Päikeseelement

Päikeseelement ehk fotogalvaaniline element (inglise keeles solar cell või photovoltaic cell) on fotoelektriline seadis, mis muundab fotogalvaanilise efekti abil valgusenergia vahetult elektrienergiaks. Fotoelektriline element, millele langeb lühikese lainepikkusega elektromagnetkiirgus, näiteks päikesevalgus, suudab toota elektrivoolu ilma, et oleks ühendatud väliste energiaallikate külge.

Päikesepaneeli ehitusplokk

Fotogalvaaniliste elementide kogumid moodustavad päikesepaneeli (nimetatakse ka päikesepatareiks), mis toodab elektrit päikesevalgusest. Hulk elemente grupeeritakse orienteeritult ühel tasandil, millest tuleneb ka nimetus päikesepaneel või fotogalvaaniline moodul. Elektrienergia, mis on saadud päikesepaneelidelt, on üks päikeseenergia liikidest.

Päikeseelemendi ajalugu

Fotogalvaanilist efekti demonstreeris eksperimentaalselt prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel 1839. aastal. Üheksateistaastaselt ehitas Becquerel oma isa laboratooriumis esimese fotogalvaanilise elemendi. Alles 1883. aastal ehitas Charles Fritts esimese tahke fotogalvaanilise elemendi, siirete saavutamiseks kattis ta üliõhukese kihi kullaga seleenpooljuhi. Seadme efektiivsus oli ainult 1%. 1888. aastal ehitas vene füüsik Aleksandr Stoletov esimese fotoelektrilise elemendi, mis põhines 1887. aastal Heinrich Hertzi avastatud fotoelektrilisel efektil.
1905. aastal seletas saksa füüsik Albert Einstein fotoefekti olemust – metalli pinnale langeva footoni energia kulub elektroni väljalöömise tööks ja sellele elektronile kineetilise energia andmiseks. Einstein sai selle eest 1921. aastal Nobeli füüsikaauhinna. 1940. aastal avastas USA uurimisinstituudi Bell Laboratories füüsik Russel Ohl räni pn-siirde ja sellel asetleidva fotoelektrilise efekti, kuid ka selle kasutegur oli alla 1%. Pärast Teist maailmasõda patenteeris Ohl 1946. aastal esimese moodsa päikeseelemendi.
Esimese praktilise päikeseelemendi arendasid Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller ja Gerald Pearson 1954. aastal uurimisinstituudis Bell Laboratories. Räni sihipärase doteerimise teel valmistati praktiliseks kasutamiseks sobiv päikeseelement kasuteguriga ligikaudu 6%. Võrreldes seleenil põhinevate elementidega, millel oli raskusi saavutamaks efektiivsust 0,5%, oli edusamm suur. Esialgu kasutati neid päikeseelemente mänguasjades ja teistes vähestes rakendustes, kuna elektritootlikkuse ja hinna suhe oli väga madal. 1956. aastal maksid päikesepaneelid võimsusega 1 vatt ligikaudu 300 dollarit, samas elektrijaama tootmisvõimsuse vatt maksis 0,5 dollarit.
Umbusuga suhtuti ettepanekusse paigaldada päikeseelemendid satelliidile Vanguard I, mis lennutati orbiidile 1958. aastal. Esialgu oli plaanis varustada satelliit patareitoitega, mille tühjenemise tõttu hinnati satelliidi eluiga lühikeseks. Lisades aga satelliidile päikeseelemendid, oli võimalik satelliidi missiooni aega oluliselt pikendada ilma suuremate põhimõtteliste muudatusteta satelliidile. Esialgne skeptitsism asendus peagi suure eduga ning päikeseelemendid võeti kiiresti kasutusele paljudes satelliitides. Märkimist väärib, et 1962. aasta juulis varustati 3600-elemendilise päikesepatareiga Bell Laboratories enda sidesatelliit Telstar 1.
Järgmisel kahel aastakümnel olid edusammud aeglased. Ainukesena levis päikeseelementide kasutuselevõtmine kosmoseteaduses, kus tänu nende kaalu ja võimsuse vahekorrale edestasid nad konkureerivaid tehnoloogiaid. Kuid see edu tingis ka aeglase arenemise, nimelt oldi kosmoseteaduses valmis maksma kõike parimate võimalike elementide eest. Seega polnud põhjust investeerida odavamatesse võimalustesse, kui see oleks vähendanud efektiivsust. Päikeseelementide hinna määras suuresti pooljuhttööstus. Nende üleminek integraallülitustele 1960ndatel tingis suuremate toorikkristallide saadavuse odavamate hindadega, mis viis ka lõpuks päikeseelementide hinnalanguseni. Siiski oli eelnimetatud efekt piiratud ja 1971. aastal maksis 1 vatt päikeseelementidel saadud võimsust ligikaudu 100 dollarit.

