Povijest fotonapona, kako su nastali prvi solarni paneli
Otkrića, eksperimenti i teorije
Povijest fotonapona počinje otkrićem fotoelektričnog efekta. Zaključak da struja između metalnih elektroda uronjenih u otopinu (tekućinu) varira s intenzitetom osvjetljenja iznio je Alexandre Edmond Becquerel Francuskoj akademiji znanosti na sastanku u ponedjeljak, 29. srpnja 1839. Nakon toga je objavio članak.
Njegov otac, Antoine César Becquerel, ponekad se naziva otkrivačem. To može biti zbog činjenice da je Edmond Becquerel imao samo 20 godina u vrijeme objavljivanja i da je još uvijek radio u laboratoriju svog oca.
Veliki škotski znanstvenik James Clerk Maxwell bio je među mnogim europskim znanstvenicima zaintrigiranim ponašanjem selena, na što je znanstvena zajednica prvi put skrenula pozornost u članku Willoughbyja Smitha objavljenom u Journal of the Society of Telegraph Engineers 1873. godine.
Smith, glavni inženjer elektrotehnike Gutta Percha Company, koristio je selenske šipke u kasnim 1860-ima u uređaju za otkrivanje grešaka u transatlantskim kabelima prije ronjenja. Dok su selenske šipke dobro radile noću, užasno su radile kad bi sunce izašlo.
Sumnjajući da posebna svojstva selena imaju veze s količinom svjetlosti koja pada na njega, Smith je stavio šipke u kutiju s kliznim poklopcem. Kad je ladica zatvorena i svjetla ugašena, otpor šipki - stupanj do kojeg one ometaju prolaz električne struje kroz njih - bio je maksimalan i ostao je konstantan. Ali kada je poklopac kutije uklonjen, njihova vodljivost se odmah "povećala u skladu s intenzitetom svjetlosti".
Među istraživačima koji su proučavali učinak svjetlosti na selen nakon Smithova izvješća bila su i dva britanska znanstvenika, profesor William Grylls Adams i njegov student Richard Evans Day.
U kasnim 1870-ima podvrgli su selen mnogim eksperimentima, au jednom od tih eksperimenata zapalili su svijeću pored selenskih šipki koje je koristio Smith. Strelica na njihovom mjeraču odmah reagira. Zaštita selena od svjetlosti uzrokovala je da igla odmah padne na nulu.
Ove brze reakcije isključuju mogućnost da toplina plamena svijeće proizvede struju, jer kada se toplina dovodi ili uklanja u termoelektričnim eksperimentima, igla se uvijek diže ili spušta polako. "Stoga", zaključili su istraživači, "bilo je jasno da se struja može osloboditi samo u selenu pod djelovanjem svjetlosti." Adams i Day su struju koju proizvodi svjetlost nazvali "fotonaponskom".
Za razliku od fotoelektričnog efekta koji je uočio Becquerel, kada se struja u električnoj ćeliji mijenjala pod djelovanjem svjetlosti, u ovom slučaju je električni napon (i struja) nastao bez djelovanja vanjskog električnog polja samo pod djelovanjem svjetlosti.
Adams i Day izradili su čak i model koncentriranog fotonaponskog sustava koji su prezentirali mnogim uglednim ljudima u Engleskoj, ali ga nisu doveli u praktičnu primjenu.
Još jedan kreator fotonaponske ćelije na bazi selena bio je američki izumitelj Charles Fritts 1883. godine.
Raširio je široki tanki sloj selena na metalnu ploču i prekrio je tankim prozirnim filmom od zlatnih listića. Ovaj modul selena, rekao je Fritz, proizvodi struju "kontinuiranu, stabilnu i značajne snage ... ne samo u sunčevoj svjetlosti, ali i pri slabom, difuznom dnevnom svjetlu pa čak i svjetlu lampe'.
Ali učinkovitost njegovih fotonaponskih ćelija bila je manja od 1%. Međutim, vjerovao je da se mogu natjecati s Edisonovim elektranama na ugljen.
Pozlaćeni selenski solarni paneli Charlesa Frittsa na krovu New Yorka 1884.
Fritz je poslao jedan od svojih solarnih panela Werneru von Siemensu, čija je reputacija bila jednaka Edisonovoj.
