Fotovoltaikkens historie, hvordan de første solpaneler blev skabt

Opdagelser, eksperimenter og teorier

Fotovoltaikkens historie begynder med opdagelsen af ​​den fotoelektriske effekt. Konklusionen om, at strømmen mellem metalelektroder nedsænket i en opløsning (væske) varierer med belysningsintensiteten, blev præsenteret for Det Franske Videnskabsakademi på mødet mandag den 29. juli 1839 af Alexandre Edmond Becquerel. Han offentliggjorde efterfølgende en artikel.

Hans far, Antoine César Becquerel, kaldes undertiden opdageren. Det kan skyldes, at Edmond Becquerel kun var 20 år på udgivelsestidspunktet og stadig arbejdede i sin fars laboratorium.

Den store skotske videnskabsmand James Clerk Maxwell var blandt mange europæiske videnskabsmænd, der var fascineret af selens opførsel, som først blev gjort opmærksom på det videnskabelige samfund i en artikel af Willoughby Smith offentliggjort i Journal of the Society of Telegraph Engineers i 1873.

Smith, chefelektroingeniør for Gutta Percha Company, brugte selenstænger i slutningen af ​​1860'erne i en enhed til at opdage fejl i transatlantiske kabler før dykning. Mens selenstængerne fungerede godt om natten, virkede de forfærdeligt, når solen kom frem.

I mistanke om, at selens særlige egenskaber havde noget at gøre med mængden af ​​lys, der faldt på det, anbragte Smith stængerne i en kasse med skydelåg. Når skuffen var lukket og lysene blev slukket, var modstanden af ​​stængerne - i hvilken grad de hindrer passagen af ​​en elektrisk strøm gennem dem - maksimal og forblev konstant. Men da låget af kassen blev fjernet, steg deres ledningsevne straks "i overensstemmelse med lysets intensitet."

Blandt de forskere, der undersøgte lysets effekt på selen efter Smiths rapport, var to britiske videnskabsmænd, professor William Grylls Adams og hans studerende Richard Evans Day.

I slutningen af ​​1870'erne udsatte de selen for mange eksperimenter, og i et af disse forsøg tændte de et lys ved siden af ​​de selenstænger, som Smith brugte. Pilen på deres måler reagerer med det samme. Afskærmning af selen fra lys fik nålen til straks at falde til nul.

Disse hurtige reaktioner udelukker muligheden for, at varmen fra stearinlysets flamme producerer en strøm, siden når varme tilføres eller fjernes i termoelektriske forsøg, nålen stiger eller falder altid langsomt. "Derfor", konkluderede forskerne, "det var klart, at strømmen kun kunne frigives i selen under påvirkning af lys." Adams og Day kaldte strømmen produceret af lyset "fotovoltaisk".

I modsætning til den fotoelektriske effekt observeret af Becquerel, når strømmen i en elektrisk celle ændrede sig under påvirkning af lys, blev den elektriske spænding (og strøm) i dette tilfælde genereret uden påvirkning af et eksternt elektrisk felt kun under påvirkning af lys.

Adams og Day skabte endda en model af et koncentreret solcelleanlæg, som de præsenterede for mange fremtrædende personer i England, men bragte det ikke til praktisk brug.

Endnu en skaber fotovoltaiske celler baseret på selen var den amerikanske opfinder Charles Fritts i 1883.

Han spredte et bredt tyndt lag selen på en metalplade og dækkede det med en tynd gennemskinnelig film af bladguld. Dette modul af selen, sagde Fritz, producerede en strøm "kontinuerlig, stabil og af betydelig styrke ... ikke kun i sollys, men også i svagt, diffust dagslys og endda lampelys«.

Men effektiviteten af ​​hans fotovoltaiske celler var mindre end 1%. Han mente dog, at de kunne konkurrere med Edisons kulfyrede kraftværker.

Charles Fritts' forgyldte selen-solpaneler på et tag i New York City i 1884.

Fritz sendte et af sine solpaneler til Werner von Siemens, hvis ry var lig med Edisons.

