Väitös

Timo Aho: Valon diffraktiota hyödyntävä peili aurinkokennon takapinnalla mahdollistaa tehokkaammat aurinkokennot

Timo Aho.
Aurinkokennoihin kiinteästi valmistetuilla valonohjausrakenteilla, kuten diffraktiota hyödyntävillä takapeileillä, pystytään kasvattamaan valon kulkemaa matkaa aurinkokennon sisällä. Tämä kasvattaa aurinkokennon tuottamaa virtaa ja hyötysuhdetta. Valonohjausrakenteiden valmistaminen edellyttää ohutkalvorakennetta, jolloin aurinkokennoihin saadaan lisättyä taipuisuuden ja keveyden tapaisia edistyksellisiä ominaisuuksia. Nämä ovat oleellisia ominaisuuksia esimerkiksi satelliiteissa ja drone-lennokeissa. Timo Aho kehitti väitöskirjassaan aurinkokennoihin valmistettavia takapeilejä ja sovelsi niitä seuraavan sukupolven korkean hyötysuhteen aurinkokennoihin.

Energiantarve tulee kasvamaan tulevaisuudessa edelleen ja siksi uusien hiilivapaiden tuotantotapojen kehittäminen on välttämätöntä ympäristön kannalta. Vihreistä energiantuotantotavoista auringon valoa sähköksi muuttavat aurinkokennot ovat yksi varteenotettavimmista vaihtoehdoista.

– Uusien, entistä tehokkaampien aurinkokennomateriaalien ja konseptien käyttöönotto nostaa aurinkokennojen hyötysuhdetta ja mahdollistaa entistä energiatehokkaammat aurinkokennot. Laajempi aurinkoenergian hyödyntäminen vaatii myös uusien ominaisuuksien kehittämistä. Esimerkiksi taipuisien aurinkokennojen avulla myös kaarevat pinnat voidaan ottaa käyttöön, Timo Aho kertoo.

Ahon tutkimuksen painopiste oli seuraavan sukupolven aurinkokennoissa ja niiden valmistusmenetelmissä. Tulosten mukaan aurinkokennojen takapinnalla olevien peilien käyttäminen kasvattaa hyötysuhdetta: Aurinkokennon läpi mennyt valo heijastuu takaisin aktiiviselle alueelle ja lisää siten virrantuotantoa. Tämä mahdollistaa ohuemman aktiivisen alueen valmistamisen, jolloin voidaan säästää aurinkokennojen valmistuskustannuksissa. Aurinkokennoissa voidaan myös käyttää puolijohdemateriaaleja, joista materiaalin rajoitusten takia ei voi valmistaa tarpeeksi paksuja kerroksia.

– Valon diffraktiota hyödyntävien takapeilien käyttäminen seuraavan sukupolven puolijohdeaurinkokennoissa mahdollistaa hyötysuhteen kasvattamisen yli 50 prosenttiin, jota pidetään alan piirissä seuraavana kehityksen merkkipaaluna, Timo Aho sanoo.

Timo Ahon tutkimat aurinkokennot ovat vielä suhteellisen kalliita verrattuna kuluttajamarkkinoita hallitseviin, piihin pohjautuviin aurinkokennoihin.

– Tutkimieni kaltaisia aurinkokennoja hyödynnetään pääasiassa erikoissovelluksissa, kuten satelliiteissa ja avaruusasemissa. Lisäksi taipuisuus ja keveys ovat oleellisia ominaisuuksia aurinkokennoille, joita käytetään mittaamiseen ja havainnointiin tarkoitetuissa suurissa drone-lennokeissa, Aho selventää.

– Kuluttajamarkkinoille tutkimuksen sisältämät aurinkokennot tulevat todennäköisesti ensin suuriin aurinkokennopuistoihin. Valmistusteknologian kehittyessä ja hintojen edelleen laskiessa mahdollisesti myös kotitaloudet kiinnostuvat investoimaan seuraavan sukupolven aurinkokennoihin niiden ylivoimaisen hyötysuhteen ansiosta, Timo Aho kertoo.

Tutkimustyö on tehty osana H2020 SPACE -projektia TFQD ja osana ERC AdG –projektia AMETIST.

Diplomi-insinööri Timo Ahon fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced III‒V Solar Cells with Back Reflectors tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 27.11.2020 kello 12.00 Hervannan kampuksella Tietotalon luentosalissa TB109 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Antonio Martí Madridin teknillisestä yliopistosta. Kustoksena toimii professori Mircea Guina Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1768-3

Tilaisuuteen voi osallistua etäyhteydellä.

Kuva: Antti Tukiainen