Siemens je bio toliko impresioniran električnom snagom panela kada su upaljeni da je poznati njemački znanstvenik predstavio Frittsov panel Kraljevskoj akademiji u Pruskoj. Siemens je znanstvenom svijetu rekao da su nam američki moduli "po prvi put predstavili izravnu pretvorbu svjetlosne energije u električnu energiju".
Malo je znanstvenika poslušalo Siemensov poziv. Činilo se da je otkriće proturječilo svemu u što je znanost tada vjerovala.
Selenske šipke koje su koristili Adams i Day i Frithovi "magični" paneli nisu se oslanjale na metode poznate fizici za generiranje energije. Stoga ih je većina isključila iz daljnjeg znanstvenog istraživanja.
Fizikalni princip fotoelektričnog fenomena teorijski je opisao Albert Einstein u svom radu o elektromagnetskom polju iz 1905. godine, koji je primijenio na elektromagnetsko polje, a objavio ga je Max Karl Ernst Ludwig Planck na prijelazu stoljeća.
Einsteinovo objašnjenje pokazuje da energija oslobođenog elektrona ovisi samo o frekvenciji zračenja (energija fotona), a broj elektrona o intenzitetu zračenja (broj fotona). Upravo je za svoj rad u razvoju teorijske fizike, posebice otkrića zakona fotoelektričnog efekta, Einstein dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1921. godine.
Einsteinov hrabri novi opis svjetlosti, u kombinaciji s otkrićem elektrona i potonjim porivom za proučavanjem njegovog ponašanja – a sve se dogodilo početkom 19. stoljeća – dao je fotoelektricitetu znanstveno utemeljenje koje mu je prije nedostajalo i koje je sada moglo objasniti fenomen u terminima razumljiv nauci.
U materijalima poput selena, snažniji fotoni nose dovoljno energije da izbace labavo vezane elektrone iz njihovih atomskih orbita. Kada su žice pričvršćene na selenske šipke, oslobođeni elektroni teku kroz njih kao elektricitet.
Eksperimentatori devetnaestog stoljeća nazvali su taj proces fotonaponskim, ali do 1920-ih znanstvenici su taj fenomen nazivali fotoelektrični efekt.
U svojoj knjizi o solarnim ćelijama iz 1919Thomas Benson pohvalio je rad pionira sa selenom kao pretečom "neizbježnog solarnog generatora".
Međutim, bez otkrića na horizontu, čelnik Westinghouseova fotonaponskog odjela mogao je samo zaključiti: "Fotonaponske ćelije neće biti zanimljive praktičnim inženjerima sve dok ne budu barem pedeset puta učinkovitije."
S pesimističnom prognozom složili su se i autori knjige Photovoltaics and Its Applications, koji su 1949. napisali: "Mora se ostaviti budućnosti hoće li otkriće materijalno učinkovitijih ćelija otvoriti mogućnost korištenja sunčeve energije u korisne svrhe."
Mehanizmi fotonaponskih efekata: Fotonaponski efekt i njegove vrste
Fotonapon u praksi
Godine 1940. Russell Shoemaker Ole slučajno je stvorio PN spoj na siliciju i otkrio da proizvodi elektricitet kad je osvijetljen. Patentirao je svoje otkriće. Učinkovitost je oko 1%.
Moderni oblik solarnih ćelija rođen je 1954. godine u Bell Laboratories. U pokusima s dopiranim silicijem utvrđena je njegova visoka fotoosjetljivost. Rezultat je bila fotonaponska ćelija s učinkovitošću od oko šest posto.
Ponosni Bellovi rukovoditelji otkrivaju Bellov solarni panel 25. travnja 1954., koji sadrži panel ćelija koje se oslanjaju isključivo na svjetlosnu energiju za pogon panoramskog kotača. Sljedećeg su dana Bellovi znanstvenici lansirali radio odašiljač na solarni pogon koji je emitirao glas i glazbu vodećim američkim znanstvenicima okupljenim na sastanku u Washingtonu.
Prve solarne fotonaponske ćelije razvijene su ranih 1950-ih.
Električar Southern Bella sastavlja solarnu ploču 1955.
Fotonaponske ćelije se koriste kao izvor električne energije za napajanje raznih uređaja od kasnih 1950-ih na svemirskim satelitima. Prvi satelit s fotoćelijama bio je američki satelit Vanguard I (Avangard I), lansiran u orbitu 17. ožujka 1958. godine.
