Päikeseelement

Allikas: Vikipeedia
Päikeseelement valmistatud monokristallilisest ränist
Portatiivne päikeseenergial töötav monokristallilisest ränist laadija.

Päikeseelement[1] ehk fotogalvaaniline element (inglise keeles solar cell või photovoltaic cell)[2][3] on fotoelektriline seadis, mis muundab fotogalvaanilise efekti abil valgusenergia vahetult elektrienergiaks[4]. Fotoelektriline element, millele langeb lühikese lainepikkusega elektromagnetkiirgus, näiteks päikesevalgus, suudab toota elektrivoolu ilma, et oleks ühendatud väliste energiaallikate külge[5].

Sissejuhatus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Termin “fotogalvaanika” tuleneb kreekakeelsest sõnast φῶς (phōs), tähendades valgust, ning Itaalia füüsiku ja arsti Luigi Galvani[6] järgi nime saanud galvaanielemendist. Fotogalvaaniline efekt, ehk footonite neeldumine pooljuhtmaterjalis, tekitab elektripinge. Fotogalvaanilised elemendid toodavad päikesekiirgusest alalisvoolu, mida saab kasutada seadmete toiteks või patarei laadimiseks.

Fotogalvaanika on teadus- ja uurimissuund, mis tegeleb fotogalvaaniliste elementide praktilise rakendamisega tootmaks valgusest elektrienergiat. Tihti kasutatakse sõna “fotogalvaanika” viitamaks elektri tootmisele just päikesevalgusest, ehkki elemente võib nõnda nimetada ka siis, kui valgusallikaks pole päike (näiteks halogeenlamp, ksenoonlamp jne). Sellistel juhtudel kutsutakse elemente fotodetektoriteks[7], mis tuvastavad valgust ja teisi silmaga nähtava laineskaala lähedal asuvaid elektromagnetlaineid või mõõdavad valguse intensiivsust.

Fotogalvaanilise elemendi tööks on vaja kolme põhiprotsessi:

  1. valguse neeldumist, mis tekitab elektron-auk paari või eksitoni;
  2. erinevat tüüpi laengukandjate eraldumist;
  3. erinevate laengukandjate edasiliikumist välisesse elektriahelasse.

Teisteks päikeseenergia kogumise viisideks päikeseelemendi kõrval on näiteks päikesekollektor[8][9] ja fotoelektrokeemiline element [10]. Päikesekollektor võimaldab soojusülekannet kasutades kütta tarbevett, hooneid või toota elektrienergiat. Fotoelektrokeemiline element [10] viitab aga fotogalvaanilise elemendi alamtüübile (näiteks A. E. Becquerel’i arendatud päikeseelement või uuemat tüüpi värvtundlikustatud fotogalvaaniline element (inglise keeles dye-senzitized solar cell)[11]) või seadmele, mis lõhub päikesevalguse abil vee hapnikuks ja vesinikuks.

Päikesepaneeli ehitusplokk[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fotogalvaaniliste elementide kogumid moodustavad päikesepaneeli (nimetatakse ka päikesepatareiks), mis toodab elektrit päikesevalgusest. Hulk elemente grupeeritakse orienteeritult ühel tasandil, millest tuleneb ka nimetus päikesepaneel või fotogalvaaniline moodul. Elektrienergia, mis on saadud päikesepaneelidelt, on üks päikeseenergia liikidest.

Päikeseelemendi ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Polükristallilisest ränist fotogalvaaniline moodul

Fotogalvaanilist efekti demonstreeris eksperimentaalselt prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel 1839. aastal. Üheksateistaastaselt ehitas Becquerel oma isa laboratooriumis esimese fotogalvaanilise elemendi. Alles 1883. aastal ehitas Charles Fritts esimese tahke fotogalvaanilise elemendi, siirete saavutamiseks kattis ta üliõhukese kihi kullaga seleenpooljuhi. Seadme efektiivsus oli ainult 1%. 1888. aastal ehitas vene füüsik Aleksandr Stoletov esimese fotoelektrilise elemendi, mis põhines 1887. aastal Heinrich Hertzi avastatud fotoelektrilisel efektil[12].

1905. aastal seletas saksa füüsik Albert Einstein fotoefekti olemust – metalli pinnale langeva footoni energia kulub elektroni väljalöömise tööks ja sellele elektronile kineetilise energia andmiseks. Einstein sai selle eest 1921. aastal Nobeli füüsika preemia. 1940. aastal avastas USA uurimisinstituudi Bell Laboratories füüsik Russel Ohl räni pn-siirde ja sellel asetleidva fotoelektrilise efekti, kuid ka selle kasutegur oli alla 1%[13]. Pärast Teist maailmasõda patenteeris Ohl 1946. aastal esimese moodsa päikeseelemendi[14].

