Aurinkokenno

Aurinkokenno on laite, jolla auringon säteily muunnetaan sähköenergiaksi valosähköisen ilmiön avulla. Kennon toiminta perustuu kahteen pääperiaatteeseen: saapuva fotoni synnyttää absorboivaan puolijohteeseen varauksenkuljettajia, jotka kerätään kulutuslaitteeseen tai akkuihin. Aurinkosähköä voidaan tuottaa myös infrapunavalosta. Yleisimpiä aurinkokennojen materiaaleja ovat yksikiteinen pii, monikiteinen pii, galliumarsenidi ja amorfinen pii.

Yksittäinen aurinkokenno tuottaa suhteellisen pienen jännitteen, joten yleensä aurinkokennot kytketään sarjaan ja asennetaan kehikkoon niin kutsutuksi aurinkopaneeliksi. Valosähköisestä aurinkosähköstä puhuttaessa käytetäänkin yleensä termiä aurinkopaneeli kennon sijaan.

Historia ja fysiikka
Piipohjaiset aurinkokennot perustuvat valosähköiseen ilmiöön. Se havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta sitä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla vasta 1880-luvulla. Heinrich Hertz havaitsi vuonna 1887, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin poistumista pinnasta. Nykyään tiedetään, että kyse on elektroneista. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallankumouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolosta tiedettiin jo. Thomas Edison havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korkeaan lämpötilaan vapautti elektroneja (Edison ei tuntenut elektronia). Pienintä energiaa, jolla elektroni irtoaa kappaleen pinnasta kutsutaan irrotustyöksi (f) ja se on materiaalivakio. Hertzin käyttämät kappaleet eivät olleet riittävän kuumia, jotta elektroni olisi irronnut lämpöenergialla.

Vuosina 1886–1900 saksalaiset fyysikot Wilhelm Hallwachs ja Philipp Lenard tutkivat yksityiskohtaisesti valosähköilmiötä ja saivat melko odottamattomia tuloksia: monokromaattisen valon osuessa kennoon elektroneja ei irtoa ellei käytetyn valon taajuus ollut korkeampi kuin rajataajuus; käytetyn valon intensiteetti ei vaikuta pysäytysjännitteeseen (jännite, jolla elektronien kulku katodilta anodille saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköilmiön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckin kvanttihypoteesia. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valonsäde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorboituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absorboituvan fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Valon suurempi intensiteetti säteilyn taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa virtaa. Suurimmalla osalla metalleista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliumin ja cesiumin oksideilla rajataajuus on näkyvän valon alueella.

Vuonna 1940 Russell Ohl teki Bell Labsissa kokeita piinpalasella, jonka läpikulkeva virta nousi huomattavasti kun siihen osoitettiin kirkasta valoa. Demonstraation kokeesta näkivät Joseph Becker ja transistorin kehittäjiin kuuluva Walter Brattain. Ohlille myönnettiin patentti valoherkälle laitteelle vuonna 1946.

Vuonna 1953 Calvin Fuller ja Gerald Pearson tekivät Bell Labsissa n- ja p-tyypin puolijohteilla kokeita, joiden tuloksena Bell Labs ilmoitti 24. huhtikuuta 1954 kehittäneensä ”aurinkopariston” eli aurinkokennon. Daryl Chapin työskenteli Fullerin ja Pearsonin kanssa ominaisuuksien parantamiseksi.

Käyttökohteita

Aurinkokennoja käytetään esimerkiksi maata kiertävissä satelliiteissa, avaruusluotaimissa, kannettavissa laitteissa, kuten taskulaskimissa ja rannekelloissa ja sähköverkon ulottumattomissa olevilla alueilla esimerkiksi valaistukseen ja veden pumppaukseen. Vuoden 2008 asennuksista aurinkokennoilla tuotetusta sähköstä liitettiin sähköverkkoon 98,7 %, EU:ssa ja 3 % Suomessa.

Helsingin ekologisen rakentamisen alueella Viikissä on Suomen ensimmäinen aurinkosähköä käyttävä asuinkerrostalo. Viidennes kiinteistösähköstä tuotetaan aurinkokennoilla. Järjestelmä on liitetty Helsingin Energian sähkönjakeluverkkoon, johon kesäaikana kerääntyvä ylimääräinen aurinkosähkö siirtyy. Talossa on 39 asuntoa. Sähköteho on 24 kW. Aurinkokennot ovat osa parvekejulkisivuja. Asukkaat voivat seurata tuotettua energiaa ja säteilytehoja reaaliaikaisesti internetistä. Projekti kuuluu EU:n PV-Nord –hankkeeseen. Viikissä oli tarkoitus myydä sähköä Helsingin Energialle siten, että sama määrä sähköä olisi myöhemmin saatu tarvittaessa. Verovirasto ja tulli estivät sen. Koska määräykset tekivät sähkön myynnin mahdottomaksi, saa Helsingin energialaitos ylimääräisen sähkön toistaiseksi ilmaiseksi (vuonna 2007). Vuonna 2007 aurinkokennot tuottivat 16 % tässä rakennuksessa käytetystä sähköstä.

