A fotovoltaika története, hogyan keletkeztek az első napelemek
Felfedezések, kísérletek és elméletek
A fotovoltaika története a fotoelektromos hatás felfedezésével kezdődik. Azt a következtetést, hogy az oldatba (folyadékba) merített fémelektródák közötti áramerősség a megvilágítás intenzitásával változik, Alexandre Edmond Becquerel 1839. július 29-i, hétfői ülésén ismertette a Francia Tudományos Akadémia, majd publikált egy cikket.
Apját, Antoine César Becquerelt néha felfedezőnek nevezik. Ennek az lehet az oka, hogy Edmond Becquerel még csak 20 éves volt a megjelenéskor, és még mindig apja laboratóriumában dolgozott.
A nagy skót tudós, James Clerk Maxwell sok európai tudós között volt kíváncsi a szelén viselkedésére, amelyre először Willoughby Smith egy cikkében hívta fel a tudományos közösség figyelmét a Journal of the Society of Telegraph Engineers 1873-ban.
Smith, a Gutta Percha Company vezető villamosmérnöke az 1860-as évek végén szelénrudakat használt egy olyan eszközben, amely a búvárkodás előtt észlelte a transzatlanti kábelek hibáit. Míg a szelénrudak éjszaka jól működtek, akkor borzasztóan működtek, amikor kisütött a nap.
Smith gyanítva, hogy a szelén különleges tulajdonságainak köze van a ráeső fény mennyiségéhez, a rudakat egy csúszófedelű dobozba helyezte. Amikor a fiókot becsukták és a lámpákat lekapcsolták, a rudak ellenállása – az a fok, amilyen mértékben akadályozzák az elektromos áram áthaladását rajtuk – maximális volt és állandó maradt. De amikor a doboz fedelét eltávolították, vezetőképességük azonnal "a fény intenzitásának megfelelően megnőtt".
A fény szelénre gyakorolt hatását Smith jelentése után vizsgáló kutatók között volt két brit tudós, William Grylls Adams professzor és tanítványa, Richard Evans Day.
Az 1870-es évek végén számos kísérletnek vetették alá a szelént, és az egyik ilyen kísérletben gyertyát gyújtottak a Smith által használt szelénrudak mellett. A mérőjükön lévő nyíl azonnal reagál. A szelén fénytől való árnyékolása miatt a tű azonnal nullára esett.
Ezek a gyors reakciók kizárják annak lehetőségét, hogy a gyertyaláng hője áramot hozzon létre, mivel amikor a hőt leadják vagy eltávolítják termoelektromos kísérletekben, a tű mindig lassan emelkedik vagy süllyed. "Ezért" - állapították meg a kutatók - "világos volt, hogy az áram csak fény hatására szabadulhat fel a szelénben." Adams és Day „fotovoltaikus”-nak nevezte a fény által keltett áramot.
A Becquerel által megfigyelt fotoelektromos hatástól eltérően, amikor az elektromos cellában az áramerősség fény hatására megváltozott, ebben az esetben az elektromos feszültség (és az áram) külső elektromos tér hatása nélkül csak fény hatására keletkezett.
Adams és Day még egy koncentrált fotovoltaikus rendszer modelljét is elkészítette, amelyet Angliában sok prominens embernek bemutattak, de gyakorlati felhasználásra nem hozták.
Egy másik alkotó fotovoltaikus cellák A szelénre alapozva Charles Fritts amerikai feltaláló 1883-ban.
Széles vékony szelénréteget terített egy fémlemezre, és vékony, áttetsző aranylevélréteggel borította be. Fritz szerint ez a szelénmodul „folyamatos, egyenletes és jelentős erősségű áramot hozott létre… napfényben, de gyenge, szórt nappali és egyenletes lámpafényben is”.
De a fotovoltaikus celláinak hatékonysága 1% alatt volt. Úgy vélte azonban, hogy felvehetik a versenyt Edison széntüzelésű erőműveivel.
Charles Fritts aranyozott szelén napelemei egy New York-i tetőn 1884-ben.
Fritz elküldte az egyik napelem paneljét Werner von Siemensnek, akinek a hírneve megegyezett Edisonével.
A Siemenst annyira lenyűgözte a panelek elektromos teljesítménye, amikor meggyújtották, hogy egy híres német tudós bemutatta a Fritts panelt a porosz királyi akadémiának. A Siemens elmondta a tudományos világnak, hogy az amerikai modulok "először mutatták be nekünk a fényenergia elektromos energiává történő közvetlen átalakítását".
