Päikeseelement

Päikeseelement^[1] ehk fotogalvaaniline element (inglise keeles solar cell või photovoltaic cell)^[2] on fotoelektriline seadis, mis valguskiirgust absorbeerides (neelates) muundab valgusenergia vahetult elektrienergiaks.^[3] Muundamine toimub pooljuhtmaterjalis – absorbermaterjalis – moodustatud pn-siirdes.

Valgust neelava ja muundava kihi paksuse järgi jagunevad päikeseelemendid paksu- ja õhukesekihilisteks. Valdava turuosa maailmas hõivavad paksukihilised päikeseelemendid ja umbes 5% õhukesekihilised (2020).^[4] Viimaseid tuntakse üldiselt õhukesekileliste päikeseelementidena (inglise keeles thin-film solar cell),

Paksukihilised elemendid valmistatakse kristallilisest ränist 150–200 mikromeetri paksuste plaatidena (inglise keeles wafer). Kristallilisest ränist elementides moodustab valgust neelav ja muundav kiht räniplaadi pealispinnas 10–100 µm (olenevalt räni kristallistruktuurist). Õhukesekilelistel elementidel võib kile olla sada korda õhem.

Ühe päikeseelemendi elektromotoorjõud (avaahelapinge) on 0,6–0,7 V ja tööpinge keskmiselt 0,5 V. Elemendi arendatav võimsus sõltub valgust absorbeeriva pinna suurusest ja on kristallilisest ränist elementide korral keskmiselt 160 W/m² (standardtingimustel). Elemendi plaadi levinud küljepikkus on 156 mm.

Nõutava pinge ja võimsuse saamiseks ühendatakse vajalik arv elemente järjestikku (jadaühendusse). Läbipaistva pealispinnaga kaitsekesta paigaldatud elemendid moodustavad päikesemooduli. Harilikult ühendatakse jadamisi 60 elementi, nii et saadakse moodul tööpingega 30 V. Suurema võimsuse saamiseks ühendatakse moodulid päikesepaneeliks.

Vahel nimetatakse päikeseelementideks ekslikult ka päikesekollektori elemente.^[5] Need elemendid aga ei tooda elektrivoolu, vaid salvestavad energiat soojusena boileris.

Päikeseelemente nimetatakse tavaliselt selle pooljuhtmaterjali järgi, millest nad on valmistatud. Kasutatava pooljuhtmaterjali alusel jaotatakse päikeseelemendid esimese, teise ja kolmanda generatsiooni ehk põlvkonna elementideks.

Esimese põlvkonna elemendid, mida kutsutakse ka traditsioonilisteks, valmistatakse kristallilisest mono- või polükristallilisest ränist.

• Monokristallilised elemendid valmistatakse räni monokristallist (c-Si) saetud õhukestest plaatidest. Nende kasutegur (energia muundamise efektiivsus) võib olla üle 25%, kuid nende tootmine on kulukas.
• Polükristallilisest ränist (poly-Si või mc-Si) elemendid on samuti ränikristallist, kuid kristallid pole ühtlaselt orienteeritud kristallistruktuuriga. Need elemendid on väiksema kasuteguriga (18% ringis), kuid odavamad valmistada ja seetõttu kõige laiemalt kasutusel.

Teise põlvkonna elementides on valguskiirgust absorbeerivaks materjaliks peamiselt mikrokristalliline räni (µc-Si) või amorfne räni (a-Si:H), harvemini kaadmiumtelluriid (CaTe), vaskindiumgalliumseleniid (CIGS) vm. Sorbentmaterjal sadestatakse aurufaasist õhukese kilena alusmaterjalile. Niisugustel elementidel põhinevadid päikesepaneelid on näiteks kasutel päikeseeletrijaamades. Amorfset ja mikrokristallilist räni kasutatakse ka kombineeritult muude mineraalsete pooljuhtidega mitmekihiliste, nn tandempaikeseelementide tootmiseks.