Saksassa yli 90 % järjestelmistä on kytketty sähköverkkoon. Baijeriin valmistui vuonna 2006 kaksi maailman silloin suurinta PV-aurinkopuistoa: 12 MW:n Gut Erlase ja 10 MW:n Pocking. Pocking-puistossa on kuusi 1,67 MW:n yksikköä, 57 600 paneelia, ja sen pinta-ala on 10 jalkapallokenttää eli 7,5 ha. Moduulit ovat neljässä rivissä, ja niiden yhteispituus on 16,5 km. Puisto vähentää hiilidioksidipäästöjä fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna 10 000 tonnia vuodessa 20 vuoden ajan. Järjestelmän on kehittänyt Shell Solar. Järjestelmä vihittiin käyttöön tasan vuorokausi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden 20-vuotismuistopäivän jälkeen.

Google suunnitteli vuonna 2006 rakentavansa 1,6 MW:n järjestelmän pääkonttoriinsa. Kalifornian kuvernööri Arnold Schwarzeneggerin tavoite on asentaa Kaliforniaan 3 000 MW:n aurinkokennoja (2017).

Perinteisesti aurinkokennoille suosittuja käyttökohteita ovat olleet verkkovirrasta irralliset pienkohteet, kuten vesipumput ja taskulaskimet. Kesämökkien, asuntovaunujen, veneiden ja autojen ilmastointilaitteiden käyttövoiman tuottajana ne ovat yleisiä. Jääkaapit, pakastimet, viestintälaitteet ja kannettavat tietokoneet saavat sähköä aurinkokennoista myös erämaassa. Syrjäiset kohteet, kuten majakat tai tukiasemat, on järkevintä sähköistää aurinkoenergialla tai hybridijärjestelmällä liittämällä verkkoon.

Aurinkoenergian tärkeä tulevaisuuden sovellutus saattaa olla veden hajottaminen elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksi polttokennoja varten. ESA on kehittänyt aurinkoenergialla kulkevan auton ja Husqvarna ruohonleikkurin. Saksassa asennettiin vuonna 2006 3,5 MW:llä toimivia aurinkokeräimiä autoihin, liikennevaloihin jms. Etenkin Kiina, Saksa ja Japani tukevat aurinkokennojen rakentamista.

Aurinkokenno

Kennojen tyypillinen käyttöikä on noin 30 vuotta. Aurinkokennot voidaan jakaa tasapaksuihin levykennoihin (flat-plate PV), joissa auringonvalo tuottaa suoraan sähköä sekä keskittäviin aurinkokennoihin (CPV), joissa auringonvalo keskitetään tai tiivistetään sähkön tuotantoa varten. Levykennojen huipputeho on yleensä 5–300 W. CPV-kennojen huipputeho vaihtelee 0,5–40 kilowattiin. CPV-markkinat kasvavat tällä hetkellä nopeimmin. Vuonna 2004 CPV:n hankkimien tulojen osuus aurinkokennomarkkinoista oli prosentin luokkaa.

Aurinkokennojen tehokkuus riippuu auringon säteilyenergian määrästä, eli se riippuu alueen leveysasteista, paikallisesta ilmastosta ja ilmansaasteiden määrästä. Parhaiten aurinkoenergiajärjestelmät toimivat päiväntasaajan molemmin puolin sijaitsevissa maissa, missä auringonenergiaa on saatavissa eniten maailmassa.. Useimpien aurinkokennojen teho kuitenkin laskee lämpötilan noustessa ja pohjoisessa päivänvaloa saadaan kesäaikana ympäri vuorokauden, joten vuoden mittaan aurinkoenergiaa voidaan taloudellisesti hyödyntää pohjoisillakin leveysasteilla. Toisaalta kesäauringon laajemmasta kaaresta ekliptikalla seuraa energian talteenoton vaikeutuminen. Asiaa voi korjata esimerkiksi seurannalla, mutta tällöin laitteiston toiminta monimutkaistuu ja sen hinta nousee.

Aurinkokennojen tuotanto
Katso myös tilastot aurinkoenergian tuottaminen artikkelissa Aurinkoenergia.

1990-luvulla PV (photovoltaic)-markkinat kasvoivat vuosittain 33 %: 60 MW (1994) 1 GW (2004). Vuonna 2004 kapasiteetti kasvoi 60 %. Uusista järjestelmistä 80 % kytkettiin verkkoon (2004). Kasvu on merkittävintä Saksassa, Japanissa ja joissakin Yhdysvaltojen osavaltioissa, kuten Kaliforniassa, New Jerseyssä ja Arizonassa. Kasvusta on aiheutunut hetkellinen piimateriaalien pula. Se on antanut hetkellisen markkinaedun ohutkalvomateriaaleille ja keskittäville aurinkokennoille.

Suurin aurinkokennojen tuottaja vuonna 2010 oli Kiina (13 018,4 MWp – megawatt-peak). Euroopan suurin aurinkokennojen tuottaja oli Saksa (2 656,2 MWp, 9,8 % osuudella koko maailman aurinkokennojen tuotannosta).

Aurinkokennojen tuotantoalueet vuonna 2007 jakautuivat seuraavasti: Eurooppa 29 %, Japani 25 %, Kiina 22 %, Taiwan 10 %, USA 7 % ja muut 8 %.

