Zgodovina fotovoltaike, kako so nastale prve sončne celice

Odkritja, poskusi in teorije

Zgodovina fotovoltaike se začne z odkritjem fotoelektričnega učinka. Ugotovitev, da se tok med kovinskimi elektrodami, potopljenimi v raztopino (tekočino), spreminja z intenzivnostjo osvetlitve, je Francoski akademiji znanosti na zasedanju v ponedeljek, 29. julija 1839, predstavil Alexandre Edmond Becquerel, ki je nato objavil članek.

Njegov oče Antoine César Becquerel se včasih imenuje odkritelj. To je lahko posledica dejstva, da je bil Edmond Becquerel v času objave star le 20 let in je še vedno delal v očetovem laboratoriju.

Veliki škotski znanstvenik James Clerk Maxwell je bil med številnimi evropskimi znanstveniki, ki jih je zanimalo obnašanje selena, na kar je znanstveno skupnost prvič opozorila v članku Willoughbyja Smitha, objavljenem v Journal of the Society of Telegraph Engineers leta 1873.

Smith, glavni inženir elektrotehnike podjetja Gutta Percha Company, je v poznih 1860-ih uporabil selenove palice v napravi za odkrivanje napak v čezatlantskih kablih pred potopom. Čeprav so selenove palice dobro delovale ponoči, so delovale grozno, ko je posijalo sonce.

Ob sumu, da so posebne lastnosti selena povezane s količino svetlobe, ki pada nanj, je Smith postavil palice v škatlo z drsnim pokrovom. Ko je bil predal zaprt in so bile luči ugasnjene, je bil upor palic - stopnja, do katere ovirajo prehod električnega toka skozi njih - največji in ostal konstanten. Ko pa je bil pokrov škatle odstranjen, se je njihova prevodnost takoj »povečala v skladu z jakostjo svetlobe«.

Med raziskovalci, ki so po Smithovem poročilu preučevali vpliv svetlobe na selen, sta bila dva britanska znanstvenika, profesor William Grylls Adams in njegov študent Richard Evans Day.

V poznih sedemdesetih letih 19. stoletja so selen podvrgli številnim poskusom in v enem od teh poskusov so prižgali svečo poleg selenskih palic, ki jih je uporabljal Smith. Puščica na števcu se takoj odzove. Zaščita selena pred svetlobo je povzročila, da je igla takoj padla na nič.

Te hitre reakcije izključujejo možnost, da bi toplota plamena sveče povzročila tok, saj pri dovajanju ali odvajanju toplote pri termoelektričnih poskusih, se igla vedno dviga ali spušča počasi. "Zato", so zaključili raziskovalci, "je bilo jasno, da se tok lahko sprosti le v selenu pod delovanjem svetlobe." Adams in Day sta tok, ki ga proizvaja svetloba, poimenovala "fotovoltaični".

Za razliko od fotoelektričnega učinka, ki ga je opazil Becquerel, ko se je tok v električni celici spremenil pod vplivom svetlobe, je v tem primeru električna napetost (in tok) nastala brez delovanja zunanjega električnega polja le pod delovanjem svetlobe.

Adams in Day sta ustvarila celo model koncentriranega fotovoltaičnega sistema, ki sta ga predstavila številnim uglednim ljudem v Angliji, vendar ga nista pripeljala v praktično uporabo.

Še en ustvarjalec fotovoltaične celice na osnovi selena je leta 1883 ameriški izumitelj Charles Fritts.

Na kovinsko ploščo je razgrnil široko tanko plast selena in jo prekril s tanko prosojno plastjo zlatih lističev. Ta modul selena, je dejal Fritz, proizvaja tok "neprekinjen, stabilen in znatne moči ... ne samo v sončni svetlobi, ampak tudi pri šibki, razpršeni dnevni svetlobi in celo svetlobi svetilk.

Toda učinkovitost njegovih fotovoltaičnih celic je bila manjša od 1 %. Vendar je verjel, da se lahko kosajo z Edisonovimi elektrarnami na premog.

Pozlačene selenove sončne plošče Charlesa Frittsa na strehi New Yorka leta 1884.

Fritz je enega svojih solarnih panelov poslal Wernerju von Siemensu, čigar ugled je bil enak Edisonovemu.

