História fotovoltaiky, ako vznikali prvé solárne panely
Objavy, experimenty a teórie
História fotovoltaiky začína objavom fotoelektrického javu. Záver, že prúd medzi kovovými elektródami ponorenými do roztoku (kvapaliny) sa mení s intenzitou osvetlenia, predložil Francúzskej akadémii vied na jej zasadnutí v pondelok 29. júla 1839 Alexandre Edmond Becquerel, ktorý následne publikoval článok.
Jeho otec Antoine César Becquerel je niekedy nazývaný objaviteľom. Môže to byť spôsobené tým, že Edmond Becquerel mal v čase vydania iba 20 rokov a stále pracoval v laboratóriu svojho otca.
Veľký škótsky vedec James Clerk Maxwell bol jedným z mnohých európskych vedcov, ktorých zaujalo správanie selénu, na ktoré sa vedecká komunita prvýkrát upozornila v článku Willoughbyho Smitha uverejnenom v Journal of the Society of Telegraph Engineers v roku 1873.
Smith, hlavný elektroinžinier spoločnosti Gutta Percha Company, použil selénové tyče koncom 60. rokov 19. storočia v zariadení na zisťovanie porúch v transatlantických kábloch pred potápaním. Zatiaľ čo selénové tyče fungovali dobre v noci, fungovali strašne, keď vyšlo slnko.
Smith, ktorý mal podozrenie, že špeciálne vlastnosti selénu majú niečo spoločné s množstvom svetla, ktoré naň dopadá, umiestnil tyče do škatule s posuvným vekom. Keď bola zásuvka zatvorená a svetlá boli zhasnuté, odpor tyčí - miera, do akej bránia prechodu elektrického prúdu cez ne - bol maximálny a zostal konštantný. Ale po odstránení veka škatule sa ich vodivosť okamžite "zvýšila v súlade s intenzitou svetla."
Medzi výskumníkmi, ktorí študovali vplyv svetla na selén po Smithovej správe, boli dvaja britskí vedci, profesor William Grylls Adams a jeho študent Richard Evans Day.
Koncom 70. rokov 19. storočia podrobili selén mnohým experimentom a v jednom z týchto experimentov zapálili sviečku vedľa selénových tyčiniek, ktoré používal Smith. Šípka na ich merači reaguje okamžite. Tienenie selénu pred svetlom spôsobilo, že ihla okamžite klesla na nulu.
Tieto rýchle reakcie vylučujú možnosť, že teplo plameňa sviečky vytvorí prúd, pretože keď je teplo dodávané alebo odvádzané v termoelektrických experimentoch, ihla vždy pomaly stúpa alebo klesá. „Preto“, uzavreli vedci, „bolo jasné, že prúd sa môže uvoľniť iba v seléne pôsobením svetla. Adams a Day nazvali prúd produkovaný svetlom „fotovoltaický“.
Na rozdiel od Becquerelom pozorovaného fotoelektrického javu, kedy sa prúd v elektrickom článku menil pôsobením svetla, v tomto prípade vznikalo elektrické napätie (a prúd) bez pôsobenia vonkajšieho elektrického poľa len pôsobením svetla.
Adams a Day dokonca vytvorili model koncentrovaného fotovoltaického systému, ktorý predstavili mnohým prominentom v Anglicku, no do praktického využitia ho nedotiahli.
Ďalší tvorca fotovoltaické články založený na seléne bol americký vynálezca Charles Fritts v roku 1883.
Na kovovú platňu rozprestrel širokú tenkú vrstvu selénu a pokryl ju tenkým priesvitným filmom plátkového zlata. Fritz povedal, že tento modul selénu vytvára prúd „nepretržitý, stabilný a značnej sily... nielen v slnečné svetlo, ale aj slabé, rozptýlené denné svetlo a dokonca aj svetlo lampy“.
Ale účinnosť jeho fotovoltaických článkov bola menšia ako 1%. Veril však, že môžu konkurovať Edisonovým uhoľným elektrárňam.
Pozlátené selénové solárne panely Charlesa Frittsa na streche mesta New York v roku 1884.
Fritz poslal jeden zo svojich solárnych panelov Wernerovi von Siemensovi, ktorého povesť bola rovnaká ako Edisonova.
