Väitös: Tavoitteena yli 50 % aurinkokennohyötysuhde uusien puolijohdemateriaalien avulla

Viime vuonna maailmanlaajuisesti asennettu kumulatiivinen aurinkosähkökapasiteetti oli noin 950 gigawattia, ja tänä vuonna todennäköisesti tullaan saavuttamaan yhden terawatin rajapyykki. Valtaosa aurinkosähköstä tuotetaan perinteisillä piihin perustuvilla aurinkopaneeleilla, joiden hyötysuhteet ovat noin 20 %. Huomattavasti korkeampia hyötysuhteita voidaan kuitenkin saavuttaa edistyneillä moniliitosaurinkokennoilla, jotka hyödyntävät Auringon säteilyspektriä tehokkaammin kuin perinteiset aurinkokennot.

Moniliitosaurinkokennoilla auringonvalo voidaan muuntaa sähköksi jo reilusti yli 40 %:n hyötysuhteella. Entistä korkeampia hyötysuhteita voidaan saavuttaa lisäämällä liitosten määrää aurinkokennorakenteessa, mikä osaltaan edellyttää uusien puolijohdemateriaalien kehittämistä.

– Moniliitosaurinkokennossa auringonvalo jaetaan usealle eri materiaaleista valmistetulle alikennolle, jotka kaikki hyödyntävät valon eri aallonpituuskaistoja. Näin valon sisältämä energia saadaan hyödynnettyä tehokkaammin, mikä johtaa korkeampiin hyötysuhteisiin kuin yksittäisillä liitoksilla. Tällä hetkellä maailman parhaimmilla moniliitosaurinkokennoilla onkin saavutettu jo yli 47 % hyötysuhteita, kertoo Riku Isoaho.

Huipputehokkaita moniliitosaurinkokennoja hyödynnetään avaruussovelluksissa, kuten satelliiteissa, sekä keskitetyn valon sovelluksissa maanpäällisessä energiantuotannossa. Korkeista hyötysuhteistaan huolimatta moniliitosteknologia ei kuitenkaan ole vielä saavuttanut taloudellisesta kilpailukykyä perinteisen piihin perustuvan aurinkokennoteknologian rinnalla.

Mitä enemmän liitoksia, sitä korkeampi hyötysuhde

Lisäämällä moniliitosaurinkokennon liitosten määrää hyötysuhdetta on mahdollista kasvattaa entisestään. Korkeammat hyötysuhteet puolestaan lisäisivät moniliitosteknologian kannattavuutta ja kilpailukykyä. Käytännössä tämä vaatii uusien aurinkokennoliitosten ja puolijohdemateriaalien kehittämistä.

Väitöstyössään Isoaho kehitti III–V puolijohdemateriaaleja, joihin on lisätty laimeina pitoisuuksina typpeä. Kapean energia-aukkonsa ansiosta näistä materiaaleista valmistettuja aurinkokennoliitoksia voitaisiin käyttää matalaenergisen lähi-infrapunasäteilyn hyödyntämiseen energiatuotannossa. Aurinkokennoihin soveltuvien typpeä sisältävien III–V materiaalien valmistukseen liittyy haasteita, joita Isoaho on työssään pyrkinyt ratkomaan materiaalitutkimuksen keinoin.

– Typen lisääminen III–V puolijohteisiin johtaa helposti myös tiettyjen materiaaliominaisuuksien heikentymiseen, mikä luo haasteita materiaalien hyödyntämiselle aurinkokennosovelluksissa. Mitä enemmän typpeä näihin puolijohteisiin lisätään, sitä suuremmiksi haasteet kasvavat, Isoaho kertoo.

Isoahon tutkimuksen yhtenä keskeisenä tavoitteena oli lisätä yhdistepuolijohteiden typpipitoisuutta niin, että materiaaleilla saavutettaisiin yhä pienempiä energia-aukkoja, mikä puolestaan mahdollistaisi pidempien aallonpituuksien tehokkaan hyödyntämisen moniliitosaurinkokennoissa.

– Perinteisesti tämänkaltaisten typpeä sisältävien III–V puolijohteiden typpipitoisuus on ollut noin 3–4 %, mutta tässä työssä typpipitoisuutta nostettiin jopa kahdeksaan prosenttiin, mikä mahdollistaa noin 0,7 elektronivoltin energia-aukon saavuttamisen näillä materiaaleilla, Isoaho kertoo.

Isoaho kehitti väitöskirjassaan erityisesti materiaalien valmistusprosessia sekä rakenteellisia ratkaisuja siten, että materiaaleja olisi käytännössä mahdollista hyödyntää seuraavan sukupolven moniliitosrakenteissa.

– Parhaita työssä kehitettyjä pienen energia-aukon alikennoja voitaisiin periaatteessa jo nyt käyttää osana kuusiliitoskennoja, joiden avulla olisi mahdollista saavuttaa 50 %:n kennohyötysuhde keskitetyn valon sovelluksissa. Tällaisen moniliitosaurinkokennon käytännön toteuttaminen vaatii kuitenkin vielä jatkokehitystä, mutta askelmerkit ovat kuitenkin jo paikallaan, sanoo Isoaho.

*****

Diplomi-insinööri Riku Isoahon fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Narrow Bandgap (0.7–0.9 eV) Dilute Nitride Materials for Advanced Multijunction Solar Cells tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa keskiviikkona 16.11.2022 kello 13 Hervannan kampuksella, Festia-rakennuksen salissa FA133 Pieni Sali 2 (Korkeakoulunkatu 8, 33720 Tampere). Vastaväittäjänä toimii vieraileva professori James A. Gupta Ottawan yliopistosta. Kustoksena toimii dosentti Antti Tukiainen Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.