Väriherkistetyt aurinkokennot eli Grätzelin kennot
Enna Heikkinen ja Aino Pyrhönen
14.10.2015
Taustaa
Aurinkokennot ovat tällä hetkellä varsin ajankohtainen aihe, kun maailmassa etsitään uusia
energiaratkaisuja
ilmastonmuutoksen
hillitsemiseksi.
Perinteisesti
aurinkokennoja
valmistetaan piistä, joka on puolijohde.
Piikennojen toiminta perustuu n- ja p-tyypin puolijohteisiin, ja niiden liitokseen. N-tyypin
puolijohde on piitä, johon on seostettu pieni määrä arseenia tai fosforia, joilla kummallakin
on yksi elektroni enemmän kuin piillä. Tällöin n-tyypin puolijohteessa on ikään kuin
ylimääräisiä elektroneja. P-tyypin puolijohde puolestaan on piitä, johon on seostettu booria
tai alumiinia, joilla on yksi elektroni vähemmän kuin piillä, joten puolijohteeseen syntyy
aukkoja.
Kun n- ja p-tyypin puolijohteet liitetään yhteen, n-puolen elektronit pyrkivät täyttämään ppuolen aukot. Liitoskohtaan syntyy sähkökenttä, kun liitoskohdassa n-puolelle muodostuu
positiivisia ja p-puolelle negatiivisia ioneja.
Valosähköisessä ilmiössä fotoni absorboituu aineeseen, ja sen
energia
irrottaa
atomilta
ulkoelektronin.
Piikennon
tapauksessa nämä auringonsäteilyn irrottamat elektronit
lähtevät liikkeelle sähkökentän ohjaamina, eli p-puolelta npuolelle ja ulkoiselle virtapiirille, jolloin syntyy sähkövirta
(kuva 1).
Kuva 1 (lähde: http://tfy.tkk.fi/aes/AES/projects/renew/pv/pv-toiminta.html)
Grätzelin kennot eli väriherkistetyt aurinkokennot kehitti
Michael Grätzel, joka julkaisi aiheesta ensimmäisen artikkelinsa vuonna 1991. Keksintö sai
millenium-palkinnon vuonna 2010. Kennojen toimintaperiaate mukailee fotosynteesiä, vaikka
perusperiaatteesta löytyy yhtymäkohtia myös perinteisiin piikennoihin.
Toimintaperiaate
Grätzelin kennon rakenne on seuraava: Päällimmäisenä on anodi, joka on läpinäkyvää
materiaalia, esimerkiksi platinalla pinnoitettua lasia tai myöhemmin myös muovia. Alempana
on ohut TiO2 –kerros. TiO2 on puolijohde, ja huokoisena materiaalina siihen on hyvä kiinnittää
väriainemolekyylejä. Väriainemolekyyleihin puolestaan tapahtuu fotonien absorptio. Katodin
ja anodin välissä on elektrolyyttiliuos, joka on useimmiten jodia. Katodi on kennon pohjalla.
Kennossa tapahtuvat reaktiot ovat:
S + hv → S* (1)
S* → S⁺ + e⁻ (2)
I3⁻ + 2e⁻ → 3I⁻ (3)
S⁺ + 1½ I ⁻ → S + ½ I3⁻ (4)
S
kuvaa
väriainemolekyyliä,
ja
Kuva 2 (lähde: http://suomenkuvalehti.fi/wpcontent/uploads/sk/files/Gratzel_innovation.jpg)
absorboidessaan fotonin se virittyy (1).
Viritystilan purkautuessa se luovuttaa elektronin (2), joka lähtee
kulkeutumaan puolijohdetta pitkin anodille ja sieltä edelleen ulkoiselle
virtapiirille. Luovuttamansa elektronin tilalle väriaine vastaanottaa
eletronin elektrolyyttiliuoksen jodilta (4), joka puolestaan saa
elektroneja katodilta (3). Näin virtapiiri sulkeutuu. Toimntaperiaatetta
havainnollistaa kuva 2.
Jotta
väriainemolekyyli
soveltuisi
Grätzelin
kennon
väriainemolekyyliksi, sen tulisi ideaalitapauksessa absorboida kaikkia
aallonpituuksia. Lisäksi sen tulisi muodostaa sidoksia puolijohteen, eli
titaanidioksidin kanssa. Luonnollisesti väriainemolekyylien tulee myös
olla
sellaisia,
jotka
Väriainemolekyylien
ovat
stabiileja
tutkimus
on
valolle
ja
lämmölle.
keskittynyt
lähinnä
metallikomplekseihin, erityisesti ruteenikomplekseihin. Esimerkkeinä
Grätzelin kennoissa toimivista ruteenikomplekseista ovat N719- ja N3molekyylit (kuva 3). Niistä kumpikin kiinnittyy puolijohdekalvoon
Kuva 3 (lähde:
http://www.helsinki.fi/kemia/
opettaja/ont/kolehmainen-k2011.pdf)
karboksyyliryhmiensä avulla ja tiosyanaattiryhmät parantavat fotonien absorptiota.
