Milleks meile päikesepatareid? http://www.tehnikamaailm.ee/est/tech/2007/03/?headerID=766

Milleks meile päikesepatareid?
Märts 03 / Jüri Krustok, TTÜ professor

Räägitakse, et teadlased on elukauged inimesed, kellele hirmsasti meeldib pilvedes hõljuda. Võib-olla tõesti? Ma võin tihtipeale pikalt rääkida päikesepatareide kasulikkusest, aga ikka leidub keegi “jalad maas” inimene, kes küsib otse: “Aga milleks mulle päikesepatareid?” Ja siis tundun ma endale ka totakavõitu kaubareisijana, kes püüab lolli järjekindlusega vihmametsade suguharule mobiiltelefone müüa.

Küsimus on tõepoolest õigustatud. Meile kellelegi pole otseselt päikesepatareisid vaja, sest elekter tuleb ju pistikupesadest niikuinii. Tuli eile, tuleb täna ja raudselt tuleb ka homme! Aga 10 aasta pärast? Aga 100 aasta pärast?
Ei pea olema eriline prohvet, et näha seda, mis toimub energiamaastikul. Mõned asjad on lihtsalt ammu selgeks saanud. Me võime küll paisata avalikkusele erinevaid hinnanguid aastaarvudest, millal maailma naftavarud ammenduvad, kuid see, et nad ammenduvad, on selge kõigile. Ja isegi Eesti põlevkivivarud ammenduvad, tahame seda või mitte! Kustkohast me siis elektrit saame? Oo jaa, alati on ju võimalus ehitada tuumajaam. Aga isegi tuumajaam vajab ju toorainet. Ja mürgised jäätmed ladustamist. On selge, et kui fossiilsetel kütustel põhinevad elektrijaamad peavad asenduma tuumajaamadega, siis uraani hinnad maailmaturul kerkivad hüppeliselt. Alles mõned aastad tagasi sai uraani kätte peaaegu kümme korda odavamalt. Võib ainult aimata, kui kalliks läheb tulevikus praegu nii “odav” tuumaenergia. Millised on siis alternatiivid?

Tuul, vesi, päike…
Rääkides alternatiividest, ei saa me kuidagi mööda minna tuuleenergia kasutamisest. Eesti momendil suurim tuulepark Pakri poolsaarel omab võimsust 18,4 MW, kuid juba plaanitakse Hiiumaa lähistele merre ehitada kuni 1000 MW võimsusega tuuleparki. Need on aukartust äratavad numbrid. Ilmselt suudaks Eesti kõigi nende projektide realiseerumisel peaaegu 50% vajalikust elektrist toota elektrituulikutega. Ja jällegi on õigustatud küsimus, et milleks siis meile veel päikesepatareid?
Kõigepealt tuleb aru saada, et tuul ei puhu alati ühtemoodi ja kohe kindlasti ei puhu ta just siis kõige paremini, kui elektrit oleks vaja saada. Saksamaa kogemused tuuleenergia rakendamisel on näidanud, et liiga palju tuuleenergiat üldises energiabilansis teeb pigem kahju kui kasu. Tuulejaamade kõikuv energiatoodang tuleb kuidagi tasakaalustada samamoodi kõikuva tarbimisvajadusega ja see kõik kokku võib viia selleni, et ühtegi vana fossiilsetel kütustel töötavat elektrijaama ei saa sulgeda ning hullemgi veel – need jaamad peavad töötama äärmiselt ebaökonoomsetel re_iimidel. Seega tulevikus ei saa me kuidagi loota vaid ühele elektrienergia allikale. Paratamatult tuleb kombineerida erinevate tootmisviisidega toodetud elektrit. Just see tõsiasi on meil Eestis praegu tähelepanuta jäänud. Üldistes alternatiivenergeetika arengukavades räägitakse vaid tuuleenergeetikast, sest mõned tuulikud meil tõesti juba on. Aga päikeseenergeetika? Imelik, et muu maailm on küll mõistnud päikeseenergeetika perspektiivi ning mitmed projektid on käima lükatud nii Jaapanis, Euroopas kui ka USAs. Kui näiteks Saksamaal püütakse 100 000 maja katused lähiajal katta päikesepatareidega, siis USAs on suund võetud lausa miljoni katuse katmisele. Võib-olla tõesti on siin tegemist katsega tuua elektrienergia tootmine inimestele lähemale? Üks asi on saada elektrit kusagilt tundmatust ja kaugest elektrijaamast, teine asi on seda toota enda kodus. Ehk polegi see toodang üldises energiabilansis just eriti suur, kuid psühholoogiline efekt või ka üldine arusaam elektrienergiast peaks igatahes oluliselt paranema. Selle nimel tasub investeerida. Ka Eestis.

