TIETEESSÄ TAPAHTUU 2 2020 63 TUTKIMUSTA SUOMESSA
TUTKIMUSTA SUOMESSA
AURINKOPANEELEJA PRINTTEINÄ
Suomen Akatemian tutkijatohtorin Ghufran Hashmin johdolla Aalto-yliopistossa kehitetään kolmannen sukupolven aurinkokennoja. Perin- teisiin piin käyttöön perustuviin kennoihin ver- rattuna perovskiittikennojen tuotantoprosessi on huomattavasti yksinkertaisempi, ympäristöystä- vällisempi ja edullisempi. Kaupallisiin sovelluk- siin päästäneen jo lähivuosina.
Ilmastonmuutos ja yleinen ympäristötietoisuus ovat kannustaneet etsimään fossiilisten polttoai- neiden käytön rinnalle ja ennen pitkää korvaajak- sikin yhä edistyksellisempiä keinoja hyödyntää uu- siutuvia energianlähteitä.
Maapallolta ei energia lopu, sitä tulee kaiken aikaa Auringosta, jonka säteilyssä maapallon päi- väpuoli kylpee aina. Ongelmana on Auringon sä- teilyenergian tehokas valjastaminen.
Valon muuttaminen sähköksi on jo vanha kek- sintö, sillä yhdysvaltalainen Charles Fritts kehitti ensimmäisen kaupallisen aurinkopaneelin jo vuon- na 1881. Avaruustekniikassa aurinkopaneeleja on käytetty melkein alusta alkaen eli 1950-luvun lo- pulta lähtien. Maata kiertävät satelliitit ja suurin osa muualle Aurinkokuntaan lähetetyistä luotai- mista saavat laitteidensa tarvitseman sähkötehon aurinkopaneeleista.
Maan kiertoradan etäisyydellä Auringon sätei- lyteho on noin 1 368 wattia jokaista neliömetriä kohti, jos se mitataan ilmakehän ulkopuolella. Il- makehä heijastaa ja imee itseensä osan Auringon säteilystä, mutta silti maanpinnallekin päätyy lä- hes 350 wattia neliömetrille. Se tarkoittaa noin 170 000 terawatin kokonaistehoa. Yhdessä tunnis- sa maanpinnalle lankeaa Auringon energiaa enem- män kuin ihmiskunta ahneuksissaan ehtii kuluttaa yhdessä vuodessa.
Aurinkoenergian hyödyntäminen ei kuitenkaan ole pitkästä historiastaan huolimatta ihan helppoa
eikä etenkään halpaa. Nyt siihen saattaa olla tulos- sa iso muutos.
– Uudessa tekniikassa käytetään helposti saa- tavilla olevia materiaaleja, jotka muokataan neste- mäiseen, tulostettavaan muotoon, kiteyttää Ghuf- ran Hashmi.
Tulostettavia aurinkokennoja? Kyllä.
Hashmin johtamassa Aalto-yliopiston CARPRINT- hankkeessa kehitetään teknologiaa, jolla aurinko- paneelien teho saadaan kasvamaan ja valmistus- kustannukset roimasti laskemaan. Kun perinteisen piin käytöstä siirrytään perovskiitin kiderakentee- seen perustuvaan tekniikkaan, voidaan samalla siirtyä kalliista, monimutkaisista ja paljon ener giaa kuluttavista tuotantolinjoista mustesuihkutulos- tukseen ja silkkipainatukseen. Miten se on mah- dollista?
Perovskiitti on mineraali, joka koostuu kal- siumtitaanioksidista. Sille on luonteenomaista tie- tyntyyppinen kiderakenne, joka tunnetaan samalla nimellä. Perovskiittiaurinkokennoissa hyödynne- tään mineraalille ominaista kiderakennetta, joka on myös esimerkiksi lyijyhalidilla. Halidit ovat ha- logeenien, herkästi reagoivien epämetallien, muo- dostamia kemiallisia yhdisteitä. Tutuin niistä on natriumkloridi eli ruokasuola.
