6.2 MONILIITOSAURINKOKENNO Aurinkokennojen hyötysuhteen kasvattaminen on teknisesti haastava tehtävä. Oman lisähaasteensa tuovat taloudelliset reunaehdot, sillä tekninen kehitys ei saisi merkittävästi nostaa yksittäisen kennon hintaa. On esitetty, että ensimmäisen sukupolven piiaurinkokennojen hyötysuhde olisi nostettavissa nykyisestä 15%:sta noin 20%:iin. Mitään mullistavia teknisiä kehitysaskelia ei kuitenkaan ole näköpiirissä, vaan viiden prosenttiyksikön nousua tavoitellaan luvussa 4.5.2 esiteltyjä häviötekijöitä minimoimalla. Myös nanoteknologiaa hyödyntävä kolmannen sukupolven kennotyyppi, väriaineaurinkokenno, jää näillä näkymin hyötysuhteensa osalta 10%:n tuntumaan. Kun julkisuudessa kirjoitetaan jopa 50%:n aurinkosähköhyötysuhteista, kyse on ohutkalvoaurinkokennoihin perustuvista moniliitoskennoista. Yksittäisten ohutkalvokennojen hyötysuhteita ei ole mahdollista nostaa merkittävästi piin lukemien yläpuolelle, mutta kun eri ohutkalvomateriaaleista tehdään moniliitoskenno, hyötysuhteen voimakas kasvattaminen tulee mahdolliseksi. Periaate on hyvin yksinkertainen, ja se itse asiassa perustuu juuri samaan yksityiskohtaan, joka luvussa 4.5.2 mainittiin piikennon hyötysuhdetta eniten laskevaksi tekijäksi. 6.2.1 Rakenne ja toimintaperiaate Moniliitosaurinkokennot muodostetaan muutamasta eri ohutkalvomateriaalista siten, että kerrosten energia-aukot pienenevät ylhäältä alaspäin mentäessä, kun auringonsäteilylle ensimmäisenä altistuvan kerroksen oletetaan olevan päällimmäisenä. Toisin sanoen ensimmäisenä valolle altistuvan kerroksen puolijohteella on suurin energia-aukko, ja vastaavasti viimeisenä valolle altistuva kerros on tehty puolijohteesta, jonka energiaaukko on moniliitoskennon materiaaleista pienin. Kerrosten lukumäärä vaihtelee kahdesta ylöspäin. Tällä hetkellä yleisin moniliitoskennotyyppi on kolmikerroksinen GaInP/GaAs/GeInNAs-kenno, jolla on päästy jo yli 40%:n hyötysuhteisiin. Tekniset kehitysnäkymät ennustavat kuitenkin jopa 50%:n hyötysuhteita. Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen Kuva 6.6. Periaatekuva moniliitosaurinkokennosta. Eri kerrosten puolijohteiden energia-aukoille on voimassa W g1 > W g2 > W g3. 1
kerroksen puolijohdemateriaali tulee valita siten, että se absorboi mahdollisimman tehokkaasti auringonsäteilyn pienimmät aallonpituudet. Suurella osalla auringonsäteilyn fotoneista energia kuitenkin jää W g1 :n alapuolelle, joten näiden fotonien kannalta moniliitoskennon ylin kerros on läpinäkyvä. Nämä fotonit pääsevät siis ylimmän kerroksen läpi luovuttamatta energiaansa. Toisessa kerroksessa energia-aukko on pienentynyt sen verran, että jälleen osa fotoneista absorboituu. Ja ne fotonit, joille toinenkin kerros on läpinäkyvä, jatkavat edelleen matkaansa seuraavaan kerrokseen. Alimman kerroksen puolijohdemateriaalin energia-aukon tulee olla niin alhainen, että myös auringonsäteilyn pidemmät aallonpituudet saadaan hyödynnettyä. Edellä mainitun GaInP/GaAs/Ge-kennon alimman kerroksen puolijohdemateriaalina on germanium, jolla energia-aukon suuruus on 0.67 ev. Täten valosähköisen ilmiön toteutumisehdoksi