Историята на фотоволтаиците, как са създадени първите слънчеви панели
Открития, експерименти и теории
Историята на фотоволтаиката започва с откриването на фотоелектрическия ефект. Заключението, че токът между метални електроди, потопени в разтвор (течност), варира в зависимост от интензитета на осветяване, беше представен на Френската академия на науките на заседанието й в понеделник, 29 юли 1839 г., от Александър Едмонд Бекерел.Впоследствие той публикува статия.
Баща му, Антоан Сезар Бекерел, понякога се нарича откривател. Това може да се дължи на факта, че Едмънд Бекерел е бил само на 20 години към момента на публикуването и все още е работил в лабораторията на баща си.
Големият шотландски учен Джеймс Клерк Максуел беше сред много европейски учени, заинтригувани от поведението на селен, което за първи път бе обърнато на вниманието на научната общност в статия на Уилоби Смит, публикувана в Journal of the Society of Telegraph Engineers през 1873 г.
Смит, главен електроинженер на компанията Gutta Percha, използва селенови пръти в края на 1860 -те години в устройство за откриване на дефекти в трансатлантическите кабели преди гмуркане. Докато селеновите пръчки работеха добре през нощта, те работеха ужасно, когато слънцето излезе.
Подозирайки, че специалните свойства на селена имат нещо общо с количеството светлина, падащо върху него, Смит постави прътите в кутия с плъзгащ се капак. Когато чекмеджето беше затворено и светлините бяха изключени, съпротивлението на прътите — степента, до която те пречат на преминаването на електрически ток през тях — беше максимална и остана постоянна. Но когато капакът на кутията беше отстранен, тяхната проводимост веднага „се увеличи в съответствие с интензитета на светлината“.
Сред изследователите, изследвали ефекта на светлината върху селена след доклада на Смит, бяха двама британски учени, професор Уилям Грилс Адамс и неговият ученик Ричард Евънс Дей.
В края на 1870 -те те подлагат селен на много експерименти и в един от тези експерименти запалват свещ до селеновите пръти, които Смит използва. Стрелката на техния метър реагира незабавно. Защитата на селена от светлина причини иглата незабавно да падне до нула.
Тези бързи реакции изключват възможността топлината на пламъка на свещта да произвежда ток, тъй като при подаване или отстраняване на топлина в термоелектрически експерименти, иглата винаги се повдига или пада бавно. «Следователно», заключиха изследователите, «беше ясно, че течението може да бъде пуснато само в селен под действието на светлината.» Адамс и Дей нарекоха тока, произведен от светлината, „фотоволтаичен“.
За разлика от фотоелектричния ефект, наблюдаван от Бекерел, когато токът в електрическа клетка се е променил под действието на светлината, в този случай електрическото напрежение (и ток) се генерира без действието на външно електрическо поле само под действието на светлина.
Адамс и Дей дори създадоха модел на концентрирана фотоволтаична система, която представиха на много видни личности в Англия, но не я доведоха до практическа употреба.
Друг създател фотоволтаични клетки на базата на селен е американският изобретател Чарлз Фритс през 1883 г.
Той намаза широк тънък слой селен върху метална плоча и го покри с тънък полупрозрачен филм от златни листа.Този модул на селен, каза Фриц, произвежда ток „непрекъснат, постоянен и със значителна сила … не само при слънчева светлина, но и при слаба, разсеяна дневна светлина и дори светлина на лампата“.
Но ефективността на неговите фотоволтаични клетки беше по -малко от 1%. Въпреки това той вярваше, че те могат да се конкурират с въглищните електроцентрали на Едисон.
Позлатените слънчеви панели от селен на Чарлз Фритс на покрив в Ню Йорк през 1884 г.
Фриц изпрати един от своите слънчеви панели на Вернер фон Сименс, чиято репутация беше равна на Едисон.
