JARNO KESKINEN SÄHKÖENERGIAN TUOTANTOON SOVELTUVAT AURINKOKENNOTEKNOLOGIAT JA NIIDEN KEHITTYMINEN Diplomityö Tarkastajat: professori Seppo Valkealahti ja professori Teuvo Suntio Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 19. elokuuta 2009
II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma KESKINEN, JARNO: Sähköenergian tuotantoon soveltuvat aurinkokennoteknologiat ja niiden kehittyminen Diplomityö, 136 sivua Toukokuu 2010 Pääaine: Teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastajat: professori Seppo Valkealahti ja professori Teuvo Suntio Avainsanat: aurinkokenno, aurinkopaneeli, aurinkoenergia, aurinkosähkö, uusiutuva energia Aurinkokennojen tehtävä on muuttaa niihin kohdistuva valo sähköenergiaksi. Kaupallisten aurinkokennojen toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön, mutta myös fotosynteesin hyödyntäminen on mahdollista. Aurinkokennoteollisuuden voidaan katsoa syntyneen 1950-luvulla, mutta aluksi kennojen alhainen höytysuhde rajoitti niiden käytön pääasiassa avaruussovelluksiin, joissa ei ollut muuta vaihtoehtoa sähköenergian tuottamiseen. 1970-luvulla alettiin tutkia aurinkokennojen potentiaalia maanpäällisessä energiantuotannossa. Aurinkokennoja valmistavien yritysten määrä kasvoi vähitellen ja aurinkokennoteollisuudesta kehittyi kypsä teollisuuden ala. Tämä edellytti kuitenkin voimakasta yhteiskunnallista tukea. Tässä diplomityössä perehdyttiin kirjallisuusselvityksen kautta erilaisiin aurinkokennoteknologioihin ja niiden kehitysnäkymiin. Lopuksi arvioitiin mahdollisia toimenpiteitä, mitkä voisivat edesauttaa aurinkokennoteknologian yleistymistä ja sille asetettujen tavoitteiden täyttymistä. Fysikaaliset perusteet auringon hyödyntämisestä sähköenergian tuotannossa käydään johdannon jälkeen lyhyesti läpi. Sitä seuraavat luvut käsittelevät eri aurinkokennotekniikoita, sekä menetelmiä aurinkokennoista saatavan hyödyn kasvattamiseksi. Aurinkokennoteollisuutta on sen alkuajoista asti hallinnut kiteinen piiteknologia. Kiteisestä piistä valmistetuista kennoista on kuitenkin tehtävä paksuja, jotta ne kykenisivät absorboimaan säteilyä riittävän tehokkaasti. Aurinkokennoteollisuus joutuu kilpailemaan piivaroista yhdessä elektroniikkateollisuuden kanssa, mikä tulevaisuudessa johtaa todennäköisesti piipulaan. Aurinkokennoissa käytettävän piin on oltava erittäin puhdasta ja vaatimukset piin puhtaudelle tulevat vain kasvamaan kennoille asetettavien vaatimusten kasvaessa. Tällöin piin kierrätyskään ei tuo helpotusta piipulaan. Toisen sukupolven kennoista voidaan tehdä huomattavasti ohuempia verrattuna ensimmäisen sukupolven kennoihin, mutta ne eivät toistaiseksi ole kyenneet ohittamaan hyötysuhteessa ensimmäisen sukupolven kennoja. Näiden lisäksi on kehitetty myös fotosynteesin hyödyntämiseen perustuvia kolmannen sukupolven aurinkokennoja. Niiden kaupallistuminen edellyttää kuitenkin vielä muun muassa stabiilisuusongelmien ratkaisemista, sekä nanotekniikan parissa tehtävää tutkimusta. Aurinkokennoteknologian tulevaisuuden kannalta kannattavia toimenpiteitä ovatkin toisen sukupolven aurinkokennojen ominaisuuksien kehittäminen, sekä nanotekniikan parissa tehtävä tutkimus.
III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering KESKINEN, JARNO: The status and evolution of photovoltaic solar cell power production technologies Master of Science Thesis, 136 pages May 2010 Major: Industrial electric utilization technology Examiners: Professor Seppo Valkealahti and professor Teuvo Suntio Key Words: Solar Cell, Solar Panel, Solar energy, Solar electricity, Renewable energy The mission of solar cells is to convert light into electricity. The function of commercial solar cells is based on the photoelectric phenomenon, but utilizing of photosynthesis is also possible. The solar cell industry was born in the 1950 s, but because of the poor efficiency, in the beginning they were only used in space applications, where no other technology was possible. The potential of solar cells in terrestrial energy production became a subject of research in the 1970 s. The number of solar cell companies grew little by little and finally the solar cell industry became a mature branch of industry. However, this necessitated a huge societal support. In this thesis work one familiarizes itself with the different kinds of solar cell technologies and their development outlooks by means of a literary debriefing. Lastly, the possible measures which could help the solar cell industry to become more common and fill up the objectives set with it are evaluated. After the introduction, the physical basics of utilizing solar energy in production of electrical energy are discussed briefly. The next chapters deal with different solar cell technologies and the principles to increase the usability in solar cell systems. From the beginning of the solar cell industry, the crystalline silicon technology has dominated the solar cell market. However, solar cells made crystalline silicon have to be thick to absorb radiation efficiently. The solar cell industry has to contend for silicon resources with the electro-nics industry, which can lead into the lack of silicon in the future. The silicon in solar cells has to be very pure and the demands for purity are going to increase, while the requirements for solar cells increase. This means that the recycling of silicon will not be the solution. The cells of the second generation can be made much thinner, but so far their conversion efficiency is smaller compared with that of the crystalline silicon solar cells, which represent the first generation solar cell technology. In addition to these two technologies, there have also been developed third generation solar cells, which utilize photosynthesis. Their commercialization will not be possible as long as the stability problems with them are not solved and the nanotechnology has not been developed enough. This means that the recommendable measures for the solar cell technology are the developing of the second generation solar cell technology and the research with the nanotechnology.
