Kübeke hõbedat vase asemele päikesepüünisesse

Päikeseenergia tootmine on Eestis jõudnud tasemele, kus suviti võib sellega ajuti katta kogu riigi energiavajaduse. Tallinna Tehnikaülikooli teadlased arendavad välja uusi materjale, et päikesepatareisid oleks odavam ja lihtsam toota ning nende kasutamise võimalused laialdasemad kui senistel traditsioonilistel ränielementidel. Kirjutab Ants Vill. 

Päikeseenergeetika on meil tuuleenergeetikale kiiresti järele võtmas. Eesti Energia ettevõte EnefitGreen ehitas möödunud aastal riigis 285 päikeseelektrijaama, koguvõimsusega ca 8 MW. Suurim projekt oli 348 kW võimsusega päikesepark. Enam-vähem võrdselt rajati elektrijaamu maapinnale ja katustele. Päikesejaamad toodavad elektrit, mida kohapeal kasutada, aga ülejäägi korral ka ühisvõrku müüa. Praegu müüvad Eesti Energia võrku enda kodus või ettevõttes toodetud elektrit 2500 klienti-väikeettevõtjat. Seega on tegu täiesti arvestatava tegevusvaldkonnaga, kus kasutatakse energiaallikana Maale piiramatus koguses jõudvat päikesevalgust. Selle ala veelgi kiiremat arengut piirab uute, hinnasõbralike ning keskkonnahoidlike tehnoloogiate tagasihoidlik areng.

Hoolimata ränikristallidel põhinevate päikeseelementide suhtelisest kallidusest ja kohmakatest mõõtmetest, valitsevad need ka praegu enam kui 90 protsenti päikeseelementide turust. Kusjuures kasutusele võeti need rohkem kui kolmveerand sajandit tagasi. Teadlaste püüdeid töötada välja uusi materjale, mille tootmine oleks odavam, kasutamine suuremate võimalustega ning ka efektiivsus võrreldav ränielementide omaga, pole väga suur edu saatnud. Paljud uudsed materjalid on ikkagi kallid, neid on keeruline toota, neist valmistatavate elementide efektiivsus jääb aga ränile märgatavalt alla.

Ainulaadne aine Tallinnast

Tehnikaülikooli teadlased on saavutanud edu materjalide odavuse ja tehnoloogilise lihtsuse alal ning ka elementide tõhususe suurendamisel. Monokristallilise räni asemel on uurimise all nii looduses väga levinud kui ka pooljuhtide tööstuses laialt kasutatavate ning odavate keemiliste elementide – vase, tsingi, tina, seleeni ning väävli – ühinemisel moodustuv kristalne aine kesteriit. See päikesepatareide valmistamiseks vajalik nn monoterapulber valemiga Cu2ZnSn(Se,S)4 saadakse eelloetletud elementide reageerimisel tekkinud kristallide kasvatamisega ligikaudu 800 kraadi juures sula soola kaaliumjodiidi keskkonnas. Saadud kristalne monoterapulber on absorbermaterjalile sobivate omadustega, seda saab kasutada üliõhukese kihina ja kanda painduvale aluspinnale. Tegu on maailmas ainulaadse päikesepatarei kontseptsiooniga, mis on kaitstud ka mitme patendiga.

„Monoterapulbri iga tera on väike monokristall, mis moodustab päikesepaneelis omaette fotoelemendi ehk miniatuurse päikesepatarei. Nende terakeste kiht kaetakse veel üliõhukese puhverkihiga. Kokku saame soodsama materjali, mis on ka keskkonnasõbralik. Meie tehnoloogia võimaldab valmistada ka väga õhukesi elemente, nii on kasutusvõimalused hulga avaramad ning materjalikulu väga palju väiksem kui ränielementidel. Meie eesmärk on muuta päikeseenergia hind konkurentsivõimelisemaks võrdluses teiste alternatiivenergia allikatega,” selgitab tehnikaülikooli päikeseenergeetika materjalide labori juhataja, vanemteadur PhD Marit Kauk-Kuusik.

Koostisainete varieerimisel on uusimates katsetes saavutatud edu ja nii on sel alal loota teatavat läbimurret. Nimelt on enamik alternatiivseid ühendeid, mida kasutatakse uute päikeseelementide loomisel, senistest ligi kaks korda madalama efektiivsusega. „Kui teoreetiliselt suudab nähtava valguse diapasoonis töötav monokristalse räni element kogu maapinnale jõudvast päikesekiirgusest ära kasutada alla kolmandiku ehk veidi üle 30 protsendi ja tegelikkuses kuni 27 protsenti, siis polükristalne ränielement annab ca 23 protsenti. Kõrgvaakumtehnoloogiatega valmistud õhukesekilelised kaadmiumtelluriid (CdTe) ja vask-indium-gallium-seleniid (CIGS) elementidel on laboritasandil samuti saavutatud ca 22–23%. Aga alternatiividel, nagu kesteriidid, on viimase dekaadi pikkuse arendamise järel efektiivsuse määr siiani 13 protsendi juures. Muudel ühenditel on see ikka alla 12 protsendi. See on aastaid juba sel tasemel püsinud, nagu kännu taga oleks kinni. Meil õnnestus sel alal saavutada äsja kaheprotsendiline hüpe,” räägib Kauk-Kuusik. 

