INTERVJUU | Sammhaaval üha paremate päikesepatareide poole

Tallinna tehnikaülikooli (TTÜ) päikeseenergeetika materjalide teaduslaboris on juba aastaid uuritud kesteriiti kui üht lootustandvat ja keskkonnahoidlikku päikesepatareide absorbermaterjali. Eelmisel aastal tõusis see uurimisrühm enda väljatöötatud kesteriidiga maailma tippu, sest suutis esimesena suurendada selle materjali kasuteguri rekordilise 12 protsendini. Kesteriidi uurimisest, päikeseenergeetika suundumustest ja noore teadlase elust on TTÜ materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi direktori professor Maarja Grossberg-Kuusega vestelnud Horisondi peatoimetaja Ulvar Käärt. Fotod: Vallo Kruuser

Aastavahetuse eel vahetasid Eesti noorte teaduste akadeemia (ENTA) presidendi rolli Eesti teaduste akadeemia (ETA) liikme staatuse vastu. Mida ETA endast kujutab? Kas see on üks elitaarne klubi või mis?

Mina näen ETA-t eelkõige ikkagi ühiskondlikku rolli täitva organisatsioonina. See koondab ju meie olulisemate teadusvaldkondade esindajaid, kes oskavad vajaduse korral omal alal riigiasutustele head nõu anda. Samas on akadeemiku ülesanne hoida kogu aeg ka teaduse lippu kõrgel ja tutvustada laiemalt enda uurimisala.

Minu jaoks selle rollivahetusega asjad väga palju ei muutu, sest  juba ENTA-s sai teha palju teavitustööd ning osaleda mitmesugustes ekspertkomisjonides. Ühe asjana tahaksin nüüd kindlasti seista selle eest, et juuniorid ja seeniorid teeksid senisest rohkem koostööd ja meil oleks ühiseid ettevõtmisi. ENTA ja ETA on siiani kahjuks tegutsenud üsna eraldi.

Tuleme akadeemia radadelt TTÜ-sse sinu kodulaborisse ehk päikeseenergeetika materjalide teaduslaborisse. See on silma paistnud kesteriidi uurimisega.

Siin on minu teadlaskarjäär alguse saanud ning minu teadustöö on keerelnud just päikeseenergeetika materjalide, sealhulgas kesteriidi ümber. Taustalt olen füüsik ja ka päikseenergeetika tehnoloogiate arenduses olen olnud just selles rollis. Ma ei ole tehnoloog ega valmistanud materjale ja pannud neid päikeseelemendiks kokku. Mina olen keskendunud neis materjalides esinevate defektide uurimisele ehk püüdnud neid silmas pidades leida võimalusi, kuidas mõjutada materjalide omadusi.

Aga tõesti, kui meie labor töötab välja mõne uue päikesepaneeli tehnoloogia, siis alustame absorbermaterjali valmistamisest ja lõpetame töö lõpliku seadme kokkupanemisega. Kõike teeme ise.

Neljast levinud elemendist ehk vasest, tsingist, tinast ja väävlist monoterapulbertehnoloogia abil kokku küpsetatud kesteriit (Cu₂ZnSnS₄) ja sellest valmistatud monoterakihtpäikesepatareid on meil endiselt teadustöö keskmes. Oleme selle lootustandva absorbermaterjali kasuteguriga püstitanud maailmarekordi: eelmisel aastal toimus läbimurre ja meil õnnestus tõsta selle materjali kasutegur 12 protsendini. See on kümmekonna aasta töö vili, häbeneda pole midagi!

Milliste sammudega see kasuteguri kasvatamine on käinud?

See töö on kulgenud justkui treppi mööda: kui kasuteguriga on toimunud väike läbimurre, siis sellele on järgnenud seisakuperiood, kuni lõpuks on jälle tulnud murdepunkt. Iga niisuguse hüppega on kasutegur suurenenud ühe-kahe protsendi võrra. Selle taga on tavaliselt mõned tehnoloogilised nipid.

Nimelt, kesteriidi valmistamisel tekib selles tahes-tahtmata ka soovimatuid koostisosasid. Kasuteguri tõstmiseks tuleb leida viis, kuidas „võõrkehade“ teket vältida või siis neist lahti saada. Näiteks tuleb uurida, kas nende ühendite teket saab vältida, kui muuta kesteriidi valmistamistingimusi. Või kui need soovimatud ühendid on juba tekkinud, siis tuleb nende kõrvaldamiseks leida sobiv järeltöötlusviis: termotöötlus või keemiline söövitus.