Kolmanda põlvkonna päikeseelemendid on enamasti uurimis- ja arendusjärgus. Absorbermaterjalidena uuritakse mitmesuguseid anorgaanilisi ja metallorgaanilisi ühendeid, et luua efektiivseid stabiilsete omadustega päikeseelemente ja ühtlasi vähendada tootmiskulusid. Rakendatakse õhukese tahkiskile tehnoloogiaid: valgust neelav materjal kantakse ühe või mitme väga õhukese, nanomeetrites mõõdetava kihina alusmaterjalile, milleks võib olla klaas, plast või metall.

Päikeseelement on tööpõhimõttelt suurepinnaline fotodiood, mida kasutatakse fotogalvaanilises (vooluallika) režiimis. Elemendi pn-siirdele langeva valguse footonite energia kandub üle räniaatomite valentsitsooni elektronidele, mis on tuumaga lõdvalt seotud. Need elektronid tõusevad juhtivustsooni, jättes valentsitsooni augud. Juhtivustsooni elektronid ja vastavad positiivse laenguga augud on vabalt liigutatavad. Need laengukandjad paneb liikuma pooljuhtmaterjalis loodud pn-siirde sisemine ruumlaengu elektriväli, vt fotogalvaaniline efekt. Vabad elektronid liiguvad sisemise elektrivälja mõjul elemendi anoodile ja elektronidest jäänud augud katoodile. Tulemusena tekib päikeseelemendi klemmide vahel potentsiaalide vahe – pinge. Kui kontaktide vahele ühendada elektritarviti, liiguvad elektronid elektrivooluna läbi tarviti. Pinge päikeseelemendielemendi elektroodide vahel ja vool elemendiga ühendatud koormusel püsib, kuni valguskvandid genereerivad järjest uusi vabu laengukandjaid.

Olenevalt päikeseelemendi ehitusest võib fotovoolu põhjustada kas ainult laengukandjate triiv (nende suunatud liikumine) või siis lisaks ka laengukandjate difusioon, nagu paksukihilises päikeseelemendis.

Elektromotoorjõu tekkimist pn-siirdes valguskvantide toimel nimetatakse fotogalvaaniliseks efektiks, ka ventiilfotoefektiks.^[6][7]

Päikeseelemendi tunnussuurused antakse standardtingimustel STC (Standard Test Conditions), mis on järgmised:

• kiiritustihedus (vt Radiatsioon) mooduli tasapinnas 1000 W/m²;
• päikeseelemendi temperatuur püsivalt 25 °C;
• kiirgusspekter AM 1,5 global (sarnaneb 35. laiuskraadi suvise päikesevalguse spektriga temperatuuril 25 °C).

Tunnussuuruste indeksitena on kasutusel järgmised inglise keele sõnade lühendid;

• SC Short Circuit – lühisahel, lühis;
• OC Open Circuit – avaahel, tühijooks;
• MPP Maximum Power Point – maksimaalsele võimsusele vastav tööpunkt;
• PR Performance Ratio – kvaliteeditegur, mis näitab tegelikult kasutada olevat osa elemendi voolust.

Päikeseelementi iseloomustatakse järgmiste parameetritega:

• avaahelapinge ${\displaystyle U_{\mathrm {OC} }}$ (ingliskeelses tekstis ${\displaystyle V_{\mathrm {OC} }}$);
• lühisvool ${\displaystyle I_{\mathrm {SC} }}$;
• optimaalsele tööpunktile vastav pinge ${\displaystyle U_{\mathrm {MPP} }}$ (${\displaystyle V_{\mathrm {MPP} }}$);
• tööpunktis saavutatavale suurimale võimsusele vastav vool ${\displaystyle I_{\mathrm {MPP} }}$
• suurim võimsus ${\displaystyle P_{\mathrm {MPP} }}$ (standardtingimustel), mõõtühiku tähis kWp (Kilowatt-peak), ka Wp;
• täitetegur ${\displaystyle FF={\frac {P_{\mathrm {MPP} }}{U_{\mathrm {OC} }\cdot I_{\mathrm {SC} }}}}$;
• elemendi võimsuse temperatuuritegur ${\displaystyle TK\ P_{\mathrm {MPP} }}$, tüüpiliselt väheneb võimsus temperatuuril üle 25 °C keskmiselt 0,4% iga kraadi kohta;
• Elemendi kasutegur ${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {MPP} }}{A\cdot E_{\mathrm {e} }}}}$, kus ${\displaystyle A}$ on kiiritatav pindala ja ${\displaystyle E_{\mathrm {e} }}$ kiiritustihedus.

