Professoriluento | Kati Miettunen

Vuosittain aurinko tarjoaa 10,000 kertaisen määrän energiaa ihmiskunnan energian tarpeisiin nähden. Potentiaaliaurinkoenergian tuotantoon on suurin siellä, missä maapallon valtaväestö on ja missä on yhteiskunnan sähköistämiselle on myös suurin tarve. Pohjoisissakin oloissa saatava vuotuinen aurinkoenergian määrä on yllättävän suuri, noin puolet aurinkoisten maiden energian määrästä. Verraten voimme pohtia, valittaisimmeko jos meillä olisi puolet Norjan öljyvaroista?

Aurinkoenergia on monissa paikoissa saavuttanut saman hinnan kuin verkosta ostettava sähkö ja järjestelmät yleistyvät myös Suomessa. Aurinkosähkö kannattavuuden määrittää auringon säteilyn määrä ja paikallinen sähköhinta. Jälkimmäinen on hyvä muistaa ja esimerkiksi auringon säteilyä on saatavilla hyvin mutta koska paikallinen sähkönhinta on alhainen niin aurinkosähkön tuotanto on kannattavampaa esimerkiksi Saksassa.

Koska aurinkoenergia tekee kovaa vauhtia läpimurtoa, on hyvä kysyä, mitkä ovat tämän päivän keskeiset tutkimuskysymykset aurinkoenergian osalta. Tässä sana kestävyys on keskeinen. Se tarkoittaa tuotannon ja materiaalien ympäristöystävällisyyttä, laitteiden elinaikaa ja kennojen kierrätettävyyttä.

Uusien kennotyyppien tutkimusta motivoi edullisempi, massatuotantoon sopivat valmistustekniikat kuten painomenetelmät, ja vähemmän energiaakuluttava prosessointi. Niillä voidaan aurinkokennojen valmistukseen menevän energiamäärää pienentää huomattavasti. Perinteisillä piiaurinkokennoilla energiantakaisin maksuaika on keskimäärin noin 3 vuotta kun taas uusilla kennotyypeillä kuten perovskiittiaurinkokennoilla tämä aika on vain muutamia kuukausia. Nämä uudet kennot ovat myös saavuttaneet erittäin korkeita hyötysuhteita ja sillä saralla mahdollisuudet parantaa on rajalliset. Yhtä aktiivista valoa sähköksi konvergoivaa materiaalia käyttämällä teoreettinen hyötysuhde on hieman yli 30% - sekä pii että perovskiittikennoilla päästään yli 20%. Mahdollisuudet parantaa hyötysuhdetta on rajalliset.

Mikä sitten estää uusien aurinkokennotekniikoiden käyttöönoton? Keskeinen haaste on elinaika. Perinteisesti piikennoilla on saavutettu vuosikymmenien kestävyys, mutta uusilla tekniikoilla jo vuosien kestävyyden saavuttaminen on haastavaa. Kuten aiemmin mainitsin mahdollisuudet kasvattaa hyötysuhdetta on rajalliset, mutta elinaikaa on mahdollista kasvattaa moninkertaiseksi ja siten kennosta saatavaa energianmäärää. Materiaalien ikääntyminen on haastava tutkimusaihe, koska uudet kennotyypit koostuvat monista eri materiaaleista ja yleensä kaikissa niissä tapahtuu jotain muutoksia kennojen ikääntyessä. Ei ole yksinkertaista päätellä, mitkä muutoksista on tärkeimpiä ja miten ikääntymistä voisi estää. Materiaalit myös usein ikääntyvät erilailla yhdistelminä kuin erillään – tämä monimutkaistaa tutkimusta. Yksi haaste on myös ikääntymistutkimuksen kesto, jopa nopeutetuilla ikääntymistesteillä kestää 1 vuosi, jotta saa 10 vuotta kuvaavan tuloksen. Sekä ikääntymisen ymmärtämiseen, että reaktioiden nopeampaan ennustamiseen voi avun mahdollisesti tuota mallinnus ja esimerkiksi tekoäly. Perinteistenkin aurinkokennojen osalta kestävyys on myös mielenkiintoinen kysymys. Kennojen hinta on tullut alas ja osittain myös käyttämällä edullisempia materiaaleja. Mielenkiintoinen kysymys onkin, miten voisi helposti varmistaa uusien edullisempien aurinkokennojen kestävyyden vuosikymmeniksi?

