Rullalta rullalle painettavat orgaaniset aurinkokennot ja -moduulit

Orgaaninen aurinkokennoteknologia on herättänyt suurta mielenkiintoa tulevaisuuden energiantuottomenetelmänä erityisesti taipuisuutta, keveyttä ja läpinäkyvyyttä vaativissa sovelluksissa. Orgaanisten aurinkokennojen keveys ja rullattavuus lisää niiden käyttömahdollisuuksia, ja tulevaisuudessa painettuja orgaanisia aurinkokennoja on mahdollista nähdä esimerkiksi vaatteissa, ikkunoissa, seinissä, kasvihuoneiden katoilla, kauppojen hyllyissä ja leluissa. Teknologia mahdollistaa tehokkaan energian keräämisen sekä sisätilojen valaistuksesta että auringonvalosta.

Väitöskirjassa syvennytään orgaanisten aurinkokennojen valmistamiseen massatuotantoon soveltuvilla rullalta rullalle paino- tai päällystysmenetelmillä. Väitöskirjassa tutkittavaa syväpainomenetelmää on perinteisesti käytetty graafisessa painoteollisuudessa korkealaatuisten ja suuren tuotantovolyymin painotuotteiden ja pakkauksien tuotannossa.

Syväpainomenetelmällä sekä muilla mekaanisilla painomenetelmillä aurinkokennon toiminnalliset kerrokset voidaan kuvioida haluttuun muotoon jo itse painoprosessissa. Sen sijaan päällystysteknologioilla kuvio täytyy muodostaa erillisissä prosessivaiheissa jokaiselle kerrokselle erikseen käyttäen esimerkiksi laser-kuviointia. Kuviointi avaa mahdollisuuksia aurinkopaneelien muodon ja koon vapaammalle suunnittelulle ja toteutukselle. Tämä lisää aurinkokennojen käyttömahdollisuuksia energian tuotantoon rakennusten sisä- ja ulkotiloissa kun ne samanaikaisesti toimivat dekoratiivisina elementteinä arkkitehtuurissa.

Oulun yliopistossa ja VTT:llä toteutetussa tutkimuksessa tarkasteltiin pääasiassa syväpainoon perustuvaa orgaanisten aurinkokennojen valmistusteknologiaa. Tutkimuksessa joustavalle muovialustalle rakennetut aurinkokennot koostuivat viidestä toiminnallisesta kerroksesta. Yksittäisten kerrosten paksuus vaihtelee muutamasta kymmenestä nanometristä kymmeneen mikrometriin. Aurinkokennorakenteen ytimenä toimii parin sadan nanometrin paksuinen valoa absorboiva kerros, jossa varsinainen valosähköinen ilmiö tapahtuu. Fotonien absorboituessa syntyy sähkövirtaa. Muiden rakenteen kerrosten tehtävänä on kerätä energiaa ja varmistaa, että syntynyt sähkövirta saadaan talteen mahdollisimman pienin häviöin.

Yksittäisten kerrosten ominaisuuksia, kuten kerrospaksuutta ja pinnan laatua, optimoitiin muokkaamalla painotelan parametreja, painovärin koostumusta ja painoparametreja. Syväpainolla saavutettiin erinomainen toistettavuus ja tarkkuus ohutkalvon muodostamisessa. Väitöskirjassa kehitettiin aluksi yksittäisiä kennorakenteita ja tämän jälkeen moduulirakenteita, joissa kennoja kytketään yhteen suuremman virran tai jännitteen saavuttamiseksi.

Lisäksi väitöskirjassa tutkittiin kahden erilaisen kennorakenteen valmistusteknologian siirtoa laboratoriosta testivalmistusympäristöön, jossa orgaanisia aurinkokennomoduuleja voidaan valmistaa satoja jopa tuhansia kappaleita noin 10 metrin minuuttinopeudella. Täysin painetut aurinkokennomoduulit pystyvät tuottamaan jopa seitsemäntoista wattia tehoa yhtä aktiivista neliömetriä kohti. Tämän väitöskirjan yhtenä osana on ollut hyödyntää erilaisia kuvantamismenetelmiä aurinkokennomoduulien toiminnallisuuden tutkimisessa.