Aurinkokenno on puolijohdekomponentti, jonka toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön.aurinkopaneeli.png
Aurinkokenno muuntaa auringon säteilyenergiaa sähköenergiaksi.
Ohessa kuva TTY:n katolla olevasta aurinkopaneelista. Aurinkopaneelilla tarkoitetaan laitetta, jossa on useita sarjaankytkettyjä kennoja.

Historia


Aurinkokennojen historian voi ajatella alkavaksi siitä kun ranskalainen fyysikko Becquerel havaitsi vuonna 1839, että elektrolyytissä olevien elektrodien välinen jännite riippuu valaistuksen määrästä. Toisin sanottuna Becquerel oli havainnut valosähköisen ilmiön. Ilmiötä alettiin ymmärtää ja tutkia tarkemmin vasta 1880-luvulla. Ensimmäisen periaatteellisen aurinkokennon seleenistä valmisti Charles Fritts vuonna 1883. Kehitystä siivitti Albert Einstein julkaisemalla teoriansa valosähköisestä ilmiöstä. 1950- ja 1960-luvuilla aurinkokennojen tekniikka kehittyi huimasti kun yhdysvaltalainen tutkimuskeskus Bell Labs tutki ja tuotti aurinkokennoja avaruusohjelmien tarpeisiin. 1970-luvulla öljykriisi sai valtiot panostamaan uusiutuvaan energiaan. 1980-luvulla piipohjaisten aurinkokennojen valmistus tunnettiin ja useita tehtaita rakennettin ympäri maailman. [1]
Nykyään aurinkokennoja hyödynnetään jo varsin laajasti, vaikka valmistuskustannukset ovat edelleen varsin korkeat. Hyötysuhteissa on päästy Frittsin yhden prosentin kennosta Delawaren yliopiston 42,8 prosentin kennoon. [2]

Aurinkokennotyypit

Aurinkokennoja on useita eri tyyppejä. Perinteisiä piiaurinkokennoja kutsutaan ensimmäisen sukupolven aurinkokennoiksi. Lisäksi on olemassa toisen ja kolmannen sukupolven aurinkokennoja.

Perinteiset piiaurinkokennot ovat epäsuoran energia-aukon puolijohteita. Energia-aukolla tarkoitetaan sitä, kuinka lähellä valenssivyön energiahuippu ja johtavuusvyön energiaminimi ovat elektronin liikemäärän arvoa [3] . Käytännössä tämä ominaisuus vaikuttaa kennon kykyyn absorboida valoa ja kennon paksuuteen. Perinteisissä piikennoissa fotonin absorptio vaatii 100 mikrometrin luokkaa olevan paksuuden. [4]

Toisen sukupolven aurinkokennot perustuvat ohutkalvoteknologiaan. Materiaaleina käytetään suoran energia-aukon puolijohteita kuten galliumarsenidia, kadmiumtelluridia ja amorfista piitä. Tällöin fotonin absorptioon vaadittava paksuun on luokkaa 1 mikrometri. Ohutkalvoaurinkokennot ovat ohuempia ja halvempia valmistaa kuin perinteiset piikennot mutta eivät merkittävästi parempia hyötysuhteeltaan. [5]

Kolmannen sukupolven aurinkokennoissa käytetään yleensä nanotekniikkaa. Tällä hetkellä eniten tutkimusta kohdistuu niin kutsuttuihin väriaineaurinkokennoihin. Väriaineaurinkokennossa fotonin absorptio ei tapahdu puolijohteessa vaan puolijohdepartikkelien pinnalla olevissa väriainemolekyyleissä. Tällöin väriainemolekyyleistä siirtyy elektroneja puolijohteeseen. Tavoitteena on erittäin halpa tuotanto ja piin kanssa vertailtavissa oleva hyötysuhde. [6]

Tässä artikkelissa perehdytään tarkemmin yleisimmän, eli perinteisen piiaurinkokennon toimintaan ja ominaisuuksiin.

Toiminta


Auringon säteily on sähkömagneettista säteilyä, joka koostuu massattomista alkeishiukkasista, fotoneista. Valosähköisellä ilmiöllä tarkoitetaan sähkömagneettisen säteilyn ja aineen elektronien välistä vuorovaikutusta. Fotoni luovuttaa energiansa aineen elektronille, eli absorboituu. Saamansa energian ansiosta elektroni voi irroittautua atomiytimen vetovoimasta, jolloin siitä tulee vapaa varauksenkuljettaja. Elektronin siirryttyä johtavuusvyölle, valenssivyölle jää tyhjä paikka eli aukko. Aukkoja käsitellään positiivisina varauksenkuljettajina. [7]