Jos yritysten laajennustiedotteet ja arviot toteutuvat, aurinkokennojen tuotantokapasiteetti olisi 4,8 GW 2006/2007. Piin tuotantomäärät ovat olleet rajoittava tekijä. 2006–2008 vuosituotanto voi lisääntyä jopa 2 GW:lla. Aurinkokennojen tuotanto oli 1,7 GW vuonna 2005, 1,15 GW vuonna 2004 ja 0,56 GW vuonna 2002. Valoenergiamarkkinat kasvoivat 40 % vuonna 2001 ja 2002. Maittain tuottajat vuonna 2005 olivat: Japani 830 MW, Eurooppa 470 MW, Kiina 200 MW ja USA 150 MW. Markkinaosuudet maittain 2002 ja (1997): Japani 44 % (25 %), Eurooppa 25 % (23 %) ja USA 20 % (41 %). Vaikka hinta on yhä muita energiamuotoja korkeampi, aurinkoenergian mahdollisuudet tulla edullisimmaksi energiaksi ovat suuret. Tuotannon lisäys laskee hintaa ja kehitys nostaa tehoa. Kokemuksen mukaan tuotannon kaksinkertaistaminen on laskenut hintaa 20 %. Sharp ennustaa hyötysuhteen nousevan 17 %:sta 23–24 %:iin 2010-luvulla.

Eurooppalainen Q-Cells kaksinkertaisti tuotantonsa 2005. Japanilaiset Sharp ja Kyocera lisäsivät tuotantoaan 30 % vuonna 2005. Sanyo kasvoi neljänneksi suurimmaksi japanilaisyritykseksi seitsemänneltä tilalta. Kiinan aurinkokennotuotanto kolminkertaistui 65 MW:sta 200 MW:iin vuonna 2005. Vuoden 2005 lopussa Kiinan tuotantokapasiteetti oli 300 MW. Kolme kiinalaista yritystä on ilmoittanut laajentavansa tuotantoaan 1500 MW:lla 2008–2010 mennessä (Nanjing CEEG PV Tech, Yingli Solar ja Suntech Power).

Amerikkalaisten mukaan maailman ohutkalvo-pV-tuotanto oli 85 MW vuonna 2005 ja he ennakoivat vuoden 2008 kapasiteetiksi 500 MW, josta puolet USA:ssa. United Solar Ovonic tuotti amorfisen silikonin aurinkokennoja 22 MW (2005). First Solar tuotti kadmium-telluridi (CdTe) -ohutkalvokennoja 20 MW vuonna 2005. Yritys suunnittelee laajentavansa 100 MW:n (2007). Shell Solarin ohutkalvokennot perustuvat kupari-indium-diselenidiin (CIG), johon lisätään gallium Ga ja rikki S (CIGSS). Hyötysuhde on 11,7 % – tutkijat ovat saaneet hyötysuhteen 19 %:iin. Kennoja on myyty Euroopassa vuodesta 2006. Ruotsalainen ohutkalvokennoja tutkiva Solibro AB ja Q-Cells muodostivat yhteisyrityksen tuotteiden kaupallistamiseksi marraskuussa 2006. Alustavan tehtaan kapasiteetti on 25-30 MW Thalheimissa.

Kustannukset 
Yhdysvaltojen energiaministeriön mukaan multikidekennojen takaisinmaksuaika on 2–4 vuotta ja ohutkalvokennojen 1–2 vuotta.

Syöttötariffijärjestelmällä tuetaan uusiutuvan energian käyttöönottoa lähes kaikissa teollisuusmaissa. Kreikka sääti aurinkoenergialain helmikuussa 2007, Italia 25.8.2006 ja Espanja 26.3.2007. Kreikan takuutariffi on Saksaakin suurempi. Espanjan hintatuki on 44 eurosenttiä/kWh 25 vuoden ajan. Ruotsi antaa toukokuusta 2006 julkisille rakennuksille 60 % tukea aurinkokennojen asennukseen. Suomessa yritykset ja yhteisöt voivat saada tukea maksimissaan 60 prosenttia kustannuksista.

Tulevaisuus 

EPIA:n mukaan (9/2008) aurinkokennoilla (PV) voidaan tuottaa 12 % Euroopan sähköstä vuonna 2020. Aurinkokennojen hinta on laskenut 20 % kapasiteetin kaksinkertaistuttua. Saksan aurinkoteollisuuden yhdistyksen (BSW-Solar) mukaan Saksassa aurinkosähkön hinta asennettuna on laskenut 35 % vuodesta 2006 vuoden 2008 loppuun. Teknologinen kehitys ja massatuotanto laskevat hintaa. Siksi teollisuuden tavoite on 40 % vuosikasvu.

