometria, joka vähentää kennon pinnasta pois heijastuvan valon määrää ja lisää tehollista pinta-alaa. Yhtenäisen kideorientaation vuoksi yksikiteiset kennot on helppo teksturoida etsaamalla piitä syövyttävällä aineella, kuten natriumhydroksidilla [11].