IV ALKUSANAT Tässä Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitokselle tehdyssä diplomityössä perehdyttiin erilaisiin aurinkokennoteknologioihin ja niiden kehitysnäkymiin. Työ oli luonteeltaan kirjallisuusselvitys ja sen suorittaminen aloitettiin kesäkuussa 2009. Työ saatiin valmiiksi toukokuussa 2010. Työ oli tekijälleen haastava, koska aurinkokennoteollisuuden kehittämiseksi tehdään paljon tutkimustyötä ja niinpä olennaisten lähteiden löytäminen oli välillä hankalaa. Työn tekemistä hankaloitti aluksi myös, ettei aikaisempaa tietämystä aurinkokennoista ollut. Valmiiseen työhön voidaan kuitenkin olla tyytyväisiä, sillä työn voidaan katsoa olevan varsin kattava ja perusteellinen analyysi eri aurinkokennoteknologioista ja niiden tulevaisuuden näkymistä. Haluan kiittää kaikkia työni valmistumista edesauttaneitta tahoja. Ensiksi haluan kiittää työni tarkastajana ja ohjaajana toiminutta professori Seppo Valkealahtea Sähköenergiatekniikan laitokselta ystävällisestä opastuksesta ja kannustuksesta työn aikana. Haluan kiittää myös Tampereen teknillisen yliopiston tukisäätiötä sen myöntämästä stipendistä, joka oli diplomityöstäni saama rahallinen korvaus. Erityiskiitokset haluan osoittaa omille vanhemmilleni mittaamattomasta aineellisesta ja henkisestä tuesta koko opintojeni aikana. Tampereella 28.5.2010 Jarno Keskinen
V SISÄLLYS 1. Johdanto...1 2. Aurinko sähköenergian lähteenä...4 2.1. Aurinkoenergian hyödyntämisen perusteet sähköenergian tuotannossa 5 2.1.1. Auringon toimintaperiaate...5 2.1.2. Puolijohteiden elektronirakenne ja aurinkokennon toimintaperiaate..6 2.2. Aurinkokennojen toiminnan kannalta olennaisimmat parametrit..8 2.2.1. Valon absorboituminen aurinkokennossa ja absorptiokerroin..8 2.2.2. Tyhjäkäyntijännite, oikosulkuvirta ja virta-jännite käyrä..10 2.2.3. Täytekerroin ja aurinkokennon hyötysuhde..12 3. Ensimmäisen sukupolven aurinkokennot..14 3.1. Kiteinen pii aurinkokennomateriaalina 15 3.1.1. Kiteisen piin yleispiirteitä...15 3.1.2. Yksikiteisen piin edut ja haitat..18 3.1.3. Monikiteisen piin edut ja haitat.20 3.2. Kiteiseen piihin perustuvan aurinkokennon rakenne...23 3.2.1. Pn-liitos ja kontaktit...23 3.2.2. Kennojen optiset ominaisuudet ja niiden parantaminen...26 3.3. Kennojen liittäminen moduuliksi...28 3.3.1. Moduulin rakenne......29 3.3.2. Moduulin vaikutus aurinkosähköjärjestelmän hyötysuhteeseen.30 3.4. Kiteiseen piihin perustuvien kennojen kehitysnäkymät ja tulevaisuus 32 3.4.1. N-tyypin puolijohteen käyttö kennojen alustana... 32 3.4.2. Hyötysuhteen parantaminen käytettäessä edullisempaa piimateriaalia.33 3.4.3. Pitkän aikavälin luotettavuuden parantaminen...35 3.4.4. Hyötysuhteen parantaminen pinnoitusprosessin avulla.36 3.4.5. Kiteiseen piihin perustuvan aurinkokennoteknologian SWOT-analyysi.37 4. Toisen sukupolven aurinkokennot.40
4.1. Amorfinen pii....41 4.1.1. Amorfisen piin valmistaminen...43 4.1.2. Amorfiseen piihin perustuvan aurinkokennon rakenne ja toimintaperiaate...45 4.1.3. Amorfiseen piihin perustuvien kennojen optiset ominaisuudet ja niiden parantaminen 49 4.1.4. Useasta kennosta koostuvat elementit...50 4.1.5. Amorfiseen piihin perustuvien kennojen valmistaminen ja yhdistäminen moduuliksi..53 4.1.6. Amorfiseen piihin perustuvien kennojen tulevaisuuden näkymät ja SWOT-analyysi...54 4.2. Kadmiumtelluuri...58 4.2.1. CdTe/CdS-aurinkokennojen valmistaminen ja rakenne...59 4.2.2. CdTe-pohjaisten aurinkokennojen hyötysuhteen parantaminen..64 4.2.3. CdTe/CdS-kennojen yhdistäminen moduuleiksi...65 4.2.4. CdTe-pohjaisten kennojen tulevaisuuden näkymät ja SWOT-analyysi...67 4.3. Kupari-indium-gallium-diselenidi...72 4.3.1. Cu(InGa)Se 2 /CdS-kennojen valmistaminen ja rakenne...73 4.3.2. Cu(InGa)Se 2 -pohjaisten aurinkokennojen hyötysuhteen parantaminen..78 4.3.3. Cu(InGa)Se 2 -pohjaisten kennojen yhdistäminen moduuleiksi 80 4.3.4. Cu(InGa)Se 2 -pohjaisten kennojen tulevaisuuden näkymät ja SWOT-analyysi...83 5. Aurinkokeräinkennot ja piihin perustuvat ohutkalvokennot..87 5.1. Piihin perustuvat ohutkalvokennot...88 5.1.1. Ohuiden piikennojen valmistaminen ja rakenne...89 5.1.2. Piihin perustuvien ohutkalvokennojen optisten ominaisuuksien parantaminen...94 5.1.3. Piihin perustuvien ohutkalvokennojen tulevaisuuden näkymät ja SWOT-analyysi...97 5.2. Aurinkokeräinkennot 98 5.2.1. Tehokkaat moniliitoskennot... 100 5.2.2. Auringon säteilyn keskittämiseen käytetyt optiset komponentit.101 5.2.3. Auringon seurantaan käytettävät järjestelmät..107 6. Tulevaisuuden näkymiä...111 6.1. Väriaineaurinkokennot...111 6.1.1. Väriaineaurinkokennojen rakenne ja toimintaperiaate 112 6.1.2. Väriaineaurinkokennojen valmistaminen 117 VI
6.1.3. Väriaineaurinkokennojen tulevaisuuden näkymät...119 6.2. Muita tulevaisuuden näkymiä...122 6.2.1. Nanotekniikan merkitys aurinkokennojen hyötysuhteen parantamisessa...122 6.2.2. Aurinkokennojen hyötysuhteen maksimointi impedanssisovituksen avulla...124 7. Johtopäätöksiä..125 Lähteet...128 VII
VIII LYHENTEET JA MERKINNÄT A AM α c D E η E C E CB E Cmin E F E Fe E Fh E g E λ ev ev BI E V E Vmax e + FF h I I MP I SC J SC k L λ λ mid-point n n ARC abrobanssi ilmamassa (engl. air mass) absorptiokerroin valon nopeus varauksenkuljettajien leviämistä kuvaava diffuusiovakio energia hyötysuhde johtavuusvyötä vastaava energiataso huokoisen puolijohdekerroksen johtavuusvyötä vastaava energiataso väriaineaurinkokennossa johtavuusvyön energiaminimi fermienergia elektroni-näennäisfermienergiataso (engl. electron quasi-fermi energy) aukko-näennäisifermienergiataso (engl. hole quasi-fermi energy) energia-aukko fotonin energia elektronvoltti luontainen potentiaaliero valenssivyötä vastaava energiataso valenssivyön energiahuippu positroni täytekerroin Planckin vakio virta maksimitehopistettä vastaava virta oikosulkuvirta oikosulkuvirran tiheys Boltzmannin vakio vähemmistövarauksenkuljettajien keräysetäisyys aallonpituus valon spektrin puoliväliä vastaava aallonpituus neutroni heijastamattoman kerroksen taitekerroin
IX p P in P MAX q S gb SO SRV T τ φ V V MP V OC v e W ZO protoni aurinkokennon vastaanottama teho maksimiteho elektronin varaus kiteiden rajapintojen rekombinaationopeus auringonsäteilyn ilmakehässä kulkema matka pintarekombinaationopeus lämpötila vähemmistövarauksenkuljettajien elinikä taivaan lakipisteen ja auringon välinen kulma jännite maksimitehopistettä vastaava jännite tyhjäkäyntijännite neutriino työ ilmakehän paksuus Al 2 O 3 alumiinitrioksidi Cd kadmium CdCl 2 kadmiumkloridi CdS kadmiumsulfidi CdSO 4 kadmiumsulfaatti CdTe kadmiumtelluuri Cr kromi Cu(InAl)Se 2 kupari-indium-alumiini-diselenidi Cu(InGa)Se 2 kupari-indium-gallium-diselenidi CuInSe 2 kupari-indium-diselenidi CuTe kuparitelluuri Fe rauta Ga gallium Ge germanium I jodi I - jodidi - I 3 trijodidi In indium In 2 O 3 indiumtrioksidi KI kaliumjodi LiI litiumjodi Mo molybdeeni NaCl natriumkloridi NaI natriumjodi Ni nikkeli