Aurinkokennojen hinta on laskenut hitaasti verrattuna muihin puolijohdetuotteisiin, kuten mikropiireihin. Piikiekolle tehtävien aurinkokennojen valmistuksessa on käytetty kustannussyistä mikropiiripiirituotannolle kelpaamatonta laatua, jonka määrä on ollut rajoitettua. Aurinkokennojen vapauduttua yksikiteisestä piistä, on tämä riippuvuus jäänyt toissijaiseksi. Tulevaisuudessa panostukset kasvihuoneilmiön välttämiseen tulee auttamaan aurinkokennotekniikan edistymistä. European PV Industry Assosiation (EPIA) ja Greenpeace arvioivat kapasiteetiksi 200 GW vuonna 2020 ja vuonna 2040 tuotannoksi 25 % koko maailman sähkönkulutuksesta. EPIA eli Euroopan aurinkokennoteollisuuden yhdistys ennustaa aurinkokennot kilpailukykyisiksi huipputunteina Etelä-Euroopassa vuonna 2015 ja muualla Euroopassa vuonna 2020. EPIA:n mukaan aurinkoenergiasta kehittyy merkittävä halpa sähkölähde tulevina vuosikymmeninä.

Aurinkokennotavoitteet: Japani 4 820 MW (2010), Italia 1 000 MW (2015), Korea 1300 MW (2012) ja USA 5–10 GW (2015)(s.100) ja USA 30 GW (2020). EU arvioi, että Saksaan on asennettu 4500 MW aurinkokennoja 2010.

Aurinkoenergian haittana on auringonpaisteen jaksoittaisuus ja investointikustannukset. Jaksoittaisuuden aiheuttamia ongelmia voidaan poistaa säätövoimalla ja energian varastoinnilla. Aurinkokennoihin ja alan kilpailuun panostavat maat ovat ottaneet käyttöön syöttötariffi-järjestelmän tukemaan pientuottajia.

Aurinkokennoja käytetään myös voimanlähteenä kokeellisissa autoissa, mutta tehot ovat vielä pieniä ja aurinkoautoilla on toistaiseksi vain kilpailtu Australiassa ja muissa valoisissa maissa.

Saharan reuna-alueiden ja muiden vastaavien kuivien alueiden varustaminen aurinkokennojen käyttämillä kastelujärjestelmillä on eräitä suuria haaveita, joiden toteutuminen helpottuu tekniikan kehittyessä.

Satelliittiaurinkovoima on kallista ja toistaiseksi vasta tutkimusasteella. Japani ja Yhdysvallat ovat suunnitelleet lähettävänsä avaruuteen aurinkovoimaloita eli satelliitteja, joihin on kiinnitetty kilometrien pituisia aurinkokennoja. Tuotettu sähkö siirrettäisiin maahan ilmeisesti mikroaalloilla tai IR-laserilla. Nasa esitti jo 1970-luvulla avaruusvoimalan rakentamista. Suunnitelman mukaan se olisi riittänyt kattamaan koko Yhdysvaltain sähköntarpeen. 1980-luvulla oli huhuja, että Neuvostoliitto kokeili langatonta sähkönsiirtoa avaruudesta maahan. Tässä tekniikassa on niin suuria turvallisuusongelmia, että se ei toteutune lähitulevaisuudessa. Myös kuuhun on suunniteltu sijoitettavan aurinkopaneeleja ympäri kuuta, muodostaen aurinkopaneeliketjun, jolla saataisiin sähkö tulevaisuuden kuutukikohdille vuorokauden ajasta riippumatta.

Useimpien avaruusalusten sähköteho tuotetaan aurinkokennoilla, koska vaihtoehtoina on vain polttokenno (esim. Apollossa käytössä) ja ydinenergia (esim. Cassini-luotain). Tällöin aluksen käyttöjännite on 28 V, 40 V, 100 V tasavirtaa tai 400 V vaihtovirtaa (esim. ISS-avaruuasema) ja tehonkulutus kymmenistä wateista satoihin kilowatteihin.

Tekniikka

Teoria

Aurinkoenergia on uusiutuvaa energiaa, jossa ei ole polttoainekustannuksia, ja josta ei synny hiilidioksidipäästöjä tai jätteitä. Aurinkokennojen käyttöä on kuitenkin hidastanut kennon korkeahko hinta. Kehityssuuntana on ollut kustannuksien alentaminen, hyötysuhteen parantaminen ja materiaalien kehitys. Aurinkokennojen valmistuskustannukset alenevat 2–4 prosenttia vuosittain teknisen kehitystyön ja suurtuotannon etujen ansiosta. Tärkein valosähköisten kennojen raaka-aine on pii, jota maapallolla esiintyy yltäkylläisesti teollisuuden tarpeisiin. Aurinkokennoja kohtaan osoitettu kritiikki kohdistuu usein pieneen hyötysuhteeseen ja valmistuksesta aiheutuviin päästöihin. Valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat todellakin melko korkeita, mutta nykytekniikalla niitä voidaan vähentää.

Aurinkokennojen hyötysuhde riippuu kennon valmistusmateriaalien ja -tekniikoiden lisäksi osittain kennoon tulevan säteilyn spektristä. Osa säteilystä heijastuu pois jo kennon pinnasta, minkä merkitystä pyritään vähentämään valitsemalla mahdollisimman heikosti heijastava materiaali pintaan. Myös säteilyn absorboituminen pintakerroksiin heikentää hyötysuhdetta, minkä merkitys vähenee sopivilla materiaalivalinnoilla. Fysiikassa auringon säteilyn ajatellaan koostuvan pienistä massattomista hiukkasista, fotoneista, jotka sisältävät tietyn määrän energiaa. Aurinkokennoissa fotonit absorboituvat p-tyypin puolijohteeseen vapauttaen elektroneja valosähköreaktiossa, kuljettuaan ensin n-tyypin kerroksen ja pn-liitoksen läpi.