Perovskiitti- eli PSC-aurinkokennot (perovskite based solar cells) eivät ole uusi keksintö, mutta on- gelmana on ollut alhainen hyötysuhde. Kymmeni- sen vuotta sitten se oli alle neljä prosenttia, mut- ta nyttemmin on päästy jo yli kahteenkymmeneen prosenttiin eli samoihin lukemiin kuin perinteisil- lä kennomateriaaleilla.
Kehno lämmönvaihteluiden ja kosteuden kes- tävyys, sopivien materiaalien korkea hinta ja lyijy- jätteen suhteellisen suuri määrä on kuitenkin hi- dastanut PSC-kennojen kaupallisten sovellusten kehittämistä. Nyt kennojen hyötysuhteessa, ym- päristöolojen kestävyydessä ja erityisesti tuotan- totekniikassa on saatu aikaan merkittäviä paran- nuksia. Hashmin tutkimusryhmä teki nykyisen kehitystyön kannalta keskeisen läpimurron kol- misen vuotta sitten.
Kun kerran lämpö ja etenkin kosteus ovat yleensä vahingoksi PSC-kennoille, tuntuu jokseen- kin nurinkuriselta, että juuri lämpö ja kosteus te- kevät niistä tehokkaampia ja kestävämpiä. Hash-
64 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2 2020 TUTKIMUSTA SUOMESSA
min ryhmälle tulikin yllätyksenä, että kennojen altistaminen useiden vuorokausien ajan tarkkaan määritellyille olosuhteille – 40 asteen lämpötilal- le ja 70 prosentin kosteudelle – muutti oleellisesti niiden ominaisuuksia. Tekniikka on vapaasti suo- mentaen ”kosteusavusteinen lämpökäsittely” eli humidity assisted thermal exposure, joka tunnetaan myös lyhenteellä HTE.
Hashmin ryhmän tekemissä kokeissa HTE-kä- sittely kesti maksimissaan 200 tuntia, mutta par- haaseen tulokseen päästiin 120 tunnissa eli vii- dessä vuorokaudessa. Kun materiaalin rakennetta tutkittiin pitkällisen altistuksen jälkeen sekä rönt- gensironnan avulla että pyyhkäisyelektronimikro- skoopilla, kemiallisessa koostumuksessa ei näky- nyt muutoksia, mutta perovskiittikiteissä tapahtui merkittävää kasvua.
PSC-kenno
Millainen HTE-käsittelylle altistettava PSC-kenno sitten on rakenteeltaan?
– Ensin lasipinnalle tulostetaan kerros titaani- dioksidista koostuvia nanohiukkasia, Hashmi läh- tee listaamaan.
Titaanioksidi on hyvin kestävä yhdiste, joka ei liukene edes happoon. Seuraavaksi on vuoros- sa eristeenä toimiva zirkonioksidikerros ja lopuk- si noin millimetrin sadasosan paksuudelta hii- linanohiukkasia, jotka toimivat johteena. Näin saadaan aikaan huokoinen rakenne. Kun sen pääl- le tulostetaan – periaatteessa tavallisella muste- suihku- tai vaihtoehtoisesti silkkipainotekniikal- la – nestemäisessä muodossa olevaa lyijyhalidia, se imeytyy huokoisten kerrosten läpi titaanidiok- sidiin saakka.
– Kun kennoa sitten kuumennetaan, lyijyhali- diliuos kiteytyy ja siihen muodostuu perovskiitti- rakenne, Hashmi selittää.
Lyijyhalidi on kuitenkin hankala aine, sillä se liu- kenee helposti nesteisiin. Aurinkopaneelit joutuvat ulkoilmassa väistämättä vaihtelevien sääolojen ar- moille. Niiden on kestettävä sekä kylmää että kuu- maa ja usein kosteutta, jopa kaatosateita. Kosteas- sa ympäristössä perovskiittirakenteen muodostavat kiteet alkavat hajota. Se laskee nopeasti aurinkoken- nojen hyötysuhdetta ja tekee ne lopulta tehottomik- si. Juuri tähän HTE-tekniikka tuo ratkaisun.
Uudessa tekniikassa hiilinanohiukkasilla on oi-
keastaan kaksoisrooli. Paitsi että ne toimivat joh- teena, hiili on luonnostaan hydrofobinen aine eli se hylkii vettä. Pisaramuotoinen vesi ei pääse tun- keutumaan kennon rakenteeseen, mutta vesihöyry kulkeutuu huokoisessa materiaalissa hyvin.
