Päikeseenergeetika materjalide teaduslabor | Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut

Tallinna Tehnikaülikooli Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi koosseisu kuuluva päikeseenergeetika materjalide teaduslabori üheks põhiliseks uurimisvaldkonnaks on  monoterapulbril baseeruvate päikesepatareide uurimine ja arendamine. Tegemist on maailmas ainulaadse päikesepatarei kontseptsiooniga, mis on kaitstud mitmete patentidega. Monoterapulbri iga üksik tera on väike monokristall, millest igaüks moodustab suures paneelis üliõhukese puhverkihiga kaetuna omaette fotoelemendi (miniatuurse päikeseparatei). Materjalid, mida struktuuris kasutame on erinevad , aga neid ühendavaks omaduseks on keskkonnasõbralikkus ja odavus, et viia päikeseenergia hind konkurentsivõimelisemaks teiste alternatiivenergiaallikatega. Antud tehnoloogiat arendab ja rakendab päikesepaneelide väljatöötamiseks TTÜ spinn-off firma crystalsol GmbH.

Lisaks pulbretehnoloogiale, arendatakse ka erinevaid õhukesekilelisi tehnoloogiaid (PLD, CVD, HVE, vaakumtolmustamine, elektrokeemiline sadestamine) päikeseenegreetikas kasutatavate  materjalide valmistamiseks.

Lisaks eelnevale teostatakse  teadustööd  ka erinevate uudsete päikesepatarei absorbermaterjalide, näiteks Cu₂ZnSn(S,Se)₄, Cu₂SnS₃, Cu(In,Ga)Se₂, SnS, CdTe, SnSe jt. ning kahedimensionaalsete materjalide alusuuringute vallas, näiteks WS₂, MoSe₂ jt. Viimased leiavad rakendamist lisaks päikeseenergeetikale ka fotoonikas, sensorites jne. Lisaks anorgaanilistel pooljuhtidel põhinevatele pooljuhtstruktuuridele, uurime ka hübriidseid struktuure, milles on kombineeritud orgaaniliste ning anorgaaniliste pooljuhtide parimad omadused.

Lisaks teadustööle pakume ka materjalide karakteriseerimise teenust kõigile huvigruppidele.

Kontakt: Marit Kauk-Kuusik 

Juuni 2023

November 2021

---

Juuni 2022

TALTECHI TEADLANE SAI RAHVUSVAHELISEL TEADUSMESSIL OLULISE ROLLI

Veebruar 2022

Tehnikaülikooli rektor Tiit Land ja emeriitprofessor Jüri Krustok said presidendilt teenetemärgid

Detsember 2021

Production of electricity on the Moon is in the hands of Estonians (Eurekalert)

A solar cell you could make on the moon (PV-Magazine)

Tiny crystal of power as basis for solar cell (ESA)

 
Oktoober 2021

JUNE 2021

CUSTOM-ART project newsletter

APRIL 2021

Custom-Art: making photovolatics more accessible to the everyday life of citizens.

Imagine if we could integrate a photovoltaic panel in any kind of building surface or in any kind of urban furniture without having any constraint regarding size, shape and weight.

This would open a new perspective for the distributed energy generation in urban areas, making "near-zero energy buildings and districts" a reality and improving citizen’s quality of life in a more sustainable environment.

However, mass adoption of Building Integrated Photovoltaics (BIPV) and Product Integrated Photovoltaics (PIPV) solutions can only be achieved by developing cost-efficient and sustainable thin-film technologies with unbeatable aesthetic functionalities, mechanical flexibility and optical tunability.

The European-funded Custom-Art project aims to develop next generation Building Integrated Photovoltaics and Product Integrated Photovoltaics modules based on earth abundant thin-film materials such as kesterites:

• Custom-Art will bring flexible and semi-transparent kesterites solar modules to a higher level of maturity demonstrating very competitive conversion efficiencies and increased durability over 35 years at reduced production costs.

• By combining advanced strategies for materials properties management with customized modules design, two types of products will be developed and demonstrated at real life operational conditions, including flexible and semi-transparent modules that will be integrated in building and urban furniture elements.

Custom-Art involves 17 partners and 3 Third Parties, including the world leading actors involved in the development of kesterite technologies.