Päikeseelekter – vähe ja kallis!
Eesti ei hiilga just päikeseküllusega. Enamik päevi aastas peame taluma “halba suusailma” või siis “halba rannailma”. Head pole selles eriti midagi. Vähemalt päikesepatareidega elektri tootmiseks peaks päikest märgatavalt rohkem olema. Heal juhul võiks Eesti tingimustes üks ruutmeeter päikesepatareid aastas toota vaid 100 kWh elektrienergiat. Seda pole nüüd küll palju. Ometi on ühe tavalise elumaja katus võimeline aastas vähemalt ühe inimese kogu elektrivajaduse täielikult rahuldama, kui ta muidugi päikesepatareisid täis panna. See polegi enam nii väike panus. Teoreetiliselt on seda isegi üllatavalt palju, kuid seda vaid teoreetiliselt. Iga päikesepaneel, mis katusele kinnitatakse, tuleb ju ka enne osta. Ja odav selline lõbu momendil küll pole. Seega on isegi Eestis küll võimalik suur osa elektrienergiast toota päikesepaneelidega, kuid praktikas osutub selline lahendus liiga kalliks. Investeeringud 1 ruutmeetri päikesepaneeli kohta küünivad praegu umbes 1000 euro (~15 000 krooni) ligi. Pisike matemaatiline tehe näitab otsekohe, et praeguste elektrihindade juures hakkaksid investeeringud ennast ära tasuma alles sajandi pärast. Muidugi oleme siin arutades kasutanud üsna umbkaudseid arve, kuid fakt jääb faktiks – päikesepatareid on “jalad maas” inimesele praegu liiga kallid!
Miks siis päikesepatareid nii kallid on? Ja kas neid odavamalt ei saaks toota? Päikesepatareide hinna määravad põhiliselt kaks tegurit. Ühelt poolt on see kasutatava tehnoloogia ja materjalide hind ning teiselt poolt tootmise maht. 90% tänapäeval toodetavatest päikesepatareidest on valmistatud kristallilisest ränist. Pole veel leiutatud (ja vaevalt et kunagi leiutataksegi) tehnoloogiat, kuidas ülipuhast ränikristalli saaks odavamalt toota. Seetõttu püütaksegi kogu maailmas välja töötada uusi odavamaid tehnoloogiaid polükristalliliste õhukesekileliste päikesepatareide tootmiseks. Räni kõrvale on ilmunud ka teised perspektiivsed pooljuhtmaterjalid nagu CuInSe2 ja CdTe. Nendest materjalidest päikesepatareid pole küll ehk nii kõrge kasuteguriga kui ränipatareid, kuid neid on võimalik toota palju odavamalt.
Samas kasvab päikesepaneelide toodang meeletus tempos. Viimasel ajal on see kasvanud peaaegu 40% aastas. Selliste arengutempode juures peaks enamikes Euroopa riikides päikesepatareide abil toodetud elekter muutuma konkurentsivõimeliseks teiste elektritootmisviiside kõrval aastaks 2030. Järelikult me elame ajas, kus Eestis peaaegu tundmatu päikeseelekter vallutab tormiliselt ülejäänud maailma energeetikat. Tundub küll, et päris kõrvaltvaatajaks ei tohiks sellisel ajal keegi jääda ning viimane aeg on ka Eestis loobuda küsimusest, et milleks meile päikesepatareid. Sarnaselt paljude teiste maadega võiks ka Eesti valitsus vaadata rohkem tulevikku ning toetada rahaliselt päikesepatareide laiemat levikut.