HTE-käsittelyssä vesihöyry saa lyijyhalidiliu- oksesta muodostuneet kiteet takertumaan naapu- reihinsa, jolloin rakenteeseen muodostuu entistä suurempia kiteitä.
– Alkuun materiaalissa erottuu vain pieniä ki- teytymiä, mutta kun altistus tarkoin säädellyssä lämpötilassa ja kosteudessa jatkuu, aikaa myöten ne alkavat sulautua yhteen ja muodostavat kook- kaampia perovskiittikiteitä, Hashmi kuvailee.
Kokoa kasvaneet kiteet yhdistävät hiili- ja ti- taanidioksidikerroksia, jolloin koko rakenteen vas- tus pienenee. Siitä on seurauksena aurinkokennon toiminnan kannalta tärkeän hyötysuhteen parane- minen yli 50 prosentilla. Parannus entiseen on siis huima.
Alkuvaiheessa tutkimukseen käytetyillä pe- rovskiittikennoilla oli kokoa vain yhden neliösent- timetrin verran, mutta vastikään on päästy 20 x 20 neliösenttimetriin. Kasvava koko ei ole vaikutta- nut testituloksiin: kennon kestävyys ja suoritusky- ky paranevat merkittävästi HTE-käsittelyllä. Täl- lä hetkellä on työn alla 40 x 40 neliösenttimetrin kenno, mikä on jo samaa kokoluokkaa kuin markki- noilla olevat esimerkiksi veneisiin tarkoitetut pe- rinteiset aurinkopaneelit.
Välivaiheita
Tekniikka kuulostaa yksinkertaiselta, mitä se pe- rinteisten piikennojen tuotantoon verrattuna on- kin, mutta pari välivaihetta on vielä tarpeen en- nen kuin PSC-aurinkokenno on valmis käyttöön, tuottamaan sähköä auringonvalosta. Tulostusta tai silkkipainatusta varten nanohiukkasista koos- tuviin ainesosiin on lisättävä orgaanisia sidosai- neita ja erilaisia liuottimia, jotta saadaan aikaan ominaisuuksiltaan tulostukseen tai painatukseen soveltuva nestemäinen aine. Kun tulostus on teh- ty, sidosaineet ja liuottimet on poistettava kennon muodostavasta kerrosrakenteesta.
– Siksi tulostettu kenno on HTE-käsittelyn jäl- keen vielä kuumennettava vähintään 500 asteen lämpötilaan. Älypuhelimissa käytetty sähköä johta- va lasimateriaali on todettu ihanteelliseksi perovs-
TIETEESSÄ TAPAHTUU 2 2020 65 TUTKIMUSTA SUOMESSA
kiittikennojen tulostuspohjaksi, Hashmi kehuu.
Oleellista on kuitenkin se, että prosessi vie kaikkine välivaiheineenkin huomattavasti vähem- män energiaa kuin piipohjaisten aurinkokenno- jen valmistus. Se ei myöskään vaadi ultrapuhtaita tuotantotiloja, kuten perinteinen tekniikka. Hash- mi näkeekin uuden tekniikan paitsi merkittävä- nä edistysaskeleena aurinkokennojen kehittelys- sä myös taloudelliselta kannalta tärkeänä asiana.
Piipohjaisten kennojen tuotanto on siirtynyt yhä vahvemmin Kiinaan, sillä eurooppalaiset tuo- tantolaitokset eivät korkeine kustannuksineen ole pärjänneet kovenevassa kilpailussa.
– Laboratoriossamme kehitetty tekniikka on melko helposti skaalattavissa ylöspäin ja tuotan- tolaitoksia olisi mahdollista perustaa melkein mi- hin tahansa. Näin aurinkokennojen tuotantoa saa- taisiin palautettua Eurooppaan.
Hashmi pitää keskeisenä seikkana raaka-ainei- den helpon saatavuuden ja edullisuuden lisäksi nii- den kierrätettävyyttä. Eikä pelkästään kierrätet- tävyyttä: PSC-kennoja on mahdollista korjata ja kunnostaa. Tekniikka täyttää kestävän kehityksen kriteerit muutenkin kuin vain uusiutuvan energi- an osalta.
