thumb|Aurinkokennoja. Aurinkokenno on laite, jolla auringon säteily muunnetaan sähköenergiaksi valosähköisen ilmiön avulla. Kennon toiminta perustuu kahteen pääperiaatteeseen: saapuva fotoni synnyttää absorboivaan puolijohteeseen varauksenkuljettajia, jotka kerätään kulutuslaitteeseen tai akkuihin. Aurinkosähköä voidaan tuottaa myös infrapunavalosta.Aurinkosähköä pimeässä, Tekniikka ja Talous Yleisimpiä aurinkokennojen materiaaleja ovat yksikiteinen pii, monikiteinen pii, galliumarsenidi ja amorfinen pii.
Yksittäinen aurinkokenno tuottaa suhteellisen pienen jännitteen, joten yleensä aurinkokennot kytketään sarjaan ja asennetaan kehikkoon niin kutsutuksi aurinkopaneeliksi. Valosähköisestä aurinkosähköstä puhuttaessa käytetäänkin yleensä termiä aurinkopaneeli kennon sijaan.
Historia ja fysiikka Piipohjaiset aurinkokennot perustuvat valosähköiseen ilmiöön. Se havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta sitä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla vasta 1880-luvulla. Heinrich Hertz havaitsi vuonna 1887, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin poistumista pinnasta. Nykyään tiedetään, että kyse on elektroneista. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallankumouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolosta tiedettiin jo. Thomas Edison havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korkeaan lämpötilaan vapautti elektroneja (Edison ei tuntenut elektronia). Pienintä energiaa, jolla elektroni irtoaa kappaleen pinnasta kutsutaan irrotustyöksi (f) ja se on materiaalivakio. Hertzin käyttämät kappaleet eivät olleet riittävän kuumia, jotta elektroni olisi irronnut lämpöenergialla.Young & Freedman, Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics 11th Edition, s. 1447-1450
Vuosina 1886–1900 saksalaiset fyysikot Wilhelm Hallwachs ja Philipp Lenard tutkivat yksityiskohtaisesti valosähköilmiötä ja saivat melko odottamattomia tuloksia: monokromaattisen valon osuessa kennoon elektroneja ei irtoa ellei käytetyn valon taajuus ollut korkeampi kuin rajataajuus; käytetyn valon intensiteetti ei vaikuta pysäytysjännitteeseen (jännite, jolla elektronien kulku katodilta anodille saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköilmiön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckin kvanttihypoteesia. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valonsäde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorboituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absorboituvan fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Valon suurempi intensiteetti säteilyn taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa virtaa. Suurimmalla osalla metalleista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliumin ja cesiumin oksideilla rajataajuus on näkyvän valon alueella.
Vuonna 1940 Russell Ohl teki Bell Labsissa kokeita piinpalasella, jonka läpikulkeva virta nousi huomattavasti kun siihen osoitettiin kirkasta valoa. Demonstraation kokeesta näkivät Joseph Becker ja transistorin kehittäjiin kuuluva Walter Brattain. Ohlille myönnettiin patentti valoherkälle laitteelle vuonna 1946.
Vuonna 1953 Calvin Fuller ja Gerald Pearson tekivät Bell Labsissa n- ja p-tyypin puolijohteilla kokeita, joiden tuloksena Bell Labs ilmoitti 24. huhtikuuta 1954 kehittäneensä ”aurinkopariston” eli aurinkokennon. Daryl Chapin työskenteli Fullerin ja Pearsonin kanssa ominaisuuksien parantamiseksi.
