Историја фотоволтаике, како су настали први соларни панели
Открића, експерименти и теорије
Историја фотоволтаике почиње открићем фотоелектричног ефекта. Закључак да струја између металних електрода потопљених у раствор (течност) варира са интензитетом осветљења изнео је Француској академији наука на њеном састанку у понедељак, 29. јула 1839. Александар Едмон Бекерел, који је накнадно објавио чланак.
Његов отац, Антоан Цесар Бецкуерел, понекад се назива открићем. Ово може бити због чињенице да је Едмонд Бецкуерел имао само 20 година у време објављивања и да је још увек радио у лабораторији свог оца.
Велики шкотски научник Џејмс Клерк Максвел био је међу многим европским научницима заинтригираним понашањем селена, на шта је научна заједница први пут скренула пажњу у чланку Вилоубија Смита објављеном у Јоурнал оф тхе Социети оф Телеграпх Енгинеерс 1873. године.
Смит, главни електроинжењер компаније Гутта Перцха, користио је селенске шипке касних 1860-их у уређају за откривање кварова у трансатлантским кабловима пре роњења. Док су селенски штапови добро радили ноћу, ужасно су радили када је сунце изашло.
Сумњајући да посебна својства селена имају везе са количином светлости која пада на њега, Смит је штапове ставио у кутију са клизним поклопцем. Када је фиока затворена и светла угашена, отпор штапова - степен у коме оне ометају пролаз електричне струје кроз њих - био је максималан и остао је константан. Али када је поклопац кутије уклоњен, њихова проводљивост се одмах „повећала у складу са интензитетом светлости“.
Међу истраживачима који су проучавали утицај светлости на селен након Смитовог извештаја била су и два британска научника, професор Вилијам Грилс Адамс и његов ученик Ричард Еванс Деј.
Крајем 1870-их подвргнули су селен многим експериментима, а у једном од ових експеримената запалили су свећу поред селенских шипки које је Смит користио. Стрелица на њиховом мерачу одмах реагује. Заштита селена од светлости узроковала је да се игла одмах спусти на нулу.
Ове брзе реакције искључују могућност да топлота пламена свеће производи струју, јер када се топлота доводи или уклања у термоелектричним експериментима, игла се увек диже или спушта полако. „Због тога“, закључили су истраживачи, „било је јасно да се струја може ослободити само у селену под дејством светлости.“ Адамс и Деј су струју коју производи светлост назвали „фотонапонском“.
За разлику од фотоелектричног ефекта који је приметио Бекерел, када се струја у електричној ћелији променила под дејством светлости, у овом случају је електрични напон (и струја) генерисан без дејства спољашњег електричног поља само под дејством светлости.
Адамс и Деј су чак направили модел концентрисаног фотонапонског система, који су представили многим истакнутим људима у Енглеској, али га нису довели у практичну употребу.
Још један стваралац фотонапонске ћелије заснован на селену био је амерички проналазач Чарлс Фритс 1883. године.
Раширио је широк танак слој селена на металну плочу и прекрио је танким провидним филмом од златног листа. Овај модул селена, рекао је Фриц, производи струју „континуирану, стабилну и значајне снаге... не само у сунчевој светлости, али и при слабој, дифузној дневној светлости и чак светлости лампе'.
Али ефикасност његових фотонапонских ћелија била је мања од 1%. Међутим, веровао је да могу да се такмиче са Едисоновим електранама на угаљ.
Позлаћени соларни панели од селена Чарлса Фритса на крову Њујорка 1884.
Фриц је послао један од својих соларних панела Вернеру фон Сименсу, чија је репутација била једнака Едисоновој.
Сиеменс је био толико импресиониран електричном снагом панела када су упаљени да је познати немачки научник представио Фритсов панел Краљевској академији у Пруској. Сименс је научном свету рекао да су нам амерички модули „први пут представили директно претварање светлосне енергије у електричну енергију“.
Мало научника је послушало Сименсов позив. Чинило се да је откриће у супротности са свиме у шта је наука веровала у то време.
Селенске шипке које су користили Адамс и Даи и Фритхови „магични“ панели нису се ослањали на методе познате физици за генерисање енергије. Стога их је већина искључила из оквира даљих научних истраживања.
Физички принцип фотоелектричног феномена теоријски је описао Алберт Ајнштајн у свом раду о електромагнетном пољу из 1905. године, које је применио на електромагнетно поље, који је објавио Макс Карл Ернст Лудвиг Планк на прелазу векова.
Ајнштајново објашњење показује да енергија ослобођеног електрона зависи само од фреквенције зрачења (енергија фотона) и броја електрона од интензитета зрачења (број фотона). Управо је за свој рад на развоју теоријске физике, посебно на откривању закона фотоелектричног ефекта, Ајнштајн добио Нобелову награду за физику 1921.
Ајнштајнов храбри нови опис светлости, у комбинацији са открићем електрона и накнадном жељом да се проучава његово понашање – све што се догодило почетком 19. века – обезбедио је фотоелектрици научну основу која јој је раније недостајала и која би сада могла да објасни феномен у терминима разумљиво науци.
У материјалима као што је селен, моћнији фотони носе довољно енергије да избаце лабаво везане електроне из њихових атомских орбита. Када су жице причвршћене за селенске шипке, ослобођени електрони теку кроз њих као електрична енергија.
Експериментатори из деветнаестог века назвали су процес фотонапонским, али до 1920-их, научници су тај феномен назвали фотоелектрични ефекат.
У својој књизи о соларним ћелијама из 1919Томас Бенсон је похвалио рад пионира са селеном као претечом "неизбежног соларног генератора".
