Aurinkokenno

Windesol - Tuuli- & aurinkovoima tietosanakirja

Yleistä

Aurinkokenno on laite, jolla näkyvän valon taajuinen auringon säteily muunnetaan hyödynnettäväksi sähköenergiaksi (engl. photovoltaic, lyh. PV). Yleisesti valosähköisen ilmiön avulla voidaan muuntaa sähkömagneettinen säteily, kuten auringon säteily, sähköksi. Kennon toiminta muodostuu karkeasti kahdesta osasta: saapuva fotoni synnyttää absorboivaan puolijohteeseen varauksenkuljettajia (elektroni-aukko pareja). Elektronit kerätään johtimiin, jotka johtavat sähkön kulutuslaitteeseen tai akkuun.

Tekniikka

Materiaalina on perinteisesti yksikiteinen pii. Muita materiaaleja ovat mm. monikiteinen pii, galliumarsenidi ja amorfinen pii. Myös uusia valmistustekniikoita on kehitetty kuten ohutkalvo- ja nanotekniikkaan perustuvat menetelmät.

Aurinkokennojen hyötysuhde riippuu kennon valmistusmateriaalien ja -tekniikoiden lisäksi osittain kennoon tulevan säteilyn spektristä. Osa säteilystä heijastuu jo kennon pinnasta, minkä merkitystä pyritään vähentämään valitsemalla mahdollisimman heikosti heijastava materiaali pintaan. Myös säteilyn absorptoituminen pintakerroksiin heikentää hyötysuhdetta, minkä merkitys vähenee sopivilla materiaalivalinnoilla. Fysiikassa auringon säteilyn ajatellaan koostuvan pienistä massattomista hiukkasista, fotoneista, jotka sisältävät tietyn määrän energiaa. Aurinkokennoissa fotonit absorptoituvat p-tyypin puolijohteeseen vapauttaen elektroneja valosähköisessä ilmiössä, kuljettuaan ensin n-tyypin kerroksen ja n/p-liitoksen läpi.

Useimmilla tehokkailla aurinkokennomateriaaleilla irrotustyön suuruus on välillä 1,0-1,6 eV. Fotonit, joiden energia on tällä välillä vapauttavat elektroneja tuottamatta ylimääräistä lämpöä. Useimmat aurinkokennot eivät pysty hyödyntämään 55 % auringon säteilyn energiasta, sillä joko irrotustyö tai kuljettajien vaatima energia suurempi kuin tulevien fotonien energia. Kennoissa käytettävät puolijohteet pyritään optimoimaan käyttämään hyödykseen mahdollisimman suurta osaa kennoihin osuvan säteilyn energiasta. 25 %:lla tulevista fotoneista on irrotustyötä pienempi energia, 30 % tulevasta energiasta kuluu kennon sisäisssä prosesseissa (syntyy esimerkiksi lämpöä ja valoa). Kennon tehokkuuteen vaikuttaa siis valmistustekniikan ja -materiaalien lisäksi käyttöolosuhteet. Aurinkokennon tuottaman sähkön määrää voidaan lisätä käyttämällä keskittimiä, jotka kohdistavat laajemmalle alueelle osuvan auringon säteilyn kennoihin jolloin kennoon osuvan säteilyn intensiteetti kasvaa. Kyse on siis eräänlaisesta vippaskonstista, jonka ongelmana on tosin kennon ja muidenkin rakenteiden normaalia voimakkaampi lämpeneminen. Keskitysjärjestelmiin eli linsseihin ja peileihin liittyy häviöitä ja myös heijastuminen keskittimistä on merkittävä tekijä.

Tulevaisuus

Aurinkokennojen hinta on laskenut hitaasti verrattuna muihin puolijohdetuotteisiin, kuten mikropiireihin. Piikiekolle tehtävien aurinkokennojen valmistuksessa on käytetty kustannussyistä mikropiiripiirituotannolle kelpaamatonta laatua, jonka määrä on ollut rajoitettua. Aurinkokennojen vapauduttua yksikiteisestä piistä, on tämä riippuvuus jäänyt toissijaiseksi. Tulevaisuudessa panostukset kasvihuoneilmiön välttämiseen tulee auttamaan aurinkokennotekniikan edistymistä.