Käyttökohteita
Aurinkokennoja käytetään esimerkiksi maata kiertävissä satelliiteissa, avaruusluotaimissa, kannettavissa laitteissa, kuten taskulaskimissa ja rannekelloissa ja sähköverkon ulottumattomissa olevilla alueilla esimerkiksi valaistukseen ja veden pumppaukseen. Vuoden 2008 asennuksista aurinkokennoilla tuotetusta sähköstä liitettiin sähköverkkoon 98,7 %, EU:ssa ja 3 % Suomessa.Photovoltaic energy barometer 2008 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 184, s. 72-102, 3/2009
Helsingin ekologisen rakentamisen alueella Viikissä on Suomen ensimmäinen aurinkosähköä käyttävä asuinkerrostalo. Viidennes kiinteistösähköstä tuotetaan aurinkokennoilla. Järjestelmä on liitetty Helsingin Energian sähkönjakeluverkkoon, johon kesäaikana kerääntyvä ylimääräinen aurinkosähkö siirtyy. Talossa on 39 asuntoa. Sähköteho on 24 kW. Aurinkokennot ovat osa parvekejulkisivuja. Asukkaat voivat seurata tuotettua energiaa ja säteilytehoja reaaliaikaisesti internetistä. Projekti kuuluu EU:n PV-Nord –hankkeeseen.Aurinkosähköä asuinkerrostaloon. Kiinteistösähköstä viidennes paneeleilla. Envirotec 2004, s. 25, PubliCo Oy, Helsinki 2004Photovoltaics in architecture - lessons learned in PV Nord joulukuu 2004Brief Building Report, PV-Nord demobuilding C, As.Oy Salvia, Ekoviikki Viikissä oli tarkoitus myydä sähköä Helsingin Energialle siten, että sama määrä sähköä olisi myöhemmin saatu tarvittaessa. Verovirasto ja tulli estivät sen. Koska määräykset tekivät sähkön myynnin mahdottomaksi, saa Helsingin energialaitos ylimääräisen sähkön toistaiseksi ilmaiseksi (vuonna 2007). Vuonna 2007 aurinkokennot tuottivat 16 % tässä rakennuksessa käytetystä sähköstä.
Saksassa yli 90 % järjestelmistä on kytketty sähköverkkoon. Baijeriin valmistui vuonna 2006 kaksi maailman silloin suurinta PV-aurinkopuistoa: 12 MW:n Gut Erlase ja 10 MW:n Pocking. Pocking-puistossa on kuusi 1,67 MW:n yksikköä, 57 600 paneelia, ja sen pinta-ala on 10 jalkapallokenttää eli 7,5 ha. Moduulit ovat neljässä rivissä, ja niiden yhteispituus on 16,5 km. Puisto vähentää hiilidioksidipäästöjä fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna 10 000 tonnia vuodessa 20 vuoden ajan. Järjestelmän on kehittänyt Shell Solar. Järjestelmä vihittiin käyttöön tasan vuorokausi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden 20-vuotismuistopäivän jälkeen.The world’s largest photovoltaic solar power plant is in Pocking SunPower Announces the Opening of Solon's Solarpark Gut Erlasse German PV market
Google suunnitteli vuonna 2006 rakentavansa 1,6 MW:n järjestelmän pääkonttoriinsa. Kalifornian kuvernööri Arnold Schwarzeneggerin tavoite on asentaa Kaliforniaan 3 000 MW:n aurinkokennoja (2017).Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006
Perinteisesti aurinkokennoille suosittuja käyttökohteita ovat olleet verkkovirrasta irralliset pienkohteet, kuten vesipumput ja taskulaskimet. Kesämökkien, asuntovaunujen, veneiden ja autojen ilmastointilaitteiden käyttövoiman tuottajana ne ovat yleisiä. Jääkaapit, pakastimet, viestintälaitteet ja kannettavat tietokoneet saavat sähköä aurinkokennoista myös erämaassa. Syrjäiset kohteet, kuten majakat tai tukiasemat, on järkevintä sähköistää aurinkoenergialla tai hybridijärjestelmällä liittämällä verkkoon.
Aurinkoenergian tärkeä tulevaisuuden sovellutus saattaa olla veden hajottaminen elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksi polttokennoja varten. ESA on kehittänyt aurinkoenergialla kulkevan auton ja Husqvarna ruohonleikkurin. Saksassa asennettiin vuonna 2006 3,5 MW:llä toimivia aurinkokeräimiä autoihin, liikennevaloihin jms. Etenkin Kiina, Saksa ja Japani tukevat aurinkokennojen rakentamista.
Aurinkokenno
Kennojen tyypillinen käyttöikä on noin 30 vuotta. Aurinkokennot voidaan jakaa tasapaksuihin levykennoihin (flat-plate PV), joissa auringonvalo tuottaa suoraan sähköä sekä keskittäviin aurinkokennoihin (CPV), joissa auringonvalo keskitetään tai tiivistetään sähkön tuotantoa varten. Levykennojen huipputeho on yleensä 5–300 W. CPV-kennojen huipputeho vaihtelee 0,5–40 kilowattiin. CPV-markkinat kasvavat tällä hetkellä nopeimmin. Vuonna 2004 CPV:n hankkimien tulojen osuus aurinkokennomarkkinoista oli prosentin luokkaa.