X R 4 NI S SiH 4 SiO SnO 2 Te Ti TiO 2 ZnO ZnO:Al ZnTe a-si a-sige a-si:h APCE ARC BSF c-si CE CPC EVA FTO IPCE LC LID HRT TCO WE tetra-alkyyliammonium rikki silaani piioksidi tinadioksidi telluuri titaani titaanidioksidi sinkkioksidi alumiinilla seostettu sinkkioksidi sinkkitelluuri amorfinen pii germaniumilla seostettu amorfinen pii vedyllä seostettu amorfinen pii väriaineaurinkokennon hyötysuhde (engl. absorbed photon to currentconversion efficiency) heijastamaton kerros (engl. antireflection coating) takapinta-alue (engl. back surface field) kiteinen pii väriaineaurinkokennon vastaelektrodi (engl. counter electrode) yhdistetty parabolinen keskitin (engl. compo-und parabolic concentrator) etyleenivinyyliasetaatti (engl. ethylene vinyl acetate) fluorilla seostettu tinaoksidi (engl. flourine-doped tin oxide) väriaineaurinkokennon hyötysuhde yksittäiselle aallonpituudelle loistekekitin (engl. luminescent concentrator) valon aiheuttama heikkeneminen (engl. light induced degradation) läpinäkyvä ja korkean resistanssin omaava materiaali (engl. highly resistive transparent) läpinäkyvä johtava materiaali (engl. transparent conductive oxide) väriaineaurinkokennon työelektrodi (engl. working electrode)
1 1. JOHDANTO Aurinko on maapallolla elämää ja kaikkia muita luonnossa tapahtuvia prosesseja ylläpitävä energialähde. Täten voidaan karkeasti sanoa, että kaikki kuluttamamme energia, mukaan lukien sähköenergia tuotantotavasta riippumatta, on peräisin auringosta. Termillä aurinkosähkö tarkoitetaan kuitenkin menetelmiä, joissa auringon säteilytehoa hyödynnetään suoraan sähköenergian tuottamiseen ilman termodynaamisia tai mekaanisia välivaiheita. Auringosta saatavaa energiaa on mahdollista hyödyntää suoraan myös lämmön tuotannossa, mutta tässä työssä keskitytään tarkastelemaan ainoastaan sähköenergian tuottamista. Kansainvälisten ilmastosopimusneuvotteluiden seurauksena useat teollisuus- ja siirtymätalousmaat ovat sitoutuneet vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään tietylle tasolle. Edellä mainitut ilmastosopimukset ovat paljolti muovanneet kaikkien teollistuneiden maiden omaa, sekä Euroopan unionin yhteistä energiastrategiaa. Fossiilisten polttoaineiden ennustettavissa olevan ehtymisen vuoksi niiden hinnan ennustetaan nousevan tulevaisuudessa, mikä vääjäämättä pakottaa useat maat kiinnittämään huomiota energiahuollon omavaraisuuteen. Nämä seikat, sekä jatkuva keskustelu ilmastonmuutoksesta ovat kasvattaneet kiinnostusta uusiutuviin energianlähteisiin, sekä asettaneet paineita niiden kehitystyölle. Toisaalta juuri eräiden perinteisten energiamuotojen hinnan nousun ansiosta uusien energiatuotantomuotojen kilpailukyky tulee parantumaan kustannuserojen kaventumisen myötä [3]. Uudet energiantuotantomuodot ovat laajemman energiahuollon kannalta edelleen perinteisiä ratkaisuja kalliimpia. Niiden hyödyntämistä hankaloittaa myös niiden luontainen tehonvaihtelu, minkä vuoksi ne ovat luonteeltaan lähinnä täydentävää energiantuotantoa. Uudet energiantuotantomuodot ovat kuitenkin kehittyneet merkittävästi 1960-luvun lopulta lähtien. Tämä on pääasiassa pitkäjänteisen julkisen tuen ansiota, joka on paitsi vaikuttanut teknologian kehittymiseen, myös helpottanut sovellusten markkinoille pääsyä. Perusteita julkiselle tuelle ovat tavallisesti olleet muun muassa työllisyysvaikutukset, sekä uusteollistaminen. Johtuen aurinkokennoteknologian materiaaliteknisestä luonteesta, on tieteellisen tutkimuksen ja sitä kautta julkisen tuen merkitys tekniikan kehittymisessä ollut sen kohdalla voimakkaampaa verrattuna moniin muihin uusiin energiateknologioihin [2].
1. JOHDANTO 2 Aurinkosähkösovellusten taustalla oleva valosähköinen ilmiö havaittiin jo 1800-luvun alkupuolella ja ensimmäinen kiinteästä materiaalista rakennettu aurinkokennokin valmistui jo vuonna 1883. Aurinkosähkösovellusten varsinainen hyödyntäminen alkoi kuitenkin vasta 1954, kun valosähköinen ilmiö havaittiin valolle altistetussa pn-liitoksessa. Kennojen hyvin alhainen hyötysuhde kuitenkin rajoitti niiden käytön ainoastaan sellaisiin kohteisiin, joissa ei ollut muuta vaihtoehtoa sähköenergian tuottamiseen. Avaruustekniikan sovellukset olivat tuohon aikaan aurinkosähkön pääasiallisia käyttökohteita ja myös kennojen parissa tehty tutkimustyö tähtäsi pitkään juuri niiden parempaan soveltumiseen avaruudessa [1, 2]. Aurinkoenergian soveltaminen maanpäällisessä sähköenergiantuotannossa sai alkusysäyksen vasta vuonna 1973, kun Yhdysvalloissa joukko aurinkosähkötutkijoita ja hallituksen tiedejärjestöjen johtajia tapasivat määritelläkseen aurinkokennojen tieteellisen arvon ja potentiaalin energian tuotannossa. Tässä Cherry Hill Conference nimellä tunnetussa kokouksessa tehtiin päätös tukea aurinkosähkötutkimusta valtion taholta ja samalla syntyi Yhdysvaltojen energiatutkimus- ja kehitysvirasto jonka tehtäviin kuului yleensäkin kannustaa tutkimaan uusiutuvia energialähteitä. Edellä mainitusta virastosta tuli myöhemmin Yhdysvaltojen energiaministeriö [1]. Samana vuonna koetun maailmanlaajuisen öljykriisin johdosta myös monien muiden teollistuneiden maiden hallitukset aloittivat ohjelmia, joiden seurauksena uusiutuvien energialähteiden ja erityisesti aurinkoenergian käyttöön alettiin kannustaa. Myös aurinkokennoteknologioiden parissa tehtyä tutkimustyötä alettiin kohdistaa aikaisempaa enemmän maanpäälliseen energiantuotantoon liittyviin sovelluksiin. Avaruustekniikan sovellukset säilyivät kuitenkin teknologian kehittymistä hallinneena osa-alueena aina 1980-luvun puoliväliin saakka [1, 2]. Valmistukseen ja kustannustehokkuuteen tehtyjen panostusten ansiosta kennojen hinta saatiin kuitenkin putoamaan ja aurinkokennoteollisuus alkoi vähitellen vakiinnuttaa asemaansa teollisuuden alana [1, 2]. Seuraavat merkittävät edistysaskeleet aurinkokennoteknologiassa tehtiin 1990-luvun alkupuolella, kun monien länsimaissa tapahtuneiden yritysfuusioiden seurauksena ja yliopistoilta hankittujen patenttien ansiosta tapahtui huomattavaa eri teknologiaosaamisten keskittymistä. Samaan aikaan Japanissa intensiivinen tutkimustyö johti moniin uusiin laiteratkaisuihin, sekä kehittyneisiin materiaalien valmistusmenetelmiin. Japanilaisten yhtiöiden markkinaosuus maailman aurinkokennomarkkinoista kasvoikin tuohon aikaan voimakkaasti [1]. Aurinkokennoteknologioiden kehittyminen on ollut voimakkaista panostuksista huolimatta verrattain hidasta ja sen kilpailukyky muihin tuotantomuotoihin verrattuna aina heikko. Etenkin vaiheessa, jolloin ala oli vielä nuori, päätyivätkin aurinkokennoja valmistavat yhtiöt myymään tuotteita pientä tehonkulutusta vaativiin sovelluksiin. Esimerkkejä näistä kuluttajaystävällisistä, pienen mittakaavan sovelluksista olivat taskulaskimet, sekä ulkovalaistusjärjestelmät. Näiden avulla aurinkokennoyhtiöt saivat sen verran tuloja, että tuotekehityspanostukset saattoivat jatkua. Yhdessä kansainvälisten avus-