saadaan yhtälön (3.2) perusteella 1852 nm:n aallonpituus. Kyseisellä moniliitoskennolla saadaan siis hyödynnettyä auringonsäteilyn aallonpituusjakaumasta huomattavasti suurempi osa kuin piikennolla, mutta vielä oleellisesti tärkeämpää on se, että suurienergisten fotonien energiasta muuttuu moniliitoskennoilla lämmöksi merkittävästi pienempi osa kuin piillä. Toimivien moniliitoskennojen rakentaminen on teknisesti haastavaa. Jotta kiderakenne saadaan säilymään yhdenmukaisena koko moniliitoskennon läpi, hilasovitukseen tulee kiinnittää erityistä huomiota. Jos hilasovitus ei onnistu, kiderakenteeseen tulee dislokaatioita ja virhetiloja, jotka heikentävät hyötysuhdetta lisääntyneen rekombinaation seurauksena. Lisäksi hilasovitus on keskeisen tärkeää moniliitoskennon virran kannalta, sillä saman virran tulee kulkea moniliitoskennossa kaikkien kerrosten läpi. Hilasovituksen haasteisiin ei tässä mennä sen tarkemmin, mutta tarkastellaan kuitenkin moniliitoskennon rakennetta kuvan 6.7 avulla sen verran, että pystytään ilmiötasolla saamaan käsitys tiettyjen rakenteiden tarpeellisuudesta kennon sisällä. Lähdetään liikkeelle ohutkalvokerrosten välissä olevista tunneliliitoksista. Kuvasta 6.7 havaitaan, että päällekkäisten alikennojen välissä on voimakkaasti seostettu pn-liitos, jonka suunta on vastakkainen alikennojen pn-liitoksille. Vastakkaisen suunnan seurauksena tunneliliitos ehkäisee päällekkäisten alikennojen välistä rekombinaatiota. Jos tunneliliitosta ei olisi, ylemmän alikennon p-puolijohde olisi suoraan kontaktissa alemman alikennon n-puolijohteen kanssa. Tästä seuraisi käytännössä se, että alemman alikennon n-puolijohteen johtavuuselektronit täyttäisivät ylemmän alikennon p- puolijohteen aukkoja, joten päällekkäisten alikennojen rajapinnalla tapahtuisi rekombinaatiota. Tätä ei moniliitoskennossa kuitenkaan haluta, sillä se laskisi koko rakenteen hyötysuhdetta. Jotta moniliitoskenno tuottaa mahdollisimman suuren sähkötehon, jokaisessa alikennossa syntyvät varauksenkuljettajat tulee saada kerättyä kennon navoille mahdollisimman hyvin. Esimerkiksi kennon kokonaisjännitteen kasvattamisen kannalta kyse on siitä, että eri alikennojen pn-liitoksissa kertyvät varaukset tulee saada siirrettyä mahdollisimman tehokkaasti kuvan 6.7 mukaisille etu- ja takakontaktille. Tunneliliitoksen puuttumisen seurauksena varausten kertyminen vähenisi, sillä rekombinaatio söisi osan fotonien synnyttämistä varauksenkuljettajista. 2
Kuva 6.7. Moniliitosaurinkokennon rakenne. Tarkastellaan tunneliliitosta vielä hieman tarkemmin. Kuvaan 6.7 merkitty "++" tarkoittaa sitä, että tunneliliitoksen puolijohteet ovat huomattavasti voimakkaammin seostettuja kuin alikennoissa. Kuten luvussa 4.1.1 käytiin läpi, seostuksen voimistaminen kaventaa tyhjennysaluetta. Tunneliliitos onkin tarpeen saada erittäin kapeaksi, sillä elektronien on pystyttävä tunneloitumaan sen läpi. Selvennetään tilannetta kuvan 6.8 avulla. Kuva (a) esittää kahta peräkkäistä pn-liitosta ilman tunneliliitoksia. Toiminnan kannalta ongelmallista on tällöin se, etteivät alimmissa alikennoissa virittyvät