Historia fotowoltaiki, czyli jak powstały pierwsze panele fotowoltaiczne
Odkrycia, eksperymenty i teorie
Historia fotowoltaiki zaczyna się wraz z odkryciem zjawiska fotoelektrycznego. Wniosek, że natężenie prądu między metalowymi elektrodami zanurzonymi w roztworze (cieczy) zmienia się wraz z intensywnością oświetlenia, przedstawił Francuskiej Akademii Nauk na posiedzeniu w poniedziałek 29 lipca 1839 r. Alexandre Edmond Becquerel, który następnie opublikował artykuł.
Jego ojciec, Antoine César Becquerel, nazywany jest czasem odkrywcą. Może to wynikać z faktu, że Edmond Becquerel miał zaledwie 20 lat w momencie publikacji i nadal pracował w laboratorium swojego ojca.
Wielki szkocki naukowiec James Clerk Maxwell był jednym z wielu europejskich naukowców zaintrygowanych zachowaniem selenu, na co po raz pierwszy zwrócił uwagę społeczności naukowej w artykule Willoughby'ego Smitha opublikowanym w Journal of the Society of Telegraph Engineers w 1873 roku.
Smith, główny inżynier elektryk firmy Gutta Percha, użył prętów selenowych pod koniec lat 60. XIX wieku w urządzeniu do wykrywania uszkodzeń kabli transatlantyckich przed nurkowaniem. Podczas gdy pręty selenowe działały dobrze w nocy, działały fatalnie, gdy wyszło słońce.
Podejrzewając, że szczególne właściwości selenu mają coś wspólnego z ilością padającego na niego światła, Smith umieścił pręty w pudełku z przesuwaną pokrywą. Gdy szuflada była zamknięta, a światła wyłączone, opór prętów — stopień, w jakim utrudniają one przepływ prądu elektrycznego — był maksymalny i pozostawał stały. Ale kiedy zdjęto pokrywę pudełka, ich przewodność natychmiast „wzrosła zgodnie z intensywnością światła”.
Wśród naukowców, którzy badali wpływ światła na selen po raporcie Smitha, było dwóch brytyjskich naukowców, profesor William Grylls Adams i jego uczeń Richard Evans Day.
Pod koniec lat siedemdziesiątych XIX wieku poddali selen wielu eksperymentom, aw jednym z nich zapalili świecę obok prętów selenowych, których używał Smith. Strzałka na ich mierniku reaguje natychmiast. Osłonięcie selenu przed światłem spowodowało, że wskazówka natychmiast spadła do zera.
Te szybkie reakcje wykluczają możliwość wytwarzania prądu przez ciepło płomienia świecy, ponieważ ciepło jest dostarczane lub usuwane w eksperymentach termoelektrycznych, wskazówka zawsze podnosi się lub opada powoli. „Dlatego”, podsumowali naukowcy, „było jasne, że prąd może być uwalniany w selenie tylko pod wpływem światła”. Adams i Day nazwali prąd wytwarzany przez światło „fotowoltaicznym”.
W przeciwieństwie do obserwowanego przez Becquerela efektu fotoelektrycznego, gdy prąd w ogniwie elektrycznym zmieniał się pod wpływem światła, w tym przypadku napięcie elektryczne (i prąd) było generowane bez działania zewnętrznego pola elektrycznego tylko pod wpływem światła.
Adams i Day stworzyli nawet model skoncentrowanego systemu fotowoltaicznego, który zaprezentowali wielu wybitnym osobistościom w Anglii, ale nie wprowadzili go do praktycznego zastosowania.
Kolejny twórca ogniwa fotowoltaiczne na bazie selenu był amerykański wynalazca Charles Fritts w 1883 roku.
Rozprowadził szeroką, cienką warstwę selenu na metalowej płytce i pokrył ją cienką półprzezroczystą warstwą płatków złota. Ten selenowy moduł, jak powiedział Fritz, wytwarzał prąd „ciągły, stały i o znacznej sile… nie tylko w świetle słonecznym, ale także w słabym, rozproszonym świetle dziennym, a nawet w świetle lamp”.
Ale wydajność jego ogniw fotowoltaicznych była mniejsza niż 1%. Uważał jednak, że mogą konkurować z elektrowniami węglowymi Edisona.
Pozłacane selenowe panele słoneczne Charlesa Frittsa na dachu Nowego Jorku w 1884 roku.
Fritz wysłał jeden ze swoich paneli słonecznych do Wernera von Siemensa, którego reputacja dorównywała reputacji Edisona.