Mis see päikesepatarei on?
Võib-olla polegi üleliigne siin meelde tuletada, kuidas päikesepatarei üldse töötab? Kuna tegemist on keeruka pooljuhtelektroonilise seadeldisega, siis päris elementaarset seletust polegi ehk võimalik anda. Aga kindlasti peab päikesepatareis olema päikesekiirgust neelav pooljuhtmaterjali kiht. Olgu ta siis ränist, CdTe-st või mõnest muust materjalist. Selles nn absorbeerkihis neeldunud päikesekiirgus tekitab vabu elektrone (ja muidugi siis ka vabu auke). Vabad elektronid pooljuhtmaterjalis on ebatavaline nähtus ning kui neid kohe ära ei kasuta, siis nad kaovad sama kiirelt kui nad tekkisidki. Eriti siis, kui nii vabad elektronid kui ka augud koos ringi uitavad. Nemad nimelt võivad kokku saades uuesti seotuks saada. Seega esimene ülesanne vabade laengukandjate kasutamiseks on kuidagi eraldada vabad elektronid vabadest aukudest, et nad omavahel kokku ei saaks ning “kaotsi” ei läheks. Elektronide ja aukude eraldamiseks tuleb kasutusele võtta teist tüüpi pooljuhtmaterjal, mis oleks absorbeermaterjali suhtes teistsuguse juhtivustüübiga. Kui tavaliselt on absorbeermaterjal aukjuhtivusega ehk p-tüüpi pooljuht, siis laengukandjate eraldamiseks pannakse see materjal kontakti elektronjuhtivusega (n-tüüpi) pooljuhiga. Sellisel kontaktil tekib omapärane tõmbejõud, mis püüab vabu elektrone vedada n-tüüpi pooljuhti ning vabu auke p-tüüpi pooljuhi poole. Tulemuseks ongi struktuur, kus n-tüüpi pooljuhi poolne osa laadub miinusmärgiga ning p-tüübi poolne osa plussiga, täpselt nagu patareis. Jääb üle vaid ühendada erinevad päikesepatarei pooled juhtmetega vooluvõrku ning meil ongi töötav päikesepatarei, mis annab alati voolu, kui päike paistab ning tekib vabu elektrone ja auke.
Reaalses päikesepatareis on muidugi natuke rohkem kihte. Kõige suurem probleem on näiteks kontakteerida päikesepatarei pealmist pinda, sest päikesevalgus peab ju ometi päikesepatareisse sisenema. Seega on vaja läbipaistvat ja hästi juhtivat materjali. Peale selle tuleb ka alumise kontakti peale mõelda, sest viimasel ajal on levinud süsteemid, kus pooljuhtpäikesepatarei alla asetatakse veel teine, termiline patarei, milles ringlev vedelik soojeneb päikese infrapunase (ja pooljuhtpäikesepatareis kasutamist mitte leidva) kiirguse mõjul. Järelikult ka päikesepatarei alumine kontakt ei pruugi sugugi mitte metalne olla. Päikesepatareid (esialgu üsna väikeste mõõtmetega) ühendatakse omavahel paneeliks, mis seejärel kaetakse ilmastikukindlate materjalidega ning seejärel võib valmis paneeli juba katusele upitada. Edasi on päikesepaneel praktiliselt hooldusvaba. Ja seda pikka aega!

Eesti ja päikesepatareid
Eestis on tegelikult päikesepatareide uurimisega tegeldud juba päris mitu aastat. Võiks isegi öelda, et aastakümmet, sest praeguses Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudis alustati Cu2S-päikesepatareide uurimist juba eelmise sajandi 80ndatel aastatel. Edasi jätkus töö põhiliselt CuInSe2 ja CuInS2 baasil loodud päikesepatareidega, sest juba kolmkümmend aastat tagasi avastati, et mõnedel keerulistel kolmikühenditel on päikesepatareide valmistamiseks ülisobivaid omadusi. Selliste materjalide lipulaev on ühend CuInSe2 (vaskindiumseleniid, lühendatult CIS), mis paistab silma ülisuure neeldumiskoefitsiendi poolest. Mida rohkem üks pooljuht päikesekiirgust neelab, seda õhemat kihti on vaja päikesepatarei jaoks ja seda odavamalt saab seda luua.
Kuid nendel kalkopüriitsetel kolmikühenditel on veel palju teisigi häid omadusi. Selgus näiteks, et kolmikühenditest valmistatud päikesepatareid on suutelised ennast ise “ravima“. Päikesepatarei töötab ju üsna rasketes tingimustes: näiteks tavaline ränipatarei ei kannata pikaajalist kiiritust välja ja tema parameetrid halvenevad ühtesoodu. CuInSe2 alusel loodud päikesepatareid on aga isegi kosmose eriti keerulistes oludes väga hästi vastu pidanud ning ka kosmilise kiirguse tekitatud arvukad punktdefektid kaovad vähehaaval. Seetõttu ennustatakse just sellistele materjalidele helget tulevikku päikeseenergeetikas. Kaob ju vajadus kalli räni järele, samuti võib tunduvalt vähendada päikesepatareis kasutatava materjali kogust ja seega ka tootmiskulusid.
Tallinna Tehnikaülikoolis hakati kalkopüriitseid kolmikühendeid uurima umbes kümme aastat tagasi. Need materjalid pole just lihtsate killast: ka ei ole veel kõiki nende saladusi suudetud mõista ning visa uurimistöö jätkub nii Tallinnas kui ka mujal maailmas. Hoolimata teadlasterühma väiksusest on TTÜs kümne aasta jooksul saavutatud arvestatav tase nii kolmikühendite uurimisel kui ka nende materjalide alusel päikesepatareide valmistamisel. On üsna meeldiv tõdeda, et TTÜs on välja töötatud täiesti uut tüüpi päikesepatareid, mille tootmisest tulevikus on huvitatud mitu maailma juhtivat suurettevõtet. Üsna pikaajaline koostöö on näiteks Euroopa ühe suurima klaasitootjaga Scheuten Glasgroep Hollandist, kes tõsimeeli püüab saada lähimas tulevikus ka Euroopa suurimaks päikesepatareide tootjaks.
Eesti teadlased on seega üpris pädevad nii päikesepatareide väljatöötamise alal kui ka nende uurimise alal. Seetõttu on grupp meie füüsikuid lülitunud ka üleeuroopalise teadusprojektiga PERFORMANCE, mille eesmärk on juba toodetud päikesepaneelide katsetamine ning nende elektritootmise suutlikkuse pikaajaline ennustamine.