Päikesaeelemendi kasutegurit ${\displaystyle \eta }$ iseloomustab genereeritava elektrilise võimsuse ${\displaystyle P_{\text{elektriline}}}$ ja elemendile langeva valguskiirguse võimsuse ${\displaystyle P_{\text{valgus}}}$ suhe:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{elektriline}}}{P_{\text{valgus}}}}}$.

Seda suhet väljendatakse harilikult protsentides.

Valguskiirguse sagedusriba optimaalse ärakasutamise korral võib kasuteguri piir olla 41%. Sellele piirile võib kõige lähemale jõuda tandemelement, Enamikus praktilistes rakendustes ei ületa kasutegur 25%. Kasutegurit saab oluliselt suurendada valguse optilise kontsentreerimisega elemendile.

Fotogalvaanilist efekti demonstreeris eksperimentaalselt prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel 1839. aastal. 19-aastaselt 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^[8].

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 füüsikaauhinna. 1940. aastal avastas USA uurimisinstituudi Bell Labs füüsik Russel Ohl räni pn-siirde ja sellel asetleidva fotoelektrilise efekti, kuid ka selle kasutegur oli alla 1%^[9]. Pärast Teist maailmasõda patenteeris Ohl 1946. aastal esimese moodsa päikeseelemendi^[10].

Esimese praktilise päikeseelemendi arendasid Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller ja Gerald Pearson 1954. aastal uurimisinstituudis Bell Labs. 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^[11]. Esialgu kasutati neid päikeseelemente mänguasjades ja teistes vähestes rakendustes, kuna elektritootlikkuse ja hinna suhe oli väga madal. 1956. aastal maksid päikesepaneelid võimsusega 1 vatt ligikaudu 300 dollarit, samas elektrijaama tootmisvõimsuse vatt maksis 0,5 dollarit^[12].

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 Labsi enda sidesatelliit Telstar 1^[9].

Järgmisel kahel aastakümnel olid edusammud aeglased. Ainukesena levis päikeseelementide kasutuselevõtt 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 1960. aastatel 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 võimsust ligikaudu 100 dollarit^[13].

Pärast Elliot Bermani päikeseelementide tootmiskulude langetamist ligi kümnele dollarile (jaemüügihind 20 dollarit), on edasised täiendused langetanud tootmiskulude hinda 1 dollarini vati ja jaemüügihinda 2 dollarini vati kohta.^[12] Päikesepaneele toetavad komponendid ja süsteemid maksavad rohkem kui paneelid ise^[14].

Nii nagu pooljuhttööstus on läinud üha suuremate toorikkristallide peale, on ka päikeseelemendid muutunud suuremaks. 1977. aastal päikesepaneelide ehitamisele spetsialiseerinud ARCO Solari paneelides kasutati elemente, mille diameeter oli vahemikus 51–100 mm. 1990. aastatel ja 2000. aastate alguses kasutati paneelides tavaliselt pooljuhtplaate diameetriga 125 mm ning alates 2008. aastast kasutatakse enamikus uutes päikesepaneelides elemente diameetriga 150 mm. LCD-, plasma- ja muude lameekraanide võidukäik 1990. aastate lõpus ja 2000. aastate alguses viis suuremõõtmeliste kõrgekvaliteediliste klaaslehtede saadavuseni, mis võeti peatselt kasutusele ka päikesepaneelide katmisel.

1990. aastatel said päikeseelemendid üha populaarsemakspolükristallilisest ränist (polysilicon) . Need elemendid on väiksema efektiivsusega kui monokristallilisest ränist päikeseelemendid, kuid polükristallilise räni kasvatamise tõttu suurtes vaatides, on tootmiskulud oluliselt madalamad. 2000. aastate keskel domineerisid polükristallilisest ränist elemendid odavamate paneelide turul, kuid mitmete tegurite tõttu on kõrgema efektiivsusega monokristallilisest ränist elemendid läinud üha laiemasse kasutusse^[15].

• Õhukesekileline päikeseelement
• Tandempäikeseelement
• Läbipaistev elektrood