Tallinna Tehnikaülikoolis arendatakse üliõhukest päikesepatareid, mis tulevikus võiksid kogu senise arusaama päikeseenergia tootmisest pea peale keerata, sest uus tehnoloogia võimaldab päikeseelektrit tootva kihi kanda põhimõtteliselt ükskõik millisele pinnale või materjalile.
Tekst: AIN ALVELA (artikkel ilmus ERRi teadusportaalis Novaator)
Tallinna Tehnikaülikooli (Taltech) inseneriteaduskonna materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi teadur Robert Krautmann kaitses tänavu oma doktorikraadi õhukesekileliste päikesepatareide arendamise vallas. Ta on selle teemaga tegelenud juba aastaid, ka Krautmanni magistritöö seondus päikesepatareide arendamisega sublimatsiooni meetodil.
Robert Krautmann ise näeb õhukestes päikesepaneelides murrangut uute põlvkondade päikeseenergia ammutamises, sest juuksekarva paksusest üksjagu õhemate päikeseelementide kasutamisega võib panna energiat tootma põhimõtteliselt mistahes pinnad ja materjalid – alates aknaklaasidest ja kardinatest, lõpetades inimese seljas olevate riietega.
Ees seisab veel rohkesti arendustööd
Huvi füüsika ja materjaliteaduse, samuti taastuvenergia tehnoloogiate vastu tekkis Krautmannil juba gümnaasiumis käies. Nii asus ta neid erialasid tudeerima ka 2013. aastal Tartu Ülikooli astudes, kus tegi oma bakalaureusetöö materjaliteaduse erialal. Edasine kulges juba valdkonda aina rohkem süvitsi sisenedes, kuni käesoleval aastal jõudis ta doktoritöö kaitsmiseni. Seda siis juba TalTechis.
Liialdamata võib tegemist olla olulise panusega uudse päikesepatareitehnoloogia juurutamisel. Nimelt erinevad Krautmanni uuritavad antimon-seleniidil (Sb2Se3) baseeruvad üliõhukesed päikesepatareid põhimõtteliselt nendest ränielementidel baseeruvatest paneelidest, mida praegu laialdaselt päikeseelektri tootmiseks kasutatakse.
„Nüüdseks oleme laboritingimustes välja töötanud pea 7% efektiivsusega Sb2Se3 ja Sb2S3 päikesepatareid,” kirjeldab Robert Krautmann. „Praegune tehnoloogia ei ole veel masstootmiseks piisavalt küps ja eks sellise tööstuse ülesehitamine on rahaliselt väga ressursimahukas. Et keegi oleks valmis neid riske võtma, on toode vaja saada odavamaks või efektiivsemaks senistest variantidest. Ränipaneelide hinnad on niigi kolinal alla tulnud ja nende efektiivsus on ka praegu kõrgem (laiatarbe ränipaneelide efektiivsus varieerub 15–20% vahel). Samas ei tähenda madal efektiivsus, et uuenduslik päikeseelement pole üldse kasutamiseks kõlblik. Lihtsalt vaja on seda edasi arendada.”
Värske doktor lisab, et uute tehnoloogiate puhul tuleks näha ka teisi positiivseid aspekte, näiteks jätkusuutlike materjalide kasutamine ja ümbertöötlemise võimalus paneeli eluea lõppedes. Uusi tehnoloogiaid saaks tema sõnul kasutada ka näiteks tandempaneelide ehitamiseks, kus ränipaneelid kaetakse teise, samamoodi valgust neelava materjalikihiga, et kasutada ära suurem osa pealelangeva valguse spektrist. Samuti sobiksid need uued tehnoloogiad hästi niširakendustesse, nagu autonoomsed nutisensorid või päikeseaknad.
Räni asemel hoopis teised materjalid
Uuritav päikesepaneelide tehnoloogia põhineb niisiis uudsete materjalide kasutamises – senise räni (Si) asemel on Krautmanni päikeseelemendid tehtud sellistest materjalidest nagu antimon-seleniid (Sb2Se3) ja antimon-sulfiid (Sb2S3). Nendes oluliselt tugevam valguse neeldumine võimaldab valmistada ülimalt õhukest päikeseenergiat ammutavat ja elektrit tootvat päikeseelementi, mida saab kasutada kohtades, kuhu ränipaneelid ei sobi.
„Ränipaneelid liiga palju ei paindu. Meie uuritavate paneelide materjalikihte on aga võimalik sünteesida selliselt, et saame seda peale kanda väga erinevatele pindadele,” selgitab Robert Krautmann. „Nii on ka Sb2Se3 ja Sb2S3 päikeseelementide tootmisprotsess kardinaalselt erinev ränipaneelide tootmisest. Oma olemuselt tähendab see seda, et võime päikeseelemendi kihte ajada sedavõrd õhukeseks, et nad on poolläbipaistvad – osa valgusest lasevad läbi ja osa kasutavad ära elektri tootmiseks. See on oluline aspekt, kui soovime päikeseenergiat tootvat kihti kanda näiteks akendele.”
Teeme asja piltlikult selgeks. Kui räni puhul on päikest neelav kiht 180 µm ja juuksekarva läbimõõt on umbes 50 µm, siis antimonseleniidi ja -sulfiidi kihtide paksus on kõigest üks mikromeeter. Mõõtkava on küll mõlemal puhul väike, aga tegelikult tähendab see väga suurt materjali kokkuhoidu.