Hyödyt
Grätzelin kenno saa muiden aurinkokennojen tapaan energiansa auringon säteilystä.
Auringon säteily on lähes rajaton uusiutuva energianlähde. Pelkästään auringosta maapallolle
säteilevä energia riittäisi tyydyttämään koko ihmiskunnan energiantarpeen. Vaikka vasta alle
kymmenkunta prosenttia ihmiskunnan kuluttamasta sähköstä tuotetaan aurinkovoimalla,
sillä on hyvin suuri potentiaali tulevaisuudessa, kun tarvitaan vaihtoehtoisia ja mielellään
uusiutuvia energianlähteitä korvaamaan nyt vielä käytössä olevat uusiutumattomat ja
rajalliset energianlähteet. Grätzelin kennot ovat ympäristöystävällisiä eivätkä ne tuota
kasvihuonekaasuja.
Grätzelin kennon etu ensimmäisen ja toisen sukupolven aurinkokennoihin on se ettei
Grätzelin kenno sisällä piitä. Ensimmäisen sukupolven kennoissa käytetään kiteistä piitä ja
toisen sukupolven kennoissa pii on amorfista. Kennoja varten piin on oltava
alkuainemuodossa. Luonnossa pii ei kuitenkaan koskaan esiinny puhtaana alkuaineena vaan
se on aina sitoutuneena erilaisissa yhdisteissä, joista se pitää erottaa ja puhdistaa. Erotus ja
puhdistus ovat kalliita ja monimutkaisia prosesseja.
Aurinkopaneelien kysynnän ja tuotannon kasvaessa piin kulutus on kasvanut, minkä vuoksi
sen saatavuus on ollut välillä heikkoa. Ensimmäisen ja toisen sukupolven aurinkokennot ovat
täysin riippuvaisia piin saannista, kun taas Grätzelin kenno on täysin riippumaton. Grätzelin
kennot ovat myös turvallisempia kuin toisen sukupolven myrkyllistä kadmiumia sisältävät
kadmiumtelluuri aurinkokennot.
Grätzelin kennon muita hyviä puolia on sen raaka-aineiden halpa hinta. Platinaa ja sähköä
johtavaa lasia lukuun ottamatta muut kennoon vaadittavat materiaalit ovat suhteellisen
edullisia. Lasi voidaan kuitenkin korvata halvemmilla ja paremman hyötysuhteen antavilla
erilaisilla muoveilla.
Muovin käyttö lasin sijaan tuo toisenlaisenkin edun. Ohkaiseen ja joustavaan muovialustaan
integroitu
valoherkistetty
kenno
säilyttää
muovin
juostavuuden.
Keveytensä
ja
taipuisuutensa ansiosta Grätzelin kennoja voi hyödyntää monipuolisesti mm. vaatteen osana
tai pienissä kannettavissa laitteissa. Taipuisuuden ansiosta Grätzelin kennojen teollinen
valmistus onnistuu roll to roll – tekniikalla, jossa kenno ikään kuin tulostetaan rullalla olevalle
joustavalle muovipinnalle. Grätzelin kennoja voi pienessä mittakaavassa valmistaa helposti
myös itse kotona.
Toimintaperiaatteensa takia auringonvalon tulokulma ei vaikuta Grätzelin kennon
tehokkuuteen. Myöskään lämpötilan nousu ei laske hyötysuhdetta. Grätzelin kenno on myös
ainutlatuinen siinä, että se ei tarvitse suoraa auringonvaloa vaan toimii tehokkaasti pilvisellä
säällä ja jopa sisätiloissa, missä se saa energiansa lammpujen keinovalosta.
Heikkoudet
Grätzelin kennoilla on kuitenkin myös huonoja puolia. Vaikka kennon materiaalit ovat
suurimmalta osin edullisia mm. platina ja sähköä johtava lasit ovat kalliimpia. Lasia on
kuitenkin alettu korvaamaan halvemmilla muoveilla ja metallilla. Muovien kanssa ongelmana
on kuitenkin muovien heikko kuumuuden kestävyys ja metalleilla taas kennon elektrolyytin
aiheuttama korroosio. Grätzelin kennoilla on myös huomattavsti pienempi hyötysuhde kuin
vastaavilla ensimmäisen ja toisen sukupolven piipohjaisilla kennoilla. Grätzelin kennon
hyötysuhde on parhaimmillaan vain noin 10 % kun piistä valmistetuilla kennoilla päästään
tuplasti korkeampiin lukemiin.
