Paindlik päikeseenergia on teel

Õige pea tootmisliinidele jõudvad kleebitavad päikeseelemendid võivad tuua suuri muutusi päikesevalgusest energia ammutamise ärisse.

Päikesevalgusest ammutatud energia: helge tulevikulootus või petlik ootus? Päikeseenergiale leidub nii mitmeidki halvustajaid, kes pigem viimast arvaksid. Fotoelemendid on liiga kallid, nende valmistamiseks kulub suurel hulgal materjali ja energiat, ütlevad nad. Lisaks on need ka ebaefektiivsed, muutes vaid ligi 20 protsenti pealelangevast valgusest kasutatavaks elektrienergiaks.

Seega on skeptikute arvates päikesepatareidel tulevikus väike, ebaproportsionaalselt kulukas osa meie energiaallikate segus. Parasvöötmelises kliimas, kus tihti on pilvine, näiteks suures osas Euroopas ning Põhja-Ameerikas, tähendaks fotoelementide abil elanikkonna energiatarbimisvajaduse rahuldamine maapinnast 5-15% suuruse osa katmist päikeseelementidega.

Seesugune kriitika võib olla tingitud päikesepatareide uuest generatsioonist, mis varsti tootmisliinidele jõuab. Olles õhukesed, painduvad ning mitmekülgsed, on nende valmistamiseks võrreldes traditsiooniliste fotoelement-seadmetega tarvis ülivähe materjali ning raha. Neist võiks saada just see kannustus, mida päikeseenergia vajab ning mis avaks uksed suurele hulgale uutele rakendustele: päikeseenergiaga laetavad mobiiltelefonid ja sülearvutid või ka õhukesed elektrigeneraatorid, mis oleksid hoonete kaardus pindadel või isegi akendel pea nähtamatud.

Fotogalvaanilised elemendid seavad taastuvenergia entusiastid tavaliselt ebameeldiva valiku ette. Kui märksõnadeks on odavus ning paindlikkus, tuleb ohverdada efektiivsus: parimad, amorfsetest räni- või orgaanilistest polümeeridest kiledest valmistatud painduvad päikesepatareid suudavad vaevalt 10 protsenti kiirgusest elektrienergiaks muuta. See muudab need aga kasutuskõlbmatuks kõigi vähe energiat tarbivate seadmete jaoks. Rohkemaks efektiivsuseks on tarvis kristallilist räni, mis neelab valgust vähem vabalt kui selle amorfne sugulane kuid neelab seda palju laiemal lainepikkuste skaalal. 20-protsendilise efektiivsusega päikesepatarei valmistamiseks on tarvis kristallilise räni pakse, kalleid plaate – selliseid, nagu võib näha tänapäeval hoonete katustel.

Fotogalvaanilised elemendid seavad taastuvenergia entusiastid tavaliselt ebameeldiva valiku ette: efektiivsus või paindlikkus

Efektiivsuse odavaks suurendamiseks tuleb mõelda laiemalt. Tavaliselt koosnevad päikesepatareid ühest lamedast valgustneelava pooljuhi kihist. Hetkel uuritav alternatiiv asendaks selle kihi vertikaalselt kasvatatud nanosuuruses pooljuht-juhtmete kilega. Valgus takerduks sellesse ‘nanopuid täis metsa,’ põrgates nende tüvide vahel. ,,See optimiseerib valguse neelduvust,” lausus Ali Javey, kes nende uute materjalide väljatöötamisega California Ülikoolis Berkeley’s tegeleb.

Ainuüksi neeldumisest ei piisa: valgus tuleb muuta laengukandjateks, näiteks elektronideks, mida saaks nanojuhtmetelt vooluvõrku ära juhtida. Siinkohal on tähtis nanojuhtmete sisemine kristalliline struktuur. Iga ebatäius moodustab ‘augu,’ kuhu elektronid sisse kukuvad, takistades seega nende liikumist ning piirates elemendi üldist efektiivsust. Tavapärastes päikeseelementides kasutatav räni on selliste defektide poolest eriti tuntud, mistõttu Javey ja kolleegid on katsetanud alternatiivset pooljuhtmaterjali – kaadmiumtelluriidi. Sellest materjalist valmistatud elemendid on materjalikulukuselt ökönoomsed, kuid sarnaselt amorfsetele ränielementidele muudavad vaid ligi 6 protsenti päikesekiirgusest tarbitavaks energiaks.

