Mikrometriset fotovoltaalisolut ‘teknologinen läpimurto’ laitteiden miniaturisointiin

Ajassa, jossa kestävä energiaratkaisut ovat tärkeämpiä kuin koskaan, fotonivoltateknologian (aurinkoenergia) kehitys on innovaation eturintamassa.  Viimeaikainen esimerkki tästä tulee Ottawan yliopistolta (U of O), jossa tiedeyhteisö on onnistuneesti “saavuttanut maailman ensimmäisenä valmistamalla ensimmäiset takakontaktiset mikrometriset fotovoltaalisolut.”  Tätä pidetään “keskeisenä askeleena”  elektroniikan jatkuvan miniaturisoinnin mahdollistamisessa.

• Mathieu de Lafontaine, postdoc-tutkija Ottawan yliopistossa ja osa-aikainen fysiikan professori
• Karin Hinzer, apulaisdekaani, tutkimus, ja yliopiston tutkimuspuheenjohtaja fotoniikkalaitteissa energian alalla tekniikan tiedekunnassa

Vaikka Ottawan yliopisto oli keskeinen tässä läpimurrossa, tiimi sai myös tukea Université de Sherbrooken Quebecista ja Laboratoire des Technologies de la Microélectronique -laitokselta Grenoblista, Ranskasta.

Mitä fotovoltaalisolut ovat?

Fotonivoltasoluja, jotka tunnetaan yleisesti aurinkokennoina, ovat laitteita, jotka muuntavat auringonvalon suoraan sähköksi. Ne toimivat fotonivoltavaikutuksen periaatteella, jossa valonenergia (fotonit) iskee puolijohdemateriaaleihin, kuten piihin, ja aiheuttaa sähkövirran. Tämä prosessi tapahtuu, kun fotonit irrottavat elektronit niiden atomiorbitaalilta, luoden sähkövarauksen virtauksen.

Nämä solut ovat aurinkopaneelien perusrakenteita ja ovat keskeisiä aurinkoenergian hyödyntämisessä, joka on uusiutuva ja puhdas energialähde. Ottawan yliopiston viimeaikainen edistysaskel mikrometristen fotovoltaalisolujen kehittämisessä merkitsee merkittävää harppaa tässä teknologiassa, tarjoten tehokkaampia ja kompaktimpia ratkaisuja.

Mitä ‘takakontaktiset mikrometriset fotovoltaalisolut’ ovat?

Kuten mainittiin, takakontaktiset mikrometriset fotovoltaalisolut edustavat mullistavaa edistysaskelta aurinkoteknologiassa. Toisin kuin perinteiset aurinkokennot, joissa sähköliitännät sijaitsevat etu- ja takapinnalla, takakontaktisissa soluissa kaikki sähköliitännät ovat takapinnalla.

Mikä on ‘varjostus’ -vaikutus?

‘Varjostus’-vaikutus aurinkokennoissa viittaa auringonvalon estämiseen, joka johtuu sähköliitäntöjen läsnäolosta kennon pinnalla. Perinteisissä fotovoltaalisoluissa on metallisia liitäntöjä (yleensä hopeaa tai alumiinia) yläpinnalla, jotka keräävät ja kuljettavat kennon tuottaman sähkövirran.

Nämä liitännät voivat kuitenkin estää osan saapuvasta auringonvalosta, estäen sen pääsyn fotovoltaaliseen materiaaliin alla. Tämä estäminen vähentää valon määrää, joka on käytettävissä sähköksi muuntamiseen, ja siten laskee aurinkokennon kokonaistehokkuutta.

Lähde: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

Varjostusvaikutuksen vähentäminen on tärkeää useista syistä:

1. Lisääntynyt tehokkuus: Vähentämällä liitäntöjen peittämä aluetta, suurempi osa solun pinnasta voi aktiivisesti osallistua valon absorptioon ja muuntamiseen sähköksi. Tämä parantaa solun kokonaistehokkuutta, jolloin se voi tuottaa enemmän energiaa samasta auringonvalosta.
2. Kustannustehokkuus: Korkeampi tehokkuus tarkoittaa, että sama energiamäärä voidaan tuottaa vähemmällä määrällä soluja. Tämän seurauksena aurinkovoimajärjestelmien kokonaiskustannuksia voidaan vähentää, mikä tekee aurinkoenergiasta kilpailukykyisempää muihin energiamuotoihin nähden ja lisää sen saavutettavuutta laajemmalle käyttäjäkunnalle.
3. Monipuolisuus ja suunnittelun joustavuus: Varjostuksen vähentäminen mahdollistaa innovatiivisempia ja joustavampia aurinkokennosuunnitelmia. Se voi johtaa solujen kehittämiseen, jotka eivät ole vain tehokkaampia, vaan myös ohuempia ja kevyempiä, mikä on erityisen hyödyllistä sovelluksissa, joissa tilaa ja painoa rajoitetaan, kuten avaruusteollisuudessa, kannettavissa laitteissa ja integroiduissa rakennusratkaisuissa.

Varjostusvaikutuksen vähentäminen on avain aurinkoteknologian edistämiseen – ja tähän pyritään näillä takakontaktisilla mikrometrisillä fotovoltaalisoluilla. Tämän seurauksena voimme odottaa pian tehokkaampia, kustannustehokkaampia ja monipuolisempia aurinkosoluja, joiden tulisi lopulta edistää aurinkoenergian laajempaa käyttöönottoa kestävänä energialähteenä.

Miksi miniaturisointi on tärkeää?

Varjostusvaikutuksen vähentämisen lisäksi perinteisissä fotovoltaalisoluissa, takakontakti mahdollistaa huomattavasti paremman miniaturisoinnin. Tämä on ratkaisevaa elektroniikan ja uusiutuvan energian teknologioiden alalla, koska se mahdollistaa tilan ja resurssien tehokkaamman käytön samalla kun parantaa suorituskykyä.

Näiden solujen miniaturisointi tai ‘mikrometrinen’ ulottuvuus tekee niistä noin kaksinkertaisen ihmisen hiuksen paksuisia. Tämän seurauksena nämä pienemmät, tehokkaammat Ottawan yliopiston kehittämät fotovoltaalisolut voivat myös merkittävästi vähentää tuotantokustannuksia (väitetysti jopa kolminkertaisella vähenemällä).

“Tämä teknologinen läpimurto lupaa merkittäviä hyötyjä yhteiskunnalle. Halvemmat, tehokkaammat aurinkokennot auttavat kiihdyttämään energiasiirtymää. “

“Kevyet ydinparistot helpottavat avaruustutkimusta, ja laitteiden miniaturisointi edistää esineiden internetin kasvua ja johtaa tehokkaampiin tietokoneisiin ja älypuhelimiin” – Mathieu de Lafontaine

Mielenkiintoista on, että tämä miniaturisointi ei koske pelkästään laitteiden pienentämistä; kyse on niiden älykkäämmästä ja monipuolisemmasta sopeutumisesta erilaisiin ympäristöihin. Yhä yhteydessä olevassa maailmassa, jossa esineiden internet (IoT) ja älyteknologiat yleistyvät, miniaturoidut fotovoltaalisolut voivat virrata moniin laitteisiin ilman perinteisten energialähteiden rajoituksia.

Tämän edistys voi näin ollen mahdollistaa vihreämmän, kestävämmän lähestymistavan energian tuotantoon ja kulutukseen, suoraan edistäen siirtymistä hiilineutraaliin talouteen.

Missä niitä käytetään?

Fotonivoltasoluilla on laaja sovellusalue, joka kasvaa jatkuvasti takakontaktivalmistuksen kaltaisten edistysaskelten myötä. Tämä monipuolisuus ja vetovoima johtuvat pitkälti niiden kyvystä tuottaa sähköä puhtaasti ja uusiutuvasti.

Perinteisen energian tuotannon lisäksi ne ovat olennaisia kauko- ja kannettavissa energiajärjestelmissä, kuten avaruustutkimuksessa, jossa ne virvoittavat satelliitteja ja avaruusaluksia.

Näiden solujen miniaturisoinnin myötä niiden sovellukset laajenevat tiheämpiin elektronisiin laitteisiin, mahdollisesti mullistaen toimialoja kuten telekommunikaatio ja esineiden internet (IoT). Kuten aiemmin mainittiin, miniaturisointi voi johtaa tehokkaampiin, kompakteihin ja monipuolisiin aurinkovoimaratkaisuihin, laajentaen fotovoltaaliteknologian sovellusalueita.