Siemens je bil tako navdušen nad električno močjo prižganih plošč, da je slavni nemški znanstvenik predstavil Frittsovo ploščo Kraljevi akademiji v Prusiji. Siemens je znanstvenemu svetu povedal, da so nam ameriški moduli "prvič predstavili neposredno pretvorbo svetlobne energije v električno energijo."

Nekaj ​​znanstvenikov je upoštevalo Siemensov poziv. Zdelo se je, da je odkritje v nasprotju z vsem, kar je takrat verjela znanost.

Selenove palice, ki so jih uporabljali Adams in Day ter Frithove "čarobne" plošče, se niso zanašale na metode, ki jih pozna fizika, za ustvarjanje energije. Zato jih je večina izključila iz obsega nadaljnjih znanstvenih raziskav.

Fizikalni princip fotoelektričnega pojava je teoretično opisal Albert Einstein v svojem članku o elektromagnetnem polju iz leta 1905, ki ga je uporabil za elektromagnetno polje, ki ga je objavil Max Karl Ernst Ludwig Planck na prelomu stoletja.

Einsteinova razlaga kaže, da je energija sproščenega elektrona odvisna samo od frekvence sevanja (energija fotona), število elektronov pa od jakosti sevanja (število fotonov). Prav za svoje delo pri razvoju teoretične fizike, zlasti odkritje zakonov fotoelektričnega učinka, je Einstein leta 1921 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Einsteinov drzen nov opis svetlobe, skupaj z odkritjem elektrona in poznejšim prizadevanjem za preučevanje njegovega obnašanja – vse se je zgodilo v zgodnjem 19. stoletju – je fotoelektriki zagotovil znanstveno osnovo, ki ji prej manjka in ki bi zdaj lahko pojasnila pojav z izrazi znanosti razumljivo.

V materialih, kot je selen, močnejši fotoni prenašajo dovolj energije, da iz svojih atomskih orbit izbijejo ohlapno vezane elektrone. Ko so žice pritrjene na selenove palice, sproščeni elektroni tečejo skozi njih kot elektrika.

Eksperimentatorji devetnajstega stoletja so proces poimenovali fotonapetostni, toda v dvajsetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki pojav imenovali fotoelektrični učinek.

V svoji knjigi o sončnih celicah iz leta 1919Thomas Benson je pohvalil delo pionirjev s selenom kot predhodnikom "neizogibnega sončnega generatorja".

Ker pa odkritij ni na obzorju, je vodja Westinghouseove fotovoltaične divizije lahko le sklenil: "Fotovoltaične celice ne bodo zanimale praktičnih inženirjev, dokler ne bodo vsaj petdesetkrat bolj učinkovite."

S pesimistično napovedjo so se strinjali tudi avtorji knjige Photovoltaics and Its Applications, ki so leta 1949 zapisali: »Za prihodnost je treba prepustiti, ali bo odkritje materialno učinkovitejših celic odprlo možnost uporabe sončne energije v koristne namene.«

Mehanizmi fotovoltaičnih učinkov: Fotovoltaični učinek in njegove različice

Fotovoltaika v praksi

Leta 1940 je Russell Shoemaker Ole po naključju ustvaril PN spoj na siliciju in ugotovil, da ob osvetlitvi proizvaja elektriko. Svoje odkritje je patentiral. Učinkovitost je približno 1%.

Sodobna oblika sončnih celic se je rodila leta 1954 v Bell Laboratories. Pri poskusih z dopiranim silicijem je bila ugotovljena njegova visoka fotoobčutljivost. Rezultat je bila fotovoltaična celica z izkoristkom približno šest odstotkov.

Ponosni direktorji podjetja Bell 25. aprila 1954 razkrijejo solarni panel Bell, ki vsebuje celice, ki se zanašajo izključno na svetlobno energijo za napajanje panoramskega kolesa. Naslednji dan so Bellovi znanstveniki lansirali radijski oddajnik na sončno energijo, ki je oddajal glas in glasbo vodilnim ameriškim znanstvenikom, zbranim na srečanju v Washingtonu.

Prve sončne fotovoltaične celice so bile razvite v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja.

Električar Southern Bell leta 1955 sestavi sončno ploščo.

Fotovoltaične celice se kot vir električne energije za napajanje različnih naprav uporabljajo že od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja na vesoljskih satelitih. Prvi satelit s fotocelicami je bil ameriški satelit Vanguard I (Avangard I), izstreljen v orbito 17. marca 1958.

