Tällä hetkellä piikennot ovat kaupallisesti merkittävin aurinkopaneelien materiaali. Niiden sijaan III‒V-puolijohdemateriaaleja sisältävät moniliitosaurinkokennot mahdollistavat jopa 50 prosentin hyötysuhteeseen, kertoo Tampereen yliopistossa pian alueen valmistustekniikoista väittelevä DI Marianna Vuorinen.
Tampereen yliopiston Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa on tutkittu perinteiselle piivaihtoehdolle jo pitempään vaihtoehtoista aurinkokennoteknologiaa, nimittäin III‒V-puolijohdemateriaaleista koostuvia moniliitosaurinkokennoja. Kyseisen teknologian avulla onkin saavutettu aurinkokennojen maailmanennätyshyötysuhteet, yltäen yli 47 prosenttiin.
Marianne Vuorisen uusi väitöstutkimus keskittyy uusiin edistyksellisiin moniliitoskennoihin, jotka sisältävät niin kutsuttuja laimeita typpimateriaaleja. Nämä mahdollistavat auringonvalon hyödyntämisen myös auringon säteilyn alueilla, joilla olemassa olevat materiaalit joko eivät ole tarpeeksi tehokkaita tai niitä ei pystytä integroimaan moniliitoskennorakenteisiin.
’’Moniliitosaurinkokennojen potentiaali korkeampien hyötysuhteiden saavuttamisessa perustuu päällekkäisiin liitoksiin, jotka on optimoitu hyödyntämään auringon säteilyn eri alueita. Tavoitteena on muuntaa auringonvalon sisältämästä energiasta sähköksi suurempi osa kuin mitä perinteisillä yhden liitoksen sisältävillä piikennoilla on mahdollista”, Marianna Vuorinen selittää.
Uudet materiaalisysteemit tarvitsevat valmistusprosessien kehittämistä. Väitöstyössä tutkittavien kennokomponenttien prosessointi tapahtuu tarkasti valvotuissa olosuhteissa puhdastilalaboratoriossa, jossa säädellään esimerkiksi ilmankosteutta sekä mahdollisia epäpuhtaushiukkasia. ’’Uusien materiaalisysteemien kehittäminen vaatii aina myös valmistusprosessien muokkaamista, ja juuri tähän väitöstyöni liittyy. Mitä enemmän erilaisia puolijohdemateriaaleja aurinkokennot sisältävät, sitä haasteellisempaa niiden prosessoinnista tulee’’, Vuorinen toteaa.
Moniliitoskennojen valmistus tapahtuu perinteisin puolijohdeprosessoinnissa käytettävin menetelmin, vaikkakin menetelmiä pitää muokata jokaiselle kennorakenteelle sopiviksi tavoitesuorituskyvyn saavuttamiseksi.
”Käytännössä kennokomponenttien prosessointi pitää sisällään erilaisten rakenteiden valmistamista hyödyntämällä kuviointia ja ohutkalvorakenteita. Valmistus vaatii äärimmäistä tarkkuutta, sillä kuvioiden yksityiskohdat ovat pienimmillään muutaman mikrometrin luokkaa, mikä vastaa murto-osaa hiuksen paksuudesta. Lisäksi kennojen toiminta on erityisen herkkä erilaisille valmistusvirheille. Tästä syystä yksi pölyhiukkanenkin saattaisi huonontaa valmistusprosessia merkittävästi”, Vuorinen tarkentaa.
Vuorisen väitöstutkimus keskittyy erityisesti yhden keskeisen prosessointimenetelmän, märkäsyövytyksen, optimointiin laimeille typpiyhdistepuolijohteille ja niitä sisältäville moniliitosaurinkokennoille. Lisäksi väitöstyössä on kehitetty valmistusprosessi uudenlaiselle, edistykselliselle sähköiselle kontaktille. Näitä rakennuspalikoita voidaan soveltaa moniliitoskennojen lisäksi myös muun tyyppisten laitteiden valmistamisessa.
DI Marianna Vuorisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced Processing of III‒V Multijunction Solar Cells tarkastetaan Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 29.11.2024.
Lisää: Väitöskirjatyö (LINKKI, 15 Mt, pdf)