Tulostetaanko tehokasta aurinkopaneelia kohta seiniin, kattoihin ja ikkunoihin?
Suomi oli aurinkosähkön vallankumouksen edelläkävijä, nyt kehitystä johtaa Puola
Vielä muutama vuosi sitten juuri kukaan ei ollut kuullut perovskiitista. Se voi kuitenkin olla aurinkosähkön ja energiantuotannon tulevaisuus, kirjoittaa tietokirjailija Risto Isomäki.
Kuvittele, että kotikorttelissasi sijaitsisi kauppa, jossa voi tulostaa printterillä hetkessä aurinkopaneelia parin euron neliöhintaan. Kalvomaisella aurinkopaneelilla voisit vuorata talosi ulkoseinät, katon, pihatien tai vaikka auton.
Paneelit keräisivät auringonvaloa huomattavasti nykyisiä aurinkopaneeleja tehokkaammin ja tuottaisivat ennennäkemättömän halpaa sähköä.
Tämä utopistiselta kuulostava mielikuva voi pian olla mahdollista uuden teknologian ansiosta. Sen salaisuus on jalkojemme alta löytyvä perovskiitti.
Mikä ihmeen perovskiitti?
Perovskiitti oli vielä muutama vuosi sitten melko huonosti tunnettu materiaali. Kehitys on ollut nopeaa, sillä nyt se saattaa olla aurinkosähkön ja maailman energiantuotannon tulevaisuus.
Perovskiitilla tarkoitettiin alunperin vain yhtä mineraalia, kalsiumtitanaattia. Saksalainen mineraalitutkija Gustav Rose löysi sitä ensimmäisen kerran Ural-vuoristosta vuonna 1839. Nykyään se on yleisnimitys kaikille samanlaisen kiderakenteen omaaville luonnossa esiintyville tai ihmisen valmistamille mineraaleille.
Arviolta yli kolmasosa maapallon painosta on perovskiittia.
Myöhemmin huomattiin, että perovskiittia löytyy valtavia määriä myös muualta: Arviolta yli kolmasosa maapallon painosta on perovskiittia.
660 kilometrin syvyydestä alkava ja 2 900 kilometrin syvyyteen asti ulottuva maan vaipan osa koostuu valtaosin perovskiitista. Sitä on paljon myös maan kuoressa eli maapallon pintakerroksessa.
Nykyään perovskiitti on yleisnimitys myös ihmisen tekemille synteettisille mineraaleille, joilla on samanlainen kiderakenne kuin alkuperäisellä perovskiitilla. Uuden teknologian aurinkopaneelit tehdään synteettisestä perovskiitista.
Kymmenen kertaa nykyistä halvempaa aurinkosähköä
Uusimpien arvioiden mukaan perovskiitista on pian mahdollista valmistaa neliömetri aurinkopaneelia noin kahdella eurolla, eli yli kymmenen kertaa nykyistä halvemmalla.
Vaikka aurinkovoimaloiden kaikki osat eivät halpene yhtä paljon, sähköstä voi tulla merkittävästi nykyistä edullisempaa.
Hinnan laskulla on isoja vaikutuksia. Halvempi aurinkosähkö voi tehdä muun muassa hiilineutraalien polttoaineiden ja hiilineutraalin teräksen tuotannosta taloudellisesti kannattavaa.
Perovskiittiset aurinkopaneelit mullistavat myös rakennusalan, koska rakennukset voivat alkaa tuottamaan oman energiansa.
Tuplasti energiatehoa, mutta vasta teoriassa
Perovskiitista valmistetut aurinkopaneelit kykenevät ehkä tulevaisuudessa muuttamaan suuremman osan auringon säteilystä sähköksi kuin nykyiset aurinkopaneelit.
Perovskiittiset aurinkopaneelit voisivat muuttaa jopa 66 prosenttia auringon säteilystä energiaksi.
Nykyisten aurinkokennojen materiaali on pii. Piipohjaiset aurinkopaneelit ovat parhaimmillaan onnistuneet muuttamaan reilut 26 prosenttia auringon säteilystä energiaksi. Niiden ei uskota koskaan pääsevän 30 prosenttia korkeammalle.