Check up the new video release from Custom-Art in this link.

CUSTOM-ART is a H2020 funded project that stands for "Disruptive kesterites-based thin film technologies customised for challenging architectural and active urban furniture applications".

This project has received funding from the European Union’s H2020 research and innovation programme under grant agreement number 952982.

---

11.02.21

TEHNIKATEADLASED MAARJA GROSSBERG NING JÜRI KRUSTOK SAID RIIGI AASTAPREEMIA

Maarja Grossberg ning Jüri Krustok pälvisid riigi aastapreemia tehnikateadustes. Teadlasi tunnustati töö eest uute 2D ja 3D mitmikpooljuhtide optilises spektroskoopias.

Maarja Grossberg selgitas: „Uurime igapäevaselt uute, eelkõige päikeseenergeetika rakendustele suunatud materjalide optilisi ja elektrilisi omadusi, mis määravad nende materjalide sobivuse ja võimekuse nendeks rakendusteks. Nende materjalide seas on keskkonnasõbralikud ühendpooljuhtmaterjalid ning uue põlvkonna väga eriliste omadustega kahedimensionaalsed grafeenilaadsed materjalid. Viimased koosnevad vaid üksikutest aatomkihtidest.“

Teda täiendas Jüri Krustok lisades: „Meie uuringud on andnud väärtusliku informatsiooni uute materjalide fundamentaalsete omaduste kohta, aidates kaasa uute tehnoloogiate arendamisele nende materjalide baasil.“

Oma teadustöös uurivad laureaadid keskkonnasõbralike ühendpooljuhtmaterjalide võimekust muundada valgusenergiat elektrienergiaks, kasutades selleks erinevaid optilise spektroskoopia meetodeid. Pooljuhtmaterjalide omadused on paljuski määratud neis sisalduvate defektidega ja just nende kindlakstegemisele ja nende mõju uurimisele on laureaadid pühendunud. Uuringute käigus on edasi arendatud nii traditsioonilist ühendpooljuhtmaterjalide füüsikat kui ka välja pakutud mitmeid uusi materjale tuleviku optoelektroonikale.

Professor Maarja Grossberg on Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi optoelektroonsete materjalide füüsika teaduslabori juhataja, kes pälvis eelmisel aastal maineka L’Oréal Baltic - UNESCO programmi „Naised teaduses“ stipendiumi.

Tema uurimistöö teemadeks on pooljuhtide füüsika, pooljuhtmaterjalide defektstruktuuri uuringud ning päikeseelemendid. Grossberg on ka Eesti noorte teaduste akadeemia asutajaliige, tema doktortööd juhendas just Jüri Krustok.

Jüri Krustok on loodusteaduskonna küberneetika instituudi professor, kes on saanud 1998. a riigi aastapreemia tehnikateaduste valdkonnas kollektiivi liikmena: “Pooljuhtmaterjalid päikeseenergeetikale ja optoelektroonikale”. Tema uurimistöö teemaks on pooljuhtide füüsika.

Grossberg ning Krustok said aastapreemia eelmise nelja aasta jooksul, s.o 2017–2020 valminud ja avaldatud parimate teadustööde eest vastavalt Riigi teaduspreemiate põhimäärusele.

---

Oktoober 2020

Custom-Art consortium leads an ambitious and disruptive EC funded project for the development and demonstration of the next generation of BIPV and PIPV modules based on abundant thin-film materials

Building- and product-integrated photovoltaics (BIPV and PIPV) are identified as key enabling technologies to make "near-zero energy buildings" and "net-zero energy districts" a reality. The mass adoption of BIPV and PIPV solutions can only be achieved by developing cost-efficient and sustainable thin-film technologies with unbeatable aesthetic functionalities, mechanical flexibility and optical tunability.

The EU-funded CUSTOM-ART project aims to develop the next generation of BIPV and PIPV modulesbased on abundant thin-film materials such as kesterites. The project will bring flexible and semi-transparent solar modules to a higher level of maturity (TRL 7), demonstrating very competitive conversion efficiencies (20 % at cell and 16 % at module levels) and increased durability (over 35 years), at a reduced production cost (less than EUR 75/m2).