elektronit pääse kuvassa 6.7 esitellylle etukontaktille. Oletetaan, että kuvassa 6.8 (a) vasemmanpuoleinen pn-liitos on kuvan 6.7 ylin alikenno, ja vastaavasti oikeanpuoleinen pn-liitos edustaa keskimmäistä alikennoa. Kun nyt fotonien absorptio tapahtuu keskimmäisessä alikennossa, eli kuvan 6.8 (a) oikeanpuoleisessa tyhjennysalueessa, sähkökenttä siirtää johtavuuselektronit kyseisen alikennon n-puolelle. Tällöin virittyneet elektronit sijaitsevat johtavuusvyöllä kuvan 6.8 (a) keskivaiheilla. Ylimmän alikennon pn-liitoksen sähkökenttä kuitenkin estää elektronien pääsyn etukontaktille, ja todennäköistä onkin, että virittyneet johtavuuselektronit rekombinoituvat varsin nopeasti valenssivyön aukkoihin. Tällöin niiden energia menetetään. 3
Kuva 6.8. Kahden peräkkäisen pn-liitoksen energiavyökaavio ilman tunneliliitosta (a) ja voimakkaasti seostetun tunneliliitoksen kera (b). Kun moniliitoskennon alikennojen välillä on nanometrikokoluokkaa olevat tunneliliitokset, sähkövirran kulku alikennojen välillä tulee mahdolliseksi. Tilannetta on havainnollistettu kuvassa 6.8 (b), jossa voimakkaasti seostetut p++ ja n++ esittävät tunneliliitoksia. Nopeasti katsottuna tilanne ei elektronien liikkumisen kannalta ole sen parempi kuin kuvassa (a), mutta avainsana asian ymmärtämiseen on tunneliliitoksen nanometrikokoluokka. Tunneliliitos on nimittäin niin ohut, että elektronit pääsevät tunneloitumaan sen läpi. Kun fotonit absorboituvat keskimmäisessä alikennossa, eli kuvan 6.8 (b) oikeanpuoleisessa tyhjennysalueessa, sähkökenttä siirtää virittyneet johtavuuselektronit kuvan keskivaiheille. Nyt elektronit kuitenkin pääsevät jatkamaan matkaansa ylimpään alikennoon (eli kuvassa vasemmalle), sillä tunneliliitoksen vastustavasta sähkökentästä huolimatta ne pääsevät tunneloitumaan tunneliliitoksen läpi. Lisäksi on tärkeää huomata, että tunneloituessaan elektronit siirtyvät keskimmäisen alikennon johtavuusvyöltä ylimmän alikennon valenssivyölle. Kyseessä ei kuitenkaan ole rekombinaatio sanan varsinaisessa merkityksessä, sillä elektronit eivät juurikaan menetä prosessissa energiaansa. Kuten kuvasta 6.8 (b) havaitaan, keskimmäisen alikennon vasemmassa reunassa johtavuusvyö vastaa suurinpiirtein samaa energiaa kuin ylimmän alikennon oikean reunan valenssivyö, joten elektronin energia ei tunneloitumisen seurauksena juurikaan pienene. Moniliitoskennon toiminnan kannalta tärkeä yksityiskohta, eli sähkövirran kulku alikennosta toiseen, tulee nyt kuitenkin mahdolliseksi. Tunneloituminen on kvanttitason ilmiö, jota ei voida mallintaa klassisella fysiikalla. Jos esimerkiksi tarkastellaan tasaisella pinnalla pyörivää palloa, se voi ideaalisessakin 4