Esimese praktilise päikeseelemendi arendasid Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller ja Gerald Pearson 1954. aastal uurimisinstituudis Bell Laboratories. Räni sihipärase doteerimise teel valmistati praktiliseks kasutamiseks sobiv päikeseelement kasuteguriga ligikaudu 6%. Võrreldes seleenil põhinevate elementidega, millel oli raskusi saavutamaks efektiivsust 0,5%, oli edusamm suur[15]. Esialgu kasutati neid päikeseelemente mänguasjades ja teistes vähestes rakendustes, kuna elektritootlikkuse ja hinna suhe oli väga kõrge. 1956. aastal maksis päikesepaneelidel toodetud 1 vatt elektrienergiat 300 dollarit, samas elektrijaamas maksis see 0,5 dollarit[16].

Umbusuga suhtuti ettepanekusse paigaldada päikeseelemendid satelliidile Vanguard I, mis lennutati orbiidile 1958. aastal. Esialgu oli plaanis varustada satelliit patareitoitega, mille tühjenemise tõttu hinnati satelliidi eluiga lühikeseks. Lisades aga satelliidile päikeseelemendid, oli võimalik satelliidi missiooni aega oluliselt pikendada ilma suuremate põhimõtteliste muudatusteta satelliidile. Esialgne skeptitsism asendus peagi suure eduga ning päikeseelemendid võeti kiiresti kasutusele paljudes satelliitides. Märkimist väärib, et 1962. aasta juulis varustati 3600-elemendilise päikesepatareiga Bell Laboratories enda sidesatelliit Telstar 1[13].

Järgmisel kahel aastakümnel olid edusammud aeglased. Ainukesena levis päikeseelementide kasutuselevõtmine kosmoseteaduses, kus tänu nende kaalu ja võimsuse vahekorrale edestasid nad konkureerivaid tehnoloogiaid. Kuid see edu tingis ka aeglase arenemise, nimelt oldi kosmoseteaduses valmis maksma kõike parimate võimalike elementide eest. Seega polnud põhjust investeerida odavamatesse võimalustesse, kui see oleks vähendanud efektiivsust. Päikeseelementide hinna määras suuresti pooljuhttööstus. Nende üleminek integraallülitustele 1960ndatel tingis suuremate toorikkristallide saadavuse odavamate hindadega, mis viis ka lõpuks päikeseelementide hinnalanguseni. Siiski oli eelnimetatud efekt piiratud ja 1971. aastal maksis 1 vatt päikeseelementidel saadud energiat ligikaudu 100 dollarit[17].

Photovoltaics cell production.svg

Edasised täiustused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Peale Elliot Bermani päikeseelementide tootmiskulude langetamist ligi kümnele dollarile (jaemüügi hind 20 dollarit), on edasised täiendused langetanud tootmiskulude hinda 1 dollarini vati ja jaemüügi hinda 2 dollarini vati kohta.[16] Päikesepaneele toetavad komponendid ja süsteemid maksavad rohkem kui paneelid ise[18].

Nii nagu pooljuhttööstus on läinud üha suuremate toorikkristallide peale, on ka päikeseelemendid muutunud suuremaks. 1977. aastal päikesepaneelide ehitamisele spetsialiseerinud ARCO Solar’i paneelides kasutati elemente, mille diameeter ulatus 51-st millimeetrist kuni 100 millimeetrini. 1990ndatel ja 2000ndate alguses kasutati paneelides tavaliselt pooljuhtplaate diameetriga 125 mm ning alates 2008. aastast kasutatakse enamikus uutes päikesepaneelides elemente diameetriga 150 mm. LCD-, plasma- ja teiste lameekraanide võidukäik hilistel 1990ndatel ja 2000ndate alguses viis suuremõõtmeliste kõrgkvaliteediliste klaaslehtede saadavuseni, mis võeti peatselt kasutusele ka päikesepaneelide katmisel.

Päikeseelementide ehituses on toimunud ainult üks suur muudatus. 1990ndatel said polükristallilisest ränist (polysilicon) päikeseelemendid üha populaarsemaks. Need elemendid on väiksema efektiivsusega kui monokristallilisest ränist päikeseelemendid, kuid polükristallilise räni kasvatamise tõttu suurtes vaatides, on tootmiskulud oluliselt madalamad. 2000ndate keskel domineerisid polükristallilisest ränist elemendid odavamate paneelide turul, kuid mitmete tegurite tõttu on kõrgema efektiivsusega monokristallilisest ränist elemendid läinud üha laiemasse kasutusse[19].

