Aurinkokenno

Yhdistykset

Aurinkokennot maailmassa [2005: Record year for investments in renewable energy] REN21: Renewables Global Status Report 2006 Update, REN21 sihteeristö (Pariisi) ja Worldwatch instituutti (Washington, DC), 18.7.2006
Aurinkokennot	2006	2005	2004
Kapasiteetti (PV_verkossa) (GW)		3,1	2
Kapasiteetti (PV_kaikki) (GW)		5,4	4
Tuotanto (PV) (GW)		1,7	1,2

Kansainvälisellä energiajärjestöllä (IEA) on Photovoltaic power systems –ohjelma, jossa oli vuonna 2006 21 jäsentä: EPIA, Euroopan Unioni, Alankomaat, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Kreikka, Norja, Portugali, Ranska, Ruotsi, Sveitsi, Tanska, Australia, Israel, Japani, Kanada, Korea, Mexico ja Yhdysvallat.Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006

Euroopan teollisuuden järjestö on the European Photovoltaic Industry Assosiation eli EPIA. The European PV Industry Association:lla on 110 jäsentä. Se edustaa 95 % eurooppalaisten kennojen ja 80 % maailman aurinkokennojen tuotannosta. Japan Photovoltaic Energy Association (JPEA) on asettanut tavoitteeksi, että Japani on maailman johtava PV maa.

PV-ERA NET on eurooppalainen aurinkokennojen tutkimus- ja kehitysohjelmien verkosto. Tavoitteena on vahvistaa tutkimusta verkostolla. EU tukee hanketta. Verkostolla on 20 jäsentä 13 maasta. Suomesta ei ole vielä jäseniä. Nyt olisi hyvä aika tiedustella liittymismahdollisuudesta, sillä 30.11.2007 mennessä voi jättää hakemuksen POLYMOL-ohjelmaan (Tanska, Flanderi (Belgia), Hollanti, Ruotsi, Sveitsi ja UK).The Photovoltaic European Research Area Network

Käyttö

Aurinkokennoja (yht. MW_p)Photovoltaic energy barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 178, s. 49-70, 4/2007

Sija Maa 2006 2005
1 Saksa 3 063,0 1 910,0
2 Espanja 118,1 57,6
3 Italia 57,9 46,3
4 Alankomaat 51,2 50,8
5 Ranska 32,7 26,3
6 Itävalta 29,0 24,0
7 Luxemburg 23,6 23,6
8 UK 13,6 10,9
9 Kreikka 6,7 5,4
10 Ruotsi 4,9 4,2
11 Belgia 4,2 2,1
12 Suomi 4,1 4,0
13 Portugali 3,5 3,0
14 Tanska 2,9 2,7
15 Kypros 1,0 0,5
16 Tšekki 0,8 0,5
17 Puola 0,4 0,3
18 Slovenia 0,4 0,2
19 Irlanti 0,3 0,3
20 Unkari 0,2 0,2
21 Slovakia 0,1 0,1
22 Malta 0,1 0,1
23* Liettua 0,1 0,1
EU27 GW^p 3,42 2,17
* = muut EU-maat 0 MW^p

Saksa on johtavia maita aurinkokennojen määrässä: 2500 MW (2006). Vuonna 2006 asennettiin 700 MW. Vuonna 2003 päättyi Saksan “100 000 Rooftops Solar Electricity -ohjelma. Siinä asennettiin 65 700 järjestelmää yhteensä 345,5 MW. Clinton julisti One million solar roofs –ohjelman vuonna 1997.Million Solar Roofs –ohjelma USA 1997

Vuonna 2006 aurinkokennojen kapasiteettia oli: Saksa 2500 MW, Italia 50 MW, Ranska 47 MW, Itävalta 27 MW ja Kanada 20 MW.Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006