Siemens var så imponeret over panelernes elektriske kraft, da de tændte, at en berømt tysk videnskabsmand præsenterede Fritts-panelet for det kongelige akademi i Preussen. Siemens fortalte den videnskabelige verden, at de amerikanske moduler "for første gang præsenterede os for den direkte omdannelse af lysenergi til elektrisk energi."

Få forskere har lyttet til Siemens' opfordring. Opdagelsen så ud til at modsige alt, hvad videnskaben troede på dengang.

De selenstænger, der blev brugt af Adams og Day og Friths "magiske" paneler, var ikke afhængige af metoder kendt af fysik til at generere energi. Derfor udelukkede flertallet dem fra anvendelsesområdet for yderligere videnskabelig forskning.

Det fysiske princip for det fotoelektriske fænomen blev teoretisk beskrevet af Albert Einstein i hans papir fra 1905 om det elektromagnetiske felt, som han anvendte på det elektromagnetiske felt, udgivet af Max Karl Ernst Ludwig Planck ved århundredeskiftet.

Einsteins forklaring viser, at energien af ​​en frigivet elektron kun afhænger af strålingsfrekvensen (fotonenergi) og antallet af elektroner fra strålingsintensiteten (antal fotoner). Det var for sit arbejde med udviklingen af ​​teoretisk fysik, især opdagelsen af ​​lovene for den fotoelektriske effekt, at Einstein blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1921.

Einsteins modige nye beskrivelse af lys, kombineret med opdagelsen af ​​elektronen og den efterfølgende drift til at studere dens adfærd – alt sammen i begyndelsen af ​​det 19. århundrede – gav fotoelektricitet et videnskabeligt grundlag, som den tidligere havde manglet, og som nu kunne forklare fænomenet i termer forståeligt for videnskaben.

I materialer som selen bærer de kraftigere fotoner nok energi til at slå løst bundne elektroner ud af deres atomare baner. Når ledningerne er fastgjort til selenstængerne, strømmer de frigjorte elektroner gennem dem som elektricitet.

Eksperimentatorer fra det nittende århundrede kaldte processen fotovoltaisk, men i 1920'erne kaldte videnskabsmænd fænomenet for den fotoelektriske effekt.

I sin bog fra 1919 om solcellerThomas Benson roste pionerernes arbejde med selen som en forløber for den "uundgåelige solgenerator".

Uden opdagelser i horisonten kunne lederen af ​​Westinghouses solcelleafdeling dog kun konkludere: "Fotovoltaiske celler vil ikke være af interesse for praktiske ingeniører, før de er mindst halvtreds gange mere effektive."

Forfatterne af Photovoltaics and Its Applications var enige i den pessimistiske prognose og skrev i 1949: "Det må overlades til fremtiden, om opdagelsen af ​​materielt mere effektive celler vil åbne muligheden for at bruge solenergi til nyttige formål."

Mekanismer for fotovoltaiske effekter: Fotovoltaisk effekt og dens varianter

Solcelleanlæg i praksis

I 1940 skabte Russell Shoemaker Ole ved et uheld PN kryds på silicium og fandt ud af, at det producerede elektricitet, når det blev belyst. Han tog patent på sin opdagelse. Effektiviteten er omkring 1%.

Den moderne form for solceller blev født i 1954 på Bell Laboratories. I forsøg med dopet silicium blev dets høje lysfølsomhed fastslået. Resultatet blev en solcelle med en virkningsgrad på omkring seks procent.

Stolte Bell-ledere afslører Bell Solar Panel den 25. april 1954, med et panel af celler, der udelukkende er afhængige af lysenergi til at drive pariserhjulet. Dagen efter lancerede Bell-forskere en solcelledrevet radiosender, der udsendte stemme og musik til USAs førende videnskabsmænd, der var samlet til et møde i Washington.

De første fotovoltaiske solceller blev udviklet i begyndelsen af ​​1950'erne.

Southern Bell elektriker samler et solpanel i 1955.

Fotovoltaiske celler er blevet brugt som en kilde til elektricitet til at drive forskellige enheder siden slutningen af ​​1950'erne på rumsatellitter. Den første satellit med fotoceller var den amerikanske satellit Vanguard I (Avangard I), der blev sendt i kredsløb den 17. marts 1958.