Perovskiittisten aurinkopaneelien on teoreettisten laskelmien mukaan mahdollista päästä jopa 66 prosenttiin.
Perovskiitin valtava potentiaali on kuitenkin toistaiseksi toteutumatta. Tutkimuksissa on päästy 28 prosentin energiatehoon, mutta vain neliösenttimetrin kokoisella valokennolla.
Suurin osa perovskiitista tehdyistä aurinkokennoista toimii edelleen vain noin kymmenen prosentin hyötysuhteella, mikä on selvästi niiden piipohjaisten kilpailijoiden nykyistä keskiarvoa vähemmän.
Ohutta aurinkokennokalvoa printattuna kaikkialla
Houkuttelevan uuden ratkaisun perovskiitista tekee se, että siitä on ratkaisevasti helpompaa ja halvempaa tuottaa aurinkopaneeleja kuin piistä.
Nykyisiä piipohjaisia aurinkopaneeleja valmistava tehdas on suhteellisen monimutkainen.
Se on käytännössä kuin monta erilaista ja erillistä, mutta toisiinsa kytkeytyvää tuotantolaitosta. Useimmat valmistusvaiheet edellyttävät korkeita lämpötiloja ja tyhjiötä. Tällaisten tuotantotilojen rakentaminen ja käyttäminen on kallista.
Perovskiittisten aurinkopaneelien valmistus ei vaadi korkeita lämpötiloja eikä vaarallisia kemikaaleja. Se ei altista tehtaiden työntekijöitä piitä sisältävälle pölylle ja silikoosiksi kutsutulle vakavalle keuhkosairaudelle.
Jotkut asiantuntijat ovat ehdottaneet jopa vanhojen kirjapainojen valjastamista sähköä tuottavien kalvojen tuotantoon.
Perovskiittia tarvitaan sähkön tuottamiseksi vain hyvin ohut kalvo. Ennen kaikkea tuotannon ei tarvitse tapahtua tyhjiössä. Tuotantoa varten tarvitaan vain yksi, suhteellisen yksinkertainen tuotantolinja ja se voi tapahtua erikokoisilla printtereillä.
Jotkut asiantuntijat ovat ehdottaneet jopa vanhojen kirjapainojen valjastamista sähköä tuottavien kalvojen tuotantoon.
Osa kirjapainoista, jotka nyt painavat sanoma- tai aikakauslehtien tai kirjojen sivuja valtavan suurina sarjoina, tuottaa ehkä tulevaisuudessa uuden sukupolven aurinkopaneeleja.
Hiukan toisenlaisessa visiossa jokaisessa maaseutukylässä ja kaupunkien korttelissa olisi ainakin yksi aurinkopaneeleja tulostava, ehkä vähän valokopiokonetta muistuttava laite.
Tällainen järjestely mahdollistaisi hyvin monenlaisten, tarkasti asiakkaiden tarpeisiin räätälöityjen tuotteiden valmistuksen.
Hiilimaa Puola on kehityksen kärjessä
Puola on viime aikoina jarruttanut Euroopan unionin ilmastotyötä, mutta yllättävästi aurinkoenergian kehityksessä se on siirtymässä maailman kärkeen.
Ohutkalvoinen ihme-aurinkopaneeli ei ole pelkkää kuvitelmaa, sillä Puolassa on jo perovskiittisia aurinkopaneeleita valmistava tehdas.
Sen ovat perustaneet puolalainen yritys Saule Technologies yhdessä ruotsalaisen rakennusalan jätin Skanskan kanssa. Saulen taustalla on 38-vuotias fyysikko ja keksijä Olga Malinkiewicz.
Osittain perovskiitilla päällystetty omakotitalo tuotti vuoden mittaisessa kokeessa 41 258 kilowattituntia eli sähköt muutamalle talolle.
Saulen tuotteet eivät juuri muistuta vanhanaikaisia aurinkopaneeleja.
Niistä on tarkoitus tehdä aurinkosähköä tuottavia pinnoitteita muun muassa rakennusten kattoihin, seiniin ja ikkunoihin sekä autoihin. Niitä on tarkoitus asentaa myös rakennusten sisälle, ikkunoista tulevan luonnonvalon hyödyntämiseksi ja keinovalon kierrättämiseksi.