Viime vuosikymmenenä PV-markkinat kasvoivat 33 % vuosittain: 60 MW (1994) 1 GW (2004). Vuonna 2004 kapasiteetti kasvoi 60 %. Uusista järjestelmistä 80 % kytkettiin verkkoon (2004). Kasvu on merkittävintä Saksassa, Japanissa ja joissain USA:n osavaltioissa, kuten Kalifornia, New Jersey ja Arizona. Kasvusta on aiheutunut hetkellinen piimateriaalien pula. Se on antanut hetkellisen markkinaedun ohutkalvomateriaaleille ja keskittäville aurinkokennoille. Kennojen käyttöikä on 30 vuotta. Aurinkokennot voidaan jakaa tasapaksuihin levykennoihin (flat-plate PV), joissa auringonvalo tuottaa suoraan sähköä sekä keskittäviin aurinkokennoihin (concentrating PV (CPV) panels), joissa auringonvalo keskitetään tai tiivistetään sähkön tuotantoa varten. Levykennojen huipputeho on yleensä 5-300 Wp. CPV-kennojen huipputeho vaihtelee 0,5-40 kWp. PVC-markkinat kasvavat tällä hetkellä nopeimmin. Vuonna 2004 CPV:n osuus markkinoista oli 1 %.

Saksassa yli 90 % järjestelmistä on kytketty sähköverkkoon. 2006 valmistui kaksi maailman suurinta PV aurinkopuistoa: 12 MW:n Gut Erlase (Bayer) ja 10 MW:n Pocking (Bayer). Pocking -puistossa on kuusi 1,67 MW yksikköä, 57 600 paneelia ja sen ala on 10 jalkapallostadionia. Moduulit on neljässä rivissä, yhteensä 16,5 km. Puisto vähentää hiilidioksidipäästöjä fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna 10 000 tonnia vuodessa 20 vuoden ajan. Järjestelmän on kehittänyt Shell Solar. Järjestelmä vihittiin tasan vuorokausi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden 20. vuotis muistopäivän 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

Vihreys on muotia: Lokakuussa 2006 Google ilmoitti rakentavansa 1,6 MW järjestelmän pääkonttoriinsa. Kalifornian kuvernööri Arnold Schwarzeneggerin tavoite on asentaa Kaliforniaan 3 000 MW aurinkokennoja (2017).Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006

Aurinkokennojen tehokkuus riippuu auringon säteilyenergian määrästä eli se riippuu maasta, paikallisesta ilmastosta ja ilmansaasteiden määrästä. Parhaimmillaan aurinkoenergiajärjestelmät ovat aurinkoisissa maissa päiväntasaajan molemmin puolin. Perinteisesti aurinkokennoille suosittuja käyttökohteita ovat olleet 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 on veden hajottaminen elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksijaja polttokenno varten. ESA on kehittänyt aurinkoenergialla kulkevan auton ja Husqvarna ruohonleikkuri. Saksassa asennettiin vuonna 2006 3,5 MW autoihin, liikennevaloihin jms.Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006 Etenkin Saksa ja Japani tukevat aurinkokennojen rakentamista.

Tuotanto

Aurinkokennojen tuotantoPhotovoltaic energy barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 178, s. 49-70, 4/2007
Vuosi	MW
2006	2 534
2005	1 815
2004	1 256
2003	759
2002	558
2001	401

Jos yritysten laajennustiedotteet ja arviot toteutuvat, aurinkokennojen tuotantokapasiteetti olisi 4,8 GW 2006/2007. Piin tuotantomäärät ovat olleet rajoitta tekijä. 2006–08 vuosituotanto voi lisääntyä jopa 2 GW:lla. Aurinkokennojen tuotanto oli 1,7 GW (2005), 1,15 GW (2004) ja (2002) 0,56 GW. Valoenergiamarkkinat kasvoivat 40 % vuonna 2001 ja 2002. Maittain tuottajat olivat (2005): 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 kalliimpaa, aurinkoenergian mahdollisuudet edulliseksi 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 ensi vuosikymmenellä.