Päikesepaneelide katsetamine TTÜs
2006. aasta algul alustati TTÜs nii põhja- kui ka Baltimaades unikaalse päikesepaneelide katsetamise labori rajamist. Suur osa vajaminevast rahast laekus Euroopa Liidu projekti kaudu, sest kogu Euroopa oli väga huvitatud just põhjamaadesse ehitatavast testimislaborist. Peale otseste katsetuste on rajatud labori üks eesmärke ka päikesepaneelide tutvustamine Eestis. Pole just palju kohti, kus töötavat päikesepatareid saab oma silmaga kaeda. Kogu TTÜ 5. korpuse katus on momendil reserveeritud erinevate tootjate päikesepaneelide testimiseks. Peale paneelide testimisandmete registreerib hangitud seadmestik ka pidevalt ilmastiku parameetreid, mis osutuvad vajalikeks hilisemal modelleerimisel.
Esimesed päikesepaneelid seati üles 2006. aasta novembris ning neid lisandub pidevalt juurde. Iga päikesepaneeli poolt toodetud elektrienergia mõõdetakse eraldi ning registreeritakse üldisesse andmebaasi. Osa andmetest on näha ka labori kodulehel: www.pv.ttu.ee.
Pime sügis ja talv pole muidugi parimad aastaajad päikesepaneelide testimiseks, kuid ka talvel võib päikeselistel päevadel paneel toota kuni 0,2 kWh elektrienergiat. Palju rõõmsamaid numbreid võib oodata suvekuudel, kui valget aega on oluliselt rohkem. Loomulikult ei piirduta ainult päikesepatareide toodetud elektrienergia kokkuarvestamisega, töötavaid päikesepaneele ka uuritakse põhjalikult. Näiteks registreeritakse iga veidikese aja tagant päikesepaneeli temperatuuri, mõõdetakse tema nn voltamper-karakteristik, fikseeritakse päikesekiirguse intensiivsuse näitajad mõõtmise momendil jne. Milleks see kõik vajalik on? Meid kõiki huvitab ju see, millist tüüpi päikesepatareid Eesti oludes kõige paremini töötavad. Väliselt on ehk kõik nad üsna sarnased, kuid mõned töötavad ülihästi vaid otsese päikesekiirgusega, samas kui teised oskavad ka pilvede poolt hajutatud kiirguse elektriks muundada. Just TTÜs väljatöötatud päikesepatareide lahendused on teoreetiliselt võimelised kasutama efektiivsemalt hajunud päikesevalgust, mis Eestis on domineerivaks.
Seega vaikselt, kuid kindlalt astume me tuleviku energeetika poole, kus üheks oluliseks tegijaks saab päikeseenergeetika. Harjutame siis kõik ennast mõttega, et tuleviku Eesti on ka päikesepaneelide Eesti.