Päikesepatareid oleme näinud kõik. Sellele, kuidas ta töötab, oleme mõelnud vähem, ning asjaolule, et ta pole üldsegi mitte patarei, juba hoopis harva. Patarei pole ta seepärast, et patarei on elektrienergia hoiustamise seade, päikesepatarei aga elektrienergia tootmise seade. Ometi on too üpriski sobimatu nimi eesti keeles juurdunud.
Fotoelektrilise efekti avastas juba 1839. aastal Prantsuse füüsik Alexandre Edmond Becquerel. Möödus 50 aastat ning Charles Fritti nimeline leidur mõtles sellele efektile ka esimese rakenduse päikesepatarei näol. Esimene päiksepatarei põhines seleenil ja kullal ning omas efektiivsust tervelt protsendi jagu. Järgneval 50 aastal ei saavutatud päikesepatareide arengus midagi olulist, alles pärast sõda, aastal 1946 patenteeris Russell Ohl esimese moodsa päikesepatarei. Aastaks 1954 oli leitud, et teatud ränipõhised pooljuhid on väga tundlikud päikesekiirguse suhtes, ning algasid moodsate, juba ligi 6-protsendise efektiivsusega päikesepatareide katsetused. Peagi sai selgeks, et päikesepatareid on kõige kasulikumad just kosmoselendudel, kus päike paistab kogu aeg, ning 1958. aastaks valmis esimene satelliidi päikesepaneel. 1970 valmistasid Nõukogude Liidu teadlased Žoress Alfjorovi juhtimisel esimese GaAs tüüpi päikesepatarei ning moodsad päikesepatareid olidki sündinud.
Üldiselt eristatakse päikesepatareide nelja põlvkonda.
-
Esimese põlvkonna patareid on ränibaasilised ja põhinevad pooljuhtidel. Selgituseks niipalju, et pooljuhid on materjalid, mis normaalolekus on isolaatorid ehk materjalid, mis elektrit ei juhi, kuid mingi välise energia toimel võivad nende laengukandjad liikuda valentstsooni, kuhu jõudnuna hakkavad käituma elektrijuhtidena. Valentstsoon on pooljuhtmaterjalide aatomite väliskihi tsoon, kuhu tõusmiseks peab aatomi elektronidele energiat andma ning kus elektronid saavad vabalt liikuda.
-
Teise põlvkonda paigutatakse õhukestel pooljuhtidest kiledel põhinevad patareid.
-
Kolmanda põlvkonna päikesepatareide omapära on see, et neis ei hoita laengukandjaid eraldi p-n üleminekupõhiselt. p-tüüpi pooljuhis toimub "aukjuhtivus" ehk siis seal liigub positiivse laengu asukoht. n-tüüpi pooljuhis liiguvad negatiivsed laengukandjad. p-n üleminek on aga p-tüüpi pooljuhi ja n-tüüpi pooljuhi liitepiirkond, kus laengukandjatel on võimalik ühest juhist teisele üle minna vaid ühes suunas.
-
Neljanda põlvkonna päikesepatareid on analoogsed kolmanda põlvkonnaga, kuid need on muudetud efektiivsemaks mitmete nanostruktuursete lisandite abil.
Kuna hetkel on üle 90 protsendi kasutatavatest päikesepatareidest esimese või teise põlvkonna omad, peatume pikemalt nende konstruktsioonil ja ehitusel. Iga päikesepatarei koosneb tegelikult paljudest väiksematest rakukestest, mis on omavahel ühendatud kas jadamisi või rööbiti, sõltuvalt kui suurt voolu tugevust või pinget soovitakse saada. Iga üksik rakk koosneb p- ja n-tüüpi pooljuhtmaterjali kihist. Mõlemad kihid koosnevad ränitüüpi päikesepatarei korral puhastatud ränist, mis lisandite abil on muudetud kas p- või n-tüüpi pooljuhiks. Lisaks on päikesepatarei kaetud peegeldamisvastase kihiga, et suurendada selle efektiivsust. Valguse toimel pannakse pealmises pooljuhis selle laengukandjad liikuma, kuna päikesekiirguse energia on piisavalt tugev, et lüüa üksikud laengukandjad neid kinni hoidvast tuumast lahti. Et p-n ülemineku abil on määratud voolu ainus võimalik liikumissuund, hakkavadki laengud selles suunas liikuma. Lisaks on mõlemad pooljuhid ühendatud omavahel väliste juhtmete abil, mis tekitabki kinnise vooluringi ning võimaldab meil sellest voolust kasu saada.
TIIT SEPP (1985) on lõpetanud Tartu Ülikooli füüsika bakalaureuseõppe ja jätkab õpinguid magistrantuuris, TÜ Füüsika Instituudi teoreetilise füüsika labori liige ja Eesti Füüsika Seltsi veebiportaali www.fyysika.ee toimetaja.