Amerikansk satellit Vanguard I, 1958.

Vanguard I-satellitten er stadig i kredsløb. Det tilbragte mere end 60 år i rummet (betragtes som det ældste menneskeskabte objekt i rummet).

Vanguard I var den første solcelledrevne satellit, og dens solceller leverede strøm til satellitten i syv år. Den holdt op med at sende signaler til Jorden i 1964, men siden da har forskere stadig brugt den til at få indsigt i, hvordan Solen, Månen og Jordens atmosfære påvirker satellitter i kredsløb.

Amerikansk satellit Explorer 6 med hævede solpaneler, 1959.

Med få undtagelser er det hovedkilden til elektricitet for enheder, der forventes at fungere i lang tid. Den samlede kapacitet af solcellepanelerne på den internationale rumstation (ISS) er 110 kWh.

Solpaneler i rummet

Priserne på de første fotovoltaiske celler i 1950'erne var tusindvis af dollars pr. watt nominel effekt, og energiforbruget til at producere dem oversteg mængden af ​​elektricitet, som disse celler producerede i deres levetid.

Årsagen var, udover den lave effektivitet, at der stort set blev brugt de samme teknologiske og energikrævende procedurer ved produktionen af ​​solceller som ved produktionen af ​​mikrochips.

Under terrestriske forhold blev solcellepaneler først brugt til at forsyne små enheder på fjerntliggende steder eller for eksempel på bøjer, hvor det ville være ekstremt vanskeligt eller umuligt at forbinde dem til elnettet. Den største fordel ved solcellepaneler i forhold til andre elkilder er, at de ikke behøver brændstof og vedligeholdelse.

De første masseproducerede solcellepaneler dukkede op på markedet i 1979.

Den øgede interesse for solceller som energikilde på Jorden, såvel som for andre vedvarende kilder, blev drevet af oliekrisen i 1970'erne.

Siden da er der blevet udført intensiv forskning og udvikling, hvilket har resulteret i højere effektivitet, lavere priser og længere levetid for solceller og paneler. Samtidig er energiintensiteten i produktionen faldet i en sådan grad, at panelet genererer mange gange mere energi, end der blev brugt til at producere det.

De ældste (stadig i brug) store kyststrukturer stammer fra begyndelsen af ​​1980'erne. På det tidspunkt var krystallinske siliciumceller stadig fuldstændig domineret, hvis levetid blev bekræftet under virkelige forhold på mindst 30 år.

Baseret på erfaringer garanterer producenterne, at panelets ydeevne maksimalt vil falde med 20% efter 25 år (resultaterne af de nævnte installationer er dog meget bedre). For andre typer paneler er levetiden estimeret ud fra accelereret test.

Ud over de originale monokrystallinske siliciumceller er der gennem årene udviklet en række nye typer solcelleceller, både krystallinsk og tynd film… Silicium er dog stadig det dominerende materiale i solceller.

Fotovoltaisk teknologi har oplevet et stort boom siden 2008, hvor priserne på krystallinsk silicium begyndte at falde hurtigt, primært på grund af overførslen af ​​produktionen til Kina, som tidligere var en minoritetsspiller på markedet (størstedelen af ​​solcelleproduktionen var koncentreret i Japan, bl.a. USA, Spanien og Tyskland).

Solcelleanlæg blev først udbredt med introduktionen af ​​forskellige støttesystemer. Det første var tilskudsprogrammet i Japan og derefter indkøbsprissystemet i Tyskland. Efterfølgende blev lignende systemer indført i en række andre lande.

Fotovoltaisk energi er den mest almindelige vedvarende energikilde i dag og er også en meget hurtigt voksende industri. Det er almindeligt installeret på tagene af bygninger såvel som på arealer, der ikke kan bruges til landbrugsarbejde.

De nyeste trends omfatter også vandinstallationer i form af flydende solcelleanlæg og agro-fotovoltaiske installationer, der kombinerer solcelleanlæg med landbrugsproduktion.