Sejarah fotovoltaik, bagaimana panel solar pertama dicipta

Penemuan, eksperimen dan teori

Sejarah fotovoltaik bermula dengan penemuan kesan fotoelektrik. Kesimpulan bahawa arus antara elektrod logam yang direndam dalam larutan (cecair) berbeza dengan keamatan pencahayaan telah dikemukakan kepada Akademi Sains Perancis pada mesyuaratnya pada hari Isnin, 29 Julai 1839, oleh Alexandre Edmond Becquerel. Beliau kemudiannya menerbitkan artikel.

Bapanya, Antoine César Becquerel, kadang-kadang dipanggil penemu. Ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa Edmond Becquerel hanya berusia 20 tahun pada masa penerbitan dan masih bekerja di makmal bapanya.

Saintis Scotland yang hebat James Clerk Maxwell adalah antara ramai saintis Eropah yang tertarik dengan tingkah laku selenium, yang pertama kali dibawa ke perhatian komuniti saintifik dalam artikel oleh Willoughby Smith yang diterbitkan dalam Journal of the Society of Telegraph Engineers pada tahun 1873.

Smith, ketua jurutera elektrik Syarikat Gutta Percha, menggunakan rod selenium pada akhir 1860-an dalam peranti untuk mengesan kerosakan pada kabel transatlantik sebelum menyelam. Walaupun rod selenium berfungsi dengan baik pada waktu malam, ia berfungsi dengan baik apabila matahari keluar.

Mengesyaki bahawa sifat istimewa selenium ada kaitan dengan jumlah cahaya yang jatuh ke atasnya, Smith meletakkan rod dalam kotak dengan penutup gelongsor. Apabila laci ditutup dan lampu dimatikan, rintangan rod-tahap di mana ia menghalang laluan arus elektrik melaluinya-adalah maksimum dan kekal malar. Tetapi apabila penutup kotak itu dikeluarkan, kekonduksian mereka serta-merta "meningkat mengikut keamatan cahaya."

Antara penyelidik yang mengkaji kesan cahaya pada selenium selepas laporan Smith ialah dua saintis British, Profesor William Grylls Adams dan pelajarnya Richard Evans Day.

Pada penghujung 1870-an, mereka menggunakan selenium kepada banyak eksperimen, dan dalam salah satu eksperimen ini mereka menyalakan lilin di sebelah rod selenium yang digunakan Smith. Anak panah pada meter mereka bertindak balas serta-merta. Melindungi selenium daripada cahaya menyebabkan jarum jatuh serta-merta kepada sifar.

Tindak balas pantas ini menghalang kemungkinan haba nyalaan lilin menghasilkan arus, kerana apabila haba dibekalkan atau dikeluarkan dalam eksperimen termoelektrik, jarum sentiasa naik atau turun perlahan-lahan. "Oleh itu", para penyelidik membuat kesimpulan, "jelas bahawa arus hanya boleh dilepaskan dalam selenium di bawah tindakan cahaya." Adams dan Day memanggil arus yang dihasilkan oleh cahaya "fotovoltaik."

Tidak seperti kesan fotoelektrik yang diperhatikan oleh Becquerel, apabila arus dalam sel elektrik berubah di bawah tindakan cahaya, dalam kes ini voltan elektrik (dan arus) dihasilkan tanpa tindakan medan elektrik luaran hanya di bawah tindakan cahaya.

Adams dan Day juga mencipta model sistem fotovoltaik tertumpu, yang mereka persembahkan kepada ramai orang terkemuka di England, tetapi tidak membawanya kepada kegunaan praktikal.

Pencipta lain sel fotovoltaik berdasarkan selenium adalah pencipta Amerika Charles Fritts pada tahun 1883.

Dia menyebarkan lapisan selenium nipis yang luas pada plat logam dan menutupnya dengan filem lut sinar nipis daun emas. Modul selenium ini, kata Fritz, menghasilkan arus "berterusan, mantap, dan kekuatan yang besar ... bukan sahaja dalam cahaya matahari, tetapi juga dalam cahaya siang yang lemah, meresap dan juga cahaya lampu'.

Tetapi kecekapan sel fotovoltaiknya adalah kurang daripada 1%. Bagaimanapun, beliau percaya mereka boleh bersaing dengan loji janakuasa arang batu Edison.

Panel suria selenium bersepuh Charles Fritts di atas bumbung New York City pada tahun 1884.

Fritz menghantar salah satu panel solarnya kepada Werner von Siemens, yang reputasinya sama dengan Edison.

Siemens sangat kagum dengan kuasa elektrik panel apabila dinyalakan sehingga seorang saintis Jerman terkenal mempersembahkan panel Fritts kepada Akademi Diraja di Prussia. Siemens memberitahu dunia saintifik bahawa modul Amerika "membentangkan kepada kami buat pertama kalinya penukaran langsung tenaga cahaya kepada tenaga elektrik."