1. JOHDANTO 3 tusjärjestöjen kanssa ovat yhtiöt toteuttaneet myös pienimuotoisia kotitalouksien sähköistyksiä kehitysmaissa. Huolimatta avustusjärjestöjen tuesta on aurinkosähköjärjestelmien korkea hinta kuitenkin koitunut monissa tapauksissa lopulta hankinnan esteeksi. Toteutuessaankaan hankkeista ei ole aina saatu suurinta mahdollista hyötyä johtuen muun muassa kehitysmaiden riittämättömästä teknisestä infrastruktuurista sekä koulutuksesta [1]. Teollistuneissa maissa yleisempi tapa hyödyntää aurinkoenergiaa kotitalouksien ja julkisen sektorin sähköntarpeen tyydyttämiseksi, on liittää massiivisia aurinkopaneelijärjestelmiä osaksi julkista sähköverkkoa. Tällöinkin niiden tehtävänä on toimia ainoastaan lisäenergianlähteenä tuottamaan kulutushuippujen aikainen lisäenergia tai vaihtoehtoisesti kompensoimaan sähkön siirrossa tai jakelussa aiheutuneita häviöitä. Yhdysvalloissa sähkömarkkinoiden vapautuminen 1990-luvulla on vähentänyt sähköyhtiöiden kiinnostusta aurinkosähköjärjestelmiin, kun taas Euroopan ja Japanin sähköverkoissa niiden määrä on ollut jatkuvassa kasvussa. 1990-luvun lopulla on Euroopassa, Yhdysvalloissa, sekä Japanissa aloitettu suuria julkisia ohjelmia koskien aurinkosähkön käyttöä rakennuksissa ja rakennetussa ympäristössä. Tällöin aurinkokennomoduulit integroidaan osaksi rakennelmaa, jolloin ne ainoastaan korvaavat muita rakennusmateriaaleja, eivätkä näin ollen aiheuta ylimääräisiä rakennuskustannuksia [1]. Aurinkosähkö on edelleen kauempana energiatalouden laajoista sovelluksista moniin muihin uusiin energiantuotantomuotoihin, etenkin tuulivoimaan verrattuna. Aurinkosähkön kaupallisten markkinoiden on tulevina vuosikymmeninä arvioitu olevan edelleen edellä kuvatun kaltaisissa erikoissovelluksissa, jotka puolestaan vaativat voimakasta teknologiatukea. Nykyistä aurinkokennotuotantoa hallitsee kiteinen piiteknologia. Puolijohdetekniikan kehittymisen ansiosta kiteisen piin hyötysuhde on kaksinkertaistunut kahdessakymmenessä vuodessa verrattuna 1970-kuvun lopun tilanteeseen. Piitä käytetään kennoissa joko yksikiteisenä, monikiteisenä tai amorfisena [4]. Riippuvaisuus puhtaasta piistä on eräs keskeisimmistä esteistä kennojen hinnan putoamiselle, sillä erittäin puhtaan piin tuottaminen on kallista. Ohutkalvopiikennoilla materiaalin tarve on vain murto-osa kiteisiin piikennoihin verrattuna, mikä on merkittävä hyöty kennojen massatuotannossa. Täten koko aurinkokennoteollisuuden voittokulku edellyttää ensin läpimurtoa ohutkalvoteknologiassa [2]. Paitsi vaikea kennoteknologia, aurinkosähköjärjestelmien hintoja nostavat huomattavasti myös muut järjestelmäkomponentit, kuten akku ja vaihtosuuntaajat. Tästä johtuen on syytä kiinnittää huomiota myös järjestelmäkehitystyöhön hinnan pudottamisessa [1].
4 2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ Auringosta maahan osuva säteilyteho on 170 000 TW, mikä tarkoittaa, että auringosta saadaan yhden tunnin aikana enemmän energiaa, kuin mitä maapallolla kulutetaan yhden vuoden aikana [40]. Kun otetaan huomioon muun muassa muuntohyötysuhteet, kaikki mahdolliset kustannukset, sekä maan käyttö, vastaa kokonaispotentiaali edelleen suurempaa energiamäärää, kuin mitä maapallolla 2000-luvun alussa vuosittain kulutettiin. Arvioiden mukaan aurinkoenergiasovelluksilla on parhaimmat edellytykset tulla yleisimmiksi uusiutuvan energian käyttöön perustuviksi energianlähteiksi. Aurinkoenergiasovellusten tarjoamalla hyödyllä tarkoitetaan tässä aurinkosähkön ja -lämmön yhteistä potentiaalia [1] [2, s.20, s.64]. Liitäntä energianhuoltoon on aurinkosähkön, kuten monien muidenkin uusiutuvien energiatuotantomuotojen kohdalla teknologian käyttöönottamista hankaloittava tekijä energiatuotannon vaihtelevuuden vuoksi. Uusiutuvista energianlähteistä aurinkosähkö on edelleen kauimpana energiatalouden laajoista sovelluksista tuulivoiman ollessa lähimpänä [2, s.20 s.64]. Se häviää kustannustehokkuudessa selvästi myös aurinkolämpöön verrattuna [2, s.17, s. 19]. Aurinkosähkön etuina aurinkolämpöön nähden taas ovat sen huomattavasti helpompi integroitavuus ja sovellettavuus [1]. Aurinkosähkön hyöty moniin muihin sähköenergianlähteisiin verrattuna on ympäristöystävällisyyden lisäksi sähköenergian muodostuminen suoraan ilman termidynaamisia tai mekaanisia välivaiheita. Merkittävä hyöty on myös vähäinen kunnossapidon tarve johtuen liikkuvien osien puutteesta, sekä hyvästä erilaisten ympäristöolosuhteiden sietokyvystä. Vähäinen kunnossapidon tarve, sekä mahdollisuus aurinkosähköjärjestelmän helppoon tapauskohtaiseen räätälöimiseen tekevät siitä erityisen houkuttelevan vaihtoehdon syrjäseutujen sähköistykseen, missä kulutuskohteen liittäminen sähköverkkoon voi tulla kalliiksi [1]. Verrattaessa keskenään eri uusiutuvia energianlähteitä, kuten biomassaa, geotermistä energiaa, tuulivoimaa, sekä aurinkolämpöä ja -sähköä, uskotaan aurinkosähkösovellusten kohdalla kustannusten saamiseen pienemmäksi olevan kaikkein suurimmat mahdollisuudet. Vuoden 2007 aikoihin aurinkosähkömarkkinat kasvoivat noin 35 % vuodessa, eli jos aurinkosähkömarkkinat jatkavat noin 25 %:n vuosittaista kasvua, on aurinkoenergian avulla tuotetun sähkön määrä 380 GW vuonna 2030, mikä vastaisi jo huomattavaa osaa koko maailman energiantuotannosta [40]. Aurinkosähkösovellusten eräs merkittävin heikkous muihin energiamuotoihin verrattuna taas on niiden vaatima suuri maapinta-ala. Se on luonnollinen seuraus aurinkokennojen alhaisesta
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 5 hyötysuhteesta (< 20 %), sekä auringonsäteilyn alhaisesta tehotiheydestä, mikä on keskimäärin vain noin 100 W/m 2 [1]. 2.1. Aurinkoenergian hyödyntämisen perusteet sähköenergian tuotannossa 2.1.1. Auringon toimintaperiaate Auringon ytimessä on käynnissä jatkuva fuusioreaktio, jossa vetyä muuttuu heliumiksi. Tärkein auringossa tapahtuva ydinfuusioprosessi on niin sanottu hiilisykli, missä neljä vety-ydintä, eli protonia (p), yhdistyvät yhdeksi heliumytimeksi, joka koostuu kahdesta neutronista (n), sekä kahdesta protonista. Reaktio on kaavan 2.1 kaltainen. 4 + 4 p= He + 2e + 2ve + E. (2.1) Reaktiossa syntyy myös kaksi positronia + e, kaksi neutriinoa v e, sekä energiaa E, joka on atomiytimien rakenneosien välistä sidosenergiaa ja vapautuessaan nostaa auringon lämpötilaa. Kaikki kuumat kappaleet lähettävät ympärilleen sähkömagneettista säteilyä, joka aurin-gon tapauksessa on auringon valo [1] [80, s.3]. Auringon säteilytehotiheys, niin kutsuttu aurinkovakio, on välittömästi ilmakehän yläpuolella 1,353 kw/m 2. Ilmakehän molekyyleissä tapahtuva absorptio ja siroaminen vaimentavat säteilyä yleensä kuitenkin vähintään 25 %. Sironnutta säteilyä kutsutaan diffuusiksi säteilyksi ja sen osuus maanpinnalle saapuvasta säteilystä vaihtelee voimakkaasti pilvisyyden mukaan. Diffuusilla säteilyllä on erilainen aallonpituusjakauma verrattuna suoraan säteilyyn, minkä vuoksi kaikki aurinkokennot eivät kykene absorboimaan sitä erityisen hyvin. Alaluvussa 4.2 käsiteltävät kadmiumtelluurikennot kykenevät siihen parhaiten [1, 3] [9]. Aallonpituusjakauma riippuu myös auringon asemasta taivaan lakipisteeseen nähden. Tätä kuvataan ilmamassan AM avulla, joka määritellään säteilyn ilmakehässä kulkeman matkan ja ilmakehän paksuuden osamääränä. Kun ilmakehän paksuutta merkitään termillä ZO ja auringon säteilyn ilmakehässä kulkemaa matkaa termillä SO, voidaan ilmamassa määritellä yhtälöllä 2.2. SO SO 1 AM = = =. (2.2) ZO SO cosφ cosφ Kaavassa 2.2 φ on taivaan lakipisteen ja auringon välinen kulma. Aurinkokennojen ominaisuuksia arvioidessa oletetaan vallitsevaksi säteilyksi usein AM1,5-säteily. Se tarkoittaa sellaista auringonsäteilyn spektriä, jossa AM = 1,5, ja edellä mainittu kulma φ noin 48 o ja joka on normalisoitu 1 kw/m 2 :n tehotiheyteen [1].