Hyötysuhteen maksimoimiseksi pyritään säätämään p-tyypin materiaalin ominaisuudet siten, että suurin osa elektroneista vapautuu mahdollisimman lähellä liitosta, jotta sähkökenttä kykenisi auttamaan elektronien kulkua kennon yläosan läpi ulkoiseen piiriin. Luonnollisesti fotonien absorptio pyritään saamaan mahdollisimman suureksi, ja siten vapauttamaan mahdollisimman paljon elektroneja. Ja kaiken lisäksi elektronien yhtyminen aukkojen kanssa on estettävä mahdollisimman tehokkaasti. Näiden vaatimusten toteuttamiseksi äärimmäisen puhtaaseen puolijohderaaka-aineeseen lisätään tarkasti määriteltyihin paikkoihin epäpuhtauksia eli muita atomeja. Pinnasta tapahtuvia heijastuksia vähennetään ainakin kahdella eri tavalla: peittämällä pinta monella kerroksella sopivaa materiaalia esimerkiksi piimonoksidia tai käsittelemällä kennon pinta kemikaalein sellaiseksi, että se heijastaa pintaheijastukset takaisin kennoon.

Los Alamosin laboratorion tutkijat ovat onnistuneet kokeellisesti osoittamaan, että käyttämällä nanokiteistä puolijohdetta voidaan aurinkokennojen tuottaman sähkön määrää nostaa jopa 35 % nykyisestä. Hyötysuhteen nousun taustalla se, että nanokiteinen puolijohde vapauttaa useita elektroneja kerralla ja käyttää kennoon tulevien fotonien energian tarkemmin kuin aiemmin. Kennon perusperiaate ei muutu miksikään, vaan keksinnössä on kyse tämän 1950-luvulta alkaen tunnetun kuljetusilmiön moninkertaistamisen hyödyntämisestä: kennoon tuleva fotoni irrottaa yhden elektronin puolijohteesta, mutta ylimääräinen energia ei muutukaan lämmöksi vaan se siirtyy törmäysionisaatioprosessissa toiselle elektronille. Hyötysuhteen huomattava nosto edellyttää nanoluokan puolijohteita, sillä perinteisin menetelmin hyötysuhde kasvaisi vain noin prosentilla. Käytännössä edellä kuvattu ilmiö tarkoittaa fotonin osumasta irtoavien elektronien määrän kaksinkertaistumista.

Useimmilla tehokkailla aurinkokennomateriaaleilla irrotustyön suuruus on välillä 1,0–1,6 eV. Fotonit, joiden energia on vain hiukan irrotustyötä suurempi, vapauttavat elektroneja tuottamatta ylimääräistä lämpöä. Mikäli fotonin energia on pienempi kuin irrotustyö, fotoni ei pysty irrottamaan elektronia, ja koko fotonin energia vapautuu hukkalämpönä. Jos taas fotonin energia on merkittävästi suurempi kuin irrotustyö, ylimääräinen fotonin energia vapautuu hukkalämpönä. Useimmat aurinkokennot eivät pysty hyödyntämään kuin 55 % auringon säteilyn energiasta, sillä joko irrotustyö tai kuljettavien osasten vaatima energia suurempi kuin tulevien fotonien energia. Kennoissa käytettävät puolijohteet pyritään optimoimaan käyttämään hyödykseen mahdollisimman suurta osaa kennoihin osuvan säteilyn energiasta. 25 %:lla tulevista fotoneista on irrotustyötä pienempi energia, kun taas 30 % tulevasta energiasta kuluu kennon sisäisissä prosesseissa (syntyy esimerkiksi lämpöä ja valoa). Kennon tehokkuuteen vaikuttaa siis valmistustekniikan ja -materiaalien lisäksi käyttöolosuhteet. Aurinkokennon tuottaman sähkön määrää voidaan lisätä käyttämällä keskittimiä, jotka kohdistavat laajemmalle alueelle osuvan auringon säteilyn kennoihin jolloin kennoon osuvan säteilyn intensiteetti kasvaa. Kyse on siis eräänlaisesta vippaskonstista, jonka ongelmana on tosin kennon ja muidenkin rakenteiden normaalia voimakkaampi lämpeneminen. Keskitysjärjestelmiin eli linsseihin ja peileihin liittyy häviöitä ja myös heijastuminen keskittimistä on merkittävä tekijä.

