Väitös: Aurinkokennojen toimintaa voidaan parantaa edistyksellisten valmistusmenetelmien avulla

Aurinkoenergian hyödyntäminen on yksi keskeisimmistä kestävän kehityksen ratkaisuista maailman kasvavaan energiankulutukseen. Tällä hetkellä piikennot ovat kaupallisesti merkittävin aurinkosähköteknologia. Niillä on kuitenkin omat rajoitteensa esimerkiksi saavutettavissa olevan maksimihyötysuhteen sekä sovelluskohteiden suhteen.

Tampereen yliopiston Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa on tutkittu vaihtoehtoista aurinkokennoteknologiaa, nimittäin III‒V-puolijohdemateriaaleista koostuvia moniliitosaurinkokennoja. Kyseisen teknologian avulla onkin saavutettu aurinkokennojen maailmanennätyshyötysuhteet, yltäen yli 47 prosenttiin. Nämä aurinkokennot soveltuvat materiaaliominaisuuksiensa puolesta myös haastavampiin olosuhteisiin, kuten avaruuteen satelliittien energiantuotantoon. Toinen moniliitoskennojen tyypillinen sovelluskohde on maanpäälliset auringonvaloa keskittävät systeemit.

– Moniliitosaurinkokennojen potentiaali korkeampien hyötysuhteiden saavuttamisessa perustuu päällekkäisiin liitoksiin, jotka on optimoitu hyödyntämään auringon säteilyn eri alueita. Tavoitteena on muuntaa auringonvalon sisältämästä energiasta sähköksi suurempi osa kuin mitä perinteisillä yhden liitoksen sisältävillä piikennoilla on mahdollista, Marianna Vuorinen selittää.

Uudet materiaalisysteemit tarvitsevat valmistusprosessien kehittämistä

Vuorisen väitöstutkimus keskittyy edistyksellisiin moniliitoskennoihin, jotka sisältävät niin kutsuttuja laimeita typpimateriaaleja. Nämä mahdollistavat auringonvalon hyödyntämisen myös auringon säteilyn alueilla, joilla olemassa olevat materiaalit joko eivät ole tarpeeksi tehokkaita tai niitä ei pystytä integroimaan moniliitoskennorakenteisiin.

– Jotta kyseiset aurinkokennot voisivat toimia parhaalla mahdollisella tavalla ja lopulta tuottaa mahdollisimman korkean hyötysuhteen, niiden valmistusprosessit on optimoitava tehohäviöiden minimoimiseksi. Uusien materiaalisysteemien kehittäminen vaatii aina myös valmistusprosessien muokkaamista, ja juuri tähän väitöstyöni liittyy. Mitä enemmän erilaisia puolijohdemateriaaleja aurinkokennot sisältävät, sitä haasteellisempaa niiden prosessoinnista tulee, Vuorinen toteaa.

Yksityiskohdilla on merkitystä

Väitöstyössä tutkittavien kennokomponenttien prosessointi tapahtuu tarkasti valvotuissa olosuhteissa puhdastilalaboratoriossa, jossa säädellään esimerkiksi ilmankosteutta sekä mahdollisia epäpuhtaushiukkasia. Moniliitoskennojen valmistus tapahtuu perinteisin puolijohdeprosessoinnissa käytettävin menetelmin, vaikkakin menetelmiä pitää muokata jokaiselle kennorakenteelle sopiviksi tavoitesuorituskyvyn saavuttamiseksi.

– Käytännössä kennokomponenttien prosessointi pitää sisällään erilaisten rakenteiden valmistamista hyödyntämällä kuviointia ja ohutkalvorakenteita. Valmistus vaatii äärimmäistä tarkkuutta, sillä kuvioiden yksityiskohdat ovat pienimmillään muutaman mikrometrin luokkaa, mikä vastaa murto-osaa hiuksen paksuudesta. Lisäksi kennojen toiminta on erityisen herkkä erilaisille valmistusvirheille. Tästä syystä yksi pölyhiukkanenkin saattaisi huonontaa valmistusprosessia merkittävästi, Vuorinen tarkentaa.

Rakennuspalikoita puolijohdekomponenttien valmistamiseen

Vuorisen väitöstutkimus keskittyy erityisesti yhden keskeisen prosessointimenetelmän, märkäsyövytyksen, optimointiin laimeille typpiyhdistepuolijohteille ja niitä sisältäville moniliitosaurinkokennoille. Lisäksi väitöstyössä on kehitetty valmistusprosessi uudenlaiselle, edistykselliselle sähköiselle kontaktille. Näitä rakennuspalikoita voidaan soveltaa moniliitoskennojen lisäksi myös muun tyyppisten laitteiden valmistamisessa.

– Valmistusprosessien optimoinnissa keskeistä oli löytää prosessointimenetelmät, jotka soveltuvat yhteen kaikkien aurinkokennojen sisältämien materiaalien kanssa. Kokonaisuudessaan väitöstutkimus onkin ollut hyvin poikkitieteellistä, sillä siinä yhdistyy tietämys erityisesti fysiikan, kemian sekä materiaalitieteiden alalta, Vuorinen täsmentää.

Väitöstutkimuksensa valmistuttua Vuorinen jatkaa työskentelyä puolijohdeprosessoinnin parissa teollisuudessa.

Väitöstilaisuus perjantaina 29. marraskuuta

Diplomi-insinööri Marianna Vuorisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced Processing of III‒V Multijunction Solar Cells tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 29.11.2024 kello 12 Hervannan kampuksella Konetalon auditoriossa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Markku Sopanen Aalto-yliopistosta. Kustoksena toimii professori Mircea Guina Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.