Aurinkoenergia on isossa osassa kasvavien energiatarpeiden täyttämisessä tulevaisuudessa, minkä vuoksi materiaalien kehittäminen tehokkaammiksi aurinkoenergian hyödyntäjiksi on erityisen tärkeää. FM Minnea Tuomisto kehitti Turun yliopistossa tarkastettavassa väitöstutkimuksessaan valoa tuottavia, käänteisviritteisiä materiaaleja aurinkoenergian hyödyntämisen näkökulmasta.

Aurinkokennot ovat kehittyneet paljon viime aikoina, mutta niiden kyky hyödyntää auringon spektrin infrapuna-aluetta on vielä melko heikko. Suuri osa nykyisistä tutkituista ja kaupallisesti saatavissa olevista aurinkokennoista hyödyntävät pääosin vain näkyvän valon aluetta, mikä jättää infrapuna-alueen energian hyödyntämättä.

– Yksi mahdollisuus hyödyntää infrapunasäteilyn energiaa on käyttää käänteisviritteisiä loisteaineita, jotka pystyvät muuntamaan infrapunasäteilyä näkyväksi valoksi pinoamalla fotoneja, Turun yliopistossa väittelevä Minnea Tuomisto selventää.

Käänteisviritteisten materiaalien tutkimuksessa suurin haaste on ollut valontuottoprosessin tehostaminen. Tuomiston väitöskirjatyön päätavoitteina oli tehostaa käänteisviritteisten materiaalien valontuottoa sekä kehittää materiaalien ominaisuuksia ja valmistusmenetelmiä sellaisiksi, että loisteaineet saadaan paremmin hyödynnetyksi aurinkokennoissa.

Tuomiston tutkimat käänteisviritteiset materiaalit koostuvat pohja-aineesta sekä valoa tuottavasta osasta. Valoa tuottava osa on yleensä lantanoidi-ioni. Erilaisia ioneja voidaan käyttää samanaikaisesti useampiakin yhdessä pohja-aineessa, ja niiden käytöllä voidaankin vaikuttaa koko valontuottoprosessin tehokkuuteen.

– Tutkimuksessa selvitettiin kahden siirtymämetalli-ionin, kromin ja mangaanin, lisäämisen vaikutusta valontuottoprosessin tehokkuuteen. Kromin lisäämisellä oli selkeä tehoa lisäävä vaikutus, Tuomisto kertoo.

Uusia materiaaleja atomi- ja molekyylikerroskasvatusmenetelmiä hyödyntämällä

Väitöskirjassaan Tuomisto tutki atomi- ja molekyylikerroskasvatusmenetelmillä valmistettuja käänteisviritteisiä ohutkalvoja. Nämä menetelmät hyödyntävät kemiallisia reaktioita muuntaessaan kaasumaisia lähtöaineita ohutkalvoiksi. Menetelmät ovat hyvin hallittuja ja toistettavia, mutta käänteisviritteisten materiaalien valmistuksessa niitä ei ole juuri käytetty aikaisemmin.

Atomikerroskasvatusmenetelmä on ollut jo vuosia käytössä teollisuudessa epäorgaanisten ohutkalvojen valmistuksessa, mikä tekee menetelmästä mielenkiintoisen aurinkokennojen kannalta. Molekyylikerroskasvatusmenetelmä on puolestaan ollut lupaava menetelmä uudenlaisten materiaalien valmistuksessa, mikä mahdollistaa myös uudenlaisten käänteisviritteisten materiaalien valmistuksen.

Tuomisto teki ohutkalvotutkimusta yhteistyössä Aalto-yliopiston professori Maarit Karppisen tutkimusryhmän kanssa.

– Tutkimuksen perusteella molemmat menetelmät soveltuvat hyvin käänteisviritteisten kalvojen valmistukseen, Tuomisto toteaa.

Käänteisviritteisen materiaalin lisääminen lasiin mahdollistaa sen käytön myös aurinkokennon päällimmäisissä kerroksissa, koska lasi on materiaalina läpinäkyvää. Väitöstyössä tutkittiin lasien valmistukseen seostusmenetelmää, jossa käänteisviritteinen materiaali valmistetaan ensin erikseen, minkä jälkeen se lisätään sulaan lasimassaan. Tämä tutkimus tehtiin yhteistyössä Tampereen teknillisen yliopiston apulaisprofessori Laeticia Petitin tutkimusryhmän kanssa.

– Tutkimuksessa selvisi tärkeitä tekijöitä, jotka tulee ottaa huomioon käänteisviritteisiä laseja valmistettaessa. Menetelmän todettiin olevan hyvin käyttökelpoinen käänteisviritteisen luminesenssin osalta, Tuomisto sanoo.

Tuomisto esittää väitöskirjansa Upconverting luminescent materials for solar energy conversion julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa keskiviikkona 11. joulukuuta.

Vastaväittäjänä on apulaisprofessori Sarah McCormack (Dublinin yliopisto, Irlanti) ja kustoksena dosentti Mika Lastusaari (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on epäorgaaninen materiaalikemia.

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)