Teisalt tuleb uurida ka seda, kas materjali elektroonseid omadusi on võimalik parandada defektide kaudu. Iga defekt kipub ju tekitama päikeseelemendis mingisuguse kao ja seepärast on oluline osata nende teket juhtida.

Lisaks, kui vaatame väikest päikeseelementi, siis see on justkui kihiline võileib, kus üksteisega puutuvad kokku eri materjalid. Ka see mängib kasuteguri puhul oma rolli, mis kihid on omavahel kokku pandud ja mis toimub nende kokkupuutepindadel. Tähtis on, et me ei kaotaks seal laengukandjaid ning võimalikult paljud neist jõuaks vooluringi.

Mismoodi sellised materjali kasuteguri kasvuhüpped ikkagi juhtuvad? Kas siin on mängus maagiline juhus või järjekindel töö?

Tavaliselt tulevad sellised läbimurded ootamatult, nii juhtus ka viimati, kui suurendasime kesteriidi kasuteguri 12-protsendini. Me ise räägime neist juhtumeist kui reedeõhtustest eksperimentidest. (Muigab – U. K.) Keegi näiteks unustab kogemata katses midagi tegemata ja siis tulebki edasiminek. Tihtipeale oleme niisuguses olukorras silmitsi probleemiga, kuidas teha tagantjärele täpselt kindlaks, mis siis tegelikult viltu läks. Kui me teaks alati ette, mis katsetega juhtub, siis oleks teadus vist päris igav!

Kui palju jääb kesteriidi 12-protsendiline kasutegur maha seni kõige laiemalt kasutatavate ränipaneelide tõhususest?

Ränipäikeseelementide efektiivsus on umbes 27 protsenti ja see näitaja on ka nende teoreetilise maksimumi ehk 30 protsendi lähedal. Tegelikult küünib ka kesteriidi teoreetiline maksimaalne kasutegur 30 protsendi kanti. Aga selleni jõudmiseks on meil vaja teha veel väga-väga palju tööd.

Kas selleks võib kuluda veel mõni aastakümme?

Tahaks loota, et nii kaua see aega ei võta, sest kesteriidi kasuteguri kasvutempo on kiirenenud. Kesteriitide areng toppas päris pikalt seisakus – kõik uurimisgrupid jõudsid kasuteguriga ligikaudu kümne protsendini, aga sealt ei õnnestunud  edasi minna. Just eelmine aasta oligi peale meie enda läbimurde sellele tehnoloogiale edukas. Kui meie uuritav kesteriit on puhas sulfiid, siis selle kõrval uuritakse maailmas sulfoseleniide, milles on koos väävel ja seleen. Sulfoseleniidide kasuteguriga püstitati samuti uus rekord, mis peaks olema 14,9 protsenti. Öeldakse, et 15 protsenti on märgiline piir, millest alates tasub materjal äriliselt kasutusse võtta. Sellest väiksema kasuteguriga ei ole võimalik turul olevate tehnoloogiatega konkureerida.

Ent orgaanilistest materjalidest, mida võimaliku päikesepatareide materjalina samuti aktiivselt uuritakse, on viimasel ajal olnud üks menukamaid perovskiit. Perovskiidid ilmusid suurelt pildile kuus-seitse aastat tagasi, sest nende ühenditega jõuti kiiresti väga suure kasuteguri, ligi 25 protsendini. Häda on aga selles, et nagu orgaanilised materjalid ikka, on nad niiskuse suhtes äärmiselt tundlikud ehk siis nende stabiilsus oli algul täiesti olematu. Praeguseks on juba leitud viise, kuidas neid kiire degradeerumise eest kaitsta, aga ränile ega ka kesteriitidele ei suuda nad stabiilsuse poolest veel konkurentsi pakkuda. Sellest hoolimata on perovskiidid väga jõudsalt liikumas ärilise kasutuse poole.

Kus maailmas kõige aktiivsemalt päikesepatareide uusi tehnoloogiaid uuritakse?

Kõige eesrindlikumad on selles vallas USA, Hiina, Jaapan ja Lõuna-Korea. Euroopas on esirinnas Saksamaa ja Belgia ning Inglismaa – ka rekordeid löövad perovskiiditehnoloogiad tulevad sealt.