Valosähköinen ilmiö on havaittavissa myös puhtaassa puolijohteessa mutta silloin puuttuu varauksenkuljettajia erittelevä voima ja tapahtuu rekombinaatio. Tämä tarkoittaa sitä, että johtavuusvyölle fotonin energian ansiosta noussut elektroni palautuu takaisin valenssivyölle. Tästä syystä aurinkokennoissa käytetään seostettuja puolijohteita.
Kun piitä seostetaan p-tyyppiseksi, siihen lisätään esimerkiksi booria. N-tyyppinen puolijohde saadaan kun seostetaan piitä fosforilla. [8]

Aurinkokennon rakennetta voi verrata diodiin mutta sillä on erilainen toimintaperiaate. Diodin toiminta perustuu sen yli vaikuttavan jännitteen suuruuteen. Aurinkokennon toiminnassa on kyse siitä, että auringon säteilyn fotonit muodostavat absorboituessaan pn-liitokseen sähkövirran. Toinen oleellinen ero on se, että diodin sisällä virta kulkee liitoksen p-puolelta n-puolelle. Aurinkokennossa virta kulkee n-puolelta p-puolelle. Tätä kutsutaan estosuuntaiseksi virraksi. [9]

P-tyyppisessä puolijohteessa vapaat varauksenkuljettajat ovat aukkoja, n-tyyppisessä elektroneja. Kun puolijohteista muodostetaan pn-liitos, muodostuu liitokseen tyhjennysalue. Vastakkaismerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, joten elektronit negatiivisesti varautuneelta n-puolelta liikkuvat kohti positiivisesti varautunutta p-puolta. Sama tapahtuu p-puolen aukoille. Tyhjennysalueella tarkoitetaan siis p-puolelle tunkeutuneita elektroneja ja n-puolelle tunkeutuneita aukkoja. Tyhjennysaluetta rajoittaa se, että kun esimerkiksi elektroneja on virrannut tarpeeksi kohti p-puolta, syntyy tyhjennysalueen siihen reunaan negatiivinen nettovaraus. Tämä nettovaraus alkaa hylkiä uusia p-puolta kohti pyrkiviä elektroneja ja muodostaa näin tyhjennysalueen reunan. Sama tapahtuu aukoille n-puolella. [10]

Tyhjennysalueelle syntyy sähkökenttä alla olevan kuvan mukaisesti.
tyhjennysalue.png

Kun aurinkokenno altistetaan valolle, pn-liitokseen muodostuu varauksenkuljettajapari. Elektroni saa fotonilta energiaa ja kulkee ulkoisen kuorman kautta kennon alapuolen virtakontaktille. Aukko, eli positiivinen varauksenkuljettaja siirtyy pn-liitoksen sisällä n-puolelta p-puolelle. Tämä on myös virran kulkusuunta, koska virran suunta on määritetty positiivisten varauksenkuljettajien mukaan. [11]
toimintaperiaate.png

Valmistus


Perinteisiä piiaurinkokennoja on saatavilla rakenteeltaan monikiteisiä [12] ja yksikiteisiä [13] . Yksikiteisen kennon valmistus vaatii enemmän työvaiheita ja on kalliimpaa mutta hyötysuhteesta saadaan hiukan parempi verrattuna monikiteiseen kennoon, sillä yksikiteisyys vähentää rekombinaatiota. Monikiteisen kennon materiaalin epäpuhtaus, eli kiteiden väliset rajat, vaikuttavat sähkövirran kulkuun kennon sisällä.

Yksikiteisen kennon valmistus sisältää seuraavat työvaiheet [14] [15] :
1. Pii erotetaan hiekasta kuumentamalla.

2. Pii puhdistetaan esimerkiksi Siemens-prosessilla, jossa epäpuhtauksia sisältävä pii liuotetaan suolahappoon. Liuos tislataan ja siitä saadaan höyrykasvatettua monikiteinen piisauva tai piikuutio. Monikiteisestä piistä voidaan valmistaa monikiteisiä kennoja.

3. Monikiteinen pii saadaan yksikiteiseski CZ-menetelmällä (Czochralski), jossa yksittäisen piikiteen (siemenen) ympärille muodostuu yksikiteistä p-tyypin piitä. Lopputuloksena on poikkileikkaukseltaan pyöreä piitanko, jonka halkaisija riippuu menetelmään käytetystä ajasta (tyypillisesti noin 300mm).

4. Yksikiteinen piitanko sahataan kiekoiksi, joiden läpimitta on kokoluokaltaan noin 300 mikrometriä. Kiekot puhdistetaan ja hiotaan sileiksi ennen seuraavia vaiheita.

