Teknologisen kehityksen ja teollisuuden skaalautumisen myötä aurinkosähkön tuotantokustannukset laskevat edelleen, mikä tekee siitä keskeisen energialähteen kestävälle kehitykselle tulevaisuudessa.
Aurinkosähköteknologian keskeiset komponentit
Aurinkosähköntuotantoteknologian ydinosa on aurinkokenno. Aurinkokennojen kehitys voidaan jakaa kolmeen sukupolveen. Ensimmäinen sukupolvi koostuu piipohjaisista aurinkokennoista; toinen sukupolvi sisältää ohutkalvoaurinkokennot; ja kolmas sukupolvi kattaa uudet teknologiat, kuten korkean pitoisuuden aurinkokennot (HCPV), orgaaniset aurinkokennot, joustavat aurinkokennot ja väriaineherkistetyt aurinkokennot. Tällä hetkellä piipohjaiset aurinkokennot hallitsevat markkinoita, kun taas ohutkalvokennot ovat vähitellen kasvattamassa markkinaosuuttaan. Useimmat kolmannen sukupolven kennot, HCPV:tä lukuun ottamatta, ovat vielä tutkimusvaiheessa.
Piipohjaiset aurinkokennot
Piipohjaisista aurinkokennoista monokiteinen piiteknologia on kehittynein. Näiden kennojen tehokkuuteen ja kustannuksiin vaikuttaa ensisijaisesti valmistusprosessi, johon kuuluu vaiheita, kuten harkon valu, kiekkojen viipalointi, diffuusio, teksturointi, silkkipaino ja sintraus. Tällä tavanomaisella prosessilla tuotetut aurinkokennot saavuttavat tyypillisesti 16–18 %:n fotoelektrisen konversiotehokkuuden.
Yksikiteisillä piiaurinkokennoilla on korkein konversiotehokkuus, mutta ne ovat myös kalleimpia. Monikiteiset piiaurinkokennot tarjoavat hyvän kustannussäästön valmistamalla suoraan suurikokoisia neliönmuotoisia piiharkkoja, jotka soveltuvat massatuotantoon. Tämä prosessi on yksinkertaisempi, säästää energiaa, säilyttää piimateriaalin määrän ja vaatii alhaisempaa materiaalin laatua.
Aurinkokennojen kustannuksia voidaan alentaa kahdella päästrategialla: materiaalinkulutuksen vähentämisellä (esim. piikiekon paksuuden pienentämisellä) ja konversiohyötysuhteen parantamisella. Tehokkuuden parantamismenetelmiä ovat valon absorption lisääminen (esim. pintateksturointi, heijastamaton pinnoite, etuelektrodin leveyden pienentäminen), valolla tuotettujen varauksenkuljettajien rekombinaation vähentäminen (esim. emitterin passivointi) ja resistanssin minimointi (esim. paikallinen doping, takapinnan kenttäteknologia).
Monokiteisten piiaurinkokennojen korkein mitattu konversiohyötysuhde on 24,7 %, ja sen on saavuttanut New South Walesin yliopiston PERL-rakenteinen aurinkokenno. Keskeisiä teknologisia ominaisuuksia ovat piin pinnan alhainen fosforidipitoisuus pinnan rekombinaation vähentämiseksi, etu- ja takapinnan elektrodien korkea diffuusiopitoisuus hyvien ohmisten kontaktien muodostamiseksi sekä fotolitografian käyttö etupinnan elektrodien kaventamiseksi ja valon absorptioalueen lisäämiseksi. Tätä teknologiaa ei kuitenkaan ole vielä teollistettu.
Muita tehokkuuden parantamiseen tähtääviä tekniikoita ovat BP Solarin pintauritetut teksturoitut kennot ja taustakontaktitekniikka (EWT). Ensin mainittu saavuttaa 18,3 %:n hyötysuhteen laserurituksen avulla, joka pienentää etuelektrodien leveyttä ja lisää valon absorptiota. Jälkimmäinen saavuttaa 21,3 %:n hyötysuhteen tuomalla etuelektrodit taakse, mikä lisää valoa absorboivaa pinta-alaa.
