Võimalusi, kuidas seda teha, selgitab ta oma hiljuti kaitstud doktoritöös „Päikesepatareides rakendatavate Sb2S3 õhukeste kilede sadestamine ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil“.

Nimelt peab arvestatava kasuteguriga päikesepatarei Sb2S3 kile olema eelkõige pidev ja sobiva paksusega. Eensalu töö eesmärk oligi valmistada faasipuhtad pidevad Sb2S3 õhukesed kiled ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil, et hinnata, kuivõrd saab neid rakendada päikesepatareides.

Päikesepatareisid näeb kõikvõimalikes kohtades

„Päikesevalgusest energia tootmine on üks peamisi tehnoloogiaid, millega täita pidevalt kasvavat ülemaailmset elektrienergia nõudlust kliimaneutraalsel viisil. Teatavasti ei saasta päikesevalgusest energia tootmine keskkonda ega põhjusta kliimasoojenemist,“ rõhutab Eensalu, miks on päikeseenergia tehnoloogiad nii suure tähelepanu all on ning võidavad ka tavatarbijate südameid. Lisaks põhinevad uued arendamisjärgus tehnoloogiad soodsal ja kättesaadaval toormel, et suurendada energiatootmise iseseisvust ja vähendada transpordi mõju keskkonnale.

Eestis ringi sõites näeb päikesepatareisid nii võimalikes kui ka võimatutes kohtades. Kuid selleks, et toota päikesepatareisid keskkonnasõbralikul viisil, on eeldatud, et materjali ja energiat tarbitakse säästlikult. Seetõttu kavandatakse Eensalu sõnul ka uusi päikesepatareilahendusi erinevate kasutusvaldkondade jaoks.

„Uudsete rakenduste sekka kuulub näiteks päikesepatareide integreerimine läbipaistvates aknaklaasides, paaris- ja kahepoolsetes seadistes. Lisaks katusepaigaldistele on arendamisel ka ehitis- ja tooteintegreeritud seadised, nt päikesepatareiga kaetud kasvuhooneklaas. Seni pole pidevaid faasipuhtaid Sb2S3 õhukesi kilesid ega asjakohaseid päikesepatareisid ultrahelipihustuspürolüüsi meetodit rakendades valmistatud. Ultrahelipihustuspürolüüs sobib antud ülesande täitmiseks, sest see on kauaaegse arengu läbinud kiire võimekas ja suure tootmismahuga meetod, mida saab õhus rakendada,“ rõhutab Eensalu.

Erinevad katsed kiledega

Töö eesmärgi saavutamiseks uuris Eensalu, kuidas sadestustemperatuur, lähteaine lahuse koostis ja lähteainete kontsentratsioon mõjutavad Sb2S3 õhukeste kilede faasi- ja elementkoostist, optilisi omadusi ja morfoloogiat. Lisaks sai valmistatud ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil sadestatud Sb2S3 õhukestest kiledest päikesepatareid ja uuriti nende füüsikalisi väljundparameetreid.

Töös uuriti kilesid, mis olid sadestatud SbCl3 ja tiouurea moolsuhtes 1/3 ja 1/6 lahuse pihustamisel. Kui pihustati SbCl3 ja tiouurea moolsuhtes 1/3 lahust temperatuuril 220°C või moolsuhtes 1/6 lahust temperatuuril 210°C või 220°C, siis tekkis kristalne ja faasipuhas, kuid ebaühtlane Sb2S3 kile. Seevastu, kui pihustati SbCl3 ja tiouurea moolsuhtes 1/6 lahust temperatuuril 200°C, kasvas katkendlik amorfne faasipuhas Sb2S3 kile, mis kristalliseerus, kuid ei muutnud kuju pärast kuumutamist vaakumis temperatuuril 170°C.

Kui aga pihustati SbCl3 ja tiouurea moolsuhtes 1/3 lahust õhus temperatuuril 200°C või 210°C, siis  tekkis ühtlane amorfne 70–90 nm paksune faasipuhas Sb2S3 kile. Kuumutades neid amorfseid kilesid vaakumis temperatuuril 170°C tekkis pidev kristalne faasipuhas Sb2S3 kile.

Vaja oli kaheastmelist protsessi

Niiviisi selgus, et kaheastmeline protsess sobis pidevate ja ühtlaste faasipuhaste Sb2S3 õhukeste kilede valmistamiseks. Sb2S3 kilesid, mis olid sadestatud SbCl3 ja tiouurea moolsuhtes 1/3 lahusest õhus temperatuuril 200°C, katsetati tasastes päikesepatareides.

Jako Siim Eensalu sõnul selgus töö käigus, et päikesepatarei kasutegur sõltub Sb2S3 neeldumiskihi paksusest. „Parim kasuteguri väärtus 5.5 % saavutati ITO (In2O3:Sn)/TiO2/Sb2S3/polü-(3-heksüültiofeen-2,5-diüül) e P3HT/Au päikesepatareides, kui Sb2S3 kile paksus oli 100 nm. Esialgse katse tulemustest avaldub, et sisuliselt on ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil sadestatud Sb2S3 kilesid võimalik kasutada tasase päikesepatarei neeldumiskihina.“

Uurimis- ja arendustööga on autori sõnul siiski vaja jätkata, sest kiled ei olnud veel piisavalt ühtlased. Hoiustamiskatse tulemustest on näha, et kaitsekihtideta Sb2S3 päikesepatarei kasutegur on ajas püsivam kui orgaanilistel või perovskiit-päikesepatareideil. Senise teadmuse põhjal ei olnud kindel, kas ja kuidas on võimalik ultrahelipihustuspürolüüsiga sadestada faasipuhtaid Sb2S3 kilesid teiste kompleksühendite lahustest.

Tõestus, et Sb2S3 kile viib eesmärgini

Kokkuvõtteks sadestati selle uurimustöö raames esmakordselt ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil õhukeskkonnas halogeniidi-põhise, kuid ka -vaba kompleksühendi lahusest pidevad faasipuhtad Sb2S3 õhukesed kiled. Eensalu tõestas, et ultrahelipihustuspürolüüsi meetodil õhukeskkonnas sadestatud pidevatest Sb2S3 kiledest saab valmistada arvestatava kasuteguriga päikesepatareisid.

Lisaks näitas ta, et nn tagakontaktita klaas/ITO/TiO2/Sb2S3 struktuur sobib põhimõtteliselt poolläbipaistva päikesepatarei rakendustes, nt päikesepatareiakendes, paaris-, kahepoolsetes ja ehitis- või tooteintegreeritud seadistes kasutamiseks. Seetõttu on antud uurimistöö tulemustest kasu nii pidevate puhtafaasiliste Sb2S3 kilede valmistamisel õhukeskkonnas kui ka tavapäraste ja poolläbipaistvate õhukesekileliste päikesepatareide ning nendel põhinevate toodete edaspidisel arendamisel.

Tagasi vaadates oli Eensalu sõnul tema jaoks keerulisim osa see, kuidas esitada tulemuste ja arutelu osa lühidalt, ent samas piisavalt põhjalikult ja arusaadavalt. Kokkuvõttes oli aga positiivseid emotsioone palju. „Kõige üllatavamaks osutus, et päikesepatarei kvaliteedinõuetele vastavaid Sb2S3 kilesid saab hõlpsalt valmistada õhukeskkonnas pihustussadestuse meetodil erinevatest lähteainete kombinatsioonidest.“