Aurinkokennossa vapautuvien elektronien saaminen ulkoiseen piiriin on tärkeä osa aurinkoenergiateknologiaa, sillä elektronien siirtämiseen tarvittavat kontaktit eivät saisi peittää kuin korkeintaan muutaman prosentin kennon pinnasta ja niiden pitäisi johtaa hyvin kaikissa suunnissa. Se mitä materiaaleja kontakteja varten käytetään ja miten ne asennetaan kennon pinnalle on merkittävä tekijä kennon hyötysuhteen ja hinnan kannalta. Aurinkokennoja kootaan yleensä suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joita kutsutaan moduuleiksi ja taulukoiksi. Kokonaisen aurinkoenergiajärjestelmän voi ajatella koostuvan kolmesta osasta: tehontuotto eli aurinkokennot, jotka tuottavat tasavirtaa; kuorma, joka voi olla tasa- tai vaihtovirtaa käyttävä; näiden välissä on erittäin merkittävä, järjestelmän tasapainoa ylläpitävä osajärjestelmä, joka muuntaa kennon tuottaman sähkön käyttökelpoiseksi kuormalle. Tämä osajärjestelmä sisältää moduulien kiinnitysjärjestelmän, virran ja jännitteen suodatuskomponentit sekä tarvittaessa vaihtosuuntauksen. Myös varastointi kuuluu tähän järjestelmään.

Aurinkokennojen kiinnitysjärjestelmien on oltava kestäviä ja pitkäikäisiä, sillä ne ovat jatkuvasti sään armoilla. Itsenäisiin aurinkoenergiajärjestelmiin usein kuuluvat akut on vaihdettava joka viides tai kymmenes vuosi, näihin järjestelmiin saattaa kuulua myös dieselgeneraattori tai pieni tuulivoimala. Isommissa aurinkovoimaloissa käytetään jäljitysjärjestelmiä maksimaalisen energiantuoton saamiseksi eli taulukot on kiinnitetty moottoroituihin kiinnityksiin, jotka pitävät kennot optimaalisessa kulmassa aurinkoon nähden. Jännitteen säätö on tärkeä osa energian tuotantoa, sillä yli- ja alijännitteet voivat olla tuhoisia. Aurinkoenergiajärjestelmien yleistyminen on kiinni järjestelmien hinnasta ja käytettävyydestä sekä niiden eliniästä. Akkuteknologian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä aurinkoenergiajärjestelmiin tarvitaan tehokkaita akkuja, jotka eivät saisi laskea järjestelmän hyötysuhdetta paljoa. Nykytekniikalla akkujen käyttö pienentää hyötysuhdetta noin 20 %.

Aurinkokennojen suunnittelussa täytyy huomioida se, miten valo osuu kennoon, sillä valo voi joko osua kennoon suoraan tai se saattaa heijastua esimerkiksi pilvistä tai maasta. Keskitinjärjestelmät voivat hyödyntää vain niihin suoraan osuvaa valoa, kun taas litteät kennot pystyvät hyödyntämään heijastuneenkin komponentin. Suoraan kennoon tulevan valon määrä vaihtelee välillä 0–90 %.

Materiaalit
Vuonna 2004 piipohjaiset materiaalit hallitsivat markkinaosuuksissa: polykiteinen pii 62 %, yksikiteinen pii 29 %, amorfinen pii 5 % ja nauhapii () 4 %. Ohutkalvotekniikan (polykiteinen kadmium-telluridi CdTe, kupari-indium-gallium-diselenidi [CIGS] ja amorfinen pii [a-Si]) markkinaosuus oli alle 10 % (2004). Ohutkalvotekniikat muun muassa säästävät puolijohdemateriaalikustannuksissa ja mahdollistavat automaation lisäämisen. Tekniikka saattaa kehittyä muita edullisemmaksi.

Aurinkokennot voidaan jakaa piipohjaisiin ja ohutkalvotekniikkaan perustuviin kennoihin. Piipohjaiset kennot, joiden toiminnallinen osa on 100–300 µm, eivät ole teollisuuden kannalta yhtä kiintoisia kuin ohutkalvotekniikkaan pohjautuvat kennot, joiden toiminnallisen osan paksuus on 1–10 µm, sillä ohutkalvotekniikka vaatii vähemmän raaka-aineita ja on helpommin sovellettavissa massatuotantoon. Piitä, kuten muitakin aurinkokennojen puolijohteita on olemassa useaa eri tyyppiä: yksi- ja monikiteistä sekä amorfista. Puolijohteen ominaisuudet, kuten kiteen koko ja rakenne riippuvat aineen tyypistä. Yksikiteisen piin atomit muodostavat erittäin säännöllisen kiderakenteen, jossa kiteen koko on yli 10 cm. Niiden materiaalien, jotka koostuvat useista pienemmistä kiteistä kiderakenne ei ole yhtä säännöllinen kuin yksikiteisten materiaalien, sillä kiteiden pienuuden vuoksi kiteissä olevien atomien tai molekyylien väliset vetovoimat tulevat merkityksellisiksi.

Piiatomien elektronien käyttäytyminen piikiteissä on merkittävä tekijä tarkasteltaessa piikiteissä tapahtuvaa valosähköilmiötä, sillä kiteiden muodostumisperiaate on omalaatuinen. Joitakin ohutkalvokennoja voidaan kuvata n-i-p-rakenteella, missä n ja p ovat erityyppisiä puolijohteita, n-tyypin puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja p-tyypissä on ylimääräisiä aukkoja. P/n-liitoksen yli muodostuu sähkökenttä, koska aukot ja elektronit vaihtavat jatkuvasti puolta eli kaksi puolijohdetta käyttäytyy pariston tavoin, joten niitä voidaan käyttää erilaisissa piireissä. Aurinkokennoa voidaan pitää diodina. Amorfinen pii on erittäin mielenkiintoinen materiaali ohutkalvotekniikan kannalta ja sitä tutkitaan nykyisin erittäin paljon, sillä sen ominaisuudet tekevät siitä johtavan ohutkalvomateriaalin. Amorfisen piin korvaajiksi ovat ehdolla nanokiteinen ja "pienijyväinen" monikiteinen pii.