Siemens był pod takim wrażeniem mocy elektrycznej paneli po zapaleniu, że słynny niemiecki naukowiec przedstawił panel Fritts Królewskiej Akademii w Prusach. Siemens powiedział światu naukowemu, że amerykańskie moduły „po raz pierwszy przedstawiły nam bezpośrednią konwersję energii świetlnej na energię elektryczną”.
Niewielu naukowców posłuchało wezwania Siemensa. Odkrycie wydawało się zaprzeczać wszystkiemu, w co wierzyła ówczesna nauka.
Pręty selenowe używane przez „magiczne” panele Adamsa, Daya i Fritha nie opierały się na metodach generowania energii znanych fizyce. Dlatego większość wykluczyła je z zakresu dalszych badań naukowych.
Fizyczna zasada zjawiska fotoelektrycznego została teoretycznie opisana przez Alberta Einsteina w jego artykule z 1905 roku na temat pola elektromagnetycznego, który zastosował do pola elektromagnetycznego, opublikowanego przez Maxa Karla Ernsta Ludwiga Plancka na przełomie wieków.
Z wyjaśnień Einsteina wynika, że energia uwolnionego elektronu zależy tylko od częstotliwości promieniowania (energia fotonów), a liczba elektronów od natężenia promieniowania (liczba fotonów). Za swoją pracę nad rozwojem fizyki teoretycznej, zwłaszcza za odkrycie praw efektu fotoelektrycznego, Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Odważny, nowy opis światła przez Einsteina, w połączeniu z odkryciem elektronu i wynikającym z niego dążeniem do badania jego zachowania — wszystko to miało miejsce na początku XIX wieku — dostarczyło fotoelektryczności podstaw naukowych, których wcześniej jej brakowało, a które teraz mogłyby wyjaśnić to zjawisko w terminach zrozumiałe dla nauki.
W materiałach takich jak selen silniejsze fotony niosą wystarczającą energię, aby wybić luźno związane elektrony z ich orbit atomowych. Kiedy druty są przymocowane do prętów selenu, uwolnione elektrony przepływają przez nie jako elektryczność.
Dziewiętnastowieczni eksperymentatorzy nazywali ten proces fotowoltaiką, ale w latach dwudziestych XX wieku naukowcy nazywali to zjawisko efektem fotoelektrycznym.
W swojej książce o ogniwach słonecznych z 1919 rThomas Benson pochwalił pracę pionierów z selenem jako prekursorem „nieuchronnego generatora słonecznego”.
Jednak bez żadnych odkryć na horyzoncie szef działu fotowoltaiki Westinghouse mógł tylko stwierdzić: „Ogniwa fotowoltaiczne nie będą interesujące dla praktycznych inżynierów, dopóki nie staną się co najmniej pięćdziesiąt razy bardziej wydajne”.
Z pesymistyczną prognozą zgodzili się autorzy książki Fotowoltaika i jej zastosowania, pisząc w 1949 roku: „Należy pozostawić przyszłości, czy odkrycie materialnie wydajniejszych ogniw otworzy możliwość wykorzystania energii słonecznej do pożytecznych celów”.
Mechanizmy efektów fotowoltaicznych: Efekt fotowoltaiczny i jego odmiany
Fotowoltaika w praktyce
W 1940 roku przypadkowo stworzył Russell Shoemaker Ole złącze PN na krzemie i odkrył, że po oświetleniu wytwarza elektryczność. Opatentował swoje odkrycie. Sprawność wynosi około 1%.
Nowoczesna forma ogniw słonecznych narodziła się w 1954 roku w Bell Laboratories. W eksperymentach z domieszkowanym krzemem ustalono jego wysoką światłoczułość. Rezultatem było ogniwo fotowoltaiczne o wydajności około sześciu procent.
25 kwietnia 1954 roku dumni dyrektorzy firmy Bell prezentują panel słoneczny firmy Bell, zawierający panel ogniw, które do zasilania diabelskiego młyna wykorzystują wyłącznie energię świetlną. Następnego dnia naukowcy z firmy Bell wystrzelili nadajnik radiowy zasilany energią słoneczną, który transmitował głos i muzykę do czołowych amerykańskich naukowców zebranych na spotkaniu w Waszyngtonie.
Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne powstały na początku lat pięćdziesiątych XX wieku.
Elektryk z Southern Bell montuje panel słoneczny w 1955 roku.
Ogniwa fotowoltaiczne są wykorzystywane jako źródło energii elektrycznej do zasilania różnych urządzeń od późnych lat pięćdziesiątych XX wieku na satelitach kosmicznych. Pierwszym satelitą z fotokomórkami był amerykański satelita Vanguard I (Avangard I), wystrzelony na orbitę 17 marca 1958 roku.