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 6 2.1.2. Puolijohteiden elektronirakenne ja aurinkokennon toimintaperiaate Sähkötekniikan näkökulmasta aineet on tapana jakaa kolmeen ryhmään, joita ovat johteet, eristeet ja näiden kahden väliin sijoittuvat puolijohteet, jotka muodostavat perustan aurinkokennoteollisuudelle. Puolijohteet perustuvat pääasiassa alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmissä III VI oleviin alkuaineisiin, kuten piihin, galliumiin ja indiumiin. Puolijohde voi koostua ominaisuuksiltaan hyvin erilaisista alkuaineista, joista muodostettu kokonaisuus kuitenkin aina vastaa sähköisesti puolijohdetta. Luonnollisesti myös alkuaineiden keskinäiset suhteet vaikuttavat puolijohteen ominaisuuksiin. Puolijohteet jaetaan edelleen kahteen ryhmään, n- ja p-tyypin puolijohteisiin, joista ensiksi mainitussa on ylimäärä elektroneja ja jälkimmäisessä ylimäärä aukkoja. Ylimäärät saadaan aikaan seostamalla materiaaleja epäpuhtausatomeilla. Esimerkiksi ensimmäisen sukupolven aurinkokennojen perustana olevalla piillä on vapaana ollessaan uloimmalla elektronikuorellaan neljä elektronia, jolloin puhtaan piin kiderakenne on säännöllinen jokaisen elektronin ollessa yhteinen kahden piiatomin kesken. Tällöin jokainen piiatomi on siis yhteydessä neljään atomiin ja kullakin piiatomilla on uloimmalla elektronikuorellaan suurin sallittu elektronimäärä, eli kahdeksan elektronia. Tilanne kuitenkin muuttuu, mikäli piitä seostetaan alkuaineella, kuten fosforilla, jolla on viisi elektronia uloimmalla elektronikuorellaan. Tällöin kunkin fosforiatomin neljä elektronia on sidoksissa johonkin piiatomiin, yhden elektronin jäädessä vapaaksi. Näin parannetaan merkittävästi rakenteen sähkönjohtavuutta. Mikäli piitä seostetaan boorilla, tai jollain muulla alkuaineella, jolla on kolme elektronia uloimmalla elektronikuorellaan, on seostava alkuaine kytköksissä nyt vain kolmeen piiatomiin. Myös näin on saatu parannettua rakenteen sähkönjohtavuutta, mutta tällä kertaa muodostamalla rakenteeseen aukkoja. Kun n- ja p-tyyppisesti seostetut puolijohteet tuodaan yhteen, siirtyy elektroneja n-tyypin puolijohteesta täyttämään p-tyypin puolijohteessa olevia aukkoja. Samoin p-tyypin puolijohteessa olevat aukot pyrkivät kohti n-tyypin puolijohdetta. Elektronien siirtyessä n-kerroksesta p-kerrokseen, tulee n-kerroksen fosforiatomeista niiltä puuttuvan elektronin vuoksi positiivisesti varautuneita ioneja. Elektronin vastaanottaneista booriatomeista tulee puolestaan negatiivisesti varautuneita ioneja. Näin p- ja n-kerrosten rajapinnalle muodostuu alue, jolla ei ole vapaita varauksenkuljettajia. Aluetta kutsutaan pn-liitoksen tyhjennysalueeksi. Koska rajapinnasta muodostuu sähköisesti varautunut, muodostuu rajapinnalle sähkökenttä, eikä elektronien ja aukkojen edellä mainittu siirtyminen jatku loputtomiin. Täten rakenne jää muutoin entiselleen, kun tietyn levyinen tyhjennysalue on ensin muodostunut. Rajapin-nalle muodostunutta sähkökenttää vastaa tietty jänniteero, jota kutsutaan pn-liitoksen kynnysjännitteeksi. Mikäli pn-liitoksen yli kytketään myötäsuuntainen jännite, eli p-alue tulee n-aluetta korkeampaan potentiaaliin, on elektroneilla mahdollista siirtyä n-alueelta p-alueelle, edellyttäen että myötäsuuntainen jännite on kynnysjännitettä suurempi. Koska sähkövirta on määritelty elektronien liikkeeksi, kulkee sähkövirta kynnysjännitteen ylittävän myötäsuuntaisen jännitteen vallitessa p-
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 7 alueelta n-alueelle. Jos pn-liitoksen yli kytketään estosuuntainen jännite, kasvaa p- alueella olevien aukkojen tiheys ja n-alueella olevien elektronien tiheys. Tämä johtaa tyhjennysalueen levenemiseen, eikä pn-liitoksen läpi kulje virtaa, lukuun ottamatta pientä vuotovirtaa. Jos estosuuntaista jännitettä kasvatetaan riittävästi, tapahtuu läpilyönti, mikä yleensä johtaa koko pn-liitoksen tuhoutumiseen [1]. Edellä kuvattua pn-liitoksen kykyä päästää sähkövirtaa läpi vain toiseen suuntaan käytetään laajalti hyväksi elektroniikassa. Myös perinteisen aurinkokennon toiminta perustuu pn-liitoksen hyödyntämiseen, mutta tällöin pn-liitoksen yli ei kytketä jännitettä. Aurinkokennoissa pn-liitoksen tehtävä on ainoastaan saada auringonsäteilyn synnyttämät varauksenkuljettajat liikkumaan eri suuntiin, jotta ne voidaan johtaa onnistuneesti ulkoiseen piiriin. Aurinkokennon toiminta perustuu puolijohteissa olevien tiettyjen energiatilojen hyödyntämiseen. Vapaassa tilassa olevan atomin elektroneilla on tietty määrä sallittuja energiatiloja, jotka määräytyvät suoraan elektronikuorien määrän perusteella. Puolijohteissa, kuten muissakin kiderakenteissa, atomit vuorovaikuttavat keskenään, minkä vuoksi elektronien sallitut energiatilat levittäytyvät sallituiksi energiavöiksi, jotka täten koostuvat lähekkäisistä ja osittain päällekkäisistä elektronien alkuperäisistä energiatiloista. Alhaisissa lämpötiloissa kiderakenteen elektronit miehittävät mahdollisimman alhaiset energiatilat, mutta jokaisella sallitulla energiatasolla voi kuitenkin olla korkeintaan kaksi elektronia. Tätä kutsutaan Paulin kieltosäännöksi. Sen seurauksena kaikki kiderakenteen energiatilat ovat alhaisissa lämpötiloissa elektronien miehittämiä tiettyyn, jokaiselle materiaalille yksilölliseen energiatasoon asti, jota kutsutaan Fermi-energiaksi. Sen alapuolista energiavyötä kutsutaan valenssivyöksi ja yläpuolista vyötä johtavuusvyöksi. Jotta puolijohde johtaisi sähköä, on johtavuusvyöllä oltava elektroneja. Siirtyäkseen johtavuusvyölle elektronit tarvitsevat energiaa, jonka ne voivat saada esimerkiksi niihin kohdistuvan lämpöenergian kautta. Aurinkokennojen toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön, jossa aineen elektronit voivat saada niin paljon energiaa auringonsäteilyn fotoneilta, että ne siirtyvät valenssivyöltä johtavuusvyölle. Fotonit ovat sähkömagneettisen säteilyn perushiukkasia, joilla on tietty energia. Mitä suurempi on auringonsäteilyn intensiteetti, sitä enemmän varauksenkuljettajia syntyy ja sitä suurempi on myös aurinkokennosta saatava sähköteho. Varauksenkuljettajilla tarkoitetaan aukkojen ja elektronien syntymistä, jotka pn-rakenteen varauksenkuljettajia erottelevan vaikutuksen vuoksi etenevät kennossa eri suuntiin. Tähän karkeaan aurinkokennojen toimintaperiaatteeseen perustuvat luvussa 3 käsiteltävät ensimmäisen sukupolven aurinkokennot, luvussa 4 käsiteltävät toisen sukupolven aurinkokennot, sekä alaluvussa 5.1 käsiteltävät piihin perustuvat ohutkalvokennot. Johtuen erilaisista materiaaleista ja muista teknisistä ratkaisuista, vaihtelevat myös eri kennojen toimintaan vaikuttavat tekijät, joita käsitellään kunkin kennotyypin kohdalla erikseen. Alaluvussa 4.1. käsiteltävien amorfiseen piihin perustuvien kennojen rakenne poikkeaa hieman muiden toisen sukupolven ja ensimmäisen sukupoven aurinkokennojen rakenteesta, minkä vuoksi niiden kohdalla toimintaperiaatetta käsitellään hieman syvällisemmin. Alaluvussa 6.1. käsiteltävien vä-