Lisaks on sootuks erinev räni ja õhukesekileliste antimonseleniidi ja -sulfiidi päikeseelementide tootmisprotsess. Räni puhul tähendab see otseselt energiamahukat metallurgiat, kus maapõuest ammutatav ränioksiid (SiO2) sulatatakse ahjus 1400 kraadi juures üles ning alles siis saab sellest sulamassist hakata ekstraheerima puhast räni. Ahjust saadakse kätte silindrikujuline ränikristall, mis lõigatakse õhukesteks, 180 µm paksusega räniplaatideks. Edasi järgnevad spetsiifilised keemilised töötlused, enkapsuleerimine klaasi alla ning lõpuks saadakse paneel, mis suudab valguse pealekandumisel voolu toota.
Tegelikult seisneski üks uute päikesepatareide tehnoloogiate uurimise alustamise põhjus selles, et räni puhastamine ja tootmine on äärmiselt energiamahukas. See aga muutis ränimaterjali oma paksu kihiga kaunis kalliks. Tänased suured tootmismahud ja odav elekter Hiinas on aga ränipaneelide hindu viimastel aastatel märkimisväärselt kahandanud.
„Meil tehnikaülikoolis sellist sulatusahju pole. Võtsime pulbri kujul antimon-seleniidi või antimon-sulfiidi ning kuumutasime seda pulbrit imeväikeses reaktoris, mis oli viidud vaakumkeskkonda. Vaakumtingimustes hakkavad kõrge aururõhuga ained, nagu antimonseleniid ja -sulfiid ka on, aurustuma juba enne nende sulamistäppi,” iseloomustab Krautmann oma teadustöö teostuslikku poolt. „Reaktori teise otsa, ühe sentimeetri kaugusele, asetasime elektrit juhtiva klaasaluse, mis oli viidud pisut madalamale temperatuurile. Selle pinnale moodustuski materjalikiht – valgust neelav antimon-seleniidi või antimon-sulfiidi imeõhuke kiht.”
Pidev toiteallikas nutisensoritele
Painduvatel üliõhukestel päikesepatareidel võiks tulevikus olla rohkesti kasutusalasid. Krautmanni sõnul hakkab fantaasia tahes-tahtmata lendama ja nii võib vaimusilmas näha juba elektrit tootvaid aknaid, kangaid, plaastreid jmt. Aga üks mis selge – sublimatsioonitehnoloogia annab võimaluse valmistada paneele ka kumeratele pindadele, olgu selleks siis laevakere, autokatus, mingi post, aed või ehitiste katused. Kusjuures need patareid oleksid seal üldjuhul n-ö nähtamatud, ehk paremini keskkonda integreeritud, erinevalt ränipaneelidest, mis praegu hõivavad arvestatavas koguses põllu- või rohumaad, mis võtab võimaluse kasutada neid riiklikult strateegiliselt oluliseks põllumajanduslikuks tootmiseks.
Kõige selle kõrval toob Robert Krautmann uuenduslike paneelide kasutusvaldkonda veel ühe aspekti – nutisensoritele pideva toite tagamise.
„Kui me seda ehk praegu veel eriti ei hooma, siis tulevikus muutub see üha olulisemaks teemaks, kuna kõikvõimalikke nutisensoreid tuleb meie ellu laviinina juurde,” räägib ta. „Tulevikumaailm põhineb andmetel ja pideval andmetöötlusel. Mida praemini me suudame seirata erinevaid andmestikke, seda paremaid otsuseid saame langetada ja seda paremini ka erinevaid protsesse optimeerida.”
Üldiselt on pikematel distantsidel töötavate nutisensorite omapära selles, et nad vajavad katkematut elektritoidet. Kui toide kaob, lakkab seade signaali mõõtmast ja edastamast töötamast. Kui sääraseid nutisensoreid on näiteks mõnes ettevõttes või ülikoolis üles seatud mitusada, siis nende hooldamine võib osutuda üsna tülikaks. Siiani saavad sensorid oma toite patareidest või akudest, mida tuleb teatud aja tagant laadida või vahetada.
Krautmanni idee seisneb selles, et kui panna tema uuenduslik päikesepaneel koostööle akuga ja ühendada need mingite nutisensoritega, siis oleks neile vajaminev vool pidevalt tagatud ning seetõttu ka nende hooldamine üksjagu lihtsam. Ka seadme tööiga peaks tänu sellisele toitelahendusele pikeneda.
Säärased sensorid, olgu selleks näiteks digitaalne termomeeter või niiskuseandur, tarbivad üldjuhul väga vähe energiat, sageli piisab ühest-kahest voldist, voolu on vaja mikroamprites. Sellepärast julgebki teadlane väita, et teatud oludes sobib selline miniatuurne paneel nutisensoritele voolu andma ka ruumides sisetingimustes, saades oma energia hajuvalgusest.
„Kuigi toavalguse intensiivsus pole võrreldav päikesevalgusega, siis mõtlen, et teatud tingimustel võiksid minu uuritavad päikesepatareid piisavas koguses voolu toota, umbes nii, nagu toimivad ka kalkulaatorite päikeseelemendid,” ütleb Krautmann. „Selle paikatimmimine saab olema keeruline, aga ma ei ütle, et võimatu. Aga alustuseks on kindlamad ikkagi välitingimustesse paigaldatavad patareid.”
Igal juhul on Robert Krautmann kindel, et tema loodud päikesepaneeliga väikese voolutarbega nutiseadmete toitega varustamine oleks märksa energiasäästlikum praegusest pidevast akude laadimisest või seadmete vooluvõrgus hoidmisest.
Tutvu Robert Krautmanni doktoritööga Tallinna Tehnikaülikooli digikogus.