Eurooppalainen Q-Cells kaksinkertaisti tuotantonsa 2005. Japanilaiset Sharp ja Kyocera lisäsivät 30 % tuotantoa 2005. Sanyo kasvoi neljänneksi suurimmaksi japanilaisyritykseksi seitsemänneltä tilalta. Kiinan aurinkokennotuotanto kolminkertaistui 65 MW:sta 200 MW:n (2005). Vuoden 2005 lopussa Kiinan tuotantokapasiteetti oli 300 MW. Kolme kiinalaista yritystä on ilmoittanut laajentavansa tuotantoaan 1500 MW:lla 2008–10 mennessä (Nanjing CEEG PV Tech, Yingli Solar ja Suntech Power).

Amerikkalaisten mukaan maailman ohutkalvo pV-tuotanto oli 85 MW (2005) ja he ennakoivat vuoden 2008 kapasiteetiksi 500 MW, josta puolet USA:ssa. United Solar Ovonic tuotti amorfisen silikonin aurinkokennoja 22 MW (2005). First Solar tuotti kadmium telluridi (CdTe) ohutkalvokennoja 20 MW (2005). Yritys suunnittelee laajentavansa 100 MW:n (2007). Shell Solar n ohutkalvokennot perustuvat kupari-indium diselenidiin CIG, johon lisätään gallium Ga ja rikki S (CIGSS). Hyötysuhde on 11,7 % - tutkijat ovat saaneet hyötysuhteen 19 %. Kennoja on myyty Euroopassa vuodesta 2006.[ http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/39081.pdf DOE Solar Energy Technologies Program Overview] US Department of Energy, Energy and Efficiency, 5/2006 Ruotsalainen ohutkalvokennoja tutkiva Solibro AB ja Q-Cells muodostivat yhteisyrityksen tuotteiden kaupallistamiseksi marraskuussa 2006. Alustavan tehtaan kapasiteetti on 25-30 MW Thalheimissa.Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006

Yritykset

Tuotanto (MW)Photovoltaic energy barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 178, s. 49-70, 4/2007
Sija Yritys Maa 2007* 2006 2005
1 Sharp Japani 710 435 427
2 Q-Cells Saksa 540 253 166
3 Kyocera Japani 240 180 142
4 Suntech Kiina 330 160 82
5 Sanyo Japani 260 155 125
6 Mitsubishi Japani 135 111 100
7 Motech Taiwan 200 102 60
8 Schott Solar Saksa 130 93 92
9 Solarworld Saksa 190 90 37
10 BP Solar UK-USA 210 86 86
11 Isofotón Espanja 130 61 75
12 Photowatt Ranska 60 35 33
* = kapasiteetin ennuste 2007, järjestys vuoden 2006 mukaan

Vuonna 2004 10 suurimman yrityksen osuus oli 80 % markkinoista ja loput jakautui 30 yrityksen kesken. Vuoden 1,2 GW:n aurinkokennojen lisäys jakautui yritysten kesken järjestyksessä seuraavasti: Sharp (jp) 27 % (314 MW), Kyocera (jp) 9 %, BP Solar (us, es, aut, in) 7 %, Q-Cells (de) 6 %, Mitsubishi Electric (jp) 6 %, Shell Solar (us, de) 6.0%, Sanyo (jp) 5 %, RWE - Schott Solar (de, usa) 5 %, Isofoton (es) 5%, Motech (tw) 3% ja muut 20 %. Photovoltaics and renewable energies in Europe, Arnulf Jaäger-Waldau, Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1414–1437 Ala on nopeasti kasvava.

Japanissa suurin PV valmistaja on Sharp. Japanissa tuotanto on 0,71 GW/vuosi.Sharp Sets Up Additional Solar Cell Production Line at Katsuragi Plant Yrityksellä on Euroopan markkinoita varten tehdas Walesissa, jota se laajensi 2007 kaksinkertaiseksi 220 MW/a.Sharp Expands Solar Module Production Capacity to 220 MW in Europe Sharp Corporation 2.2.2007 Muita japanilaisyrityksiä on mm. Sanyo (260 MW/a 2007), Kyocera ja Mitsubishi.