Међутим, без открића на хоризонту, шеф Вестингхаусовог одељења за фотонапон могао је само да закључи: „Фотонапонске ћелије неће бити од интереса за практичне инжењере док не буду бар педесет пута ефикасније.
Са песимистичком прогнозом сложили су се и аутори књиге Пхотоволтаицс анд Итс Апплицатионс, који су 1949. године написали: „Мора се оставити будућности да ли ће откриће материјално ефикаснијих ћелија отворити могућност коришћења сунчеве енергије у корисне сврхе“.
Механизми фотонапонских ефеката: Фотонапонски ефекат и његове врсте
Фотонапон у пракси
Године 1940. Расел Схоемакер Оле је случајно створио ПН спој на силицијум и открио да производи електричну енергију када је осветљен. Патентирао је своје откриће. Ефикасност је око 1%.
Савремени облик соларних ћелија рођен је 1954. године у Белл Лабораториес. У експериментима са допираним силицијумом установљена је његова висока фотосензитивност. Резултат је била фотонапонска ћелија са ефикасношћу од око шест одсто.
Руководиоци Поносног Белл-а су 25. априла 1954. године представили Белл соларну плочу, са панелом ћелија које се ослањају искључиво на светлосну енергију за напајање Феррисовог точка. Следећег дана, научници Бела покренули су радио предајник на соларни погон који је емитовао глас и музику водећим америчким научницима који су се окупили на састанку у Вашингтону.
Прве соларне фотонапонске ћелије развијене су раних 1950-их.
Електричар Соутхерн Белл-а склапа соларни панел 1955. године.
Фотонапонске ћелије се користе као извор електричне енергије за напајање разних уређаја од касних 1950-их на свемирским сателитима. Први сателит са фотоћелијама био је амерички сателит Вангард И (Авангард И), лансиран у орбиту 17. марта 1958. године.
Амерички сателит Вангуард И, 1958.
Сателит Вангуард И је још увек у орбити. Провео је више од 60 година у свемиру (сматра се најстаријим објектом који је направио човек у свемиру).
Вангуард И је био први сателит на соларни погон и његове соларне ћелије су обезбеђивале енергију за сателит током седам година. Престао је да шаље сигнале на Земљу 1964. године, али од тада га истраживачи и даље користе да би стекли увид у то како Сунце, Месец и Земљина атмосфера утичу на сателите у орбити.
Амерички сателит Експлорер 6 са подигнутим соларним панелима, 1959.
Уз неколико изузетака, он је главни извор електричне енергије за уређаје од којих се очекује да раде дуго времена. Укупан капацитет фотонапонских панела на Међународној свемирској станици (ИСС) је 110 кВх.
Соларни панели у свемиру
Цене првих фотонапонских ћелија 1950-их биле су хиљаде долара по вату називне снаге, а потрошња енергије за њихову производњу премашила је количину електричне енергије коју су ове ћелије произвеле током свог века.
Разлог је био, осим ниске ефикасности, што су у производњи фотонапонских ћелија коришћени практично исти технолошки и енергетски интензивни поступци као и у производњи микрочипова.
У земаљским условима, фотонапонски панели су прво коришћени за напајање малих уређаја на удаљеним локацијама или, на пример, на бовама, где би их било изузетно тешко или немогуће повезати на електричну мрежу. Главна предност фотонапонских панела у односу на друге изворе електричне енергије је што им није потребно гориво и одржавање.
Први масовно произведени фотонапонски панели појавили су се на тржишту 1979. године.
Повећано интересовање за фотонапонску енергију као извор енергије на Земљи, као и за друге обновљиве изворе, подстакла је нафтна криза 1970-их.
Од тада се спроводе интензивна истраживања и развој, што је резултирало већом ефикасношћу, нижим ценама и дужим животним веком фотонапонских ћелија и панела. Истовремено, енергетски интензитет производње је смањен до те мере да панел генерише вишеструко више енергије него што је утрошено за његову производњу.
Најстарије (још увек у употреби) велике обалне структуре датирају из раних 1980-их. Тада су још увек потпуно доминирале ћелије кристалног силицијума, чији је век трајања потврђен у реалним условима од најмање 30 година.
На основу искуства, произвођачи гарантују да ће се перформансе панела смањити за максимално 20% након 25 година (међутим, резултати поменутих инсталација су много бољи). За друге типове панела, радни век се процењује на основу убрзаног тестирања.
Поред оригиналних монокристалних силицијумских ћелија, током година је развијен низ нових типова фотонапонских ћелија, и кристалног и танког филма… Међутим, силицијум је и даље доминантан материјал у фотонапонској опреми.
Фотонапонска технологија је доживела велики процват од 2008. године, када су цене кристалног силицијума почеле нагло да падају, углавном због трансфера производње у Кину, која је раније била мањински играч на тржишту (већина фотонапонске производње била је концентрисана у Јапану, САД, Шпанија и Немачка).
Фотонапон је постао широко распрострањен тек увођењем различитих система подршке. Први је био програм субвенција у Јапану, а затим систем откупних цена у Немачкој. Касније су слични системи уведени у низ других земаља.
Фотонапонска енергија је данас најчешћи обновљиви извор енергије и такође је индустрија која се брзо развија. Широко се поставља на крововима зграда као и на земљишту које се не може користити за пољопривредне радове.
Најновији трендови укључују и водоводне инсталације у облику плутајући фотонапонски системи и агрофотонапонске инсталације, комбинујући фотонапонске инсталације са пољопривредном производњом.