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 8 riaineaurinkokennojen toiminta perustuu valosähköisen ilmiön sijasta fotosynteesiin, minkä vuoksi tässä kappaleessa esitetty aurinkokennojen perustoimintaperiaate sellaisenaan päde niihin [1]. 2.2. Aurinkokennojen toiminnan kannalta olennaisimmat parametrit 2.2.1. Valon absorboituminen aurinkokennossa ja absorptiokerroin Aurinkokennon tehtävänä on saada hyödynnettyä sille lankeavan säteilyn energiasta mahdollisimman suuri osa. Tätä ominaisuutta voidaan arvioida absorptiokertoimen α avulla. Se riippuu todennäköisyydestä P 12, jolla elektroni voi siirtyä valenssivyötä vastaavalta energiatasolta E V johtavuusvyötä vastaavalle energiatasolle E C, sekä elektronien tiheydestä valenssivyöllä g V (E V ) ja elektronien lopullisten tilojen tiheydestä johtavuusvyöllä g C (E C ). Absorptiokerroin α saadaan, kun edellä mainittujen tekijöiden tulo summataan kaikkien mahdollisten energia-tasojen E V ja E C välillä tapahtuvien siirtymien yli. Absorptiokerroin voidaan esittää kaavan 2.3 avulla. Kaava 2.3 kertoo, kuinka paljon varauksenkuljettajia kennon avulla on teoriassa mahdollista säteilyn avulla tuottaa. Sitä sovellettaessa täytyy olettaa, että valenssivyö on täysi ja johtavuusvyö tyhjä. α hv) P g ( E ) g ( ). (2.3) ( 12 V 1 C E2 Kun puolijohdetta käytetään absorboimaan valoa, on olennaista osuuko valenssivyön energia-huippu E Vmax ja johtavuusvyön energiaminimi E Cmin samalle elektronin liikemäärän p arvolle, eli säilyykö elektronin liikemäärä sen siirtyessä energiatasolta toiselle. Tämän mukaan puhutaan suoran ja epäsuoran energia-aukon puolijohteista. Ensiksi mainitun kohdalla energia-arvot E Vmax ja E Cmin osuvat kohdakkain, eli elektronin liikemäärä säilyy, kun taas viimeksi mainitun kohdalla näin ei tapahdu. Epäsuoran energiaaukon puolijohteissa energia-arvojen E Vmax ja E Cmin osuminen eri elektronin liikemäärän p arvolle tarkoittaa käytännössä, että fotonin absorptioprosessi sisältää ylimääräisen partikkelin, jolla myös on tietty liikemäärä. Nämä partikkelit, fononit (engl. phonons), kuvaavat puolijohteen hilarakenteessa tapahtuvia värähtelyjä. Niillä on pieni energia, mutta suuri momentti. Valon absorptioprosessissa voi tapahtua sekä fononin absorboituminen, että emissio. Suoran ja epäsuoran energia-aukon omaavissa puolijohteissa tapahtuvaa fotonin absorptioprosessia on havainnollistettu kuvassa 2.1.
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 9 Kuva 2.1. Fotonin absorptioprosessi suoran (vasen kuva) ja epäsuoran energia-aukon puolijohteissa. Termi E V tarkoittaa valenssi- ja termi E C johtavuusvyötä. Sekä suoran, että epäsuoran energia-aukon puolijohteille voidaan kummallekin johtaa tämän perusteella yksilölliset absorptiokertoimen arvot, jota ei kuitenkaan tässä työssä tehdä. Mainittakoon kuitenkin, että epäsuoran energia-aukon puolijohteen absorptioprosessissa mukana olevilla fononeilla on tietyn suuruinen momentti, mikä johtaa pienempään absorptiokertoimeen. Käytännössä pienempi absorptiokertoimen arvo tarkoittaa, että valo tunkeutuu epäsuoran energia-aukon puolijohteeseen paljon syvemmälle, kuin suoran energia-aukon puolijohteeseen. Tämän vuoksi epäsuoran energia-aukon puolijohteelta vaaditaan suurempaa paksuutta. Edellä esitetyt fotonin absorptioprosessit ovat ainoastaan perustapauksia ja absorptio sekä suoran, että epäsuoran energia-aukon puolijohteissa voi tapahtua monella eri tavalla. Fononi voi esiintyä myös suoran energia-aukon puolijohteen absorptioprosessissa ja toisaalta epäsuoran energia-aukon puolijohteessa se saattaa puuttua absorptioprosessista kokonaan, jos fotonin energia on riittävän suuri. On myös huomattava, että absorptiokerroin on jokaiselle valon aallonpituudelle yksilöllinen, mikä tarkoittaa, että kennon paksuus vaikuttaa myös siihen, minkä aallonpituista valoa se kykenee absorboimaan [1]. Auringonsäteilyn fotonien energiaa voidaan kuvata kaavan 2.4 mukaisella yhtälöllä. hc E λ =. (2.4) λ Kaavassa 2.4 E λ on fotonin energia, h planckin vakio ja c valon nopeus. Koska kaavan osoittaja on vakioiden tulo, riippuu fotonin energia vain nimittäjässä olevasta aallonpituuden λ arvosta. Edelleen voidaan päätellä, että mitä pienempi on tietyn fotonin aallonpituus, sitä suurempi on sen energia. Auringonsäteilyn fotoneista vain ne joiden energia on riittävän suuri kykenevät irrottamaan elektroneja valenssivyöltä johtavuusvyölle. Se onko fotonin energia riittävän suu-