5. Kennon pinnalle tehdään n-tyypin kerros käyttäen fosforidiffuusiota. Menetelmässä fosfori diffuntoituu korkeassa lämpötilassa piihin, jolloin kiekkon pinnalle muodostuu n-tyypin kerros.

6. Kennon pinnalle muodostetaan heijastuksen minimoiva kerros (Anti-Reflection Coating) ja metallikontaktit pn-liitoksen molemmille puolille lisätään tyhjiöhaihdutuksella. Tyhjiöhaihdutuksessa pintaan haluttava aine kuumennetaan höyryksi ja höyry tiivistyy viileän kennon pinnalle. ARC-kerros tuottaa kennon pintaan sen tyypillisen sinertävän värin.

Aurinkopaneeli valmistetaan kytkemällä valmiit kennot sarjaan ja suojaamalla ne koteloinnilla.
Monikiteisen kennon kiteisyyden näkee kun kennoa katsoo valaistuna. Monikiteisen paneelin tunnistaa myös siitä, että kennot ovat suorakaiteen muotoisia, toisin kuin yksikiteisessä paneelissa. Yksikiteisen aurinkopaneelin kennot ovat kulmistaan pyöristettyjä, koska ne on leikattu pyöreästä tangosta. Yksikiteisessä kennossa ei myöskään ole nähtävissä kiteisyyttä. [16]

Alla vasemmalla kuva monikiteisestä ja oikealla yksikiteisestä aurinkokennosta.
monikidekenno.pngaurinkokenno.png

Käyttö


Perinteisen piiaurinkokennon hyötysuhde on noin 14-16%. Aurinkokennon energiantuotantoon vaikuttaa auringon säteilyintensiteetti ja kennon toimintalämpötila. Matalemmassa lämpötilassa kenno toimii parhaiten ja korkeasta säteilyintensiteetistä saadaan tuotettua eniten sähkötehoa. Suomessa aurinkosähkön hyödyntämistä vaikeuttaa säteilyn kausiluonteisuus. Suomen vuosittaisen säteilyn määrä on kuitenkin lähes täysin verrattavissa Keski-Eurooppaan, joten siltä osin aurinkosähkön hyödyntäminen on perusteltua myös Suomessa. [17]

Aurinkokennoja käytetään hyvin harvoin yksinään, sillä yksittäisen kennon tyhjäkäntijännite on vain luokkaa 0,5 volttia. Käytännössä esimerkiksi 36 kennon sarjaankytkennällä saadaan aurinkopaneeli, jolla voidaan ladata 12 voltin akkua. Yleisimmät kaupalliset aurinkopaneelit ovat tällaisia, teholtaan 125 watin paneeleita.

Aurinkopaneeleita on saatavilla hyvin laajasti erilaisiin käyttökohteisiin. Niitä voidaan kytkeä myös toisiinsa, jolloin on mahdollista saada aikaan sähköteholtaan suurempia järjestelmiä. Aurinkopaneeleita voidaan hyödyntää niin pienemmissä sähkölaitteissa kuten parkkimittareissa tai ulkovalaisimissa kuin esimerkiksi koko kesäasunnon sähköistyksessä. Suomen tämän hetken suurin aurinkosähkövoimala löytyy Kiilto Oy:n Lempäälän tehtaalta [18] . Kyseinen voimala on nimellisteholtaan 65,88 kW ja tuottaa Suomen olosuhteissa noin 60-65 MWh sähköenergiaa vuodessa.
  1. ^ H. Lund et al., Solar cells, 2008 [verkkodokumentti]. [viitattu 2.2.2010]. Saatavissa: http://org.ntnu.no/solarcells/pages/history.php
  2. ^ H. Lund et al., Solar cells, 2008 [verkkodokumentti]. [viitattu 2.2.2010]. Saatavissa: http://org.ntnu.no/solarcells/pages/history.php
  3. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 3.6 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  4. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  5. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  6. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  7. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 3.2 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  8. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  9. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  10. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 3.17 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  11. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 4.1 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  12. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 6.7 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  13. ^ C. Honsberg & S. Bowden, Photovoltaics CDROM, chapter 6.4 [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
  14. ^ Renewable energy - Power for a sustainable Future, edited by Godfrey Boyle, 1996, Open university.
  15. ^ European Association for Education in Electrical and Information Engineering. Tutorial on Microelectronics Technology [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fi/index_chap1.htm
  16. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  17. ^ A. Luque & S. Hegedus - Handbook of Photovoltaic Science and engineering, John Wiley & sons, 2003. 1164s. ISBN 978-0-471-49196-5
  18. ^ Kiilto Oy [verkkodokumentti]. [viitattu 1.2.2010]. Saatavissa: http://www.digipaper.fi/kiilto-julkaisut/21865/?pgnumb=5&k=aurinkovoimala