Tekoäly edistää ohutkalvoaurinkoa avaamalla perovskiittien vakauden

Piitästä ohutkalvoihin

Artikkelissamme “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”, selitimme, miten aurinkoenergian nousu aloitti vallankumouksen energian toimituksessamme, ainakin pitkällä aikavälillä.

Tähän mennessä noin 90 % aurinkopaneeleista valmistetaan piipohjaisella tekniikalla, suurin osa polysilikonirakenteilla, jotka ovat korvanneet vanhemmat monosilikonirakenteet (monokiteinen pii on kestävämpää, mutta myös vähemmän kustannustehokasta).

Lähde: EIA

Vaihtoehtona ovat perovskiitit, joita kutsutaan myös usein ohutkalvoaurinkokennoksi, jotka keräävät auringon energiaa perovskiitin ainutlaatuisen kiteisen rakenteen ansiosta. (Toinen ohutkalvoteknologian muoto käyttää kadmiumtelluuridi‑ohutkalvokennostoja.)

Termi ohutkalvo viittaa paljon ohuempaan materiaalikerrokseen, joka tarvitaan sähkön tuotantoon, mikä tekee aurinkokennosta joustavamman ja kevyemmän.

Luonnollisesti esiintyvät perovskiitit koostuvat kalsiumista ja titaanidioksidista (CaTiO3), mutta muut mineraalit voivat omaa saman kiteisen rakenteen kemiallisella kaavalla, joka noudattaa “ABX3”-sääntöä.

Vaikka perovskiitit saavuttavat erittäin korkean energianmuunnosasteen, ne ovat vähemmän kestäviä kuin piikennot, mikä on haitannut niiden käytännön soveltamista ja kaupallista omaksumista.

Chalmersin teknillisessä yliopistossa (Ruotsi) ja Birminghamin yliopistossa työskentelevät tutkijat käyttivät koneoppimista selventääkseen puuttuvaa teoreettista tietoa perovskiitin kiteisestä rakenteesta, avaten tien niiden kestävämmäksi tekemiseen ja mahdollisesti seuraavan sukupolven kaupalliseksi fotovoltaaliteknologiaksi.

He julkaisevat tuloksensa Journal of the American Chemical Society¹, otsikolla Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential”.

Formamidinium-perovskiitin vakaus

Tutkijat työskentelivät materiaalilla, jota kutsutaan formamidinium lyijyiodidiksi (FAPbI3). Sitä pidetään yhtenä parhaista suorituskykyisistä materiaaleista halidi-perovskiittiryhmässä sen lupaavien ominaisuuksien vuoksi tulevaisuuden aurinkokennojärjestelmissä.

Kuitenkin materiaali ei yleensä ole riittävän vakaa auringonvalossa kaupallista käyttöä varten, ja osittainen syy tähän on, että formamidinium lyijyiodidin matalalämpötilavaihe on tähän asti ollut huonosti ymmärretty.

“Tämän materiaalin matalalämpötilavaihe on pitkään ollut puuttuva osa tutkimuspulmaa, ja olemme nyt ratkaisseet perustavanlaatuisen kysymyksen tämän vaiheen rakenteesta.”
Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Edistynyt tekoälymallinnus

Kokeelliset havainnot eivät tähän mennessä ole riittäneet FAPbI3:n kiteisen rakenteen ymmärtämiseen. Perinteiset tietokonesimulaatiot, jotka yrittävät laskea ja simuloida atomien käyttäytymistä yksi kerrallaan, vaativat voimakkaita supertietokoneita ja pitkiä simulaatioaikoja.

Sen sijaan tutkijat hyödynsivät koneoppimisen asiantuntemustaan parantaakseen merkittävästi tietokonesimulaatioiden tehokkuutta.

“Yhdistämällä vakio­menetelmämme koneoppimiseen, pystymme nyt suorittamaan simulaatioita, jotka ovat tuhansia kertoja pidempiä kuin aiemmin.

Ja mallimme voivat nyt sisältää miljoonia atomeja satojen sijaan, mikä tuo ne lähemmäs todellisuutta,”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Kitevaiheen siirtymät FAPbI3:ssa

Lämpötilasta riippuen FAPbI3 voi omaksua erilaisia kiteisiä rakenteita: kuutio 300°K (27°C / 80°F), tetragonaalinen alle 285°K (12°C / 53°F) ja edelleen tuntematon 140°K (-133°C / -207°F)

Lähde: Journal of the American Chemical Society

He havaitsivat, että heidän simulaationsa ennusti, että materiaali voidaan asettaa puoliksi vakaaseen tilaan jäähdytyksen yhteydessä.

He testasivat sen sitten todellisessa elämässä -200 °C / -328 °F vahvistaakseen, että simulaatio ennustaa tarkasti perovskiittikiteiden käyttäytymisen, erityisesti tässä vielä todistamattomassa olosuhteessa.

Malli toimi suurimmaksi osaksi lähes täydellisesti hiiliatomien liikkeen ennustamisessa, ja riittävän tarkasti typpiatomien ennustamisessa.

Lähde: Journal of the American Chemical Society

Koneälypohjaisen perovskiittitutkimuksen sovellukset

Tämä malli on ensimmäinen, joka pystyy tarkasti ennustamaan kaikki tämän perovskiittimateriaalin kiteiset rakenteet. Se on myös paljon vähemmän laskentatehontarpeeltaan intensiivinen, mikä tekee siitä käyttökelpoisen lähes mille tahansa tutkimusryhmälle maailmassa. Näin se saattaa merkittävästi nopeuttaa tämän teknologian kehitystä.

