Päikeseelement saab meenutada ka liivapaberit
Möödunud sajandi algul sai selgeks, et elektri tootmiseks ei ole tingimata vaja ajada katlasse fossiilseid kütuseid, ehitada hüdro-elektrijaamu või tuuleturbiine. On üks võimalus, mille on meile kinkinud seesama allikas, tänu millele oleme elus nagu kogu elusloodus. See on päike. Osavalt ehitatud päikeseelement toodab elektrit otse päikesevalgusest.
Kuidas üldse tekib päikesevalgusest elekter? Selle küsimuse lahendas 1905. aastal Albert Einstein, kes näitas, kuidas võib valguskvant footon aatomis neeldudes sellest vabastada elektroni. See saavutus tugines Max Plancki 1900. aasta avastusele, et absoluutselt musta keha kiirgus on kvanditud ehk siis kiirgus pole pidev, vaid eraldub portsude kaupa, mida hakati nimetama footoniteks. Need avastused tegid lahti tee kvantmaailma avastamiseks, mille toimimist selgitab kvantmehaanika ja mis on või-maldanud leiutada nii transistorraadio, mobiiltelefoni, arvuti kui ka säästupirni. Ja päikeseelemendid ehk fotovolt-elemendid, milles tänu erilistele materjalidele vabanevad elektronid, kui need suplevad päikesevalguses.
Nii et põhimõtteliselt on päikeseelemendid üsna lihtsad. Ent kui püüda ehitada selliseid elemente, mis oleksid ka lihtsad hooldada ja toota, siis selgub, et asi pole sugugi nõnda lihtne. Lühidalt öeldes teeb asja keeruliseks see, et nende elektrit tootvate elementide ehitamiseks vajalike materjalide otsimist ja hingeelu tundmaõppimist võib võrrelda kui mitte just nõela, siis vähemalt kruvikeeraja heinakuhjast otsimisega. Kuid ometi ei ole teadlased jäänud eeslina pidama kahe heinakuhja vahele, vaid on kindlalt otsustanud olemasolevaid seadmeid täiustada.
Et seadmeid täiustada, peab teadma, mis neil on viga. Nagu alati, on esimene viga päikese-elemendi kõrge hind. Optimistide meelest hind muidugi langeb, kui vaid tootmine kasvab.
Päikeseelementide hinna määravad peale tehnoloogiate ka kasutatavad materjalid. Standardsete, monokristallilise räni baasil valmistatavate elementide puhul on kõige energiamahukam ränikristallide kasvatamine ja puhastamine: kristalli lisandite arvust sõltub kasutegur.
Tallinna tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudi direktor akadeemik Enn Mellikov ja tema kolleegid ongi aastaid otsinud ränitehnoloogiale alternatiivseid võimalusi. Üks võimalus on ehitada päikeseelemendi valgustundlik kiht monoteradel, s.t tillukestel üksteisest eraldi olevatel kristallidel, mis on ühendatud elektroodidega. „Oleme oma pingutused suunanud vaakummeetoditel põhineva õhukesekilelise päikeseelementide tehnoloogia asendamiseks odavate ja suure tootlikkusega pulbriliste tehnoloogiatega,” ütleb Mellikov, kes pälvis kolleegidega nende algsete tööde eest 2006. aastal Eesti Vabariigi teadusauhinna.
Päikeseelement kui liivapaber
Kõnealuste pulbrite terade koostises oli kolm elementi: vask, seleen ja indium, viimasena nimetatut on looduses väga vähe. Eesti teadlased võtsid eesmärgiks asendada indium mõne teise elemendiga. Lõpuks jõuti tehnoloogilise lahenduseni, mis võimaldab odavatest keemilistest elementidest kasvatada pulbri jaoks ühtlase ümara kuju ja siledate pindadega kristalle. Kasvatamise kestuse, temperatuuri ja sulandaja keemilise koostisega saab reguleerida kristallide suurust ja kuju. See tehnoloogia on kaitstud patentidega kõigis Euroopa maades, USA-s ja Jaapanis.
Monoterapulbri pooljuht-omaduste muutmiseks on aga vaja teadlikult suunata nende terade koostist, milleks muudetakse sulandaja keemilist loomust ja termilist järelkäsitlust eri gaasikeskkondades. „See lõi aluse monoteramaterjalide suunatud sünteesiks, mis on kaitstud patenditaotlustega ja patentidega enamikus juhtivates tööstusmaades,” ütleb Mellikov.
Monoteraliste päikeseelementide arendamiseks käib töö edasi, selles osaleb ka firma Crystalsol, mille üks asutaja ja peateadlane Dieter Meissner on praegu ka Tallinna tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudi külalisprofessor. „Meie eesmärk on saada hea kvaliteediga kristall, selleks kasvatame seda sulasoolades,” ütleb ta.
Koostöö algas 1990. aastatel, kui selgus, et kahel pool raudset eesriiet oli töötatud sama asja kallal. Koos töötades on jõutud odavama ja tõhusama variandini, kus kristallid moodustatakse vasest, tinast, tsingist, väävlist ja seleenist. Kui need kristallikesed katta kaadmiumsulfiidi (CdS) kihiga, kanda nad grafiitelektroodiga kaetud epoksüvaigust aluskihile ja seejärel pihustada neile peale tsinkoksiidist elektrood, ongi päikeseelement valmis. Silmaga vaadates meenutab see peeneteralist liivapaberit. Ainult et siin pole tegemist räniga, vaid vasest, tsingist, tinast, väävlist ja seleenist moodustunud, juuksekarvast paar-kolm korda peenemate terakestega.
„Oleme saavutanud kasuteguri, mis ulatub 5,8 protsendini ja mis on samas suurusjärgus kui Jaapani teadlaste saadud õhukesekihilistel päikeseelementidel. Samas peab arvestama, et meie „liivapaber” laseb osa valgust ka läbi ja seega ei tööta kogu pind päikesekiirguse kogujana. Hiljuti teatasid teadlased IBM-i uurimislaborist selliste materjalide rekord-efektiivsusest, mis küünib juba kuni 9,66 protsendini,” iseloomustab TTÜ professor Jüri Krustok. Eesmärk on kasutegurit ka TTÜ-s veelgi suurendada. Selleks on abiks EAS ning investeerimisfondid Soomest ja Norrast. Veebruaris sai Crystalsol Austria riikliku keskkonna- ja energiatehnoloogia auhinna ning võitis Austria Wirtschaftservice’i grandi fotovolt-moodulite arendamiseks.
„Hind, tootmise maksumus, kasutegur,” kordab Meissner päikeseelemendi olulisimaid parameetreid. Kuna iga monotera on juba ise tilluke fotovolt-element, siis pole vahet, kui suur on lõplik moodul. See on võrreldes teiste õhukesekileliste tehnoloogiatega eeliseks: seal läheb mooduli iga suurendamine kalliks. „Selliseid päikeseelemente saab toota nagu trükimasinal,” ütleb Meissner, „ja valmistada neid tellija soovi järgi nagu ülikonda.”