Ta selgitab, et efektiivsuse kasvu andis kesteriidi kristallide moodustamise käigus osade liialt aktiivse vase aatomite asendamine stabiilsema hõbeda aatomitega. „See täiustus vähendab elektronide kuhjumist kristallide äärtele, kus need vastasmõjus naaberkristallide omadega üksteist nullivad,” seletab ta. „Oleme palju saavutanud, aga suur töö on veel ees. Selleks, et uut tüüpi päikesepatareisid oleks mõistlik masstootmisse viia, oleks vaja saavutada 15-protsendine efektiivsus.”

Nagu öeldud, käib Mustamäe laboris suhteliselt odavatest materjalidest ja lihtsa tehnoloogiaga valmistatava kesteriitse päikesepatarei teadus- ja arendustöö, et saavutada konkurentsivõimeline toode. Lisaks kesteriidi uurimisele tegeldakse selle monoterapulbrit kasutavate elementide optimaalse konstruktsiooni arendamisega. Sel alal käib tihe koostöö tehnikaülikooli spin-off firma, Eesti-Austria ühisettevõtte CrystalsolGmbH-ga. Eesmärk on tootmiseks sobivate päikesepaneelide väljaarendamine.

Kirev ja pikk ajalugu

Juba aastaid tagasi pani päikeseenergeetika materjalide uurimisele Eestis ja tehnikaülikoolis aluse hiljuti meie hulgast lahkunud akadeemik Enn Mellikov (1945–2018), kelle asutatud on ka see labor. „Uurimistöö juured ulatuvad veel sügavasse Nõukogude aega, kui 1960. aastatel hakati uurima materjalide fototakistust. Eelkõige pulbertehnoloogiaga toodetud materjale. Osa oli ka seotud tööstuste ja isegi sõjaväe jaoks tehtud uurimustega. Kui piirid läksid vabamaks, siis kohtusid meie teadlased Saksa ja Austria teadlastega ja avastasid, et teeme ühesugustel teemadel uurimusi. Sealt edasi ei olnud enam kaugel idee – asuda olemasolevalt pinnalt arendama päikesepatareisid,” valgustab labori juht Kauk-Kuusik uurimuste tausta. 

„Idee süda on ikka kristallide kasvatamine ja membraanide moodustamine. 1990. aastail alustati vask-indium-seleniidi ühenditega, on proovitud ka kaadmiumtelluriidi ühenditega, meie oleme nüüd jõudnud vähem haruldasi elemente sisaldavate kesteriitideni,” ütleb ta. „Üks põhjus oli see, et 2000. aastate alguses hakati massiliselt tootma LED-ekraane, kus kasutati indiumi. See ajas indiumi hinna väga kõrgeks. Nii otsustatigi proovida asendada selles ühendis indiumi aatomid tsingi ja tina omadega. Tulemuseks saime struktuuri poolest üsna sarnase aine,” selgitas Marit Kauk-Kuusik TTÜ-s kasutatavat ainulaadset lahendust. „Kaadmiumiühendeid ei saanud me siin Euroopas ka kasutada, kuna EL eeskirjad on nende suhtes vägagi tõrjuvad, selline poliitilise taustaga otsus. Samas, USA-s ja Jaapanis on kasutatud edukalt kaadmiumtelluriidi ja saavutatud suurt edu,” lisas ta. 

Tavaline laboritöö

„Praegu uurimise all olev kesteriit on põnev materjal, millel on palju edulootust. Esiteks, komponendid on suhteliselt odavad. Metallid peavad siiski olema nn pooljuhtpuhtad ehk 99,999-protsendise puhtusega. Võrdluseks – elektrijuhtme materjal on 98-protsendise puhtusega. Teiseks, selle monoterapulbri tootmiseks piisab tavalistest laboritingimustest. Ei ole vaja kalleid kõrgvaakumtehnoloogiaid,” jutustab doktor Kauk-Kuusik. „Valmistame segu pulbrilistest materjalidest: metallid vask, tina, tsink ning kalkogeenid väävel ja seleen. Vajadusel peenestame neid aineid siinsamas, väikeses labori kuulveskis. Edasi lisame samasse kvartsklaasist ampulli ka kaaliumjodiidi. Kinnijoodetud ampulli paneme kamberahju.” 