By combining advanced strategies for materials properties management, with customized modules design in a circular economy approach, two types of products will be developed including flexible PV modules and semi-transparent PV devices. CUSTOM-ART will bring these technologies from TRL4-5 up to TRL7, demonstrating very competitive conversion efficiencies and durability (over 35 years), at a reduced production cost. They will exclusively use abundant elements and contributing to ensure the full sustainability and competitiveness of the European BIPV and PIPV Industry.

CUSTOM-ART is a H2020 funded project that stands for “Disruptive kesterites-based thin film technologies customised for challenging architectural and active urban furniture applications“. The kick-off meeting is held online from the 22nd to the 23rd of September, 2020.

The project has a total budget of 8M€ and will run for 42 months. It involves 17 partners across Europe that includes the world leading groups and main European actors involved in the development of kesterite technologies and Alejandro Pérez-Rodríguez  from IREC is the coordinator of the project.

More information: http://www.custom-art-h2020.eu/

This project has received funding from the European Union’s H2020 research and innovation programme under grant agreement number 952982.

---

Detsember 2019

EurekAlert NEWS RELEASE: Silver improves the efficiency of monograin layer solar cells

	Marit Kauk-Kuusik kaasprofessor tenuuris, labori juhataja
	Maarja Grossberg-Kuusk Professor, instituudi direktor
	Jüri Krustok Emeriitprofessor HOMEPAGE
	Kristi Timmo vanemteadur
	Olga Volobujeva vanemteadur
	Valdek Mikli vanemteadur
	Sergei Bereznev dotsent
	Taavi Raadik vanemteadur
	Mare Altosaar juhtivspetsialist
	Maris Pilvet teadur
	Jaan Raudoja vaneminsener
	Katri Muska teadur
	Mati Danilson teadur
	Reelika Kaupmees teadur

	Elizaveta Shmagina doktorant
	Mehmet Ender Uslu doktorant
	İdil Mengü doktorant
	Katriin Kristmann doktorant

Röntgenfotoelektron spektromeeter 
Kratos, AXIS-Ultra-DLD

Axis Ultra DLD on firma Kratos Analytical Ltd elektronspektroskoopia süsteem, mis ühendab endas kaasaegse röntgen-fotoelektronspektroskoopia funktsionaalsuse koos parima energeetilise lahutuse ja kõrge tundlikkusega. Standard funktsioonideks on väikesest punktist ja paralleel-piltide röntgen-fotoelektronspektroskoopia materjalide pinna (2 – 8 nm) keemilise koostise analüüsiks. Lisavõimalusteks on objektide pinna Ar+-ioonidega pommitamine, puhastamise ja/või materjali keemilise koostise sügavusprofiili ülesvõtteks, ning ultraviolett-fotoelektronspektroskoopia  meetod, aine valentstsooni elektronstruktuuri uurimiseks.

Fotoelektrone ergastava kiirgusallikatena on kasutusel standardne akromaatiline kahe anoodiga Mg K-alfa (1253,6eV)/Al K-alfa(1486,6eV) ja monokromaatiline Al K-alfa(1486,6eV) röntgentorud. Ultraviolett-spektroskoopia ergastamiseks on He gaaslahenduse lamp, millega saadavad kiirguseenergiad on 21,2eV (He I) ja 40,8eV (He II).

Täielikult automatiseeritud ja arvutiga juhitavat analüüsi on võimalik teha ühel, kuni 130mm pikkusel ja 15mm laiusel, objektihoidjal mitmele eelsalvestatud asukohaga proovile.

Fotoluminestsents analüüsi süsteem 

PL süsteem võimaldab mõõta spektreid piirkonnas 300-3000nm temperatuuridel 10-300K. Ergastuseks on kasutusel mitmed laserid, nende seas 100mW He-Cd laser lainepikkustega 442 ja 325 nm.

 Mikro-Raman spektromeeter/ micro-Raman spectrometer   HORIBA LabRAM 800HR

Mikro-Raman spektromeetri HORIBA LabRAM 800HR tööpiirkond on 50 cm^-1 – 4000 cm^-1. Ergastamiseks saab kasutada 532 nm ja 633 nm lasereid. Kasutatavad objektiivid: 100x, 50x, 50x LWD, 10x. Mõõtmisi saab teostada temperatuurivahemikus 77 K – 325 K. Seade võimaldab teha ka Raman kaardistamist ning mõõta mikro-fotoluminestsentsi nähtavas spektriosas (Si CCD detektor).