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 10 ri, riippuu valenssivyötä ja johtavuusvyötä vastaavien energiatasojen suuruuksista. Juuri tätä energiatasojen erotusta kutsutaan materiaalin energia-aukoksi E g. Energia-aukko kertoo samalla, miten hyvin kenno on sovitettu auringonsäteilyn spektriin. Niillä fotoneilla, joiden energia on suurempi kuin energia-aukon suuruus, muuttuu ylijäämä energia ainoastaan lämmöksi, eikä siitä näin ole kennon sähkön tuotannon kannalta lainkaan hyötyä. Tämä on eräs merkittävä syy aurinkokennojen hyvin alhaiseen hyötysuhteeseen. Energia-aukon lisäksi käytetään usein myös termiä optinen energia-aukko, jolla tarkoitetaan samaa energia-aukkoa. Optisesta energia-aukosta puhutaan silloin, kun ollaan kiinnostuneita minkä suuruisen energia-aukon omaavat fotonit pääsevät materiaalista läpi, eli eivät absorboidu materiaalissa [1]. 2.2.2. Tyhjäkäyntijännite, oikosulkuvirta ja virta-jännite käyrä Aurinkokennoa on mahdollista havainnollistaa kuvan 2.2. kaltaisella yksinkertaisella rakenteella. Kuva 2.2. Aurinkokenno yksinkertaisen virtapiirin avulla esitettynä. Kuvassa 2.2. olevan diodin 1 tarkoitus on kuvata aurinkokennossa tapahtuvaa elektronien ja aukkojen rekombinaatiota, mikä tarkoittaa, ettei niitä onnistuttu johtamaan ulkoiseen piiriin, vaan ne yhdistyivät toisiinsa. Virtalähde I SC kuvaa säteilyn synnyttämien varauksenkuljettajien muodostamaa virtaa. Sen aikaansaaman virran suunta on päinvastainen diodien myötä-virran suuntaan nähden, joten riittävän suuri virtalähteen virta myötäbiasoi diodit. Diodi 2 kuvaa pn-liitoksen tyhjennysalueella tapahtuvaa rekombinaatiota, mikä yleensä voidaan jättää huomioimatta. Mikäli säteily ei ole erityisen voimakasta, eli virtalähteen antama virta on pientä, myös diodin 1 virta voidaan jättää huomioimatta ja aurinkokennon virta I koostuu ainoastaan varauksenkuljettajien synnyttämästä virrasta I SC. Kun auringonsäteily on voimakasta kasvaa kennon lämpötila ja myös diodin 1 virta voimakkaasti. Seurauksena on kennon jännitteen V romahtaminen. Tarkastellaan seuraavaksi kennoa, jota ei ole kytketty ulkoiseen piiriin. Tällöin myös virta I on kuvan 2.2. perusteella 0, eli virta I SC kulkee kokonaisuudessaan diodin 1 läpi.
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 11 Tällöin kennon jännitettä kutsutaan tyhjäkäyntijännitteeksi, V OC, joka voidaan määritellä kaavan 2.5 avulla. V OC kt I + I kt SC 01 SC = ln ln, kun I 01 q I 01 q I 01 I I SC >>. (2.5) Virtalähteen virtaa I SC kutsutaan oikosulkuvirraksi. Kaavassa oleva termi I 01 kuvaa diodin 1 läpi kulkevaa virtaa. Sitä kutsutaan usein myös saturaatiovirraksi. Termi k on Boltzmannin vakio, T on lämpötila kelvineissä ja q on elektronin varaus. Mikäli kenno kytketään ulkoiseen piiriin, kulkeutuu huomattava osa kennon virrasta I SC sinne. Tällöin rekombinaatio muodostuu merkittäväksi (eli diodi 1 kuvassa 2.2. alkaa johtaa) vasta kennon lämpenemisen surauksena, jolloin kennon virta on suuri. Aurinkokennon toiminnan kannalta olennaisten suureiden merkitystä on helpointa havainnollistaa kuvan 2.3. mukaisen virta-jännite-käyrän avulla. Kuva 2.3. Aurinkokennon virta-jännite (I-V) käyrä. Kuva 2.3. esittää tyypillisen piiaurinkokennon virta-jännitekäyrää. Yksinkertaisuuden vuoksi siinä ei ole huomioitu kuvassa 2.2. olevalla diodilla 2 mallinnettua tyhjennysalueella tapahtuvaa rekombinaatiovirtaa. Näin voidaan huoletta tehdä sen vähäpätöisyyden vuoksi. Kuvasta 2.3. nähdään selvästi oikosulkuvirran romahtaminen, kun tyhjä-
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 12 käyntijännite saavuttaa tietyn arvon. Näiden kahden suureen voimakas keskinäinen riippuvuus on arvioitavissa myös edellä esitetystä tyhjäkäyntijännitteen kaavasta. Aiemmin mainittu materiaalin energia-aukko E g liittyy tyhjäkäyntijännitteeseen ja oikosulkuvirtaan siten, että mitä pienempi energia-aukko on, sitä enemmän syntyy vapaita varauksenkuljettajia. Tämä johtaa suurempaan oikosulkuvirtaan. Toisaalta pieni energia-aukko johtaa kuvan 2.2. diodin 1 läpi kulkevan virran, eli rekombinaation nopeampaan kasvamiseen. Tyhjäkäyntijännitteen kaavan perusteella suuri diodin 1 läpi kulkeva virta suhteessa oikosulkuvirtaan johtaa tyhjäkäyntijännitteen romahtamiseen. Tästä syystä suuri energia-aukko johtaa myös suurempaan tyhjäkäyntijännitteeseen. Toisaalta suuri energia-aukko aiheuttaa varauksenkuljettajien määrän vähentymistä, sillä tällöin pienemmällä osalla fotoneista on riittävästi energiaa sen ylittämiseksi. Ideaalisena energia-aukon suuruutena pidetään 1,45 ev:a [1, 18]. 2.2.3. Täytekerroin ja aurinkokennon hyötysuhde Kuvassa 2.3. esitetyn virta-jännite käyrän pisteistä kaikkein kiinnostavin on se, joka osoittaa kennosta saatavan maksimitehon. Sitä kutsutaan maksimitehopisteeksi P MAX ja sitä vastaavat jännitteen ja virran arvot on kuvassa 2.3. osoitettu termeillä V MP ja I MP. Graafisesti ajateltuna maksimitehopiste on se piste, jossa pinta-alaltaan suurin kuvaan 2.3. piirretty suorakulmio leikkaa virta-jännite käyrän. Suorakulmion ala on tällöin P MP = V MP. I MP. Aurinkokennon kykyä saavuttaa sen teoreettinen maksimihyötysuhde, voidaan arvioida sen täytekertoimen FF avulla, jota voidaan pitää eräänlaisena hyvyyslukuna. Se voidaan määritellä kuvassa 2.3. olevan kahden suorakulmion osamääränä: P V FF = V I V MP MP MP =. (2.6) OC SC OC I I SC Täytekerroin on siis sitä parempi, mitä jyrkemmin oikosulkuvirta I SC putoaa kuvassa 2.3., kun tyhjäkäyntijännite on saavuttanut tietyn arvon, eli mitä selvempi on piste, jossa rekombinaatiomekanismit alkavat vaikuttaa. Täytekertoimelle on empiirisesti johdettu myös seuraava esitys. FF V = OC kt ln( qvoc q V + kt OC kt + 0,72) q. (2.7) Kaavasta 2.7 voidaan päätellä että tyhjäkäyntijännitteen V OC kasvattaminen johtaa kasvaneeseen täytekertoimeen. Täytekerrointa heikentää erilaiset kennossa ja johtimissa tapahtuvat resistiiviset häviöt, joiden pitäminen mahdollisimman pienenä on eräs kennojen suunnittelun peruslähtökohta. Täytekertoimen teoreettinen maksimi on yksi, mutta käytännössä tähän ei koskaan päästä. Resistiivisten häviöiden, sekä rekombinaation li-
2. AURINKO SÄHKÖENERGIAN LÄHTEENÄ 13 säksi aurinko-kennojen hyötysuhdetta heikentävät keruuhäviöt, joilla tarkoitetaan sitä, ettei kaikkia auringonsäteilyn synnyttämiä varauksenkuljettajia onnistuta keräämään kennon virta-kontakteihin. Virtakontaktit myös estävät osaa auringonsäteilystä saavuttamasta kennon absorptiokerrosta ja lisäksi osa auringonsäteilystä heijastuu kennon pinnalta. Tärkein aurinkokennon toimintaa kuvaava parametri on luonnollisesti kennon hyötysuhde η. Jos tiedetään aurinkokennolle tulevan säteilyn teho ja suurin kennosta käytännössä saatava teho, voidaan aurinkokennon hyötysuhde määrittää kaavan 2.8 avulla. P P MP OC SC η = =. (2.8) in FF V P in I Yllä esitettyä hyötysuhteen kaavaa voidaan soveltaa vain ensimmäisen ja toisen sukupolven kennojen kohdalla. Väriaineaurinkokennojen erilaisesta toimintaperiaatteesta johtuen niiden hyötysuhteen kaava poikkeaa edellä esitetystä [1, 84].