Siemens беше толкова впечатлен от електрическата мощ на панелите, когато беше осветен, че известен германски учен представи панела Fritts на Кралската академия в Прусия. Siemens каза на научния свят, че американските модули „за първи път ни представиха директното преобразуване на светлинната енергия в електрическа“.
Малко учени са се вслушали в призива на Siemens. Откритието сякаш противоречи на всичко, в което тогава вярваше науката.
Селеновите пръчки, използвани от Адамс и Дей, и «магическите» панели на Фрит, не разчитаха на методи, известни на физиката за генериране на енергия. Затова мнозинството ги изключи от обхвата на по -нататъшните научни изследвания.
Физическият принцип на фотоелектрическото явление е теоретично описан от Алберт Айнщайн в неговата работа за електромагнитното поле от 1905 г., която той прилага към електромагнитното поле, публикувана от Макс Карл Ернст Лудвиг Планк в края на века.
Обяснението на Айнщайн показва, че енергията на освободен електрон зависи само от честотата на излъчване (енергия на фотоните) и броя на електроните от интензитета на излъчване (брой фотони). Именно за работата си в развитието на теоретичната физика, особено за откриването на законите на фотоелектричния ефект, Айнщайн получава Нобелова награда за физика през 1921 г.
Дръзкото и ново описание на светлината на Айнщайн, съчетано с откриването на електрона и последвалия стремеж към изследване на неговото поведение — всичко, което се случва в началото на 19 век — осигури на фотоелектриката научна основа, която по -рано липсваше и която сега можеше да обясни явлението по разбираем за науката термин.
В материали като селен, по -мощните фотони носят достатъчно енергия, за да избият слабо свързани електрони от атомните им орбити. Когато проводниците са прикрепени към селеновите пръти, освободените електрони преминават през тях като електричество.
Експериментаторите от деветнадесети век наричат процеса фотоволтаичен, но към 20-те години на миналия век учените наричат това явление фотоелектричен ефект.
В книгата си за слънчевите клетки от 1919 г. Томас Бенсън похвали работата на пионерите със селен като предшественик на „неизбежния слънчев генератор“.
Въпреки това, тъй като нямаше открития на хоризонта, ръководителят на фотоволтаичния отдел на Westinghouse можеше само да заключи: „Фотоволтаичните клетки няма да представляват интерес за практическите инженери, докато не бъдат поне петдесет пъти по -ефективни“.
Авторите на „Фотоволтаика и нейните приложения“ се съгласяват с песимистичната прогноза, като през 1949 г. пишат: „Трябва да се остави на бъдещето дали откриването на материално по -ефективни клетки ще отвори възможността за използване на слънчевата енергия за полезни цели“.
Механизми на фотоволтаични ефекти: Фотоволтаичен ефект и неговите разновидности
Фотоволтаиците на практика
През 1940 г. Russell Shoemaker Ole случайно създава PN кръстовище върху силиций и установи, че той произвежда електричество при осветяване. Той патентова откритието си. Ефективността е около 1%.
Съвременната форма на слънчеви клетки е родена през 1954 г. в Bell Laboratories. При експерименти с легиран силиций е установена неговата висока фоточувствителност. Резултатът беше фотоволтаична клетка с ефективност от около шест процента.
Гордите ръководители на Bell представят слънчевия панел Bell на 25 април 1954 г., показващ панел от клетки, които разчитат единствено на светлинна енергия за задвижване на виенското колело. На следващия ден учените от Bell пуснаха радиопредавател със слънчева енергия, който излъчва глас и музика на водещите американски учени, събрани за среща във Вашингтон.
Първите слънчеви фотоволтаични клетки са разработени в началото на 50 -те години на миналия век.
Електротехникът на Southern Bell сглобява слънчев панел през 1955 г.
Фотоволтаичните клетки се използват като източник на електричество за захранване на различни устройства от края на 1950 -те години на космически спътници. Първият спътник с фотоклетки е американският спътник Vanguard I (Avangard I), изведен на орбита на 17 март 1958 г.