German Solar Industry Federation arvioi, että aurinkokennot työllistivät maassa 6000 yritystä ja niiden liikevaihto oli 3,8 miljardia euroa 2006. Saksassa aurinkokennoja valmistaa 8 yritystä: Deutsche Cell, ErSol Solar Energy, EverQ, Q-Cells, Scheuten Solar (ennen Shell Solar), Schott Solar, Solarwatt Cells ja Sunways.Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006

Yhdysvaltalaisia yrityksiä on mm.GE (osti AstroPower:n 2006), BP Solar, United Solar Ovonic ja First Solar.

Vuonna 1997 Suomen 400 000 kesämökistä 5-/ % oli aurinkokennot sähkönlähteenä. Suomessa Neste Oilin NAPS oli suurin myyjä. Markkinoiden johtajat olivat: Siemens 18 MW, Kyocera 12 MW, Solarex 8 MW, BP 8 MW, Solec 3,5MW, Astropower 3 MW, ASE 3 MW, Photowatt 2,5 MW, Eurosolar 2,5 MW, Isophoton 2 MW ja NAPS (Suomi) 2 MW. Yhteensä tuotanto oli 93 MW.Aurinko kylmentää oluen, Tekniikka ja Talous 7.8.1997, s.12

Kustannukset

Yhdysvaltojen enegiaministeriön mukaan multikidekennojen takaisinmaksuaika on 2-4 vuotta ja ohutkalvokennojen 1-2 vuotta.What is the energy payback for PV? US Department of Energy, Energy and Efficiency

12/2004

Feed in tariff –järjestelmällä tuetaan uusiutuvan energian käyttöönottoa lähes kaikissa teollisuusmaissa. Kreikka sääti aurinkoenergialain helmikuussa 2007, Italia 25.8.2006 ja Espanja 26.3.2007. Kreikan takuutariffi on Saksaakin suurempi. Espanjan hintatuki on 44 eurocenttiä/kWh 25 vuoden ajan.Photovoltaic investments outside Germany? Looking into the southern EU states 23.4.2007 Ruotsi antaa toukokuusta 2006 julkisille rakennuksille 60 % tukea aurinkokennojen asennukseen.IEA June 2006 pvpower24

Tulevaisuus

[[Kuva:Gossamer penguin.jpg|thumb|280px|left|Aurinkokennoja käyttävä Gossamer Penguin lennossa 25.7.1979 [1]

Aurinkokennojen hinta on laskenut hitaasti verrattuna muihin puolijohdetuotteisiin, kuten mikropiireihin. Piikiekolle tehtävien aurinkokennojen valmistuksessa on käytetty kustannussyistä mikropiiripiirituotannolle kelpaamatonta laatua, jonka määrä on ollut rajoitettua. Aurinkokennojen vapauduttua yksikiteisestä piistä, on tämä riippuvuus jäänyt toissijaiseksi. Tulevaisuudessa panostukset kasvihuoneilmiön välttämiseen tulee auttamaan aurinkokennotekniikan edistymistä. European PV Industry Assosiation ja Greenpeace arvioivat kapasiteetiksi 200 GW vuonna 2020 ja vuonna 2040 tuotannoksi 25 % koko maailman sähkönkulutuksesta.Solar Generation: Solar Electricity for over 1 billion People and 2 million Jobs by 2020, European PV Industry Assosiation ja Greenpeace 2001

Aurinkokennotavoitteet: Japani 4 820 MW (2010), Italia 1 000 MW (2015), Korea 1300 MW (2012)Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006 ja USA 5-10 GW (2015)Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006 (s.100) ja USA 30 GW (2020).Mission, Vision, and Goals, Solar technologies program the U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy EU arvioi, että Saksaan on asennettu 4500 MW aurinkokennoja 2010.Innovation and technological development in energy

Aurinkoenergian haittana on auringonpaisteen jaksoittaisuus ja investointikustannukset. Jaksoittaisuuden aiheuttamia ongelmia voidaan poistaa säätövoimalla ja energian varastoinnilla. Aurinkokennoihin ja alan kilpailuun panostavat maat ovat ottaneet käyttöön syöttötariffi-järjestelmän tukemaan pientuottajia.