Mahtuvusspektroskoopia süsteem Autolab PGSTAT30 ja Wayne Kerr 6500B

Autolab PGSTAT30 ja Wayne Kerr 6500B seadmed on sobilikud p-n siirde impedantsspektroskoopia ja pinge-voolu sõltuvuste mõõtmiseks.

Autolab võimaldab skanneerida pinget vahemikus ±10V ja registreerida voolu vahemikus ±1A ning impedantsspektroskoopiat sagedusvahemikus 10μHz kuni 1MHz. Autolab’i saab kasutada ka erinevatel otstarvetel potentsiostaat/galvanostaat režiimidel ja registreerida voolu/pinge sõltuvust.

Wayne Kerr võimaldab teostada impedantsspektroskoopiat sagedusvahemikus 20Hz kuni 10Mhz.

Mõlema seadmega on võimalik teostada impedants-sageduse sõltuvuste mõõtmisi konstantsel alalispingel (sõltuvalt temperatuurist T=8-300K, et määrata defektide energiat) või impedants-pinge sõltuvuse mõõtmisi konstantsel sagedusel (et määrata defektide kontsentratsiooni).

Aatomjõu mikroskoop (AFM)   Bruker MultiMode 8 AFM with Application Module based on Nanoscope V controller

 MultiMode 8 includes many scanning modes with new features and accessories. 

Bruker’s innovative PeakForce Tapping technology has assisted new scanning modes that give information about not only topographic but also electrical and materials properties data in parallel.

MultiMode 8 Specifications:

 Scanner Scan size          Vertical range

 ‘E’ 10μm x 10μm                    2.5μm

 ‘J’ 125μm x 125μm                5.0μm

Image Resolution: 512 Lines/pixels

Imaging Noise Level : <0.3Å RMS (Z noise using Tapping Mode in air at zero scan size

Maximum Sample Size: 15mm diameter x 5mm thick

HR-SEM Skaneeriv elektonmikroskoop koos erinevate detektoritega  Zeiss FEG-SEM Ultra-55

FEG-SEM väljaemissioonkatoodiga SEM Lahutusvõime 1 nm.

Pildi režiimid:

SE- sekundaarsed elektronid

BE- peegeldunud elektronid

ISE- läätsesisesed sekundaarsed elektronid

IBE- läätsesisesed peegeldunud elektronid

EBIC- elektron kiirega indutseeritud vool

Analüüsi režiimid:

EDS energiadispersiivne röntgenmikroanalüüs, Bruker Esprit 1.8 süsteem, keemiliste elementide määramiseks

EBSD tagasipeegeldunud elektronide difraktsioon, Oxford Instruments Channel 5 süsteem, keemiliste faaside määramiseks

EDXRF energiadispersiivne röntgenfluorestsensanalüüs, Bruker EDXRF süsteem, keemiliste elementide määramiseks

Skaneeriv elektonmikroskoop koos erinevate detektoritega  HR-SEM MERLIN

MERLIN with the GEMINI II column combines ultra fast analytics, high resolution imaging using advanced detection modes, and future assured configuration flexibility on one single system.

Thanks to the prealigned GEMINI II optics imaging setting such as voltage or probe current can be seamlessly adjusted across orders of magnitudes to match your application and sample with next to no need for realignment. Even novice users will enjoy optimum results. System optimization for high current density, probe currents up to 300 nA, and superior resolution at high beam currents, guarantees fast results in nano-analytics.

Receive maximum information from your sample with parallel on-axis in-lens secondary electron (SE) and energy selective backscattered (EsB) detection capable of identifying smallest differences in materials composition.