Grätzelin kennojen suurin ongelma on kuitenkin niiden lyhyt käyttöikä. Suurin syy käyttöiän
lyhyelle pituudelle on kennon nestemäinen jodi/trijodidi elektrolyytti. Alhaisissa lämpötiloissa
nestemäinen elektrolyytti voi jäätyä ja korkeassa lämpötilassa se laajenee. Tällöin kennon
sinetöinnistä täytyy pitää hyvää huolta. Kennon vaurioituessa nestemäinen elektrolyytti voi
myös alkaa vuotaa. Elektrolyyttiliuoksessa on myös haitallisia VOC-yhdisteitä (Volatile Organiv
Compounds), jotka mm. lisäävät alailmakehän otsonin syntyä ja ovat näin haitallisia sekä
ihmiselle että ympäristölle
Käyttö
Taipuisan ja kevyen rakenteensa vuoksi Grätzelin kennoja voidaan käyttää moniin eri
tarkoituksiin. Vuonna 2009 markkinoille ilmestyi ensimmäinen Grätzelin kennoa hyödyntävä
aurinkokennoja sisältävä selkäreppu. Repun kennossa käytettiin ruteniumia valoherkistimenä
ja jodidi/trijodidi elektrolyyttiä. Aurinkokenno oli kiinnitetty repun ulkopinnalle, josta se sai
hyvin auringonsäteilyä. Kennon avulla sai virtaa mm. kännykän lataamiseen. Myöhemmin
reppujen lisäksi on kehitetty aurinkoenergialla toimivia rannekelloja, kaukosäätimiä ja muita
pieniä, elektronisia ja kannettavia laitteita. Grätzelin kennoja voitaisiin hyödyntää myös
vaatteissa ja teltoissa. Grätzelin kennoja aiotaan hyödyntää myös kattorakenteissa ja
rakennusten julkisivujen seinäelementeissä. Ensimmäinen suuren mittakaavan projekti, jossa
Grätzelin kennoja käytettiin, oli Sveitsiin vuonna 2014 valmistunut Swiss-Tech Convention
Center – rakennus, jonka julkisivu on tehty kokonaan aurinkopaneeleista. Kennojen
yhteispinta-alksi laskettiin 300 m2.
Tulevaisuus ja jatkokehitys
Grätzelin kennojen tulevaisuuden kannalta tärkeimmät tavoitteet ovat kennojen
hyötysuhteen nostaminen ja käyttöiän pidentäminen. Hyötysuhteen nostamiseksi on tutkittu
mm. hiilinanomateriaalien käyttöä. Kennojen käyttöiän nostamiseksi on puolestaan kehitetty
elektrolyyttiliuoksia,
koska
jodidi/trijodidi-elektrolyyttiliuos
aiheuttaa
korroosiota.
Korvaavaksi elektrolyytiksi on suunniteltu ionisia nesteitä. On myös valmistettu kennoja,
joissa on kiinteä elektrolyytti. Kiinteä elektrolyytti ratkaisee monta Grätzelin kennojen
ongelmaa. Niilä on myös päästy korkempiin hyötysuhteisiin ja parempaan kestävyyteen.
Teollisuus ja tuotanto
Grätzelin kennoja valmistetaan teollisesto roll to roll – menetelmällä. Siinä väriherkistinaine
sivellään rullalla olevalle muovialustalle. Menetelmä hyödyntää Grätzelin kennojen
taipuisuutta. Kennojen valmistaminen on suhteellisen helppoa ja halpaa. Koska Grätzelin
kennojen hyötysuhde ja kestävyys on vielä piipohjaisia aurinkokennoja huonompi, niiden
valmistus ei ole vielä yhtä suurta. Vain muutaman suuri yritys valmistaa Grätzelin kennolla
toimivia tuotteita. Tutkimusta ja tuotekehitystä kuitenkin on ja ala lähtee varmasti kasvuun
kun valtiot alkavat etsiä vaihtoehtoisia energianlähteitä uusiutumattomien energianlähteiden
tilalle. Yrityksiä, jotka valmistavat tai tutkivat Grätzelin kennoja ovat mm. Dyesol, Solaronix,
SolarPrint, G24Innovations ja Sony Corporation.
Lähteet
1. http://gcell.com/applications
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
3. http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/ont/kolehmainen-k-2011.pdf
4. http://lib.tkk.fi/Diss/2010/isbn9789526030708/isbn9789526030708.pdf
5. http://tfy.tkk.fi/aes/AES/projects/renew/pv/pv-toiminta.html
6. http://www.tekniikkatalous.fi/tekniikka/energia/2012-05-25/Uusi-tekniikka-korjaaaurinkokennojen-isot-ongelmat-%E2%80%93-sulamalla-jaj%C3%A4hmettym%C3%A4ll%C3%A4-3309422.html
7. http://gcell.com/applications