Aurinkokennoja käytetään myös voimanlähteenä kokeellisissa autoissa, mutta tehossat ovat vielä pieniä ja aurinkoautoilla on toistaiseksi vain kilpailtu Australia ja muissa valoisissa maissa.

Saharan reuna-alueiden ja muiden vastaavien kuivien alueiden varustaminen aurinkokennojen käyttämillä kastelujärjestelmillä on eräitä suuria haaveita, joiden toteutuminen helpottuu tekniikan kehittyessä.

Satelliittiaurinkovoima on kallista ja toistaiseksi vasta tutkimusasteella. Japani ja USA ovat suunnitelleet lähettävänsä avaruuteen aurinkovoimaloita eli satelliitteja, joihin on kiinnitetty kilometrien pituisia aurinkokennoja. Tuotettu sähkö siirrettäisiin maahan ilmeisesti mikroaalloilla tai IR-laserilla. NASA esitti jo 1970-luvulla avaruusvoimalan rakentamista. Suunnitelman mukaan se olisi riittänyt kattamaan koko Yhdysvaltain sähköntarpeen. 1980-luvulla oli huhuja, että Neuvostoliitto kokeili langatonta sähkönsiirtoa avaruudesta maahan. Tässä tekniikassa on niin suuria turvallisuusongelmia, että se ei toteutune lähitulevaisuudessa.

Useimpien avaruusalusten sähköteho tuotetaan aurinkokennoilla, koska vaihtoehtoina on vain polttokenno (esim. Apollossa käytössä) ja ydinenergia (esim. Cassini-luotain). Tällöin aluksen käyttöjännite on 28 V, 40 V, 100 V tasavirtaa tai 400 V vaihtovirtaa (esim. ISS-avaruuasema) ja tehonkulutus kymmenistä wateista satoihin kilowatteihin.

Tekniikka

Teoria

Aurinkoenergia on uusiutuvaa energiaa, jossa ei ole polttoainekustannuksia, ja josta ei synny hiilidioksidipäästöjä tai jätteitä. Aurinkokennojen käyttöä on kuitenkin hidastanut kennon korkeahko hinta. Kehityssuuntana on ollut kustannuksien alentaminen, hyötysuhteenllalla parantaminen ja materiaalien kehitys. Aurinkokennojen valmistuskustannukset alenevat 2–4 prosenttia vuosittain teknisen kehitystyön ja suurtuotannon etujen ansiosta. Tärkein valosähköisten kennojen raaka-aine on pii, jota maapallo esiintyy yltäkylläisesti teollisuuden tarpeisiin. Aurinkokennoja kohtaan osoitettu kritiikki kohdistuu usein pieneen hyötysuhteeseen ja valmistuksesta aiheutuviin päästöihin. Valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat todellakin melko korkeita, mutta nykytekniikalla niitä voidaan vähentää.

Aurinkokennojen hyötysuhde riippuu kennon valmistusmateriaalien ja -tekniikoiden lisäksi osittain kennoon tulevan säteilyn spektristä. Osa säteilystä heijastuu jo kennon pinnasta, minkä merkitystä pyritään vähentämään valitsemalla mahdollisimman heikosti heijastava materiaali pintaan. Myös säteilyn absorptoituminen pintakerroksiin heikentää hyötysuhdetta, minkä merkitys vähenee sopivilla materiaalivalinnoilla. Fysiikassa auringon säteilyn ajatellaan koostuvan pienistä massattomista hiukkasista, fotoneista, jotka sisältävät tietyn määrän energiaa. Aurinkokennoissa fotonit absorptoituvat p-tyypin puolijohteeseen vapauttaen elektroneja valosähköisessä ilmiössä, kuljettuaan ensin n-tyypin kerroksen ja n/p-liitoksen läpi.