Alan toimijat

Tällä hetkellä on muutamia merkittäviä yrityksiä, jotka edistävät kasvua kestävän energian alalla ja keskittyvät aurinko-sovelluksiin. Seuraavassa on muutama näistä, sekä useita muita merkittäviä lisäyksiä.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Hintakaavio

NextEra Energy (NEE ) Resources, NextEra Energyn tytäryhtiö, tekee merkittäviä edistysaskeleita aurinkoenergia-alalla. Vuoden 2023 ensimmäisellä neljänneksellä yritys lisäsi noin 2 020 MW uusiutuvia ja varastointivarantoja projektijonoon, mikä sisälsi noin 1,3 GW aurinkovoimaa sekä varastointi- ja tuulivoimakapasiteetteja. Tämä lisäys nosti projektijonon yli 20,4 GW:iin, mikä osoittaa vahvan sitoutumisen uusiutuvan energian salkun laajentamiseen.

Merkittävä projekti on Sebree Solar -400 MW aurinkohanke Hendersonin maakunnassa, Kentuckyssa, jonka kehittää Sebree Solar, NextEra Energy Resourcesin tytäryhtiö.

Lisäksi NextEra Energy Resources on mukana myös toisessa 200 MW aurinkohankkeessa Green River Solarin kautta, joka on toinen sen tytäryhtiö. Nämä aloitteet heijastavat NextEra Energy Resourcesin sitoutumista aurinkoenergian edistämiseen keskeisenä toimijana uusiutuvan energian markkinoilla.

2.  First Solar

FSLR Hintakaavio

First Solar (FSLR ), merkittävä Yhdysvalloissa toimiva yritys, joka on erikoistunut kadmiumtelluridiin ohutkalvokuvioihin, on osoittanut merkittäviä edistysaskeleita aurinkohankkeissa vuoteen 2023 mennessä. 801 miljoonan dollarin liikevaihdolla ja 2,7 GW aurinkomoduulien tilauksien toimittamisella yhdessä neljänneksessä, yritys osoittaa vahvaa kasvua ja painottaa aurinkoteknologiaa. Kasvavan kysynnän täyttämiseksi First Solar laajentaa valmistuskapasiteettiaan sekä Yhdysvalloissa että kansainvälisesti, tavoitteena 25 GW maailmanlaajuinen kapasiteetti vuoteen 2026 mennessä.

Erityisesti First Solar on ollut edelläkävijä bifaciaalisten ohutkalvomoduulien tuotannossa, mikä on alan ensimmäinen. Tämä innovatiivinen teknologia mahdollistaa bifaciaalisen energian keruun ja suuremmat energian tuotot, mikä merkitsee merkittävää edistystä aurinkomoduulien tehokkuudessa.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Hintakaavio

SolarEdge Technologiesa pidetään laajalti älyenergia-teknologian johtajana. Tämä yritys teki merkittäviä edistysaskeleita aurinkoenergia-alalla vuonna 2023, saavuttaen ennätykselliset 943,9 miljoonan dollarin liikevaihdon, josta 908,5 miljoonaa tuli erityisesti sen aurinkosegmentistä. Tämä saavutus osoittaa SolarEdgein vahvan läsnäolon aurinkoalalla. Jo vuoden 2023 ensimmäisellä neljänneksellä SolarEdge toimitti 3,6 gigawattia (AC) inverttereitä ja 221 MWh akkuja, korostaen sen merkittävää panosta aurinkoenergia-markkinoilla.

Huomionarvoiset maininnat

Lopulliset ajatukset

Fotonivoltasoluteknologian edistysaskeleet, erityisesti takakontaktisten mikrometrisien solujen kehittämisen kautta, edustavat potentiaalista kvanttihyppyä aurinkoenergiassa. Tämä innovaatio ei ainoastaan paranna aurinkovoiman tehokkuutta ja vähennä sen kustannuksia, vaan avaa myös uusia mahdollisuuksia sen soveltamiseen eri sektoreilla. Varjostusvaikutuksen vähentäminen ja miniaturisointiin keskittyminen ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vievät aurinkoenergiaa uusiutuvan energian eturintamaan.

Kun omaksumme nämä teknologiset edistysaskeleet, lähestymme yhä enemmän tulevaisuutta, jossa laajalle levinnyt kestävä ja puhdas energia ei ole vain mahdollisuus, vaan todellisuus.