Alustatakse toatemperatuurilt, tõstes temperatuuri aeglaselt. Kõigepealt muutub gaasiliseks väävel, ca 100 kraadi juures sulfureeruvad metallid, siis lisandub seleen. Need tahke-gaasifaasilised protsessid toimuvad esimese kolme tunni jooksul. Selleks ajaks, kui temperatuur jõuab 680 kraadi juurde, on reaktsiooniprotsessid lõppenud. Tekib uus kristalliline ühend Cu2SnZn(Se,S)4 ehk kesteriit. Edasi sulab kaaliumjodiid, selles keskkonnas hakkavad kasvama kesteriidi kristallid. See protsess kestab ligi neli ööpäeva. Seejärel pestakse kaaliumjodiid välja, saadud kristalne materjal sõelutakse, et saada kätte vajaliku läbimõõduga kristalne materjal. Edasise töö käigus on polümeeralusele kantava monoterakeste kihi paksus vahemikus mõnekümnest kuni saja mikromeetrini. See kiht kaetakse omakorda üliõhukese puhverkihiga. „Kasutame sellise mõõduga materjali, et saaksime elemente laboris valmistada. Masstootmises on võimalik saavutada oluliselt õhemaid kihte,” selgitab Marit Kauk-Kuusik. Vaakumsadestusega tekitatakse saadud materjalitükile ka vajalikud elektroodid. Edasi järgneb juba otsene seadise efektiivsuse mõõtmine elektroonsete seadmete ja arvutiga. Mõõdetakse materjali tõhusust erinevate valgustugevuste korral. „Võrdleme erinevate koostistega materjalidel põhinevate päikeseelementide volt-amperkõveraid,” selgitab ta.

Inseneriprobleemid on ees

Niisugustes ampullides toodetav ainekogus on piisav selle uurimiseks edasist arendamist silmas pidades. „Kui on vaja suuremaid koguseid, tuleb võtta suurem ampull, seda esialgu,” tõdeb Marit Kauk-Kuusik. „Tööstuslike koguste tootmisele üleminek pole siiski väga keeruline, tegu on ju pooljuhtmaterjalide tootmise tavapärase meetodiga, ainult komponendid on teised. See tehnoloogia on juba integreeritud mingil määral tootmisse. Teeme koostööd ettevõttega, kelle eesmärk ongi seda ühendit tööstuslikus mastaabis tootma hakata.” 

Teadlane selgitab, et masstootmise mõttes pole suuremates ampullides tootmine lahendus, sest ampullide mõõtmeil on ju mõistetavalt piirid ees. „Nad on püüdnud kristalle valmistada ka suuremas anumas, nn potis – konteineris, mille seinad on kaetud grafiidiga. Aga seal tekivad praegu probleemid hermeetilisusega. Tina on kergesti lenduv element,” lisab ta. 

Uued põlvkonnad

„Kui ränielemendid oli esimene päikesepatareide põlvkond, siis tehnikaülikoolis praegu arendatavad on edasiarendus teisest põlvkonnast ehk tinglikult põlvkond 2,5. Kolmas põlvkond võiks olla kas nanotehnoloogia või orgaanilised ühendid ja perovskiitsed kristallilised materjalid,” räägib Kauk-Kuusik. „Enamikel uutel ainetel on efektiivsus väga madal. Samas, perovskiitidel on efektiivsus pea sama suur kui ränil, aga see materjalitüüp hävib päikesevalguses ultraviolettkiirguse toimel suhteliselt lühikese ajaga.”

„Praegu on asjade seis selline, et kui alustasime siin, mina ka, 2006. aasta paiku, siis 2012. aastaks jõuti juba 12-protsendise efektiivsuseni. Praeguseks on 10–12-protsendise piirini jõudnud arvukad uurimisrühmad üle maailma, sealhulgas ka meie. Sealt edasi pole enam kiiret edasiminekut olnud. Mingi fundamentaalne barjäär on ette tulnud. Ilmselt on tegu sellega, et kristalses materjalis esineb liiga palju võredefekte, mis viivadki efektiivsuse alla. Seni pole leitud teid ega tehnoloogilisi nõkse selle asjaolu lahendamiseks,“ räägib ta. „Aga, nagu öeldud, kui kaua panustada, siis millalgi peab see hüpe ju tulema. Eks loodame iga uue sünteesi puhul uut taset. Meie siin oma materjali puhul saavutasime kaheprotsendise efektiivsuse kasvu, kui tõime mängu hõbeda lisamise kristallvõresse. Nii oleme 10 protsendi piiri peal. Loodame, et edu jätkub.” 

Uutel materjalidel on lai rakendusvaldkond – lisaks päikeseparkidele saab neid kasutada ka ehituskonstruktsioonidesse integreeritud energiaallikatena. See on üha aktuaalsem, kuna juba 2030. aastaks peavad kõik EL-is ehitatud majad olema liginullenergiamajad. Ja muidugi – igapäevases kasutuses on kõikvõimalikke väikese energiatarbega elektroonikatooteid, sensoreid, millel on vaja kergest ja painduvast materjalist valmistatud toiteallikat. „Praegu piirab päikesepatareide kasutamist see, et kuna need töötavad vaid valges, tuleks nende energiat salvestada. Eduks on vajalik paremate akutehnoloogiate kasutuselevõtt, eriti aga vesinikutehnoloogiale üleminek. Nii et – turu nõudlus on suur, ootused aga veelgi suuremad,” võtab Marit Kauk-Kuusik teema kokku.