See madal protsent on osalt tingitud puudustest vertikaalses disainis: nanojuhtmete otsad katavad vaid mõne protsendi elemendi päikesepoolsest küljest, mistõttu suur osa elementi tabavast valgusest läheb neeldumata sellest läbi. Selle aasta veebruaris teatasid Harry Atwater ja kolleegid California Tehnikainstituudist Pasadenas selle probleemi lahenduse olemasolust. Nad kasutasid mikroskoopseid ränivardakesi, vaid veidi paksemaid kui Javey nanojuhtmed, ning valasid valgustpeegeldavatest nanoosakestest koosnevat polümeeri varrastevahelistesse tühimikesse. Polümeer hajutab neeldumata valguse tagasi varrastesse ning see koos hõbedast valmistatud peegeldava kihiga seadme põhjas lubab päikeseelemendil neelata kuni 85 protsenti pealelangevast valgusest. Siiski põhiliselt mikrovarraste struktuuri ebatäiustest tingitud kadudele on seadme efektiivsus alla 20 protsendi.

Millest siis selline kära, kui need seadmed pole varasematest efektiivsemad? Võti seisneb selles, et kuigi need elemendid on peaaegu sama efektiivsed kui tavapärased, kulub nende valmistamiseks vaid sajandik materjali. Lisaks on need väga painduvad: olles kasvatatud ränialusele, on mikrovarraste kihte võimalik ‘maha koorida’ ning kleepida pea igale pinnale. ,,Neid on võimalik hoonetele paigutada isegi nii, et need sobituvad katusekivide kujuga,” sõnas Atwater.

John Rogers koos kolleegidega Illinoisi Ülikoolist on jõudnud pea sama kaugele. Nemad valmistavad päikeseelemente kasutades ränisubstraadile söövitatud tavalise elemendistruktuuri ülestõstmiseks kummist templit, mille abil see paindlikule polümeerstruktuurile pressitakse. Tulemuseks on korraliku, 12-protsendilise efektiivsusega elemendid, kuigi Rogersi arvates on nad paremaks suutelised, kui pisiparandustena lisada fluorestseeruvaid molekule, et püüda kinni seadme külgedelt tulev valgus. Nende päikeseelementidel on ka unikaalne müügieelis: asetades elemendi osad polümeeralusele laiemalt, muutub element praktiliselt läbipaistvaks. See teeks tulevikus võimalikuks energiat genereerivad aknad.

Vajadus materjalide järele

Alates esimese kaasaegse fotogalvaanilise elemendi avalikkuse ette toomisest 1954. aastal on päikeseelementide efektiivsus suurenenud peamiselt kasutatavate materjalide puhtamaks tegemise tõttu – vältimatu piiriga strateegia. Alternatiivsed materjalid sisaldavad tavaliselt selliseid haruldasi aineid nagu telluur, indium ja seleen, mistõttu on iga materjalikulu vähendav tehnoloogia vägagi veetlev. Samuti muudab tootmiskulude vähendamine selliste tehnoloogiate kasutamise rakendatavamaks arengumaade jaoks, millest mitmetes on külluslikult päikesevalgust kuid piiratud raharesursid.

Selliste tehnoloogiate jaoks on praegu kriitiline hetk, kuna kasutamine reaalsetes rakendustes on alles algstaadiumis. Miniatuursete mudelite muutmine mitme ruutmeetri suuruseks tegelikkuseks pole tähtsusetu samm ning suuri läbimurdeid päikeseenergia alal on varemgi välja kuulutatud. Ent tänu kombinatsioonile ökönoomsusest, efektiivsusest ning paindlikkusest on sel päikeseelementide uusimal põlvkonnal lootust viimaks päikeseenergia tehnoloogiate vastased vaigistada.

Allikas:

Artikkel lehel newscientist.com:  http://www.newscientist.com/article/mg20627550.300-skip-the-hard-cell-flexible-solar-power-is-on-its-way.html?full=true

Lisaks:

Teadusartiklid:

http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n3/abs/nmat2635.html

http://www.nature.com/nmat/journal/v7/n11/abs/nmat2287.html

http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n3/abs/nmat2629.html

http://nano.eecs.berkeley.edu/publications/NanoRes_2009_PV_NW_Review.pdf