Kevés tudós figyelt a Siemens felhívására. A felfedezés ellentmondani látszott mindennek, amit a tudomány akkor hitt.
Az Adams és Day és Frith "varázslatos" paneljei által használt szelénrudak nem támaszkodtak a fizika által ismert módszerekre az energia előállításához. Ezért a többség kizárta őket a további tudományos kutatások köréből.
A fotoelektromos jelenség fizikai elvét Albert Einstein elméletileg leírta az elektromágneses térről szóló 1905-ös írásában, amelyet az elektromágneses térre alkalmazott, Max Karl Ernst Ludwig Planck a századfordulón publikált.
Einstein magyarázata azt mutatja, hogy a felszabaduló elektron energiája csak a sugárzás frekvenciájától (fotonenergia) és a sugárzás intenzitásától (fotonok számától) függ az elektronok számától. Einstein 1921-ben az elméleti fizika fejlesztésében végzett munkájáért, különösen a fotoelektromos hatás törvényeinek felfedezéséért kapott fizikai Nobel-díjat.
Einstein merész, új fényleírása, kombinálva az elektron felfedezésével és az azt követő viselkedésének tanulmányozására irányuló törekvéssel – mindez a 19. század elején történt – olyan tudományos alapot biztosított a fotoelektromosság számára, amely korábban hiányzott, és amely ma már kifejezésekkel magyarázhatja a jelenséget. érthető a tudomány számára.
Az olyan anyagokban, mint a szelén, az erősebb fotonok elegendő energiát hordoznak ahhoz, hogy kilökjék a lazán megkötött elektronokat atomi pályájukról. Amikor a vezetékeket a szelénrudakhoz rögzítjük, a felszabaduló elektronok elektromosságként áramlanak át rajtuk.
A tizenkilencedik századi kísérletezők fotovoltaikusnak nevezték a folyamatot, de az 1920-as években a tudósok fotoelektromos hatásnak nevezték a jelenséget.
1919-ben a napelemekről szóló könyvébenThomas Benson az "elkerülhetetlen napenergia-generátor" előfutáraként méltatta az úttörők szelénnel végzett munkáját.
Mivel azonban nem voltak felfedezések a láthatáron, a Westinghouse fotovoltaikus részlegének vezetője csak annyit tudott megállapítani: "A fotovoltaikus cellák addig nem lesznek érdekesek a gyakorlati mérnökök számára, amíg legalább ötvenszer hatékonyabbak nem lesznek."
A Photovoltaics and Its Applications szerzői egyetértettek a pesszimista előrejelzéssel, 1949-ben ezt írták: "A jövőre kell bízni, hogy az anyagilag hatékonyabb cellák felfedezése megnyitja-e a lehetőséget a napenergia hasznos célra történő felhasználására."
A fotovoltaikus hatások mechanizmusai: A fotovoltaikus hatás és fajtái
Fotovoltaik a gyakorlatban
1940-ben Russell Shoemaker Ole véletlenül alkotott PN csomópont szilíciumra, és megállapította, hogy megvilágítva elektromosságot termel. Felfedezését szabadalmaztatta. A hatásfok körülbelül 1%.
A napelemek modern formája 1954-ben született a Bell Laboratories-ban. Adalékolt szilíciummal végzett kísérletek során nagy fényérzékenységét állapították meg. Az eredmény egy körülbelül hat százalékos hatásfokú fotovoltaikus cella lett.
A Proud Bell vezetői 1954. április 25-én mutatják be a Bell napelempanelt, amely egy olyan cellát tartalmaz, amely kizárólag fényenergiára támaszkodik az óriáskerék meghajtásához. Másnap a Bell tudósai elindítottak egy napenergiával működő rádióadót, amely hangot és zenét sugárzott Amerika vezető tudósainak, akik Washingtonban találkozóra gyűltek össze.
Az első fotovoltaikus napelemeket az 1950-es évek elején fejlesztették ki.
A Southern Bell villanyszerelő 1955-ben napelemet szerel össze.
A fotovoltaikus cellákat az 1950-es évek vége óta használják űrműholdakon különböző eszközök áramforrásaként. Az első fotocellás műhold a Vanguard I (Avangard I) amerikai műhold volt, amelyet 1958. március 17-én állítottak pályára.