Shell Solar vaihtoi 2006 tuotannon Euroopassa perinteisestä piitekniikasta CIS-ohutkalvotekniikkaan (kupari-indiumdiselenidi). PV Industry Assosiation ja Greenpeace arvioivat kapasiteetiksi 200 GW vuonna 2020 ja tuotannon 25 %:ksi koko maailman sähkönkulutuksesta vuonna 2040. The U.S. PV Industry ennustaa Yhdysvaltojen kapasiteetiksi (2020) 36 GW, mikä on alle 5 % tämänhetkisestä potentiaalisesta kapasitettista. Kapasiteetti kasvaa tekniikan kehittyessä.

Muita monikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytettyjä materiaaleja ovat kupari-indiumdiselenidi ja kadmiumtelluuri, jonka n-i-p on kemiallisin merkein kirjoitettuna CdS-CdTe-ZnTe. Molemmat edellä mainituista materiaaleista absorboivat tehokkaasti fotoneja ja ovat valmistusteknillisesti edeltäjiään parempia. Yksikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytetään galliumarsenidia, jolla on laaja soveltuvuusalue, sillä galliumarsenidi kestää erittäin hyvin säteilyäkin. Tämä seikka tekee siitä ihanteellisen materiaalin avaruussovellutuksiin. Galliumarsenidia voidaan kerrostaa hieman erilaisin koostumuksin, jolloin saadaan parannettua tehokkuutta ja vietyä hyötysuhde aina vain lähemmäksi ja lähemmäksi teoreettista rajaa. Ohutkalvotekniikkaan perustuvien kennojen tuotanto on yleensä laaja-alaista eli tapahtuu suurella pinta-alalla ja voidaan automatisoida; ohutkalvotekniikkaan perustuvat kennot ovat myös taipuisia.

Kolmannen sukupolven väriherkistetty aurinkokenno

Kolmannen sukupolven aurinkokennot ovat kehityksen alkuvaiheessa, mutta niiden oletetaan laskevan tuotantokustannuksia huomattavasti. Uusia kennoja voidaan pinnoittaa esimerkiksi lasiin tai seinäpintaan ja kennoja voidaan tuottaa suurina sarjoina edullisesti. Michael Grätzel palkittiin vuonna 2010 Millennium-palkinnolla kolmannen sukupolven väriaineherkistettyjen aurinkokennojen kehityksestä. Kennon toimintaperiaate muistuttaa luonnon fotosynteesiä ja se tunnetaan nimellä Grätzelin kenno tai Dye-sensitised solar cell, DSC (kts. linkki EN: Dye-sensitized solar cells).

Millennium-palkinnon perusteluissa Grätzelin kennoa pidetään lupaavana vaihtoehtona hallitsevalle piipohjaiselle aurinkokennoteknologialle. DSC-kennot valmistetaan edullisista materiaaleista eikä tuotantoon tarvita monimutkaisia laitteita. Väriaineherkistetyssä kennossa on nanokokoisia titaanidioksidihiukkasia, jotka on pinnoitettu valoa absorboivilla väriainehiukkasilla ja upotettu elektrolyyttiliuokseen. Kennon voi valmistaa yksinkertaisista aineista kotioloissa; punaista absorboivaa ainetta saa esimerkiksi vadelmista ja titaanin oksideja valkoisesta titaanioksidi-maalista. Valon osuessa väriainehiukkasiin vapautuu elektroneita, negatiivisen varauksen kantajia. Puolijohtava titaanidioksidipartikkelikerros johtaa elektronit ulkoiseen virtapiiriin.

DSC-kennoilla on saatu 12 prosentin hyötysuhde laboratoriossa ja 9 prosentin hyötysuhde todellisissa käyttöolosuhteissa. Grätzelin mukaan hyötyero piipohjaisiin kennoihin saattaa kaventua todellisissa olosuhteissa, koska DSC-kennon pitäisi toimia tehokkaammin pilvisissä ja jopa sateisissa olosuhteissa. DSC-kenno ei menetä myöskään tehoaan lämpötilan noustessa, kuten piipohjaiset kennot.

Yritykset 

Vuonna 2004 10 suurimman yrityksen osuus oli 80 % markkinoista ja loput jakautui 30 yrityksen kesken. Vuoden 1,2 GW:n aurinkokennojen lisäys jakautui yritysten kesken järjestyksessä seuraavasti: Sharp (jp) 27 % (314 MW), Kyocera (jp) 9 %, BP Solar (us, es, aut, in) 7 %, Q-Cells (de) 6 %, Mitsubishi Electric (jp) 6 %, Shell Solar (us, de) 6.0%, Sanyo (jp) 5 %, RWE – Schott Solar (de, usa) 5 %, Isofoton (es) 5%, Motech (tw) 3% ja muut 20 %. Ala on nopeasti kasvava.