Американски спътник Vanguard I, 1958 г.
Сателитът Vanguard I все още е в орбита. Той прекара повече от 60 години в космоса (считан за най-стария изкуствен обект в космоса).
Vanguard I е първият спътник със слънчева енергия и неговите слънчеви клетки осигуряват захранване на сателита в продължение на седем години. Той спря да изпраща сигнали на Земята през 1964 г., но оттогава изследователите все още го използват, за да получат представа за това как Слънцето, Луната и земната атмосфера влияят на орбиталните спътници.
Американски спътник Explorer 6 с повдигнати слънчеви панели, 1959 г.
С малки изключения, той е основният източник на електроенергия за устройства, които се очаква да работят дълго време. Общият капацитет на фотоволтаичните панели на Международната космическа станция (МКС) е 110 kWh.
Слънчеви панели в космоса
Цените на първите фотоволтаични клетки през 50 -те години на миналия век бяха хиляди долари на ват номинална мощност, а консумацията на енергия за тяхното производство надвишаваше количеството електричество, което тези клетки произвеждаха през целия си живот.
Причината беше, освен ниската ефективност, че при производството на фотоволтаични клетки бяха използвани практически същите технологични и енергоемки процедури, както при производството на микрочипове.
При наземни условия фотоволтаичните панели първо са били използвани за захранване на малки устройства в отдалечени места или например в шамандури, където би било изключително трудно или невъзможно да ги свържете към електрическата мрежа. Основното предимство на фотоволтаичните панели пред други източници на електричество е, че те не се нуждаят от гориво и поддръжка.
Първите масово произвеждани фотоволтаични панели се появяват на пазара през 1979 г.
Повишеният интерес към фотоволтаиците като източник на енергия на Земята, както и към други възобновяеми източници, беше подхранван от петролната криза през 70 -те години.
Оттогава се провеждат интензивни изследвания и разработки, което доведе до по -висока ефективност, по -ниски цени и по -дълъг живот на фотоволтаичните клетки и панели. В същото време енергийният интензитет на производството е намалял до такава степен, че панелът генерира в пъти повече енергия, отколкото е бил използван за производството му.
Най -старите (все още в употреба) големи брегови структури датират от началото на 80 -те години. По това време кристалните силициеви елементи все още бяха напълно доминирани, чийто експлоатационен живот беше потвърден в реални условия от поне 30 години.
Въз основа на опита производителите гарантират, че производителността на панела ще намалее с максимум 20% след 25 години (въпреки това резултатите от споменатите инсталации са много по -добри). За други видове панели експлоатационният живот се оценява въз основа на ускорено тестване.
В допълнение към оригиналните монокристални силициеви клетки, през годините са разработени редица нови видове фотоволтаични клетки, както кристални, така и тънкослойни… Силицийът обаче все още е доминиращият материал във фотоволтаиката.
Фотоволтаичната технология претърпя голям бум от 2008 г., когато цените на кристалния силиций започнаха да падат бързо, главно поради прехвърлянето на производството в Китай, който преди това беше малцинствен играч на пазара (по -голямата част от фотоволтаичното производство беше концентрирано в Япония, САЩ, Испания и Германия).
Фотоволтаиците станаха широко разпространени едва с въвеждането на различни поддържащи системи. Първата беше програмата за субсидиране в Япония, а след това системата на покупните цени в Германия. Впоследствие подобни системи бяха въведени в редица други страни.
Фотоволтаичната енергия е най -често срещаният възобновяем източник на енергия днес и също е много бързо развиваща се индустрия. Той е широко инсталиран на покривите на сгради, както и на земя, която не може да се използва за селскостопански работи.
Последните тенденции включват и водни инсталации под формата на плаващи фотоволтаични системи и агрофотоволтаични инсталации, съчетаващи фотоволтаични инсталации със селскостопанско производство.