Ameriški satelit Vanguard I, 1958.

Satelit Vanguard I je še vedno v orbiti. V vesolju je preživel več kot 60 let (velja za najstarejši objekt, ki ga je izdelal človek v vesolju).

Vanguard I je bil prvi satelit na sončno energijo in njegove sončne celice so satelitu napajale sedem let. Na Zemljo je prenehal pošiljati signale leta 1964, a od takrat ga raziskovalci še vedno uporabljajo za vpogled v to, kako Sonce, Luna in Zemljina atmosfera vplivajo na satelite v orbiti.

Ameriški satelit Explorer 6 z dvignjenimi sončnimi paneli, 1959.

Z redkimi izjemami je glavni vir električne energije za naprave, ki naj bi delovale dolgo časa. Skupna kapaciteta fotovoltaičnih panelov na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) je 110 kWh.

Sončne plošče v vesolju

Cene prvih fotovoltaičnih celic v petdesetih letih prejšnjega stoletja so bile na tisoče dolarjev za vat nazivne moči, poraba energije za njihovo proizvodnjo pa je presegala količino električne energije, ki so jo te celice proizvedle v svoji življenjski dobi.

Razlog je bil poleg nizke učinkovitosti tudi v tem, da so bili pri proizvodnji fotonapetostnih celic uporabljeni praktično enaki tehnološki in energetsko intenzivni postopki kot pri proizvodnji mikročipov.

V kopenskih razmerah so fotovoltaične panele najprej uporabljali za napajanje manjših naprav na oddaljenih lokacijah ali na primer na bojah, kjer bi jih bilo izjemno težko ali nemogoče priključiti na električno omrežje. Glavna prednost fotovoltaičnih panelov pred drugimi viri električne energije je, da ne potrebujejo goriva in vzdrževanja.

Prvi množično proizvedeni fotonapetostni paneli so se na trgu pojavili leta 1979.

Povečano zanimanje za fotovoltaiko kot vir energije na Zemlji, pa tudi za druge obnovljive vire, je spodbudila naftna kriza v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Od takrat potekajo intenzivne raziskave in razvoj, ki so privedli do večje učinkovitosti, nižjih cen in daljše življenjske dobe fotovoltaičnih celic in panelov. Hkrati se je energetska intenzivnost proizvodnje zmanjšala do te mere, da plošča ustvari mnogokrat več energije, kot je bilo porabljene za proizvodnjo.

Najstarejši (še v uporabi) veliki obalni objekti izvirajo iz zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja. Takrat so še popolnoma prevladovale celice iz kristalnega silicija, katerih življenjska doba je bila potrjena v realnih pogojih vsaj 30 let.

Proizvajalci na podlagi izkušenj zagotavljajo, da se bo zmogljivost panela po 25 letih zmanjšala za največ 20 % (vendar so rezultati omenjenih vgradenj veliko boljši). Za druge tipe plošč je življenjska doba ocenjena na podlagi pospešenega testiranja.

Poleg prvotnih monokristalnih silicijevih celic so bile v preteklih letih razvite številne nove vrste fotovoltaičnih celic, tako kristalni kot tanki film… Vendar je silicij še vedno prevladujoč material v fotovoltaiki.

Fotovoltaična tehnologija je doživela velik razmah od leta 2008, ko so začele cene kristalnega silicija hitro padati, predvsem zaradi prenosa proizvodnje na Kitajsko, ki je bila prej manjšinski igralec na trgu (večji del fotovoltaične proizvodnje je bil skoncentriran na Japonskem, ZDA, Španija in Nemčija).

Fotovoltaika se je razširila šele z uvedbo različnih podpornih sistemov. Prvi je bil program subvencioniranja na Japonskem in nato sistem odkupnih cen v Nemčiji. Kasneje so bili podobni sistemi uvedeni v številnih drugih državah.

Fotovoltaika je danes najpogostejši obnovljivi vir energije in je tudi zelo hitro rastoča panoga. Veliko ga nameščajo na strehah stavb, pa tudi na zemljiščih, ki niso primerna za kmetijska dela.

Zadnji trendi vključujejo tudi vodne instalacije v obliki lebdeči fotovoltaični sistemi in agro-fotovoltaične instalacije, ki združujejo fotovoltaične instalacije s kmetijsko proizvodnjo.