Kiteinen rakenne ja niiden vakaus ovat avainasemassa perovskiitin kestävämmäksi tekemisessä, ja ne ovat myös keskeisiä sen kaupallisen kannattavuuden saavuttamisessa.

“Toivomme, että simulaatioista saamamme oivallukset voivat edistää tapaa mallintaa ja analysoida monimutkaisia halidi-perovskiittimateriaaleja tulevaisuudessa,”
Erik Fransson – Chalmers University Of Technology

Ohutkalvoaurinko, ollen joustavampi, voidaan asentaa monissa enemmän konteksteissa kuin perinteiset aurinkopaneelit. Ne ovat myös paljon kevyempiä.

Jos perovskiittia voidaan käyttää kaupallisesti, voisimme alkaa käyttää sitä rakennusten pinnalla, autoissa, katoilla, matkapuhelimissa jne., tarjoten runsasta energiaa ilman tarvetta omistaa maata suurille aurinkovoimaloille.

Amidimium vaikuttaa oikealta suuntaukselta tälle teknologialle, muiden raporttien mukaan myös amidimium-suojauskerros voi radikaalisti pidentää ohutkalvoaurinkokennojen käyttöikää. Alumina-nanohiukkaset voisivat myös kasvattaa perovskiittiaurinkokennon käyttöikää 10‑kertaisesti.

Todennäköisesti näiden teknologioiden yhdistelmä syntyy luomaan erittäin kestävän ohutkalvo-perovskiittiaurinkokennon.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Sijoittaminen aurinkoinnovaatiolle

First Solar on Yhdysvaltojen ja koko Länsi‑puoliskon suurin aurinkopaneelivalmistaja, jonka tuotantolaitokset sijaitsevat Yhdysvalloissa, Malesiassa ja Vietnamissa.

Yritys ei käytä perinteistä kiteistä piiteknologiaa, vaan sen sijaan käyttää sen omaa ohutkalvofotovoltaista.

Kadmium‑telluridiin perustuen ne ovat tehokkaampia, valmistetaan alhaisemmalla kustannuksella ja voidaan helposti massatuottaa.

Lähde: Department Of Energy

Kadmium‑telluridi‑ohutkalvoaurinkopaneelit ovat myös kestävämpiä, säilyttäen 89 % alkuperäisestä suorituskyvystä 30 vuoden jälkeen.

Lähde: First Solar

Kadmium ja telluridi ovat muiden metallien louhinnan sivutuotteita, mikä tarkoittaa, että First Solar -tuotteilla on minimaalinen vaikutus, käyttäen resursseja, joilla oli aiemmin vähän käyttöä. Ohutkalvopaneelit voivat myös saavuttaa korkean kierrätysasteen.

Yrityksen keskittyminen ohutkalvo‑semikondanttiteknologiaan mahdollistaa sen täyden pystysuuntaisen integraation, mikä tekee siitä radikaalisti erilaisen kuin piipohjainen aurinkopaneelialan teollisuus.

Sen sijaan, että olisi useita tehtaita, joissa kukin toimija on erikoistunut yhteen segmenttiin, kuten polysilikonin puhdistukseen, ja aurinkokennon valmistus kestäisi useita päiviä, First Solar pystyy siirtymään raaka-aineista valmiiseen tuotteeseen alle 4 tunnissa.

Lähde: First Solar

First Solarin teknologinen etu, yhdistettynä sen maantieteelliseen sijaintiin, tekee siitä todennäköisen hyötyjän kasvavasta länsimaiden pyrkimyksestä hankkia paneelinsa Kiinan ulkopuolelta.

Yritys kasvattaa tuotantokapasiteettiaan nopeasti, tavoitteena saavuttaa nimelliskapasiteetti 25 GW vuoteen 2026 mennessä nykyisestä 11 GW:sta.

First Solar on käyttänyt kumulatiivisesti 2 miljardia dollaria T&K:ta perustamisestaan lähtien. First Solarin T&K-tiimit ennustavat ohutkalvo‑CdTe‑kennojen 25 % solutehokkuuden ja polut 28 % solutehokkuuteen vuoteen 2030 mennessä.

Kun otetaan huomioon sen osallistuminen tässä käsiteltyyn tutkimukseen, yritys on myös selvästi kiinnostunut perovskiitista, ainakin kun nämä paneelit ovat riittävän kestäviä.

Pitkällä aikavälillä First Solar pyrkii yhdistämään kokemuksensa kadmium‑telluridi‑ohutkalvosta perovskiittiteknologiaan, jolloin syntyvät aurinkopaneelit ovat entistä tehokkaampia.

Lähde: First Solar

Kaiken kaikkiaan First Solar on teknologian johtaja, joka hyötyy Kiinan tuontitulleista, mikä todennäköisesti tasapainottaa Trumin uudelleenkandidaation aiheuttaman negatiivisen vaikutuksen aurinkoenergia-alaan.

Vaikka se keskittyy tällä hetkellä pääasiassa kadmium‑telluridi‑ohutkalvoaurinkoon, sen asiantuntemus ei-piipohjaisessa aurinkopaneelivalmistuksessa voi antaa sille merkittävän etulyöntiaseman perovskiitin kanssa, erityisesti ottaen huomioon sen syvät yhteydet alan huippututkijoihin.

(Voit myös lukea lisätietoja First Solarista sijoitusraportissa, joka on omistettu yhtiölle)

Viimeisimmät First Solar (FSLR) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Matala‑lämpötilavaihe FAPbI3:n paljastaminen koneoppimisen avulla. Journal of the American Chemical Society. 14. elokuuta 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}