Teooria[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikeseelement töötab lihtsustatuna kolmes etapis:

  1. footonid tabavad päikesepaneeli ja neelduvad pooljuhtmaterjalis, näiteks ränis;
  2. elektronid lüüakse oma aatomitest välja, põhjustades elektrilise potentsiaali erinevuse. Elektronid hakkavad liikuma läbi materjali, tekitades elektrit. Spetsiaalse paigutuse tõttu on elektronidel päikeseelemendis võimalik liikuda vaid ühes suunas;
  3. Valgusenergia praktiliseks kogumiseks koondatakse päikeseelemendid suurematesse moodulitesse.

Aines neelduv valguskiirgus ergastab selles olevaid elektrone. Seejuures on võimalik, et neeldunud valgusenergia arvel väljub osa elektrone ainest (saab võimalikuks väline fotoefekt) või vabastatakse osa elektrone valentssidemetest, mille tulemusena kasvab vabade elektronide ja täitmata valentssidemete s.o. aukude arv. Valentssidemest vabastatud elektronide ümberjaotumist energeetiliste tasemete vahel valguse toimel, mille tõttu muutub materjali elektrijuhtivus, nimetatakse sisemiseks fotoefektiks.

Elektromotoorjõu tekkimist tõkkekihis valguskvantide toimel nimetatakse ventiilfotoefektiks. Tõkkekiht on vabadest laengutest vaesustunud suure eritakistusega kiht pooljuhist metalli ja pooljuhi või kahe erisuguse juhtivustüübiga pooljuhi kontakti piirkonnas (p-n siire). Tõkkekihis on ruumilaeng ja elektriväli. Tõkkekiht omab praktiliselt ühesuunalist juhtivust.

Ventiilfotoefekti korral muundub valgusenergia vahetult elektrienergiaks. Süsteeme, mille abil on võimalik niisugune valgusenergia vahetu muundumine elektriliseks, nimetatakse ventiilfotoelementideks.[20][9]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. ESTERM. Kasutatud 08.10.2012. (eesti)
  2. Iganädalased SAT-TV uudised. 03.03.2010. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  3. Tõlkimise ja määratluse "photovoltaic cell", sõnaraamat inglise-eesti Internetis. Kasutatud 07.10.2012. (inglise-eesti)
  4. The Photovoltaic Effect. www.photovoltaics.sandia.gov/. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  5. Physics for scientists & engineers. (Volumes 1–2). Raymond A. Serway. Saunders College Pub. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  6. Galvani, Luigi (1737–1798). Wolfram Research. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  7. Valmis esimene grafeenist fotodetektor. 01.04.2012. Fyysika.ee. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  8. Päikesekollektorid. päikeseenergia.eu. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  9. 9,0 9,1 Päikeseenergia saksa-eesti valiksõnastik. 2011. Tartu: Siiri Aluoja. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  10. 10,0 10,1 Tõhus vesiniku tootmise lahendus?. forte.delfi.ee, 25.08.2008. Physorg. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  11. Dye-sensitized solar cells. Juan Bisquert. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  12. Sustainable Energy System Engineering. 10.10.2006. McGraw-Hill Prof Med/Tech. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  13. 13,0 13,1 Fotoelektrilised muundurid. Tallinna Tehnikaülikooli elektriajamite ja jõuelektroonika instituut, 2007 Koht =. Endel Risthein. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  14. Patent number: 2402662. (light-sensitive electric device). 25.06.1946. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  15. The Silicon Solar Cell Turns 50. (by John Perlin). august 2004. National Renewable Energy Laboratory. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  16. 16,0 16,1 From the Sun giving us energy "Solar PV's History" Awakens. Examiner.com, 17.09.2012. Robert Benedict. Kasutatud 08.10.2012. (inglise)
  17. Harnessing Light: Optical Science and Engineering for the 21st Century. 1998. Committee on Optical Science and Engineering, National Research Council. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  18. Balance of System. US Department of Energy. Kasutatud 07.10.2012. (inglise)
  19. Pooljuhtkomponentide simuleerimine arvutil. Tallinna Tehnikaülikool, 2003. Tallinn: Raido Kurel. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)
  20. Tõkkekiht-fotoelement. (Füüsikainstituut). Tallinna Tehnikaülikool. Tallinn. Kasutatud 07.10.2012. (eesti)