Mille tahansa pinnalle perovskiittikennoja ei voi tulostaa, mikä rajaa käyttötarkoituksia ja so- velluskohteita (sama toki pätee myös perinteisiin piikennoihin). Esimerkiksi sähköautojen hiljalleen yleistyessä olisi ihanteellista, jos akkuja voisi ladata myös ajon aikana korin ulkopinnoille printatuilla aurinkopaneeleilla. Metallipinta ei tulostamiseen sovellu eikä erikoislasi taivu – kirjaimellisesti – mihin tahansa, joten aurinkopaneeleilla kuorrutet- tuja e-autoja ei ole odotettavissa maanteille aina- kaan lähiaikoina.
– Se edellyttäisi tulostamista joustavalle mate- riaalille. Vaikka nykyisin on jo olemassa taipuisaa lasia, tarvitaan vielä paljon lisää tutkimus- ja kehi- tystyötä, jotta moiseen päästäisiin, Hashmi arvioi.
Kaupalliset sovellukset
Ihan vielä printattuja PSC-aurinkopaneeleita ei saa tavallisen kulutuselektroniikkaa myyvän liikkeen hyllyltä, mutta kaupallinen tuotanto voi olla yllät- tävän lähellä.
– Kyllä se on mahdollista kahdessa tai kolmessa vuodessa, Hashmin toteaa toiveikkaasti.
Kun kaupalliset sovellukset saadaan markki- noille, niiden hinta on Hashmin mukaan korkein- taan kymmenesosa nykyisistä aurinkopaneeleista.
Tarkkaa arviota on kuitenkin vaikea esittää, koska uuteen tekniikkaan ja käyttöönottoon liittyy aina epävarmuustekijöitä: hinta voi pudota vähemmän tai selvästi enemmän.
– Tällä hetkellä ei esimerkiksi ole PSC-kenno- jen tuotantoon soveltuvia mustesuihkutulostimia, joilla voitaisiin valmistaa neliömetrin kokoluokkaa olevia paneeleita. Niiden kehittäminen aiheuttaa kustannuksia, joiden suuruutta ei vielä tiedetä.
PSC-kennojen kehitystyö on hyvä esimerkik- si hankkeesta, jossa perustutkimus ja käytännön sovellukset lyövät kättä pikavauhdilla. Kaupallis- ta hyödyntämistä ei tarvitse odottaa vuosikausia, vaan siihen tähdätään tutkimuksen ollessa vielä käynnissä. Se helpottaa myös itse tutkimukseen tarvittavan rahoituksen hankkimista.
Pelkkään perustutkimuksen on tarjolla rahoi- tusta vain rajallisista lähteistä, mutta kun mukana on alusta saakka myös sovellusten kehittäminen, mahdollisia rahoitustahoja on enemmän. Hash- min johtama tutkimus onkin saanut merkittävää tukea sekä teknologiateollisuudelta että sähköyh- tiöiltä. Se on ymmärrettävää ja luontevaa, sillä uusi tekniikka tekee yleistyessään aurinkopaneeleiden käytön helpommaksi ja halvemmaksi myös laaja- mittaisessa sähkön tuotannossa valtakunnanverk- koon.
Lasille tai vaihtoehtoisesti tarkoitusta varten kehitetylle muoville tulostettavat aurinkokennot on helppo integroida rakennuksiin. Se voidaan teh- dä jo rakennusvaiheessa seinäelementteihin ja la- sipintoihin tai myöhemmin esimerkiksi parvekkei- den kaiteisiin tai katoksiin.
Mustesuihkutulostukseen ja silkkipainatuk- seen perustuva tekniikka tekee mahdolliseksi myös erilaisten kuviointien käytön. Siinä suhtees- sa rajat asettaa vain mielikuvitus.
– Uudella teknologialla saadaan aikaan sekä energiaa että estetiikkaa, Hashmin päättää.
MARKUS HOTAKAINEN
Kirjoittaja on tiedetoimittaja ja tietokirjailija.