Kuna ükski materjal ei suuda tervet päikese spektrit elektri tootmiseks kasutada, on päikesepatareide arendamisel kerkinud esile uudsed tandemtehnoloogiad. Ränipaneelidega on õigupoolest juba jõutud parima võimaliku efektiivsuseni ning järgmisena oleks vaja astuda sellest piirist üle. Veelgi suuremat päikeseelementide kasutegurit on võimalik saavutada, kui panna kokku kaks absorbermaterjali, näiteks räni toodaks elektrit ühes ja perovskiit töötaks omakorda teises päikesespektri piirkonnas. Praeguseks on niisuguse tandemi kasuteguriga jõutud juba 34 protsendini. Olgu märgitud, et mida suurem on päikeseelemendi kasutegur, seda väiksemat pinda see vajab.

See kõik kõlab lihtsalt, aga tegelikkuses pole niisugust tandemelementi sugugi kerge luua! Usun, et tandemtehnoloogia arendamise kohta kuuleme veel väga palju uudiseid.

Eestis on kaua püsinud arvamus, et siinmail päikeseneergeetikal erilist potentsiaali pole. Mis sa sellest arvad?

Mina näen, et päikeseenergeetikal on meil siiski oma koht selles, kuidas keskkonnasõbralikult energiat toota. Päikeseenergia on meie oludes hooajaline, kuna talvel paistab päike palju vähem kui suvel, ja sellega ei saaks kogu energianõudlust tagada. Ideaalne kombinatsioon oleks tuuleenergia ja päikeseenergia ning nende kõrval veel mõni stabiilne energiatootmisviis – olgu või kaasaegne ja töökindel tuumajaam.

Seejuures ei saa me mööda vaadata vesinikuenergiast ja vesinikutehnoloogiatest, mis põhinevad taastuvenergia abil toodetud rohevesinikul.

Selle aasta alguses alustas Enn Lusti juhtimisel tööd jätkusuutliku rohevesiniku ja energiatehnoloogia tippkeskus, milles osaleb ka meie uurimisrühm. Tartu ülikooli partnerid arendavad selle raames vesiniku- ja meie päikseenergiatehnoloogiaid. Töö tulemusena peaks valmima ka demokeskus, millega saab näidata nende edasiarendatud tehnoloogiate koos toimimist.

Päikeseenergiat peetakse keskkonnahoidlikuks, aga samas näiteks vanu päikesepaneele peetakse ohtlikeks jäätmeteks. Millise keskkonnajalajäljega päikeseenergia ikkagi on, kui vaadata kogu töötsüklit?

Kui vaatame päikesepaneelide süsinikujalajälge, siis uute paneelipõlvkondadega on see üha väiksem. Praegu kõige enam levinud ränitehnoloogiate süsinikujälg on kõige suurem, uuemate tehnoloogiate puhul – olgu siis kesteriitidel või perovskiitidel põhinevatel – on see palju väiksem. Kõige rohkem mõjutabki süsinikujalajälje suurust materjal, mida paneelides kasutatakse. Ehk siin tuleb arvestada, kas need sisaldavad mürgiseid või haruldasi elemente, mis tulevad Hiinast või Lõuna-Aafrikast. Näiteks päikeseelementide räni tuleb praegu enamasti Hiinast ning selle tootmine on võrdlemisi ressursimahukas. Kesteriit on selles mõttes keskkonnasõbralikum, kuna ta ei sisalda mürgiseid elemente ja tema koostisosad pole piiratud ressurss.

Kasutamise ajal päikesepaneelid õhku ei saasta ja erilist keskkonnakahju ei tekita. Nende umbkaudne eluiga on 20 kuni 25 või isegi 30 aastat. Aga see, mis saab kasutusest välja langenud degradeerunud paneelidest, on tõesti omaette lahendamist vajav küsimus. Maailmas pole veel leitud päikesepaneelide käitlemiseks või taaskasutuseks head lahendust. Mõned ettevõtted on püüdnud välja töötada tehnoloogiaid, kuidas päikesepaneele taaskasutada, aga lihtne see ei ole.

Tegelikult oleme selle probleemi lahendamise võtnud ka ise üheks uurimisteemaks ning püüame Eestis välja töötada sobivat päiksepaneelijäätmete käitlemise süsteemi. Seni on paneelid kogutud kokku ja tavaliselt eemaldatakse neilt alumiiniumraam, mida on lihtne uuesti ringlusse saata. Mingil määral kasutatakse uuesti ka paneelide niinimetatud solaarklaasi, aga ülejäänud materjalid liiguvad meilt elektroonikajäätmetena välja. Meie otsime võimalusi, kuidas saaks kõiki paneelide koostisosi, kaasa arvatud räni, kuidagi uuesti kasutada. Tõsi, vanade paneelide räni pole mõistlik uute paneelide valmistamiseks kasutada, aga seda saaks toormena suunata mõnesse teise kasutusvaldkonda, näiteks elektroonika- või akutööstusesse.