Edasised täiustused

Pärast Elliot Bermani päikeseelementide tootmiskulude langetamist ligi kümnele dollarile (jaemüügihind 20 dollarit), on edasised täiendused langetanud tootmiskulude hinda 1 dollarini vati ja jaemüügihinda 2 dollarini vati kohta. Päikesepaneele toetavad komponendid ja süsteemid maksavad rohkem kui paneelid ise.
Nii nagu pooljuhttööstus on läinud üha suuremate toorikkristallide peale, on ka päikeseelemendid muutunud suuremaks. 1977. aastal päikesepaneelide ehitamisele spetsialiseerinud ARCO Solari paneelides kasutati elemente, mille diameeter oli vahemikus 51–100 mm. 1990ndatel ja 2000ndate alguses kasutati paneelides tavaliselt pooljuhtplaate diameetriga 125 mm ning alates 2008. aastast kasutatakse enamikus uutes päikesepaneelides elemente diameetriga 150 mm. LCD-, plasma- ja muude lameekraanide võidukäik 1990. aastate lõpus ja 2000. aastate alguses viis suuremõõtmeliste kõrgkvaliteediliste klaaslehtede saadavuseni, mis võeti peatselt kasutusele ka päikesepaneelide katmisel.
Päikeseelementide ehituses on toimunud ainult üks suur muudatus. 1990ndatel said polükristallilisest ränist (polysilicon) päikeseelemendid üha populaarsemaks. Need elemendid on väiksema efektiivsusega kui monokristallilisest ränist päikeseelemendid, kuid polükristallilise räni kasvatamise tõttu suurtes vaatides, on tootmiskulud oluliselt madalamad. 2000ndate keskel domineerisid polükristallilisest ränist elemendid odavamate paneelide turul, kuid mitmete tegurite tõttu on kõrgema efektiivsusega monokristallilisest ränist elemendid läinud üha laiemasse kasutusse.

Materjalid

Päikeseelemente nimetatakse tavaliselt pooljuhtmaterjalide järgi, millest nad on valmistatud. Nendel materjalidel peavad olema teatud omadused päikesevalguse neelamiseks. Mõned päikeseelemendid on disainitud võtma vastu päikesevalgust, mis jõuab maapinnale ja teised, mida kasutatakse kosmoses.
Päikeseelemente saab jaotada esimese, teise ja kolmanda generatsiooni elementideks. Esimese generatsiooni elemendid, mida kutsutakse ka traditsioonilisteks, on tehtud kristallilisest ränist. Teise generatsiooni kiletaolised elemendid sisaldavad amorfset räni. Kolmanda põlvkonna päikeseelementides kasutatakse mitmeid kiletehnoloogiaid.

Kristalne räni

Päikeseelementide kõige levinumaks materjaliks on  kristalliline räni (c-Si), millestvalmistatud valmistatakse tahvlid paksusega 160–240 mikromeetrit.

Kiletehnoloogia

Õhuke kile kantakse ühe või mitme kihina fotogalvaanilisest materjalist alusmaterjalile, milleks võib olla klaas, plast või metall. Kile sisaldab amorfset räni.