Amerikai Vanguard I műhold, 1958.
A Vanguard I műhold még mindig pályán van. Több mint 60 évet töltött az űrben (ez a legrégebbi ember alkotta tárgy az űrben).
A Vanguard I volt az első napenergiával működő műhold, és napelemei hét éven keresztül biztosították a műholdat. 1964-ben leállította a jelek küldését a Földre, de azóta is használják a kutatók arra, hogy betekintést nyerjenek abba, hogyan befolyásolja a Nap, a Hold és a Föld légköre a keringő műholdakat.
Amerikai Explorer 6 műhold emelt napelemekkel, 1959.
Kevés kivételtől eltekintve a várhatóan hosszú ideig működő készülékek fő áramforrása. A Nemzetközi Űrállomás (ISS) fotovoltaikus paneleinek teljes kapacitása 110 kWh.
Napelemek az űrben
Az első fotovoltaikus cellák ára az 1950-es években több ezer dollár volt watt névleges teljesítményre, és az előállításukhoz szükséges energiafelhasználás meghaladta az élettartamuk során előállított villamos energia mennyiségét.
Ennek oka az alacsony hatásfokon kívül az volt, hogy a fotovoltaikus cellák gyártásánál gyakorlatilag ugyanazokat a technológiai és energiaigényes eljárásokat alkalmazták, mint a mikrochipek gyártásánál.
Földi körülmények között a fotovoltaikus paneleket először távoli helyeken vagy például bójákon lévő kisméretű eszközök táplálására használták, ahol rendkívül nehéz vagy lehetetlen lenne az elektromos hálózatra csatlakoztatni őket. A fotovoltaikus panelek fő előnye más áramforrásokkal szemben, hogy nem igényelnek üzemanyagot és karbantartást.
Az első sorozatgyártású fotovoltaikus panelek 1979-ben jelentek meg a piacon.
A napelemek, mint energiaforrások, valamint más megújuló energiaforrások iránti megnövekedett érdeklődést az 1970-es évek olajválsága táplálta.
Azóta intenzív kutatás-fejlesztés folyik, ami a fotovoltaikus cellák és panelek nagyobb hatékonyságát, alacsonyabb árakat és hosszabb élettartamot eredményezett. Ugyanakkor a termelés energiaintenzitása olyan mértékben csökkent, hogy a panel többszörösen több energiát termel, mint amennyit az előállításához felhasználtak.
A legrégebbi (még használatban lévő) nagy tengerparti építmények az 1980-as évek elejéről származnak. Ekkor még teljesen a kristályos szilícium cellák domináltak, amelyek élettartama valós körülmények között legalább 30 év.
A tapasztalatok alapján a gyártók garantálják, hogy 25 év után maximum 20%-kal csökken a panel teljesítménye (azonban az említett beépítések eredményei sokkal jobbak). Más típusú panelek esetében az élettartam becslése gyorsított tesztelés alapján történik.
Az eredeti monokristályos szilícium cellák mellett az évek során számos új típusú fotovoltaikus cellát fejlesztettek ki, kristályos és vékony filmben egyaránt… A szilícium azonban továbbra is a domináns anyag a fotovoltaikában.
A fotovoltaikus technológia 2008 óta jelentős fellendülésen ment keresztül, amikor is a kristályos szilícium ára gyorsan csökkenni kezdett, elsősorban a termelés Kínába való áthelyezése miatt, amely korábban a piacon kisebbségi szereplő volt (a fotovoltaikus termelés nagy része Japánban összpontosult, a az Egyesült Államokban, Spanyolországban és Németországban).
A fotovoltaika csak a különféle támogatási rendszerek bevezetésével terjedt el. Az első a japán támogatási program, majd a németországi vételárrendszer volt. Ezt követően számos más országban is bevezettek hasonló rendszereket.
A fotovoltaikus energia napjaink legelterjedtebb megújuló energiaforrása, és egyben nagyon gyorsan növekvő iparág is. Széles körben telepítik épületek tetejére, valamint olyan földekre, amelyek nem használhatók mezőgazdasági munkákra.
A legújabb trendek közé tartoznak a vízszerelések is úszó fotovoltaikus rendszerek és mezőgazdasági fotovoltaikus berendezések, amelyek kombinálják a fotovoltaikus berendezéseket a mezőgazdasági termeléssel.