Hyötysuhteen maksimoimiseksi pyritään säätämään p-tyypin materiaalin ominaisuudet siten, että suurin osa elektroneista vapautuu mahdollisimman lähellä liitosta, jotta sähkökenttä kykenisi auttamaan elektronit kennon yläosan läpi ulkoiseen piiriin. Luonnollisesti fotonien absorptio pyritään saamaan mahdollisimman suureksi, ja siten vapauttaa mahdollisimman paljon elektroneja. Ja kaiken lisäksi elektronien yhtyminen aukkojen kanssa on estettävä mahdollisimman tehokkaasti. Näiden vaatimusten toteuttamiseksi äärimmäisen puhtaaseen puolijohderaaka-aineeseen lisätään tarkasti määriteltyihin paikkoihin epäpuhtauksia eli muita atomeja. Pinnasta tapahtuvia heijastuksia vähennetään ainakin kahdella eri tavalla: peittämällä pinta monella kerroksella sopivaa materiaalia esimerkiksi piimonoksidia tai käsittelemällä kennon pinta kemikaalein sellaiseksi, että se heijastaa pintaheijastukset takaisin kennoon.

Los Alamosin laboratorion tutkijat ovat onnistuneet kokeellisesti osoittamaan, että käyttämällä nanokiteistä puolijohdetta voidaan aurinkokennojen tuottaman sähkön määrää voitaisiin nostaa jopa 35 % nykyisestä. Hyötysuhteen nousun taustalla se, että nanokiteinen puolijohde vapauttaa useita elektroneja kerralla ja käyttää kennoon tulevien fotonien energian tarkemmin kuin aiemmin. Kennon perusperiaate ei muutu miksikään, vaan keksinnössä on kyse kuljettajien moninkertaistumiseksi kutsutun ilmiön, joka on tunnettu 50-luvulta lähtien, hyödyntämistä: kennoon tuleva fotoni irrottaa yhden elektronin puolijohteesta, mutta ylimääräinen energia ei muutukaan lämmöksi vaan se siirtyy törmäysionisaatioksi kutsutussa prosessissa toiselle elektronille. Hyötysuhteen huomattava nosto edellyttää nanoluokan puolijohteita, sillä perinteisin menetelmin hyötysuhde kasvaisi vain noin prosentilla. Käytännössä edellä kuvattu ilmiö tarkoittaa fotonin osumasta irtoavien elektronien määrän tuplaantumista.Los Alamos National Laboratory: The Daily Newsbulletin

Useimmilla tehokkailla aurinkokennomateriaaleilla irrotustyön suuruus on välillä 1,0-1,6 eV. Fotonit, joiden energia on tällä välillä vapauttavat elektroneja tuottamatta ylimääräistä lämpöä. Useimmat aurinkokennot eivät pysty hyödyntämään 55 % auringon säteilyn energiasta, sillä joko irrotustyö tai kuljettajien vaatima energia suurempi kuin tulevien fotonien energia. Kennoissa käytettävät puolijohteet pyritään optimoimaan käyttämään hyödykseen mahdollisimman suurta osaa kennoihin osuvan säteilyn energiasta. 25 %:lla tulevista fotoneista on irrotustyötä pienempi energia, 30 % tulevasta energiasta kuluu kennon sisäisssä prosesseissa (syntyy esimerkiksi lämpöä ja valoa). Kennon tehokkuuteen vaikuttaa siis valmistustekniikan ja -materiaalien lisäksi käyttöolosuhteet. Aurinkokennon tuottaman sähkön määrää voidaan lisätä käyttämällä keskittimiä, jotka kohdistavat laajemmalle alueelle osuvan auringon säteilyn kennoihin jolloin kennoon osuvan säteilyn intensiteetti kasvaa. Kyse on siis eräänlaisesta vippaskonstista, jonka ongelmana on tosin kennon ja muidenkin rakenteiden normaalia voimakkaampi lämpeneminen. Keskitysjärjestelmiin eli linsseihin ja peileihin liittyy häviöitä ja myös heijastuminen keskittimistä on merkittävä tekijä.

