Seinät ja ikkunat aurinkokennoiksi

Tie kohti talojen energiankäytön parantamista on ollut kivikkoinen. Nollaenergiatalot ovat jo mahdollisia, mutta ne vaativat paksuja eristeitä ja monimutkaisia teknisiä ratkaisuja. Mitä jos talon seinät ja ikkunat olisivatkin aurinkosähköpaneeleja, joista saatu sähkö riittäisi lämmittämään ja sähköistämään koko talon? Tämänkaltaista tulevaisuutta tarjoavat nyt äskettäin keksityt kolmannen sukupolven väriaineherkistetyt aurinkokennot, joiden keksijä Michael Grätzel kävi kertomassa niistä lokakuun SB 11 konferenssissa.

Väriaineherkistettyjen aurinkokennojen keksimisestä sai sveitsiläinen professori Michael Grätzel viime vuonna suomalaisen suuren Millenium-teknologiapalkinnon, mutta se ei saanut silloin varsinkaan rakennuspuolella kovinkaan suurta huomiota osakseen. Suomalainen aurinkoenergian kehittäjä ja puolestapuhuja professori Peter Lund pitää kuitenkin Grätzelin keksintöä monessa mielessä ainutlaatuisena.
Aurinkokenno voidaan sen avulla valmistaa halvalla käyttäen tavanomaisia ja halpoja raaka-aineita. Siinä ei tarvita kallista piioksidia ja aurinkokenno voidaan valmistaa joustavaksi isoinakin pintoina sekä parhaassa tapauksessa läpinäkyväksi. Käytännön sovellutuksia on jo ja kehitystyö myös rakentamisen puolella on käynnistynyt yhteistyössä suurten kansainvälisten valmistajien kanssa.

Jäljitellään luontoäitiä

Lähtökohtana keksinnölle on se, että väriaineherkistetyt kennot muodostuvat nanokokoisista titaanidioksidihiukkasista, jotka on pinnoitettu valoa absorboivilla väriainehiukkasilla ja upotettu elektrolyyttiliuokseen. Tämä vain 10 mikrometrin paksuinen sekoitus asetetaan kahden lasilevyn väliin tai upotetaan muovin sisään. Valon osuessa väriainehiukkasiin vapautuu elektroneita, ja syntyy aukkoja, positiivisen varauksen kantajia. Puolijohtava titaanidioksidipartikkelikerros johtaa elektronit ulkoiseen virtapiiriin.
Perinteiset aurinkokennot valmistetaan yleensä puolijohdemateriaalista, kuten piistä. Kun valo osuu kennoon, osa siitä absorboituu puolijohdemateriaaliin. Tällöin valon sisältämä energia siirtyy puolijohteeseen ja irrottaa siitä elektroneja. Elektronien virta on sähkövirtaa, joka kerätään puolijohdemateriaalin molemmin puolin asetettuihin johdinkerroksiin ja johdetaan ulkoiseen virtapiiriin, esimerkiksi tuottamaan virtaa taskulaskimelle. Näissä perinteisissä aurinkokennoissa pii toimii sekä elektronien lähteenä että johteena, jota pitkin varauksen kuljettajat kulkeutuvat ulkoiseen virtapiiriin.
Väriaineherkistetyissä aurinkokennoissa nämä toiminnot on erotettu toisistaan samaan tapaan kuin kasvien fotosynteesissä. Voimme nähdä kasvien lehdet pieninä tehtaina, joissa lehtivihreähiukkasiin absorboituva auringonvalo muuttaa hiilidioksidia ja vettä hapeksi ja glukoosiksi, joka tarjoaa energiaa kasvin käyttöön.
DSC-kennojen keinotekoisessa fotosynteesissä lehden rakenne on korvattu huokoisen titaanidioksidin muodostamalla nanohiukkasrakenteella, ja lehtivihreä titaanidioksidin pinnalle kiinnittyneillä väriainemolekyyleillä. Väriaineherkistetyt DSC -kennot muodostuvat nanokokoisista titaanidioksidihiukkasista, jotka on pinnoitettu valoa absorboivilla väriainehiukkasilla ja upotettu elektrolyyttiliuokseen.
Vain 10 mikrometrin paksuinen sekoitus asetetaan kahden lasilevyn väliin tai upotetaan muovin sisään. Valon osuessa väriainehiukkasiin vapautuu elektroneja, ja syntyy aukkoja, positiivisen varauksen kantajia. Puolijohtava titaanidioksidipartikkelikerros johtaa elektronit ulkoiseen virtapiiriin. Titaanioksidi on hyvin halpa ja riittoisa raaka-aine, jota käytetään tänä päivänä yleisesti mm. maaliteollisuudessa.

