Maailman ensimmäiset pikimustat aurinkopaneelit selvisivät tulikokeesta – matka tutkimuksesta teollisuuteen sujui vauhdilla

Pikimustat kennot ja niistä valmistetut paneelit selvisivät tuotantolinjoilta vahingoittumattomina.. Kuva: Hele Savinin tutkimusryhmä / Aalto-yliopisto

Vuonna 2011 Aalto-yliopiston professori Hele Savinin vetämä tutkimusryhmä keksi yhdistää nanorakenteen ja atomikerroskasvatuksen mustissa aurinkokennoissa. Neljä vuotta myöhemmin ryhmä rikkoi nanorakenteisten aurinkokennojen hyötysuhde-ennätyksen ja sai rahoituksen BLACK-hankkeelle, jonka tarkoituksena oli kehittää ja testata ennätyskennoja ja niistä tehtyjä aurinkopaneeleita teollisuuden tuotantolinjoilla.

Nyt yhdessä eurooppalaisten kumppaniyliopistojen ja teollisuuden kanssa toteutettu hanke on saatu päätökseen lupaavin tuloksin – ja otollisella hetkellä.

”Ajoituksemme osui nappiin – tänä vuonna musta pii on todella lyönyt läpi aurinkosähköteollisuudessa”, Savin kertoo ja korostaa että teollisuuden jo käyttämässä mustassa piissä on yhä paljon parantamisen varaa. Sen nanorakenteiden laakea muoto heikentää materiaalin optisia ominaisuuksia eli kykyä vangita valoa – joten siitä valmistetut kennotkaan eivät ole täysin mustia. Tämän vuoksi laakea nanorakenne vaatii toimiakseen erillisen heijastusta estävän kerroksen.

Savinin ryhmän valmistamassa mustassa piissä nanorakenteet ovat paljon syvempiä kuin teollisuuden käyttämässä mustassa piissä. Näin kennoihin saadaan optisesti täydellinen, oikeasti pikimusta pinta. Pintaa peittävä, atomikerroskasvatuksella tehty ohutkalvo takaa, että valon synnyttämät elektronit eivät pääse karkaamaan, mikä myös parantaa kennon hyötysuhdetta.

Robottien kourissa

Vaikka kennot olivat osoittaneet toimivuutensa laboratoriossa, niiden laskeminen tuotantolinjalle jännitti tutkijoita.

”Meitä huoletti, miten hauras rakenne selviäisi massatuotannosta ja etenkin robottien käsittelystä. Pelkäsimme, että viimeistään moduulivaiheen laminointi saattaisi murskata nanorakenteen”, Savin sanoo.

Huoli osoittautui turhaksi: kennot ja niistä valmistetut paneelit selvisivät tuotantolinjoilta vahingoittumattomina. Parhaat paneelit tuottavat sähköä yli 20 prosentin tehokkuudella. Tutkijat havaitsivat myös, että mustat kennot sietävät raaka-aineen epäpuhtauksia sinisiä standardikennoja paremmin ja ne myös säilyttävät tehonsa pidempään.

Teollisella tuotantolinjalla valmistettu kenno, joka ei tarvitse erillistä heijastusta estävää pinnoitetta. Kuva: Hele Savinin tutkimusryhmä / Aalto-yliopisto

Teollisen valmistuksen aloittaminen edellyttää myös kilpailukykyistä hintaa. Savinin mukaan teollisuuden käyttämä musta pii on jo kustannustehokas vaihtoehto.

”Syvien nanorakenteiden valmistaminen on kalliimpaa, mutta alustavat laskelmat osoittavat, että lopputuotteen suurempi teho riittää kompensoimaan eron.”

Syvän nanorakenteen ansiosta Savinin ryhmän kennot pystyvät nappaamaan fotonit myös hyvin alhaisesta tulokulmasta. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kennot tuottavat sähköä pidemmän aikaa päivästä ja myös pimeinä vuodenaikoina.

Väitöskirjatutkija Toni Pasanen esittelee projektin päätulokset European Photovoltaic Solar Energy -konferenssissa Brysselissä syyskuun lopulla. Pasanen myös vastaanottaa konferenssissa palkinnon, joka myönnetään vaikuttavimmalle aurinkosähköalalla tehdylle tutkimustyölle.

BLACK-hanke oli osa Solar-ERANET-verkostoa, ja sitä rahoittivat EU ja Business Finland. Projektissa olivat mukana Universitat Politècnica de Catalunya Espanjasta, Solar World Innovations GmbH Saksasta sekä suomalaisyrityksistä Beneq, Naps Solar Systems, Cencorp, Okmetic ja Fortum.

Lisätietoja:

Professori Hele Savin
p. 050 541 0156
hele.savin@aalto.fi

Toni P. Pasanen et al., ”Industrial applicability of AR-coating-free black silicon”, 35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, September 24-28, 2018, Brussels, Belgium

Toni P. Pasanen et al., ”Elimination of light-induced degradation by black silicon” 35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, September 24-28, 2018, Brussels, Belgium

Chiara Modanese et al., ” Dry-etched black silicon: A cost-effective production route for PERC solar cells”,  35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, September 24-28, 2018, Brussels, Belgium

Toni P. Pasanen et al. “Black silicon significantly enhances phosphorus diffusion gettering”, Scientific Reports, 8, 1991:1–6 (2018).