Perovskiitin voi tulostaa vaikka graafiseksi kuvioksi. Mahtikoneita ja ilmastoihmeitä -sarjan juontaja, keksijä ja tietokirjailija Janne Käpylehto tutkii Saulessa tulostettua perovskiittikalvoa.
Skanska sanoo, että se aikoo ensin käyttää Saulen tuotteita ”massiivisessa mittakaavassa” Puolassa – ja sitten valloittaa koko muun maailman niiden avulla.
Saulen pieni, osittain perovskiitilla päällystetty omakotitalo tuotti vuoden mittaisessa kokeessa 41 258 kilowattituntia eli sähköt muutamalle talolle.
Suomi hukkasi etumatkan, mutta voi vielä ehtiä kilpajuoksuun
Suomella oli kolme vuotta sitten mahdollisuus nousta uudessa aurinkoteknologiassa edelläkävijäksi.
Perovskiitilla oli pitkään yksi hyvin suuri ongelma. Siitä tehdyt aurinkopaneelit alkoivat rapistua ja menettää tehoaan nopeasti heti, kun ne otettiin käyttöön.
Tutkijat onnistuivat pikku hiljaa pidentämään perovskiittisten valosähkökennojen ikää, ensin tunteihin ja sitten päiviin.
Lopullinen läpimurto saavutettiin vuonna 2015, kun kiinalaiset tutkijat Anyi Mei ja Hongwei Han työtovereineen onnistuivat valmistamaan perovskiittisia aurinkopaneeleja, joiden teho ei laskenut tuhannen tunnin aikana kovin pahasti.
Saule kertoi viisi vuotta myöhemmin, eli vuonna 2020, kehittäneensä perovskiitista tehdyn aurinkopaneelin, jonka teho ei ole enää laskenut havaittavalla tavalla.
Aalto-yliopiston tutkijat olivat vähintään vuoden Saulea edellä tärkeimmän perovskiittiin liittyvän ongelman ratkaisemisessa.
Tämä on maailman kannalta hieno ja suurenmoinen asia, mutta Suomen näkökulmasta asiaan sisältyy myös pieni ripaus harmia.
Saule ja Skanska sanoivat nimittäin vielä alkuvuodesta 2019, että niiden paneelien teho oli kokeissa laskenut noin 10 prosenttia tuhannessa tunnissa.
Suomessa pitkään asuneella pakistanilaissyntyisellä Syed Ghufran Hashmilla ja hänen suomalaisilla työtovereillaan oli jo vuoden 2018 lopussa perovskiittinen aurinkopaneeli, joka ei ollut vajaan vuoden aikana menettänyt tehoaan havaittavalla tavalla.
Itse asiassa Ghufranin aurinkopaneelien teho oli jopa hiukan kasvanut, ilmeisesti kiderakenteissa tapahtuneiden muutosten takia.
Aalto-yliopiston tutkijat olivat siis tuolloin vähintään vuoden Saulea edellä tärkeimmän perovskiittiin liittyvän ongelman ratkaisemisessa.
Suomen hallitus tuki perovskiittitutkimusta, mutta jälkikäteen ajateltuna liian pienellä summalla. Tuki oli 600 000 euroa. Tutkimuksen vieminen loppuun ja kokeellisen tuotantolaitoksen perustaminen olisi maksanut vähintään viisi miljoonaa euroa.
Vahingon korjaaminen ei välttämättä olisi vieläkään mahdotonta. Oulun Yliopiston ja Aalto-yliopiston kehittämällä tekniikalla on useita merkittäviä etuja, eivätkä suomalaiset ole ehtineet jäädä kovin pahasti jälkeen maailman kärjestä.
Terawatt-scale photovoltaics: Transform global energy (Science, 2019)
Tieto- ja tieteiskirjailija Risto Isomäki on tullut tunnetuksi globalisaatiota ja ympäristökysymyksiä koskevista teoksistaan. Hänen tunnetuin romaaninsa on “Sarasvatin hiekkaa”, joka oli Finlandia-palkintoehdokkaana vuonna 2005. Isomäki sai vuonna 2020 tiedonjulkistamisen elämäntyöpalkinnon pitkäaikaisena maan, meren ja ilmaston tulevaisuuden puolestapuhujana.