Beberapa saintis telah mempedulikan seruan Siemens. Penemuan itu seolah-olah bercanggah dengan semua yang dipercayai sains pada masa itu.

Batang selenium yang digunakan oleh Adams and Day dan panel "ajaib" Frith tidak bergantung pada kaedah yang diketahui fizik untuk menjana tenaga. Oleh itu, majoriti mengecualikan mereka daripada skop penyelidikan saintifik lanjut.

Prinsip fizikal fenomena fotoelektrik secara teorinya diterangkan oleh Albert Einstein dalam makalahnya pada tahun 1905 mengenai medan elektromagnet, yang dia gunakan untuk medan elektromagnet, yang diterbitkan oleh Max Karl Ernst Ludwig Planck pada permulaan abad ini.

Penjelasan Einstein menunjukkan bahawa tenaga elektron yang dibebaskan hanya bergantung kepada frekuensi sinaran (tenaga foton) dan bilangan elektron daripada keamatan sinaran (bilangan foton). Ia adalah untuk kerjanya dalam pembangunan fizik teori, terutamanya penemuan undang-undang kesan fotoelektrik, Einstein telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1921.

Perihalan terang baru Einstein tentang cahaya, digabungkan dengan penemuan elektron dan pemacu seterusnya untuk mengkaji kelakuannya-semuanya berlaku pada awal abad ke-19-menyediakan fotoelektrik dengan asas saintifik yang tidak ada sebelum ini dan yang kini boleh menjelaskan fenomena itu dari segi istilah. boleh difahami oleh sains.

Dalam bahan seperti selenium, foton yang lebih berkuasa membawa tenaga yang cukup untuk mengetuk elektron terikat longgar keluar dari orbit atomnya. Apabila wayar dipasang pada rod selenium, elektron bebas mengalir melaluinya sebagai elektrik.

Penguji abad kesembilan belas memanggil proses fotovoltaik, tetapi pada tahun 1920-an, saintis memanggil fenomena itu sebagai kesan fotoelektrik.

Dalam bukunya pada tahun 1919 mengenai sel solarThomas Benson memuji kerja perintis dengan selenium sebagai pelopor "penjana suria yang tidak dapat dielakkan".

Walau bagaimanapun, tanpa sebarang penemuan di kaki langit, ketua bahagian fotovoltaik Westinghouse hanya boleh membuat kesimpulan: "Sel fotovoltaik tidak akan menarik minat jurutera praktikal sehingga mereka sekurang-kurangnya lima puluh kali lebih cekap."

Pengarang Photovoltaics and Its Applications bersetuju dengan ramalan pesimis, menulis pada tahun 1949: "Ia mesti ditinggalkan pada masa depan sama ada penemuan sel yang lebih cekap secara material akan membuka kemungkinan menggunakan tenaga suria untuk tujuan yang berguna."

Mekanisme kesan fotovoltaik: Kesan fotovoltaik dan jenisnya

Fotovoltaik dalam amalan

Pada tahun 1940, Russell Shoemaker Ole secara tidak sengaja mencipta persimpangan PN pada silikon dan mendapati bahawa ia menghasilkan elektrik apabila diterangi. Dia mempatenkan penemuannya. Kecekapan adalah kira-kira 1%.

Bentuk moden sel suria dilahirkan pada tahun 1954 di Bell Laboratories. Dalam eksperimen dengan silikon doped, fotosensitiviti yang tinggi telah ditubuhkan. Hasilnya ialah sel fotovoltaik dengan kecekapan kira-kira enam peratus.

Eksekutif Proud Bell memperkenalkan Panel Solar Bell pada 25 April 1954, menampilkan panel sel yang bergantung semata-mata pada tenaga cahaya untuk menggerakkan roda Ferris. Keesokan harinya, saintis Bell melancarkan pemancar radio berkuasa solar yang menyiarkan suara dan muzik kepada saintis terkemuka Amerika yang berkumpul untuk mesyuarat di Washington.

Sel fotovoltaik suria pertama telah dibangunkan pada awal 1950-an.

Juruelektrik Southern Bell memasang panel solar pada tahun 1955.

Sel fotovoltaik telah digunakan sebagai sumber elektrik untuk menggerakkan pelbagai peranti sejak akhir 1950-an pada satelit angkasa lepas. Satelit pertama dengan fotosel ialah satelit Amerika Vanguard I (Avangard I), yang dilancarkan ke orbit pada 17 Mac 1958.

Satelit Amerika Vanguard I, 1958.