Američki satelit Vanguard I, 1958.
Satelit Vanguard I je još uvijek u orbiti. U svemiru je proveo više od 60 godina (smatra se najstarijim objektom koji je napravio čovjek u svemiru).
Vanguard I bio je prvi satelit na solarni pogon i njegove su solarne ćelije osiguravale energiju satelitu sedam godina. Prestao je slati signale na Zemlju 1964. godine, ali od tada ga istraživači i dalje koriste kako bi dobili uvid u to kako Sunce, Mjesec i Zemljina atmosfera utječu na satelite u orbiti.
Američki satelit Explorer 6 s podignutim solarnim pločama, 1959.
Uz nekoliko iznimaka, to je glavni izvor električne energije za uređaje za koje se očekuje da će raditi dugo vremena. Ukupni kapacitet fotonaponskih panela na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) je 110 kWh.
Solarni paneli u svemiru
Cijene prvih fotonaponskih ćelija u 1950-ima bile su tisuće dolara po vatu nazivne snage, a potrošnja energije za njihovu proizvodnju premašila je količinu električne energije koju su te ćelije proizvele tijekom svog životnog vijeka.
Razlog je bio, osim niske učinkovitosti, i to što su u proizvodnji fotonaponskih ćelija korišteni praktički isti tehnološki i energetski intenzivni postupci kao iu proizvodnji mikročipova.
U zemaljskim uvjetima fotonaponski paneli su se prvo koristili za napajanje manjih uređaja na udaljenim lokacijama ili, primjerice, na plutačama, gdje bi ih bilo iznimno teško ili nemoguće spojiti na električnu mrežu. Glavna prednost fotonaponskih panela u odnosu na druge izvore električne energije je u tome što ne trebaju gorivo i održavanje.
Prvi fotonaponski paneli masovne proizvodnje pojavili su se na tržištu 1979. godine.
Povećani interes za fotonapon kao izvor energije na Zemlji, kao i za druge obnovljive izvore energije, potaknut je naftnom krizom 1970-ih.
Od tada se provode intenzivna istraživanja i razvoj, što je rezultiralo većom učinkovitošću, nižim cijenama i duljim vijekom trajanja fotonaponskih ćelija i panela. Istodobno, energetski intenzitet proizvodnje smanjio se do te mjere da panel generira višestruko više energije nego što je utrošeno za njegovu proizvodnju.
Najstarije (još uvijek u uporabi) velike obalne građevine datiraju iz ranih 1980-ih. Tada su još potpuno dominirale ćelije od kristalnog silicija, čiji je životni vijek potvrđen u realnim uvjetima od najmanje 30 godina.
Na temelju iskustva proizvođači jamče da će se performanse panela nakon 25 godina smanjiti za najviše 20% (međutim, rezultati spomenutih ugradnja su puno bolji). Za ostale vrste panela vijek trajanja procjenjuje se na temelju ubrzanog ispitivanja.
Uz izvorne monokristalne silikonske ćelije, tijekom godina razvijen je niz novih tipova fotonaponskih ćelija, i kristalni i tanki film… Međutim, silicij je još uvijek dominantan materijal u fotonaponskim uređajima.
Fotonaponska tehnologija doživjela je veliki procvat od 2008. godine, kada su cijene kristalnog silicija počele naglo padati, uglavnom zbog prijenosa proizvodnje u Kinu, koja je prethodno bila manjinski igrač na tržištu (većina fotonaponske proizvodnje bila je koncentrirana u Japanu, SAD, Španjolska i Njemačka).
Fotonapon je postao masovniji tek uvođenjem raznih potpornih sustava. Prvi je bio program subvencioniranja u Japanu, a zatim sustav otkupnih cijena u Njemačkoj. Nakon toga, slični sustavi uvedeni su u nizu drugih zemalja.
Fotonaponska energija je danas najčešći obnovljivi izvor energije i također je vrlo brzo rastuća industrija. Široko se postavlja na krovove zgrada kao i na zemljište koje se ne može koristiti za poljoprivredne radove.
Najnoviji trendovi uključuju i vodene instalacije u obliku plutajući fotonaponski sustavi i agro-fotonaponske instalacije, kombinirajući fotonaponske instalacije s poljoprivrednom proizvodnjom.