Aurinkokennossa vapautuvien elektronien saaminen ulkoiseen piiriin on tärkeä osa aurinkoenergiateknologiaa, sillä elektronien siirtämiseen tarvittavat kontaktit eivät saisi peittää kuin korkeintaan muutaman prosentin kennon pinnasta ja niiden pitäisi johtaa hyvin kaikissa suunnissa. Se mitä materiaaleja kontakteissa käytetään ja miten ne asennetaan kennon pinnalle on merkittävä tekijä kennon hyötysuhteen ja hinnan kannalta. Aurinkokennoja kootaan yleensä suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joita kutsutaan moduleiksi ja taulukoiksi. Kokonaisen aurinkoenergiajärjestelmän voi ajatella koostuvan kolmesta osasta: tehontuotto eli aurinkokennot, jotka tuottavat tasavirtaa; kuorma, joka voi olla tasa- tai vaihtovirtaa käyttävä; näiden välissä on erittäin merkittävä, järjestelmän tasapainoksi kutsuttu, osajärjestelmä, joka muuntaa kennon tuottaman sähkön käyttökelpoiseksi kuormalle. Tämä osajärjestelmä sisältää moduulien kiinnitysjärjestelmän, virran ja jännitteen suodatuskomponentit sekä tarvittaessa vaihtosuuntauksen. Myös varastointi kuuluu tähän järjestelmään.

Aurinkokennojen kiinnitysjärjestelmien on oltava kestäviä ja pitkäikäisiä, sillä ne ovat jatkuvasti sään armoilla. Itsenäisiin aurinkoenergiajärjestelmiin usein kuuluvat akut on vaihdettava joka viides tai kymmenes vuosi, näihin järjestelmiin saattaa kuulua myös dieselgeneraattori tai pieni tuulivoimala. Isommissa aurinkovoimaloissa käytetään jäljitysjärjestelmiä maksimaalisen energiantuoton saamiseksi eli taulukot on kiinnitetty moottoroituihin kiinnityksiin, jotka pitävät kennot optimaalisessa kulmassa aurinkoon nähden. Jännitteen säätö on tärkeä osa energian tuotantoa, sillä yli- ja alijännitteet voivat olla tuhoisia. Aurinkoenergiajärjestelmien yleistyminen on kiinni järjestelmien hinnasta ja käytettävyydestä sekä niiden eliniästä. Akkuteknologian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä aurinkoenergiajärjestelmiin tarvitaan tehokkaita akkuja, jotka eivät saisi laskea järjestelmän hyötysuhdetta paljoa. Nykytekniikalla akkujen käyttö pienentää hyötysuhdetta noin 20 %.

Aurinkokennojen suunnittelussa täytyy huomioida se, miten valo osuu kennoon, sillä valo voi joko osua kennoon suoraan tai se saattaa heijastua esimerkiksi pilvistä tai maasta. Keskitinjärjestelmät voivat hyödyntää vain niihin suoraan osuvaa valoa, kun taas litteät kennot pystyvät hyödyntämään heijastuneenkin komponentin. Suoraan kennoon tulevan valon määrä vaihtelee välillä 0-90 %.

Materiaalit

Vuonna 2004 piipohjaiset materiaalit hallitsivat markkinaosuuksissa: polykiteinen pii 62 %, monokiteinen pii 29 %, amorfinen pii 5 % ja nauha pii (ribbon Si) 4 %. Ohutfilmitekniikan (polykiteinen kadmium telluridi CdTe, kupari indium gallium diselenidi [CIGS] ja amorfinen Si [a-Si]) markkinaosuus oli alle 10 % (2004). Ohutkalvotekniikat mm. säästävät puolijohdemateriaalikustannuksissa ja mahdollistavat automaation lisäämisen. Tekniikka saattaa kehittyä muita edullisemmaksi.