tilanteessa ylittää reitilleen osuvan kummun ainoastaan siinä tapauksessa, että pallon liike-energia on suurempi kuin kummun laelle nousemiseen vaadittava potentiaalienergia. Muussa tapauksessa todennäköisyys sille, että pallo ylittää kummun, on nolla. Mutta kun tarkastellaan elektronia, jota kvanttimekaniikassa mallinnetaan aaltofunktiolla, edellä esitetty klassisen fysiikan esimerkki ei päde. Jos sähköä johtavassa aineessa on ohut eristekerros, elektroni saattaa päästä tunneloitumaan eristekerroksen läpi, vaikka sen energia ei riittäisikään eristekerroksen johtavuusvyölle nousemiseen. Eristeen on kuitenkin oltava niin ohut, että elektronin aaltofunktio, jolla mallinetaan elektronin esiintymisen todennäköisyyttä, yltää riittävän suurilla todennäköisyyksillä eristekerroksen toiselle puolelle. Käytännössä tämä tarkoittaa, että eristekerroksen paksuuden tulee olla nanometrikokoluokkaa. Mietitään vielä, miksi moniliitoskennossa tarvitaan kuvaan 6.7 merkityt ikkunakerros ja takapinta. Kumpikaan näistä ei ole välttämätön kennon toiminnan kannalta, mutta kun tavoitteena on hyötysuhteen maksimointi, molemmat ovat tarpeellisia. Sekä ikkunakerroksen että takapinnan tehtävänä on rekombinaation vähentäminen. Kuvassa 6.7 esimerkiksi keskimmäisen alikennon ikkunakerros hankaloittaa alikennolta tulevien johtavuuselektronien rekombinaatiota yläpuolella olevan tunneliliitoksen aukkoihin. Vastaavasti keskimmäisen alikennon takapinta hankaloittaa alikennon p-puolen aukkojen rekombinoitumista alapuolella olevan tunneliliitoksen johtavuuselektroneihin. Koska moniliitoskennon toiminta perustuu pn-liitokseen, alikennojen toimintaperiaate on käytännössä sama kuin luvussa 4.2 käsitellyillä piikennoilla. Myös virta-jännite-käyrän muodostuminen noudattaa niitä samoja periaatteita, jotka piikennolle käytiin läpi luvussa 4.3. 6.2.2 Moniliitosaurinkokennojen käyttö Moniliitosaurinkokennoista, jotka toimivat 40%:n lukemia lähentelevillä hyötysuhteilla, tulee väistämättä varsin kalliita. Jos moniliitoskennoista valmistettaisiin aurinkopaneeli samaan tapaan kuin kiteisestä piistä, energiantuotannon kannalta oleellinen hintamittari, /W, nousisi korkeasta hyötysuhteesta huolimatta aivan liian suureksi. Siksi moniliitoskennojen käyttöön onkin valittu toisenlainen lähestymistapa. Hintaa saadaan alas, kun yksittäisestä kennosta tehdään pinta-alaltaan todella pieni (alle 1 mm 2 ), ja tälle pintaalalle keskitetään suoraan säteilyyn verrattuna jopa 1000-kertainen säteilyintensiteetti. Kuva 6.9 havainnollistaa tilannetta. Kun yksittäisen moniliitoskennon pinta-ala on suuruusluokkaa tuhannesosa perinteisen piikennon pinta-alasta, moniliitoskennoista saadaan valmistettua perinteistä piipaneelia vastaava aurinkopaneeli siten, että jokaiselle moniliitoskennolle keskitetään auringonsäteily piikennoa vastaavalta pinta-alalta. Tällöin piikennon pinta-ala vastaa moniliitospaneelissa linssin pinta-alaa, jolla säteily keskitetään pienelle moniliitoskennolle. Vaikka säteilyn keskittäminen maksaa, ja vaikka paneelia täytyy tavalla tai toisella myös jäähdyttää, tällä tekniikalla moniliitospaneelien hinnan ( /W) uskotaan tulevaisuudessa laskevan kilpailukykyiselle tasolle. Vaikka yksittäisen kennon säteilyintensiteetti nouseekin keskittämisen seurauksena parhaimmillaan megawattitasolle, kennon operointilämpötila saadaan kuitenkin korkean hyötysuhteen ja jäähdytyksen ansiosta pysymään yllättävänkin alhaisena, noin 80 o C:ssa. 5
Kuva 6.9. Periaatekuva moniliitoskennoista muodostetusta aurinkopaneelista. 6