14 3. ENSIMMÄISEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT 1960-luvulla alkanut elektroninen vallankumous johti nopeasti kasvaneen kilpailun kautta monimutkaisten integroitujen piirien rakentamiseen, jotka puolestaan olivat alkusysäys nykyiselle informaatioteollisuudelle. Tämä edellytti ensin voimakkaita panostuksia piin kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien tutkimiseen, sekä valmistusmenetelmien kehittämiseen, jotta puhdasta ja yhtenäisen rakenteen omaavaa piimassaa voitaisiin tuottaa mahdollisimman paljon. Tämä edellytti myös eri prosessivaiheiden suorittamiseksi tarvittavien laitteiden kehittymistä. Koska piin ominaisuudet tunnettiin tuohon aikaan hyvin, oli luonnollista että myös ensimmäiset aurinkokennot perustuivat piihin. Koska pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine, ei ollut huolta myöskään materiaalin saatavuudesta. Aluksi piitä käytettiin aurinkokennoissa ainoastaan yksikiteisenä. Tällöin piissä on kaikkialla yhdenmukainen kiderakenne. Monikiteisten piikiekkojen edullisemmasta hinnasta johtuen alkoi 1980-luvulla markkinoille ilmestyä myös niihin perustuvia aurinkokennoja. Yksikiteisestä piistä poiketen se koostuu rakeista, joiden sisällä on yhdenmukainen kiderakenne. Monikiteisen piin avulla ei onnistuttu heti saavuttamaan samansuuruisia hyötysuhteita kuin yksikiteiseen piihin perustuvilla kennoilla, niinpä se ei välittömästi syrjäyttänyt yksikiteisen piin valta-asemaa aurinkokennomateriaalina. Monikiteisen piin ominaisuuksien parempi tunteminen johti kuitenkin siitä valmistettujen kennojen laadun parantumiseen, mikä yhdessä kehittyneen materiaalinkäsittelyteknologian kanssa johti siihen perustuvien kennojen markkinaosuuden kasvamiseen. Nykyään jo yli puolet kiteiseen piihin perustuvista kennoista on valmistettu monikiteisestä piistä [1]. On arvioitu, ettei pelkästään kiteiseen piihin perustuvien kennojen avulla kyetä täyttämään niitä odotuksia, joita koko aurinkokennoteollisuudelle on asetettu. Nämä väitteet perustuvat siihen, että erittäin puhtaan piin tuottaminen on hyvin kallista ja hankalaa. Tämä nostaa valmiiden moduulien hintaa huomattavasti, sillä noin puolet moduulin kokonaishinnasta muodostuu pelkästään materiaalikustannuksista. Tästä syystä on ryhdytty kehittämään aurinkokennoja, jotka perustuvat kiteisen piin sijasta materiaaleihin, joiden avulla moduulin loppuhintaa voidaan pienentää. Erityisesti monikiteisen piin käytön ongelmana on lisäksi se, että vaikka piitä on käytetty kennomateriaalina koko nykyaikaisen aurinkokennoteollisuuden ajan ja sen ominaisuuksia on tutkittu menestykselli-
3. ENSIMMÄISEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT 15 sesti, muodostuu monikiteisen piimassan kasvatusprosessin aikana siihen edelleen myös rakenteellisia heikkouksia ja epäpuhtauksia. Nämä heikentävät kennojen hyötysuhdetta ja siksi nykyään tähän teknologiaan perustuvien kennojen parissa tehdäänkin voimakasta tutkimusta liittyen muun muassa hilarakenteessa oleviin vaurioihin ja niiden keskinäiseen vuorovaikutukseen [1, 5]. Monikiteiseen piihin pohjautuvien kennojen ongelmana on myös kehno teollinen valmistusprosessi, jossa suoritettavien piin leikkaamistoimenpiteiden johdosta jopa puolet piimassasta tuhlataan. Noin 80 % monikiteisestä piistä valmistetaan tällä menetelmällä. Johtuen toistaiseksi paremmasta hyötysuhteesta verrattuna muihin kennotekniikoihin, kiteiseen piihin perustuvat aurinkokennot hallitsevat edelleen 90-prosenttisesti aurinkokennomarkkinoita huolimatta edellä mainituista heikkouksista [1, 5]. Koska muihin teknologioihin pohjautuvien kennojen parissa ei ole tapahtunut merkittävä läpimurtoa, on kiteiseen piihin perustuvien kennojen oletettu säilyttävän valta-asemansa ainakin 2010- luvun puoliväliin saakka [1]. Jo nyt monikiteisen piin kasvatustekniikoiden kehittämisessä on tapahtunut edistystä, jonka johdosta suurempi osa materiaalista saadaan hyödynnettyä. Jos myös aiemmin mainittujen rakenteellisten heikkouksien ehkäisemisessä tapahtuu merkittävää edistystä, saattaa valta-asema säilyä vielä pitkälle tulevaisuuteen [1, 5]. 3.1. Kiteinen pii aurinkokennomateriaalina 3.1.1. Kiteisen piin yleispiirteitä Teollisuuden tarkoituksena on valmistaa suurella tuotantovolyymillä mahdollisimman hyvän hyötysuhteen omaavia aurinkokennoja, jotka ovat lisäksi kustannustehokkaita. Yleisin materiaali, jota nykyään käytetään aurinkokennoissa valoa absorboivana materiaalina, on kiteinen pii jota käytetään joko Czhochralski-kasvatettuna yksikiteisessä muodossa, tai valumuottimateriaalina monikiteisessä muodossa. Tähän mennessä on tehty suuria ponnistuksia aurinkokennojen hyötysuhteen kasvattamiseksi 20 %:iin ja jopa sen yli. Valitettavasti tehokkuusparannukset on usein saavutettu voimakkaita taloudellisia panostuksia edellyttävien prosessivaiheiden avulla, joten useimpia vaiheita ei voida suoraan soveltaa teollisuustuotantoon, vaan ne on uudelleen suunniteltava halvemmiksi. Tästä syystä yksikiteiseen piihin perustuvien aurinkokennojen kohdalla esiintyy edelleen suuri tehokkuusero laboratorio-olosuhteissa valmistettujen 24 %:n hyötysuhteen omaavien, ja kustannustehokkaiden, kaupallisesti tuotettujen kennojen välillä, joiden hyötysuhde on vain 14-17 %. Aurinkokennojen massatuotannon alkuaikoina aurinkokennomoduulin hinta jakautui tasaisesti piikiekon, kennon valmistusprosessin ja moduulin valmistuksen kanssa. Tämä perinteisenä pidetty suhde on muuttunut sekä yksi-, että monikiteisellä piillä. Nykyään useimmissa tuotteissa piikiekon osuus on jopa yli 50 % moduulin hinnasta, kun sekä kennon, että moduulin valmistusprosessin osuus