Aurinkokennojen tehokkuus riippuu auringon säteilyenergian määrästä, eli se riippuu alueen leveysasteista, paikallisesta ilmastosta ja ilmansaasteiden määrästä. Parhaiten aurinkoenergiajärjestelmät toimivat päiväntasaajan molemmin puolin sijaitsevissa maissa, missä auringonenergiaa on saatavissa eniten maailmassa.. Useimpien aurinkokennojen teho kuitenkin laskee lämpötilan noustessa ja pohjoisessa päivänvaloa saadaan kesäaikana ympäri vuorokauden, joten vuoden mittaan aurinkoenergiaa voidaan taloudellisesti hyödyntää pohjoisillakin leveysasteilla.Aurinko-opas. Aurinkoenergiaa rakennuksiin. Porvoo: Aurinkoteknillinen Yhdistys ry, 2008. s. 123. Toisaalta kesäauringon laajemmasta kaaresta ekliptikalla seuraa energian talteenoton vaikeutuminen. Asiaa voi korjata esimerkiksi seurannalla, mutta tällöin laitteiston toiminta monimutkaistuu ja sen hinta nousee.
Aurinkokennojen tuotanto Katso myös tilastot aurinkoenergian tuottaminen artikkelissa Aurinkoenergia.
1990-luvulla PV (photovoltaic)-markkinat kasvoivat vuosittain 33 %: 60 MW (1994) 1 GW (2004). Vuonna 2004 kapasiteetti kasvoi 60 %. Uusista järjestelmistä 80 % kytkettiin verkkoon (2004). Kasvu on merkittävintä Saksassa, Japanissa ja joissakin Yhdysvaltojen osavaltioissa, kuten Kaliforniassa, New Jerseyssä ja Arizonassa. Kasvusta on aiheutunut hetkellinen piimateriaalien pula. Se on antanut hetkellisen markkinaedun ohutkalvomateriaaleille ja keskittäville aurinkokennoille.
Suurin aurinkokennojen tuottaja vuonna 2010 oli Kiina (13 018,4 MWp – megawatt-peak). Euroopan suurin aurinkokennojen tuottaja oli Saksa (2 656,2 MWp, 9,8 % osuudella koko maailman aurinkokennojen tuotannosta)Photovoltaic Barometer by EurObserver.
Aurinkokennojen tuotantoPhotovoltaic energy barometer 2008 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 184, s. 49-68, 4/2008, tuotanto s. 56, alueet s. 59 Vuosi MW 2001 401 2002 558 2003 759 2004 1 196 2005 1 771 2006 2 474 2007 3 733 2008 6 900
Aurinkokennojen tuotantoalueet vuonna 2007 jakautuivat seuraavasti: Eurooppa 29 %, Japani 25 %, Kiina 22 %, Taiwan 10 %, USA 7 % ja muut 8 %.
Jos yritysten laajennustiedotteet ja arviot toteutuvat, aurinkokennojen tuotantokapasiteetti olisi 4,8 GW 2006/2007. Piin tuotantomäärät ovat olleet rajoittava tekijä. 2006–2008 vuosituotanto voi lisääntyä jopa 2 GW:lla. Aurinkokennojen tuotanto oli 1,7 GW vuonna 2005, 1,15 GW vuonna 2004 ja 0,56 GW vuonna 2002. Valoenergiamarkkinat kasvoivat 40 % vuonna 2001 ja 2002. Maittain tuottajat vuonna 2005 olivat: Japani 830 MW, Eurooppa 470 MW, Kiina 200 MW ja USA 150 MW. Markkinaosuudet maittain 2002 ja (1997): Japani 44 % (25 %), Eurooppa 25 % (23 %) ja USA 20 % (41 %). Vaikka hinta on yhä muita energiamuotoja korkeampi, aurinkoenergian mahdollisuudet tulla edullisimmaksi energiaksi ovat suuret. Tuotannon lisäys laskee hintaa ja kehitys nostaa tehoa. Kokemuksen mukaan tuotannon kaksinkertaistaminen on laskenut hintaa 20 %. Sharp ennustaa hyötysuhteen nousevan 17 %:sta 23–24 %:iin 2010-luvulla.
Eurooppalainen Q-Cells kaksinkertaisti tuotantonsa 2005. Japanilaiset Sharp ja Kyocera lisäsivät tuotantoaan 30 % vuonna 2005. Sanyo kasvoi neljänneksi suurimmaksi japanilaisyritykseksi seitsemänneltä tilalta. Kiinan aurinkokennotuotanto kolminkertaistui 65 MW:sta 200 MW:iin vuonna 2005. Vuoden 2005 lopussa Kiinan tuotantokapasiteetti oli 300 MW. Kolme kiinalaista yritystä on ilmoittanut laajentavansa tuotantoaan 1500 MW:lla 2008–2010 mennessä (Nanjing CEEG PV Tech, Yingli Solar ja Suntech Power).