Kaupallisia sovelluksia tulossa

Ensimmäiset DSC-teknologian kaupalliset sovellukset tuottavat jo virtaa pienlaitteille ja DSC-paneelin massatuotanto on käynnissä. Seuraava merkittävä askel kohti suuren mittakaavan kaupallistamista otettaneen rakennusalalla. Rakennuksiin integroitu aurinkovoima (BIPV) on yksi nopeimmin kasvavista aurinkoenergian aloista. Katon ja seinien materiaalit voidaan rakentaa aurinkoenergiaa kerääviksi integroimalla niihin DSC paneelit.
DSC-materiaaleja valmistava Dyesol ja lasivalmistaja Pilkington sopivat äskettäin sähköä tuottavia ikkunoita valmistavan yhteisyrityksen perustamisesta. Dyesol kehittää myös pinnoitusmenetelmää, jolla toimistorakennuksissa käytettävät teräksiset seinäelementit voidaan muuttaa aurinkopaneeleiksi. Paneeleista voidaan tehdä myös läpinäkyviä.
DSC-kennojen väriä voidaan muuttaa käyttämällä eri väriainemolekyylejä. Valitsemalla väriaineen, joka absorboi aallonpituuksia näkyvän valon ulkopuolella, voidaan rakentaa virtaa tuottavia, täysin läpinäkyviä ikkunoita. Näin DSC -paneelit ovat houkutteleva teknologia rakennusten seiniin ja ikkunoihin integroituihin aurinkosähkösovelluksiin.
Tällä hetkellä DSC-kennot saavuttavat jo 12 prosentin hyötysuhteen laboratoriossa ja 9 prosentin hyötysuhteen todellisissa käyttöoloissa ulkosalla. Se on siis vielä alhaisempi kuin monikiteisten piikennojen 15 prosentin hyötysuhde.
 Todellisissa käyttötilanteissa ero supistuu. Piikennot ovat tarkkoja valon tulokulmasta ja lämpötilan nousu laskee niiden tehoa. Pilvisissä oloissa DSC on tehokkaampi kuin piikenno, Grätzel kertoo. Piikennot keräävät virtaa vain hyvissä valaistusoloissa. DSC -kennot toimivat jopa sateisissa oloissa. Vaikka ihanteellisissa oloissa piikennot ovat tehokkaampia, koko vuorokautta tarkastellessa DSC -kennojen suorituskyky saattaa olla parempi.

Grätzel kennojen tarina

Fotosynteesi on alhaisesta hyötysuhteestaan huolimatta tuottanut satoja miljoonia vuosia kaiken elollisten olentojen tarvitseman energian. 1970-luvulta lähtien on pyritty kehittämään tätä periaatetta noudattavaa aurinkokennoa. Tuolloin kokeiltiin puolijohtavan titaanidioksidikerroksen päällystämistä lehtivihreällä. Elektronit olivat kuitenkin haluttomia siirtymään titaanidioksidikerroksen läpi, ja energiantuotannon hyötysuhteeksi tuli vain noin 0,01 %, kertoo Grätzel.
Vuonna 1980 hän työskenteli Sveitsissä nanoteknologian perustutkimuksen parissa. He onnistuivat siellä ensimmäisinä valmistamaan nanopartikkeleita titaanin oksidista. Uuden materiaalin ominaisuuksia tutkittiin monin tavoin. Tutkijoita kiinnosti myös vedyn tuottaminen polttoaineeksi.
 Se oli perustutkimusta uteliaisuutemme tyydyttämiseksi. Kukaan ei ollut kokeillut samoja asioita ennen meitä. Kokeet loivat kuitenkin tieteellisen perustan väriaineherkistettyjen kennojen kehittämiselle, sanoo Grätzel.  Kehittämämme vedyn tuotantolaitteisto ei ollut kovin tehokas.
Vuonna 1988 Grätzel pyysi opiskelijoitaan rakentamaan aurinkosähköisen kennon, jossa käytettäisiin samaa periaatetta kuin heidän titaanidioksidin väriaineherkistyskokeiluissaan.
 Kysyin väitöskirjaansa tekevältä Hans Desilvestrolta, miten kokeilu sujui. Hän ei näyttänyt kovin innostuneelta kertoen mitanneensa vain muutaman milliampeerin virtoja. Tiesin heti, että se oli paljon, sillä muut tutkijat olivat mitanneet vain mikro- tai nanoampeereita, kertoo Grätzel.
Tasaisen titaanidioksidikerroksen sijasta he olivat käyttäneet huokoisia nanopartikkeleita. Tämä lisäsi valoa absorboivan pinta-alan moninkertaiseksi, ja valon energia saatiin tehokkaasti talteen. Ensimmäinen Grätzel -kenno oli syntynyt.
Vuonna 1991 Grätzel ja Brian O'Regan raportoivat tulokset Nature -lehdessä. Artikkeli oli käänteentekevä julkaisu alan tutkimuksessa. Tutkijoiden prototyyppikennolle raportoima 7 prosentin hyötysuhde ylitti tuhatkertaisesti aiemmat 1970-luvun yritykset. Uuden kennotyypin tehokkuus veti vertoja jo 30 vuoden ajan kehitettyjen piikennojen hyötysuhteelle.
Yhä edelleen Michael Grätzel saattaa antaa havaintoesityksen kennojensa toimivuudesta vaikka luokkahuoneessa hyvin yksinkertaisilla tarvikkeilla. Valoa absorboiva väriaine saadaan karhunvatukoista tai vadelmista. Kemikaalit sekoitetaan ja puristetaan lasilevyjen väliin. Valolle altistettuna kenno tuottaa riittävästi virtaa pyörittämään pientä tuuletinta

Teksti: Esko Kukkonen