Ohutkalvoiset aurinkokennot
Vaikka kiteiset piiaurinkokennot ovat hallitsevia korkean hyötysuhteensa ansiosta, niiden kustannusten merkittävä alentaminen on haastavaa piimateriaalin korkean hinnan vuoksi. Ohutkalvoaurinkokennot, jotka käyttävät vähemmän materiaalia, ovat nousseet kustannustehokkaaksi vaihtoehdoksi. Tärkeimpiä ohutkalvokennotyyppejä ovat piipohjaiset ohutkalvokennot, kadmiumtelluridikennot (CdTe) ja kupari-indium-galliumselenidi (CIGS) -kennot.
Piipohjaiset ohutkalvokennot ovat vain 2 mikrometriä paksuja, ja niissä käytetään noin 1,5 % kiteisten piikennojen tarvitsemasta piimateriaalista. PN-liitosten lukumäärästä riippuen nämä kennot voivat olla yksi-, kaksi- tai moniliitoskentoja, joista jokainen pystyy absorboimaan auringonvalon eri aallonpituuksia. Yksiliitoskennon korkein hyötysuhde on noin 7 %, kun taas kaksiliitoskennon hyötysuhde voi olla 10 %.
CdTe-ohutkalvokennot tarjoavat korkeamman hyötysuhteen (jopa 12 %) hyvien valon absorptio-ominaisuuksiensa ansiosta. Kadmiumin karsinogeeninen luonne ja telluurin rajalliset luonnonvarat asettavat kuitenkin pitkän aikavälin kehityshaasteita.
CIGS-ohutkalvokennoja pidetään tehokkaan ohutkalvoteknologian tulevaisuutena. Valmistusprosessia säätämällä niiden valonabsorptiota voidaan parantaa, mikä johtaa korkeampiin konversiohyötysuhteisiin. Tällä hetkellä laboratorioiden hyötysuhde on 20,1 %, kun taas kaupallisten tuotteiden hyötysuhde on 13–14 %, mikä tekee niistä tehokkaimpia ohutkalvokennojen joukossa.
Kolmannen sukupolven solut
Teoriassa kolmannen sukupolven kennot voivat saavuttaa korkean konversiohyötysuhteen. HCPV:tä lukuun ottamatta useimmat ovat vielä tutkimusvaiheessa. HCPV-kennoissa käytetään tyypillisesti III-V-puolijohdemateriaaleja, joilla on korkea lämmönkestävyys ja jotka säilyttävät korkean konversiohyötysuhteen voimakkaassa valaistuksessa. Moniliitosrakenteet mahdollistavat näiden kennojen tarkan vastaavuuden auringon spektriin, teoreettisen hyötysuhteen ollessa jopa 68 %. Kaupallisessa tuotannossa voidaan saavuttaa yli 40 %:n hyötysuhde.
Aurinkokennot kapseloidaan moduuleiksi, ja niiden sovellukset riippuvat niiden ominaisuuksista ja markkinoiden vaatimuksista. Varhaisia sovelluksia olivat tietoliikennetukiasemat ja satelliitit, ja myöhemmin ne laajenivat asuinalueille, kuten aurinkopaneelien katoille. Näissä tilanteissa rajalliset asennusalueet ja suuret energiatiheysvaatimukset suosivat kiteistä piitä sisältäviä moduuleja. Suurten aurinkovoimaloiden ja rakennuksiin integroitujen aurinkosähköjärjestelmien (BIPV) kehityksen myötä kustannusseikat ovat johtaneet ohutkalvokennojen sovellusten lisääntymiseen. Myös ympäristö- ja ilmasto-olosuhteet vaikuttavat eri teknologioiden käyttöönottoon.
Aurinkosähköteknologian sovellukset
Auringon säteilyn muuntaminen käyttökelpoiseksi sähköksi vaatii täydellisen aurinkosähköjärjestelmän. Aurinkosähkökennot muodostavat tämän järjestelmän perustan, johon kuuluvat myös invertterit, akut, valvontajärjestelmät ja jakelujärjestelmät.
Aurinkosähköjärjestelmän luokittelu ja koostumus
Aurinkosähköjärjestelmät luokitellaan joko verkon ulkopuolisiksi tai verkkoon kytketyiksi. Verkkoon kytketyt järjestelmät voivat olla itsenäisiä tai hybridijärjestelmiä.