Satelit Vanguard I masih berada di orbit. Ia menghabiskan lebih daripada 60 tahun di angkasa (dianggap objek buatan manusia tertua di angkasa).

Vanguard I ialah satelit berkuasa solar pertama dan sel solarnya membekalkan kuasa kepada satelit selama tujuh tahun. Ia berhenti menghantar isyarat ke Bumi pada tahun 1964, tetapi sejak itu penyelidik masih menggunakannya untuk mendapatkan gambaran tentang bagaimana Matahari, Bulan dan atmosfera Bumi mempengaruhi satelit yang mengorbit.

Satelit Amerika Explorer 6 dengan panel solar dinaikkan, 1959.

Dengan beberapa pengecualian, ia adalah sumber utama elektrik untuk peranti yang dijangka beroperasi untuk jangka masa yang lama. Jumlah kapasiti panel fotovoltaik di Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) ialah 110 kWj.

Panel solar di angkasa

Harga sel fotovoltaik pertama pada tahun 1950-an ialah beribu-ribu dolar per watt kuasa terkadar, dan penggunaan tenaga untuk menghasilkannya melebihi jumlah tenaga elektrik yang dihasilkan oleh sel-sel ini sepanjang hayatnya.

Sebabnya, selain daripada kecekapan yang rendah, secara praktikalnya prosedur teknologi dan intensif tenaga yang sama digunakan dalam pengeluaran sel fotovoltaik seperti dalam pengeluaran mikrocip.

Dalam keadaan daratan, panel fotovoltaik pertama kali digunakan untuk menggerakkan peranti kecil di lokasi terpencil atau, sebagai contoh, pada pelampung, di mana ia akan menjadi sangat sukar atau mustahil untuk menyambungkannya ke grid kuasa. Kelebihan utama panel fotovoltaik berbanding sumber elektrik lain ialah ia tidak memerlukan bahan api dan penyelenggaraan.

Panel fotovoltaik pertama yang dihasilkan secara besar-besaran muncul di pasaran pada tahun 1979.

Peningkatan minat dalam fotovoltaik sebagai sumber tenaga di Bumi, serta sumber boleh diperbaharui lain, didorong oleh krisis minyak pada tahun 1970-an.

Sejak itu, penyelidikan dan pembangunan intensif telah dijalankan, menghasilkan kecekapan yang lebih tinggi, harga yang lebih rendah dan hayat sel dan panel fotovoltaik yang lebih lama. Pada masa yang sama, keamatan tenaga pengeluaran telah menurun sehingga ke tahap yang mana panel menjana banyak kali lebih banyak tenaga daripada yang digunakan untuk menghasilkannya.

Struktur pantai besar yang tertua (masih digunakan) bermula dari awal 1980-an. Pada masa itu, sel silikon kristal masih dikuasai sepenuhnya, hayat perkhidmatannya disahkan dalam keadaan sebenar sekurang-kurangnya 30 tahun.

Berdasarkan pengalaman, pengilang menjamin bahawa prestasi panel akan berkurangan maksimum 20% selepas 25 tahun (namun, hasil pemasangan yang disebutkan adalah lebih baik). Untuk jenis panel lain, hayat perkhidmatan dianggarkan berdasarkan ujian dipercepatkan.

Sebagai tambahan kepada sel silikon monohabluran asal, beberapa jenis sel fotovoltaik baru telah dibangunkan selama bertahun-tahun, kedua-dua filem kristal dan nipis… Walau bagaimanapun, silikon masih merupakan bahan dominan dalam fotovoltaik.

Teknologi fotovoltaik telah mengalami ledakan besar sejak 2008, apabila harga silikon kristal mula jatuh dengan cepat, terutamanya disebabkan oleh pemindahan pengeluaran ke China, yang sebelum ini merupakan pemain minoriti dalam pasaran (majoriti pengeluaran fotovoltaik tertumpu di Jepun, A.S., Sepanyol dan Jerman).

Fotovoltaik hanya menjadi meluas dengan pengenalan pelbagai sistem sokongan. Yang pertama ialah program subsidi di Jepun dan kemudian sistem harga pembelian di Jerman. Selepas itu, sistem serupa telah diperkenalkan di beberapa negara lain.

Tenaga fotovoltaik ialah sumber tenaga boleh diperbaharui yang paling biasa hari ini dan juga merupakan industri yang sangat pesat berkembang. Ia dipasang secara meluas di atas bumbung bangunan dan juga di atas tanah yang tidak boleh digunakan untuk kerja-kerja pertanian.

Trend terkini juga termasuk pemasangan air dalam bentuk sistem fotovoltaik terapung dan pemasangan agro-fotovoltaik, menggabungkan pemasangan fotovoltaik dengan pengeluaran pertanian.