Toinen tärkeä kysymys on aurinkokennojen materiaalivalinnat: materiaalien riittävyys ja ympäristöystävällisyys. Etenkin uusissa aurinkokennotyypeissä kuten perovskiittiaurinkokennoissa ja väriainekennoissa voidaan käyttää hyvin monia erilaisia materiaalivaihtoehtoja. Yksi keskeinen kysymys on harvinaisten materiaalien kuten metallien korvaaminen laajasti saatavilla olevilla, mielellään uusiutuvilla materiaaleilla. Yksi esimerkki on esimerkiksi platinan korvaaminen väriaineaurinkokennoissa hiilletyllä panimomäskillä. Usein ajatellaan, että biopohjaiset materiaalit olisivat kestävyydeltään heikompia kuin perinteiset materiaalit ja joissain kohdin tämä on myös totta. Mutta esimerkiksi biohiilien kohdalla, hiilen käyttäminen platinan sijaan esti tiettyjen keskeisten ikääntymismekanismien vaikutusta. Hiilielektrodilla on laajapinta-ala ja se pystyy imemään itseensä vettä, joka olisi haitallista kennojen valoelektrodilla. Mielenkiintoisia uudet materiaalit ovat silloin kun ne eivät pelkästään korvaa perinteisiä materiaaleja vaan tuovat uusia funktionaalisuuksia, joita ei voi muuten saavuttaa.

Ympäristöystävällisyys on kuitenkin paljon monimutkaisempi asia kuin aluksi näyttää. Usein keskitytään materiaalien valmistuksen ympäristövaikutuksiin, mutta esimerkiksi materiaalien kierrätettävyyttä aurinkokennomateriaalien osalta tutkitaan harvemmin. Aurinkokennot koostuvat useista eri materiaaleista ja vaikka monille niistä, kuten lasi ja muovi, on olemassa kierrätysmenetelmiä niin niitä ei välttämättä voikaan kierrättää osana monimutkaista laitetta. Kierrätysteemaa onkin hyvä lähestyä siitä näkökulmasta, että mitä on keskeistä saada kierrätettyä. On arvoitu, että tulevina vuosikymmeninä merkittävä osa maapallon hopeavaroista on sidottuna aurinkokennoihin. Hopea onkin yksi niistä materiaaleista, joita ollut vaikea korvata ja joka olisi keskeistä saada talteen. Voisi miettiä, että eikö kierrätysongelmia voisi miettiä myöhemmin. On kuitenkin tärkeää huomata, että tiettyjen materiaalien yhdistäminen voi tehdä kierrätyksen ei vain kalliiksi mutta pahimmillaan teknisesti mahdottomaksi. Näin ollen jos kennojen kierrätettävyyteen panostetaan nyt osana muuta materiaalien tutkimusta, niin voidaan tulevaisuudessa välttää isoja ongelmia.

Materiaalit ja laitteet kierrätetään missä tahansa päin maailma, jos se on taloudellisesti kannattavaa toimintaa. Näin ollen pohtimalla minkälaisilla kennorakenteilla ja materiaalivalinnoilla päästään kierrätyksen taloudelliseen kannattavuuteen, ei pelkästään rajoittuen tekniseen toimivuuteen, tuetaan parhaiten kestävää kehitystä. Joskus erilaiset kestävän kehityksen tavoitteet voivat olla myös ristiriidassa. Esimerkiksi kulta on kallis ja harvinainen metalli sen takia olisi hyvä käyttää sille muita vaihtoehtoja. Toisaalta taas kulta on hyvin arvokas materiaali ja kierrätystä ajatellen, kullan käyttäminen aurinkokennoissa olisi merkittävä taloudellinen motivaattori perovskiittiaurinkokennojen kierrättämiseen ja sen varmistamiseen, että käytetyt kennot, joissa on saattaa olla ympäristönkannalta haitallisia aineita, tulee käytön jälkeen kerättyä talteen.