Erillisjärjestelmiä käytetään tyypillisesti syrjäisillä alueilla, tietoliikenneasemilla ja aurinkokatuvaloissa, ja ne ovat täysin aurinkoenergian varassa. Näihin kuuluvat aurinkopaneelit, invertterit, ohjaimet, akut, jakelujärjestelmät ja ukkossuojaus. Akut ja ohjaimet vaikuttavat merkittävästi järjestelmän kustannuksiin ja käyttöikään. Hybridijärjestelmät yhdistävät aurinkoenergiaa muihin lähteisiin, kuten dieselgeneraattoreihin tai tuuliturbiineihin.
Verkkoon kytketyt järjestelmät, joita käytetään yleisesti aurinkopaneelien katoilla ja suurissa aurinkosähkövoimaloissa, eivät vaadi varastointilaitteita, mikä alentaa kustannuksia. Näihin järjestelmiin kuuluvat aurinkopaneelit, invertterit, jakelujärjestelmät, ukkossuojaus ja valvontajärjestelmät. Tällä hetkellä verkkoon kytketyt järjestelmät muodostavat 80 % kaikista aurinkoenergiasovelluksista.
Muut aurinkosähköntuotantotekniikat
Aurinkosähkökennoteknologian lisäksi invertteriteknologia, verkkoon integrointi, varastointi ja älykäs valvonta ovat ratkaisevan tärkeitä aurinkosähköntuotantojärjestelmissä:
Aurinkokennojen teho vaihtelee auringonsäteilyn voimakkuuden mukaan, mikä aiheuttaa ajoittaista toimintaa. Laajamittainen verkkointegraatio voi vaikuttaa verkkoon, minkä vuoksi verkon ohjaus ja saarekkeiden suojaus ovat olennaisia.
Aurinkopaneelien lähtövirta on tasavirtaa (DC), mikä vaatii korkealaatuisen muuntamisen vaihtovirraksi (AC) invertterien avulla.
Moduulin tehoon voivat vaikuttaa esimerkiksi lämpötila ja varjostus, mikä edellyttää järjestelmän valvontaa ja hälytysjärjestelmiä.
Etäohjaustekniikka on elintärkeää aurinkosähkövoimaloille syrjäisillä alueilla.
Kiina on johtava aurinkopaneelien tuotannossa laadun ja mittakaavan suhteen. Teollisuusketjun korkean kannattavuuden alueita ovat piin puhdistus, invertterit, valvontajärjestelmät ja aurinkosähkölaitteiden valmistus. Läpimurtojen saavuttaminen näillä keskeisillä alueilla on haaste Kiinan aurinkosähköteollisuudelle.
Aurinkosähköntuotannon nykytila ja tulevaisuudennäkymät
Korkeiden kustannusten vuoksi aurinkosähkön tuotanto ei kehittynyt laajamittaisesti ennen viime vuosisadan loppua. 2000-luvulle tultaessa, tehokkuuden parantuessa ja kustannusten laskeessa, aurinkosähkön tuotanto on kasvanut nopeasti, ja asennettu kapasiteetti on kasvanut vuosittain. Maailmanlaajuinen vuotuinen asennettu kapasiteetti nousi 1,4 GW:sta vuonna 2000 22,8 GW:iin vuonna 2009. Euroopan maat, kuten Saksa, Italia ja Espanja, ovat merkittäviä markkinoita, ja EU suunnittelee aurinkoenergian osuuden lisäämistä 12 prosenttiin sähkön kokonaistuotannosta vuoteen 2020 mennessä. Myös kehitysmaat, kuten Kiina ja Intia, ovat käynnistäneet aurinkoenergian kehityssuunnitelmia. Viestintäasemien, aurinkokattojen ja aurinkovoimalaitosten lisäksi aurinkosähköä käytetään nyt laajalti erilaisissa mobiililaitteissa.
Täydentävänä ja vaihtoehtoisena energialähteenä aurinkosähköteknologia kehittyy nopeasti ja tuotantokustannukset laskevat. Jatkuvan teknologisen kehityksen myötä aurinkoenergiasta puhtaana ja uusiutuvana luonnonvarana on tulossa keskeinen energialähde kestävän kehityksen kannalta.
