Nanoputkikalvo voi ratkaista haastaja-aurinkokennojen kestävyysongelman

17.03.2017

Tutkijat pidensivät perovskiittikennojen elinikää korvaamalla kullasta valmistetun aukkokontaktin nanoputkikalvolla.

nanotubes2web.jpg

Kuvituskuva perovskiittikennosta. Kuva: Aalto-yliopisto / Uppsalan yliopisto / EPFL

Viisi vuotta sitten maailmalla alettiin kohista metalliorgaanisesta perovskiitista valmistetuista kolmannen sukupolven aurinkokennoista, jotka haastoivat perinteiset piikennot edullisemmalla, yksinkertaisemmalla ja vähemmän energiaa kuluttavalla valmistusprosessilla. Niiden ongelmaksi on kuitenkin osoittautunut hyvin lyhyt elinikä piikennoihin verrattuna.

Nyt Aalto-yliopiston, Uppsalan yliopiston ja sveitsiläisen École polytechnique fédérale de Lausannen (EPFL) tutkijat ovat onnistuneet parantamaan perovskiittikennojen kestävyyttä Aalto-yliopiston professori Esko Kauppisen johdolla kehitettyjen nanoputkikalvojen avulla. Ne ovat yksiseinäisistä hiilinanoputkista koostuvia kalvoja, jotka elektronimikroskooppikuvassa näyttävät spagettilautaselliselta.

”Perinteisessä perovskiittiaurinkokennossa aukkojohdekerros muodostuu orgaanisesta aineesta ja sen päällä olevasta ohuesta kultakerroksesta, joka lähtee helposti hajoamaan. Me korvasimme kullan ja osin orgaanisenkin aineen hiilen nanoputkista valmistetuilla kalvoilla ja saavutimme kennolla hyvän kestävyyden 60 asteen lämpötilassa ja täydessä yhden auringon valossa”, selittää Aalto-yliopistossa väitellyt ja nykyisin Uppsalassa tutkijana työskentelevä Kerttu Aitola.

nanotubes1web.png

Kennon läpileikkaus elektronimikroskooppikuvassa. Etualalla näkyvät haituvat ovat näytteenotossa puoliksi irronneita nanoputkikimppuja. Kuva: Aalto-yliopisto / Uppsalan yliopisto / EPFL

Tutkimuksessa käytettiin mahdollisimman johtavia, paksuja ja mustia kalvoja kennon takakontaktissa, jonka ei tarvitse läpäistä valoa. Aitolan mukaan nanoputkikalvoista on mahdollista tehdä myös läpinäkyviä ja ohuita, mikä mahdollistaisi niiden käytön kennon etukontaktina, eli valoa läpäisevänä kontaktina.

”Kennot kasattiin Uppsalassa ja pitkäaikaismittaus tehtiin EPFL:ssä. Sen aurinkokennoryhmää vetää professori Michael Grätzel, joka sai vuoden 2010 Millennium-palkinnon väriaurinkokennoista, joihin perovskiittikennotkin osittain pohjautuvat”, Aitola kertoo.

Kennoja vaikka ikkunaan

Piistä valmistettujen aurinkokennojen elinikä on 20–30 vuotta, ja niiden teollinen valmistus on erittäin tehokasta. Siitä huolimatta vaihtoehdoille on tarvetta, sillä piin pelkistäminen hiekassa olevasta piidioksidista syö valtavasti energiaa. Arvioiden mukaan piikennolta kuluu 2–3 vuotta tuottaa valmistukseensa käytetty energia, kun perovskiittikenno tarvitsisi siihen vain 2–3 kuukautta.

”Lisäksi kennoissa käytettävän piin pitää olla valtavan puhdasta”, Aitola kertoo.

”Perovskiitista tekee mielenkiintoisen myös se, että sen hyötysuhde, eli se, miten tehokkaasti se muuttaa auringon säteilyenergian sähköenergiaksi, on kasvanut hyvin nopeasti samalle tasolle piikennojen kanssa. Siksi sitä tutkitaankin maailmalla valtavasti.”

Vaihtoehtokennojen kiinnostavuutta lisäävät myös niiden erilaiset sovelluskohteet. Taipuisia aurinkokennoja on tähän asti valmistettu johtavalle muoville, jonka johtavaan kerrokseen verrattuna nanoputkikalvot ovat taipuisuudeltaan ylivoimaisia ja lähtöaineiltaan edullisempia. Taipuisuuden ansiosta aurinkokennoja voitaisiin valmistaa paperiteollisuudesta tutuilla rullalta-rullalle-menetelmällä.

”Kevyitä ja taipuisia kennoja olisi helppo integroida rakennuksiin, ja niitä voisi itsekin ripustaa vaikka ikkunoihin”, Aitola ideoi.

Linkki julkaisun tiivistelmään (onlinelibrary.wiley.com)

Lisätietoja:

Kerttu Aitola
p. 041 538 3001
kerttu.aitola@kemi.uu.se