Aurinkokenno
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 %.