Siemens bol tak ohromený elektrickým výkonom panelov, keď boli rozsvietené, že slávny nemecký vedec predstavil Frittsov panel Kráľovskej akadémii v Prusku. Siemens povedal vedeckému svetu, že americké moduly „nám prvýkrát predstavili priamu premenu svetelnej energie na elektrickú energiu“.
Len málo vedcov poslúchlo výzvu Siemensu. Zdalo sa, že objav odporuje všetkému, čomu v tom čase veda verila.
Selénové tyče používané Adamsovými a Dayovými a Frithovými „magickými“ panelmi sa nespoliehali na metódy známe fyzike na výrobu energie. Preto ich väčšina vylúčila z okruhu ďalšieho vedeckého výskumu.
Fyzikálny princíp fotoelektrického javu teoreticky opísal Albert Einstein vo svojom článku z roku 1905 o elektromagnetickom poli, ktorý aplikoval na elektromagnetické pole, ktorý publikoval Max Karl Ernst Ludwig Planck na prelome storočia.
Einsteinovo vysvetlenie ukazuje, že energia uvoľneného elektrónu závisí len od frekvencie žiarenia (energie fotónu) a počtu elektrónov od intenzity žiarenia (počet fotónov). Práve za jeho prácu na rozvoji teoretickej fyziky, najmä za objav zákonov fotoelektrického javu, dostal Einstein v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku.
Einsteinov odvážny nový popis svetla v kombinácii s objavom elektrónu a následnou snahou študovať jeho správanie – to všetko sa odohralo na začiatku 19. storočia – poskytol fotoelektrine vedecký základ, ktorý predtým chýbal a ktorý by teraz mohol vysvetliť tento jav v termínoch. pre vedu zrozumiteľné.
V materiáloch, ako je selén, majú silnejšie fotóny dostatok energie na to, aby vyradili voľne viazané elektróny z ich atómových dráh. Keď sú drôty pripevnené k selénovým tyčiam, uvoľnené elektróny nimi prúdia ako elektrina.
Experimentátori z devätnásteho storočia tento proces nazvali fotovoltaický, ale v 20. rokoch 20. storočia vedci tento jav nazývali fotoelektrický efekt.
Vo svojej knihe z roku 1919 o solárnych článkochThomas Benson ocenil prácu priekopníkov so selénom ako predchodcu „nevyhnutného solárneho generátora“.
Keďže však neboli na obzore žiadne objavy, šéf fotovoltaickej divízie Westinghouse mohol len skonštatovať: „Fotovoltaické články nebudú pre praktických inžinierov zaujímavé, kým nebudú aspoň päťdesiatkrát efektívnejšie.“
S pesimistickou prognózou súhlasili aj autori knihy Fotovoltaika a jej aplikácie, napísali v roku 1949: „Či objav materiálne efektívnejších článkov otvorí možnosť využitia slnečnej energie na užitočné účely, treba nechať na budúcnosť.“
Mechanizmy fotovoltaických efektov: Fotovoltaický efekt a jeho odrody
Fotovoltika v praxi
V roku 1940 náhodne vytvoril Russell Shoemaker Ole PN križovatka na kremíku a zistil, že pri osvetlení vyrába elektrinu. Svoj objav si dal patentovať. Účinnosť je asi 1%.
Moderná forma solárnych článkov sa zrodila v roku 1954 v Bell Laboratories. Pri experimentoch s dopovaným kremíkom sa zistila jeho vysoká fotosenzibilita. Výsledkom bol fotovoltický článok s účinnosťou okolo šesť percent.
Vedenie spoločnosti Proud Bell odhalilo 25. apríla 1954 solárny panel Bell, ktorý obsahuje panel článkov, ktoré sa spoliehajú výlučne na svetelnú energiu na pohon ruského kolesa. Nasledujúci deň vedci z Bell spustili rádiový vysielač na solárny pohon, ktorý vysielal hlas a hudbu popredným americkým vedcom, ktorí sa stretli na stretnutí vo Washingtone.
Prvé solárne fotovoltaické články boli vyvinuté začiatkom 50-tych rokov minulého storočia.
Elektrikár Southern Bell zostavil solárny panel v roku 1955.
Fotovoltické články sa ako zdroj elektriny na napájanie rôznych zariadení používajú už od konca 50. rokov na vesmírnych satelitoch. Prvým satelitom s fotobunkami bol americký satelit Vanguard I (Avangard I), vypustený na obežnú dráhu 17. marca 1958.