Et luua niisugust käitlussüsteemi, oleme rääkinud nii päikesepaneelide müüjate, kliimaministeeriumi kui ka jäätmekäitlusfirmadega. Kõik osalised on lahenduse leidmisest väga huvitatud.

Kuidas sa sattusid päikeseenergeetika materjale uurima?

Algul õppisin siinsamas tehnikaülikoolis tehnilist füüsikat ja mingil hetkel oli vaja leida lõputöö teema ning praktikumide ajal hakkaski mind huvitama materjalide uurimine. Seetõttu otsisin endale õppekavaväliseid lisaaineid ja nõnda sattusingi kokku praeguse päikeseenergeetika materjalide teaduslabori rajaja Enn Mellikoviga. Aastaid hiljem andis ta uurimisrühma juhtimise mulle üle. Selles laboris on mul valminud nii magistri- kui ka doktoritöö.

Miks sa soovitad noorel, kellel on samasugune huvi, tulla seda ala TTÜ-sse õppima?

Taastuvenergeetika on valdkond, kus juhtub veel palju. Sel alal on vaja järjest enam spetsialiste, olgu toote- ja tehnoloogiaarendajaid või hoopis avaliku sektori spetsialiste, kes peavad aitama langetada valdkonnaga seotud strateegilisi otsuseid. Niisugune haridus on investeering tulevikku ja ma arvan, et tehnikaülikool pakub sel alal väga head õpet. See valdkond hõlmab materjaliteadust, inseneeriat, mehaanikat ja energeetikat.

Olen ise teist aastat roheliste energiatehnoloogiate magistriõppeprogrammi juht ja võin öelda, tudengite huvi on hästi suur. Esimesel aastal alustas 30 tudengit, mullu oli kandideerijaid juba üle 80. Me näeme, et ka ettevõtetel on huvi nende tulevaste spetsialistide vastu. Kuna teatud uurimisteemad tulevad ettevõtetelt, siis seeläbi nad juba vaikselt valmistavad endale spetsialiste ette. Huvitav on olnud jälgida, milliseid projekte tudengid teevad ja kuidas neil seejuures silmad säravad, ning osa on juba leidnud endale erialase töö.

Noore teadlasena oled teinud muljet avaldavat karjääri. Kui kerge on olnud ühildada töö- ja pereelu ning ka ühiskondlike kohustuste täitmist?

See ei ole olnud lihtne. Töö- ja pereelu vahel tuleb kogu aeg tasakaalu otsida. Mingeid ülesandeid vastu võttes on tulnud pingsalt kaaluda. Näiteks noorte teaduste akadeemia presidendi rolli puhul oli kergendavaks asjaoluks teadmine, et see kestab kaks aastat, ja nii oli lihtsam oma plaane seada.

Minu karjäär ei oleks olnud võimalik, kui mul ei oleks kodust tuge. Kuna abikaasa saab oma tööd ka kodus teha, siis tegeleb ta väga palju lastega: paljud lastega seotud logistilised ülesanded on tema õlul. Samas valin iga aastaga järjest rohkem, milliseid kohustusi endale võtan.

Noore teadlase elu on päris raske, eriti naisena. Paraku langeb see iga, mil tuleb kaitsta doktoritöö, tõestada ennast iseseisva teadlasena, leida oma esimesed uurimisprojektid ja luua oma töörühm, täpselt kokku ajaga, kui peaks looma ka pere. Selle on lihtsalt loodus nii seadnud. Kui sel ajal ei ole mingitki tuge töölt ega kodust, siis üks pool kannatab. Naised otsustavad sellisel juhul enamasti pere kasuks ja paljud jätavadki teadlaskarjääri pooleli. Doktorikraadiga naisi on Eestis võrdlemisi palju, aga neist vähesed saavad näiteks professoriks.

Teaduste akadeemia liikmeidki vaadates võib teha kiire järelduse, et akadeemiline maailm on väga meestekeskne.

Nii see kipub meil tõesti olema, aga minu meelest on pilt hakanud vaikselt muutuma. Näiteks akadeemikuks saades olin üllatunud, kui sain kohe kutse naisakadeemikute ühisele jõulupeole. See on äärmiselt tore ja ühtehoidev punt! Praegu kuulub sellesse juba 11 naistippteadlast.