Aurinkokennot voidaan jakaa piipohjaisiin ja ohutkalvotekniikkaan perustuviin kennoihin. Piipohjaiset kennot, joiden toiminnallinen osa on 100-300 µm, eivät ole teollisuuden kannalta yhtä kiintoisia kuin ohutkalvotekniikkaan pohjautuvat kennot, joiden toiminnallisen osan paksuus on 1-10 µm, sillä ohutkalvotekniikka vaatii vähemmän raaka-aineita ja on helpommin sovellettavissa massatuotantoon. Piitä, kuten muitakin aurinkokennojen puolijohteita on olemassa useaa eri tyyppiä: yksi- ja monikiteistä sekä amorfista. Puolijohteen ominaisuudet, kuten kiteen koko ja rakenne riippuvat aineen tyypistä. Yksikiteisen piin atomit muodostavat erittäin säännöllisen kiderakenteen, jossa kiteen koko on yli 10 cm. Niiden materiaalien, jotka koostuvat useista pienemmistä kiteistä kiderakenne ei ole yhtä säännöllinen kuin yksikiteisten materiaalien, sillä kiteiden pienuuden vuoksi kiteissä olevien atomien tai molekyylien väliset vetovoimat tulevat merkityksellisiksi.U.S. Department of Energy: Energy Efficiency and Renewable Energy: Solar Energy Technologies Program

Piiatomien elektronien käyttäytyminen piikiteissä on merkittävä tekijä tarkasteltaessa piikiteissä tapahtuvaa valosähköilmiötä, sillä kiteiden muodostumisperiaate on omalaatuinen. Joitakin ohutkalvokennoja voidaan kuvata n-i-p-rakenteella, missä n ja p ovat erityyppisiä puolijohteita, n-tyypin puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja p-tyypissä on ylimääräisiä aukkoja. P/n-liitoksen yli muodostuu sähkökenttä, koska aukot ja elektronit vaihtavat jatkuvasti puolta eli kaksi puolijohdetta käyttäytyy pariston tavoin, joten niitä voidaan käyttää erilaisissa piireissä. Aurinkokennoahan voidaan pitää diodina. Amorfinen pii on erittäin mielenkiintoinen materiaali ohutkalvotekniikan kannalta ja sitä tutkitaan nykyisin erittäin paljon, sillä sen ominaisuudet tekevät siitä johtavan ohutkalvomateriaalin. Amorfisen piin korvaajiksi ovat ehdolla nanokiteinen ja 'pienijyväinen' monikiteinen pii.

Muita monikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytettyjä materiaaleja ovat kupari-indiumdiselenidi ja kadmiumtelluuri, jonka n-i-p on kemiallisin merkein kirjoitettuna Cd S-CdTe-ZnTe. Molemmat edellä mainituista materiaaleista absorboivat tehokkaasti fotoneja ja ovat valmistusteknillisesti edeltäjiään parempia. Yksikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytetään galliumarsenidiä, jolla on laaja soveltuvuusalue, sillä galliumarsenidi kestää erittäin hyvin säteilyäkin, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin avaruussovellutuksiin. Galliumarsenidiä voidaan kerrostaa hieman erilaisin koostumuksin, jolloin saadaan parannettua tehokkuutta ja vietyä hyötysuhde aina vain lähemmäksi ja lähemmäksi teoreettista rajaa. Ohutkalvotekniikaan perustuvien kennojen tuotanto on yleensä laaja-alaista eli tapahtuu suurella pinta-alalla ja voidaan automatisoida; ohutkalvotekniikkaan perustuvat kennot ovat myös taipuisia.

Historia

Albert Einstein löysi valosähköisen ilmiön, johon piipohjaisettt aurinkokenno perustuvat. Valosähköilmiö havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta vasta 1880-luvulla ilmiötä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla. Tuolloin Hertz havaitsi, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin pakoa (vuonna 1887), tunnemme nämä oliot elektroneina. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallankumouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolo tiedettiin jo. Edisonanan havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korkeaan lämpötila 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 katodillelta anodi saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköilmiön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckhypoteesiain kvantti. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valon säde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorptoituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absortoituvan fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Suurempi intensiteetti taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa jännitettä. Suurimmalla osalla metalleista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliuminin ja cesium oksideilla rajataajuus on näkyvän valon alueella.