Americký satelit Vanguard I, 1958.
Satelit Vanguard I je stále na obežnej dráhe. Vo vesmíre strávil viac ako 60 rokov (považuje sa za najstarší človekom vyrobený objekt vo vesmíre).
Vanguard I bol prvý satelit poháňaný solárnou energiou a jeho solárne články poskytovali energiu satelitu sedem rokov. V roku 1964 prestal vysielať signály na Zem, no odvtedy ho výskumníci stále používajú na získanie prehľadu o tom, ako Slnko, Mesiac a zemská atmosféra ovplyvňujú satelity na obežnej dráhe.
Americká družica Explorer 6 so zdvihnutými solárnymi panelmi, 1959.
Až na výnimky ide o hlavný zdroj elektrickej energie pre zariadenia, u ktorých sa predpokladá dlhodobá prevádzka. Celková kapacita fotovoltaických panelov na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) je 110 kWh.
Solárne panely vo vesmíre
Ceny prvých fotovoltaických článkov v 50. rokoch minulého storočia boli tisíce dolárov za watt menovitého výkonu a spotreba energie na ich výrobu prevyšovala množstvo elektriny, ktorú tieto články vyrobili za svoju životnosť.
Dôvodom bolo okrem nízkej účinnosti aj to, že pri výrobe fotovoltických článkov boli použité prakticky rovnaké technologické a energeticky náročné postupy ako pri výrobe mikročipov.
V pozemských podmienkach sa fotovoltické panely začali používať najskôr na napájanie malých zariadení vo vzdialených lokalitách alebo napríklad na bójach, kde by bolo mimoriadne náročné alebo nemožné ich pripojiť k elektrickej sieti. Hlavnou výhodou fotovoltaických panelov oproti iným zdrojom elektriny je, že nepotrebujú palivo a údržbu.
Prvé sériovo vyrábané fotovoltaické panely sa objavili na trhu v roku 1979.
Zvýšený záujem o fotovoltiku ako zdroj energie na Zemi, ako aj o ďalšie obnoviteľné zdroje, podporila ropná kríza v 70. rokoch.
Odvtedy prebieha intenzívny výskum a vývoj, ktorého výsledkom je vyššia účinnosť, nižšie ceny a dlhšia životnosť fotovoltických článkov a panelov. Zároveň sa energetická náročnosť výroby znížila natoľko, že panel generuje mnohonásobne viac energie, ako sa spotrebovalo na jeho výrobu.
Najstaršie (ešte stále používané) veľké pobrežné stavby pochádzajú zo začiatku 80. rokov 20. storočia. V tom čase ešte úplne dominovali články z kryštalického kremíka, ktorých životnosť bola potvrdená v reálnych podmienkach minimálne 30 rokov.
Výrobcovia na základe skúseností garantujú, že výkon panelu sa po 25 rokoch zníži maximálne o 20 % (výsledky spomínaných inštalácií sú však oveľa lepšie). Pre ostatné typy panelov sa životnosť odhaduje na základe zrýchleného testovania.
Okrem pôvodných monokryštalických kremíkových článkov sa v priebehu rokov vyvinulo množstvo nových typov fotovoltaických článkov, kryštalický aj tenký film… Kremík je však stále dominantným materiálom vo fotovoltaike.
Fotovoltická technológia zaznamenala veľký rozmach od roku 2008, kedy ceny kryštalického kremíka začali rapídne klesať, a to najmä v dôsledku presunu výroby do Číny, ktorá bola predtým menšinovým hráčom na trhu (väčšina fotovoltaickej výroby bola sústredená v Japonsku, tzv. USA, Španielsko a Nemecko).
Fotovoltika sa rozšírila až zavedením rôznych podporných systémov. Prvým bol dotačný program v Japonsku a potom systém nákupných cien v Nemecku. Následne boli podobné systémy zavedené v mnohých ďalších krajinách.
Fotovoltaická energia je dnes najbežnejším obnoviteľným zdrojom energie a je tiež veľmi rýchlo rastúcim odvetvím. Je široko inštalovaný na strechách budov, ako aj na pozemkoch, ktoré sa nedajú využiť na poľnohospodárske práce.
K najnovším trendom patria aj vodovodné inštalácie v podobe plávajúce fotovoltické systémy a agrofotovoltaické zariadenia, ktoré spájajú fotovoltaické zariadenia s poľnohospodárskou výrobou.