Key Features

·    Ultra high resolution imaging at low kV

·    Ideal for precise boundary, feature, and particle measurements

·    High efficiency EsB detector for compositional information

·    High efficiency In-lens SE detector for high contrast surface imaging 

·    BSE imaging with the AsB-detector (Angle Selective BSE-Det.) at very short working distances - 1mm WD 

·    Ultra stable high current mode for x-ray analysis and EBSD applications

·    Large five axes motorised eucentric stage 

Easy operation through Windows® XP based SmartSEMTM control software

Integreeritud SEM-Raman-CL mõõtesüsteem  Renishaw inVia Raman ja Zeiss’s EVO MA10 SEM

Integreeritud SEM-Raman-CL mõõtmissüsteem koosneb Renishaw inVia Raman spektromeetrist ning struktuuri ja keemilise koostise analüsaatorist (SCA), ja Zeiss’ i EVO MA10 SEM-ist. Mõõtmissüsteem võimaldab SEM-i sees teostada Raman ja katoodluminestsentsi mõõtmisi. Raman mõõtmiste piirkond on 100 cm^-1 - 4000 cm^-1. Katoodluminestsentsi saab mõõta infrapunakiirguse (InGaAs detektor) ja nähtava kiirguse spektriosas (Si detektor). Ergastamiseks on 514 nm laser. Süsteemi saab kombineerida ka vedela lämmastiku külmalusega. 

UV-VIS-NIR spektromeeter

Ioonkimp vakuumaurusti Vacuumservice

Elektronkahuriga vaakumaurusti on varustatud kõrgvaakum krüopumbaga mis võimaldab saavutada kiirest ja puhtalt vaakumi 10^-3 kuni 10^-8 torri. Eletronkiire kahur võimsusega kuni 6kW (max kõrgepinge 10kV) võimaldab aurustada kuni 6 materjali tiiglitest mis asetsevad pöörleval alusel. Aurustatud materjali paksust saab jälgida paksuse monitoriga.

Päikesekiirguse simulaator Newport  

Simulaator vastab AAA klassi nõuetele ning ühildub spektraalselt AM1.5 kiirgusega. Valgustatava ala suurus on 10x10 cm².

Termiliste käsitluste laboratoorium 

4 Nabertherm Muffle Furnaces with parameters:

-        T max. 1100 ºC;

-        the Temperature Controller have memory for more than 8 regimes.

1 Lenton/1 Nabertherm tube furnaces with parameters:

-        T max. 1200 ºC;

-        Furnace tube diameter 70-90 mm;

1 two-zone hand-made tube furnace with parameters:

-        T max. 1000 ºC;

-        Furnace tube diameter 35 mm;

Possibility to perform quartz-tubes and all other quartz work:

-        different ampoules

-        sample holders

-        tools

etc. small quartz equipment

DTA Differential Thermal Analysis NETZSCH

STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH) võimaldab üheaegselt üles võtta uuritava proovi termogravimeetrilise (kaalukao) ja differentsiaal-kalorimeetrilise kõvera. Saadavate signaalide analüüsitavus on parem tänu identsetele katsetingimustele mõlema uuritava parameetri suhtes. Seade võimaldab uurida uuritava proovi faasi-üleminekuid, termilist lagunemist, gaaside eraldumist, reaktsioone pürolüüsil ja oksüdatsioonil jmt. Proovi maksimaalne kaal koos tiigliga vöib olla 35g. Kasutatav temperatuuri vahemik 25-1500 ^oC ja temperatuuri muutmise kiirus on 0.1-10K/min. Suletud süsteeme võib uurida ainult kvarts ampullides.

Magnetronpihustusseadmed

Vakuumaurustussüsteem/ High vacuum evaporation (HVE) system  BOC-EDWARDS AUTO-500 

Süsteem on võimeline sadestama kõrgkvaliteetseid ühtlaseid kilekihte. Varustusse kuulub substraadi pöörlemisseade ja substraadi kuumutusseade. Substraadi maksimaalsed mõõtmed: kolm 7×9 cm või mitu väiksemat substraati. Substraadi maksimaalne temperatuur: 500 °C. Käitamisrõhu: 1·10-6 mBar. 4 aurustusallikad: 2 kõrgtemperatuuri “paadid” ja 2 tiiglid (kuni 500 °C). Kontrollitav kihi paksus (2 QCM andurid).

Laserpihustusseade

CVD süsteem õhukeste kilede kasvatamiseks