Uuden sukupolven aurinkokennoihin ALD-pinnoitteita

Vuoden 2022 Millennium-teknologiapalkinto on myönnetty 25.10.2022 australialaisen New South Walesin yliopiston professori Martin Greenille. Valtaosa kaupallisista aurinkokennoista on piipohjaisia ja niissä sovelletaan Martin Greenin alun perin vuonna 1983 lanseeraamaa PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) -tekniikkaa.

Hyötysuhteeltaan parempia, halvempia ja kestävämpiä aurinkokennoja kehitetään koko ajan kaikkialla maailmassa. Piipohjaisissakin kennoissa ollaan jo siirtymässä uusiin tekniikoihin, kuten TOPCon-tekniikkaan, jossa kennoon lisätään useita pii- ja oksidikerroksia.

Läpinäkyviä ja taipuisia aurinkokennoja

Piin lisäksi tutkitaan myös muita aurinkokennoteknologioita. Lupaavin uusi teknologia perustuu halidiperovskiittien käyttöön valoa absorboivana materiaalina. Halidiperovskiittien yleinen kemiallinen kaava on ABX3, jossa A on alkalimetalli tai amiini, B tina tai lyijy ja X halidi. Yhdisteistä tutkituin on metyyliammoniumlyijyjodidi CH3NH3PbI3. Perovskiittiaurinkokennot ovat kaupallistamisen kynnyksellä ja osa valmistajista arvioi niiden olevan valtavirtaa parin vuosikymmenen kuluttua.

- Uudentyyppiset aurinkokennot voivat olla läpinäkyviä, joten niitä voidaan asentaa vaikkapa ikkunoihin. Ne ovat myös taipuisia, joka lisää käyttömahdollisuuksia, sanoo vanhempi yliopistonlehtori Marianna Kemell, joka vetää Suomen Akatemian rahoittamaa tutkimusprojektia.

Vaikka halidiperovskiittiaurinkokennoilla on saavutettu korkeita hyötysuhteita, niiden yleistymisen pullonkauloina ovat olleet kennojen stabiiliusongelmat ja teollisen mittakaavan tuotantotekniikoiden puute.

Läpimurto metallijodideilla 

Väitöskirjatutkija Georgi Popov teki ollessaan kemian maisteriopiskelijana rohkean valinnan ja otti pro gradun aiheekseen halidiperovskiitit ja niiden atomikerroskasvatuksen. Epäilijöitäkin riitti, sillä aiempaa tutkimustietoa ei juuri ollut.

- Me löysimme sopivat kemikaalit ja saimme kehitettyä reaktion, jolla onnistuimme ensimmäistä kertaa kasvattamaan metallijodidipinnoitteen. Pystyimme näyttämään, että tätä voi oikeasti tehdä atomikerroskasvatuksella. Ensimmäinen onnistunut kokeilu tehtiin lyijyjodidilla, josta saatiin jatkoreaktiolla CH3NH3PbI3-perovskiittia, kertoo Georgi Popov. Tutkimusartikkeli julkaistiin vertaisarvioidussa tieteellisessä lehdessä (Chemistry of Materials, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b04969). Myöhemmin kehitimme ALD-prosessit myös cesiumjodidille ja CsPbI3-perovskiitille (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c01202).

Atomikerroskasvatuksella eli ALD:llä tuotettuja pinnoitteita käytetään noin 30 prosentissa piipohjaisista aurinkopaneeleista. Professori Mikko Ritalan johtaman Helsingin yliopiston ALD-ryhmän tulokset ovat lupaavia sen suhteen, että ALD soveltuu myös perovskiittiaurinkokennoihin. Atomikerroskasvatuksella tuotetun pinnoitteen etuna on se, että se muodostaa tasaisen ja kattavan kerroksen myös epätasaiselle alustalle.

- Jos jossain vaiheessa ruvetaan tekemään tandem-aurinkokennoja, joissa on yhdistetty piikenno ja perovskiittikenno, niin me tiedämme miten sitä perovskiittia tehdään. Me kehitämme niitä reseptejä ja sitä kemiaa, millä saadaan kasvatettua perovskiittia, sanoo Popov.

Vaikka nyt tehtävä työ on perustutkimusta, reseptien kehittämistä ja kokeilua pienillä pinta-aloilla, niin tekniikka skaalautuu isoihin tuotantomääriin.

- Nykyiset aurinkokennoja valmistavat tehtaat Kiinassa ja muualla pystyvät muuntamaan laitteensa valmistamaan ALD-pinnoitettuja aurinkokennoja, sanoo väitöskirjatutkija Georgi Popov.

Aurinkokennojen tulevaisuus

Yli 80 prosenttia aurinkopaneeleista valmistetaan Kiinassa ja siellä tuotetaan myös teollisen mittakaavan ALD-laitteita. Helsingin yliopiston kemian osaston alumni tohtori Wei-Min Lityöskentelee tuotekehitysjohtajana Leadmicrolla, joka on johtava kiinalainen ALD-laitteiden valmistaja. Sitä kautta osastolla on hyvä tuntuma siihen mihin suuntaan alalla mennään. Piipohjaisiin aurinkopaneeleihin käytettävän ALD-laitteen voi laajentaa myös uuden sukupolven aurinkokennomateriaalien valmistamiseen.

- Me kehitämme seuraavia teknologioita, jotka korvaavat ja täydentävät pikkuhiljaa nykyistä tuotantoa. Jatkossa tuotantoon tarvitaan vähemmän resursseja ja kun on tehokkaammat kennot, niin tarvitaan vähemmän pinta-alaa. Kun aurinkokennoja voidaan käyttää muuallakin kuin tasaisilla pinnoilla, niin ei tarvitse rakentaa voimaloita pellolle, koska peltoja tarvitaan muuhunkin, toteaa Popov.

Popov kuitenkin muistuttaa, että ei ole varaa jäädä odottamaan uusia teknologioita, sillä uusiutuvien energialähteiden käyttöä pitää kasvattaa jo nyt. Kun nykyisiä energiamuotoja korvataan auringolla tai tuulella mahdollisimman paljon, niin paine kasvaa ja koko ala kehittyy.

- Piikennon paras puoli on se, että se kestää noin 20-30 vuotta ja jatkaa toimintaansa sen jälkeenkin, vaikka teho voi heiketä. PERC-tekniikalla tuotetut aurinkokennot ovat tällä hetkellä parhaita ja niitä on saatavilla, joten niitä kannattaa hankkia mahdollisimman paljon ja ne tulevat maksamaan itsensä takaisin, sanoo Kemell.

Suomen Akatemian rahoittama tutkimusprojekti Atomikerroskasvatus skaalattavien ja stabiilien perovskiittiaurinkokennojen keskeisenä mahdollistajana (engl. Atomic Layer Deposition as key enabler of scalable and stable perovskite solar cells) jatkuu vuoteen 2024. Marianna Kemellin ja Georgi Popovin lisäksi projektissa työskentelevät väitöskirjatutkija Alexander Weiss ja graduntekijä Mariia Terletskaia.