Yritykset Euroopassa
Euroopassa aurinkokennojen liikevaihto oli 9,2 mrd. € vuonna 2007 ja 5,7 mrd. € vuonna 2006. Euroopan työllisyys oli 70 000 ihmistä vuonna 2007.

Saksassa aurinkokennoja valmistaa 8 yritystä: Deutsche Cell, ErSol Solar Energy, EverQ, Q-Cells, Scheuten Solar (ennen Shell Solar), Schott Solar, Solarwatt Cells ja Sunways. Vuonna 2007 Saksassa oli yli 10 000 alaan liittyvää yritystä ja 80 osien tuotantoyritystä. German Solar Industry Federation arvioi, että aurinkokennot työllistivät maassa 6000 yritystä ja niiden liikevaihto oli 3,8 miljardia euroa 2006. BSW:n mukaan Saksan myynti oli 5,46 mrd. € vuonna 2007 ja 4,45 mrd. € vuonna 2006. Saksassa oli vuonna 2008 15 tehdasta rakenteilla, mikä vastaa 10 000 työpaikkaa. Saksan työllisyys kasvoi 30 000:sta 40 000:een (50% asennus, 43% tuotanto ja 7% myynti).

Vuonna 1997 Suomen 400 000 kesämökistä 5-/ % oli aurinkokennot sähkönlähteenä. Suomessa Neste Oilin NAPS oli suurin myyjä. Markkinoiden johtajat olivat: Siemens 18 MW, Kyocera 12 MW, Solarex 8 MW, BP 8 MW, Solec 3,5MW, Astropower 3 MW, ASE 3 MW, Photowatt 2,5 MW, Eurosolar 2,5 MW, Isophoton 2 MW ja NAPS (Suomi) 2 MW. Yhteensä tuotanto oli 93 MW.

Yritykset Yhdysvalloissa
Yhdysvaltalaisia yrityksiä on mm. GE (osti AstroPower:n 2006), BP Solar, United Solar Ovonic ja First Solar.

Schott Solar ja Solarworld suunnittelivat vuonna 2008 tuotannon lisäämistä Amerikassa. Piistä oli vuonna 2008 yhä pula, mutta vuoden 2010 tuotannoksi arvioidaan 8 000–10 000 MWp. Sharp on tiedottanut rakentavansa 1 000 MWp amorfisen piikennotehtaan vuoteen 2010 mennessä.

Yritykset Japanissa
Japanissa suurin PV-valmistaja on Sharp. Japanissa tuotanto on 0,71 GW/vuosi. Yrityksellä on Euroopan markkinoita varten tehdas Walesissa, jota se laajensi 2007 kaksinkertaiseksi 220 MW/a. Muita japanilaisyrityksiä on mm. Sanyo (260 MW/a 2007), Kyocera ja Mitsubishi.

Yhdistykset

Kansainvälisellä energiajärjestöllä (IEA) on Photovoltaic power systems –ohjelma, jossa vuonna 2006 oli 21 jäsentä: EPIA, Euroopan unioni, Alankomaat, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Kreikka, Norja, Portugali, Ranska, Ruotsi, Sveitsi, Tanska, Australia, Israel, Japani, Kanada, Korea, Mexico ja Yhdysvallat.

Euroopan teollisuuden järjestö on The European Photovoltaic Industry Assosiation eli EPIA. Sillä on 110 jäsentä. Se edustaa 95 % eurooppalaisten kennojen ja 80 % maailman aurinkokennojen tuotannosta. Japan Photovoltaic Energy Association (JPEA) on asettanut tavoitteeksi, että Japani on maailman johtava PV-maa.

PV-ERA NET on eurooppalainen aurinkokennojen tutkimus- ja kehitysohjelmien verkosto. Tavoitteena on vahvistaa tutkimusta verkostolla. EU tukee hanketta. Verkostolla on 20 jäsentä 13 maasta. Suomesta ei ole vielä jäseniä.

Katso myös 

 Aurinkokeräin
 Puolijohdeteollisuus
 Kestävä kehitys alueittain ja maittain
 Perovskiitti-aurinkokenno

Lähteet 
 NewScientist.com news service 
 VTT Energia, Energia Suomessa, Edita, Helsinki 1999

Viitteet

Aiheesta muualla 

Teknillisen korkeakoulun lyhyt johdanto pii-pohjaisen aurinkokennon toimintaan
Joona Kauranen: Valosähköisten aurinkopaneeleiden hyötysuhteet, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Kandidaatintyö 2012 (pdf)
 LG to triple n-type mono solar cell capacity by 2020 with US$435 million investment  (.pv-tech.org)
 Photovoltaic powersystems programme, Annual report 2007 IEA PVPS
Solar Cell Materials (pdf) 
 Aamulehti 17.3.2019: Seppo Lehtinen asensi aurinkopaneelit talonsa katolle – Näin paljon hän säästää rahaa sähkölaskussa ja sähkön siirrossa (tilaajille)
Aurinkoenergia Suomessa
National Renewable Energy Laboratory (NREL): Best Research-Cell Efficiency Chart, 1.4.2020  (pdf)

Aurinkoenergia
Puolijohteet
Sähkö
Seulonnan keskeiset artikkelit
Energian keruu