Amerykański satelita Vanguard I, 1958.
Satelita Vanguard I wciąż znajduje się na orbicie. Spędził ponad 60 lat w kosmosie (uważany za najstarszy obiekt stworzony przez człowieka w kosmosie).
Vanguard I był pierwszym satelitą zasilanym energią słoneczną, a jego ogniwa słoneczne zapewniały zasilanie satelity przez siedem lat. Przestała wysyłać sygnały na Ziemię w 1964 roku, ale od tego czasu naukowcy nadal używają jej do uzyskiwania wglądu w wpływ Słońca, Księżyca i ziemskiej atmosfery na orbitujące satelity.
Amerykański satelita Explorer 6 z podniesionymi panelami słonecznymi, 1959 r.
Z nielicznymi wyjątkami jest głównym źródłem energii elektrycznej dla urządzeń, które mają działać przez długi czas. Całkowita pojemność paneli fotowoltaicznych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wynosi 110 kWh.
Panele słoneczne w kosmosie
Ceny pierwszych ogniw fotowoltaicznych w latach pięćdziesiątych XX wieku wynosiły tysiące dolarów za wat mocy znamionowej, a zużycie energii do ich wyprodukowania przekraczało ilość energii elektrycznej, jaką te ogniwa wyprodukowały w ciągu swojego życia.
Powodem było, poza niską wydajnością, stosowanie praktycznie tych samych procedur technologicznych i energochłonnych przy produkcji ogniw fotowoltaicznych, co przy produkcji mikroczipów.
W warunkach naziemnych panele fotowoltaiczne były najpierw wykorzystywane do zasilania małych urządzeń w odległych lokalizacjach lub np. na bojach, gdzie podłączenie ich do sieci energetycznej byłoby niezwykle trudne lub niemożliwe. Główną przewagą paneli fotowoltaicznych nad innymi źródłami energii elektrycznej jest to, że nie wymagają paliwa i konserwacji.
Pierwsze masowo produkowane panele fotowoltaiczne pojawiły się na rynku w 1979 roku.
Wzrost zainteresowania fotowoltaiką jako źródłem energii na Ziemi, a także innymi źródłami odnawialnymi, był napędzany przez kryzys naftowy lat 70. XX wieku.
Od tego czasu prowadzone są intensywne prace badawczo-rozwojowe, których efektem jest wyższa wydajność, niższe ceny oraz dłuższa żywotność ogniw i paneli fotowoltaicznych. Jednocześnie energochłonność produkcji spadła do tego stopnia, że panel generuje wielokrotnie więcej energii, niż zużyto do jego wytworzenia.
Najstarsze (nadal w użyciu) duże konstrukcje przybrzeżne pochodzą z wczesnych lat 80-tych. W tym czasie nadal całkowicie dominowały ogniwa z krzemu krystalicznego, których żywotność potwierdzono w rzeczywistych warunkach na co najmniej 30 lat.
Opierając się na doświadczeniach, producenci gwarantują, że po 25 latach wydajność panelu spadnie maksymalnie o 20% (jednak wyniki wspomnianych instalacji są znacznie lepsze). W przypadku innych typów paneli żywotność jest szacowana na podstawie przyspieszonych testów.
Oprócz oryginalnych monokrystalicznych ogniw krzemowych, na przestrzeni lat opracowano szereg nowych typów ogniw fotowoltaicznych, zarówno krystaliczne, jak i cienkowarstwowe… Jednak nadal dominującym materiałem w fotowoltaice jest krzem.
Technologia fotowoltaiczna przeżyła znaczny rozkwit od 2008 roku, kiedy to ceny krzemu krystalicznego zaczęły gwałtownie spadać, głównie za sprawą przeniesienia produkcji do Chin, które wcześniej były mniejszościowym graczem na rynku (większość produkcji fotowoltaiki koncentrowała się w Japonii, USA, Hiszpanii i Niemczech).
Fotowoltaika rozpowszechniła się dopiero wraz z wprowadzeniem różnych systemów wspomagających. Pierwszym był program dopłat w Japonii, a następnie system cen skupu w Niemczech. Następnie podobne systemy zostały wprowadzone w wielu innych krajach.
Energia fotowoltaiczna jest obecnie najpopularniejszym odnawialnym źródłem energii, a także bardzo szybko rozwijającą się branżą. Jest powszechnie instalowany na dachach budynków, a także na gruntach, które nie mogą być wykorzystywane do prac rolniczych.
Do najnowszych trendów należą również instalacje wodne w postaci pływające instalacje fotowoltaiczne oraz instalacje agrofotowoltaiczne, łączące instalacje fotowoltaiczne z produkcją rolną.