Η ιστορία των φωτοβολταϊκών, πώς δημιουργήθηκαν τα πρώτα ηλιακά πάνελ

Ανακαλύψεις, πειράματα και θεωρίες

Η ιστορία των φωτοβολταϊκών ξεκινά με την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Το συμπέρασμα ότι το ρεύμα μεταξύ μεταλλικών ηλεκτροδίων που βυθίζονται σε ένα διάλυμα (υγρό) ποικίλλει ανάλογα με την ένταση του φωτισμού παρουσιάστηκε στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών στη συνεδρίασή της τη Δευτέρα 29 Ιουλίου 1839 από τον Alexandre Edmond Becquerel. Στη συνέχεια δημοσίευσε άρθρο.

Ο πατέρας του, Αντουάν Σεζάρ Μπεκερέλ, αποκαλείται μερικές φορές ο ανακαλυφτής. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι ο Edmond Becquerel ήταν μόλις 20 ετών την εποχή της δημοσίευσης και εργαζόταν ακόμα στο εργαστήριο του πατέρα του.

Ο μεγάλος Σκωτσέζος επιστήμονας Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ ήταν μεταξύ πολλών Ευρωπαίων επιστημόνων που τους κίνησε το ενδιαφέρον η συμπεριφορά του σεληνίου, το οποίο τέθηκε για πρώτη φορά στην προσοχή της επιστημονικής κοινότητας σε ένα άρθρο του Willoughby Smith που δημοσιεύτηκε στο Journal of the Society of Telegraph Engineers το 1873.

Ο Smith, επικεφαλής ηλεκτρολόγος μηχανικός της εταιρείας Gutta Percha, χρησιμοποίησε ράβδους σεληνίου στα τέλη της δεκαετίας του 1860 σε μια συσκευή για να ανιχνεύσει σφάλματα στα υπερατλαντικά καλώδια πριν από την κατάδυση. Ενώ οι ράβδοι σεληνίου δούλευαν καλά τη νύχτα, δούλευαν τρομερά όταν έβγαινε ο ήλιος.

Υποψιαζόμενος ότι οι ειδικές ιδιότητες του σεληνίου είχαν κάποια σχέση με την ποσότητα φωτός που πέφτει πάνω του, ο Smith τοποθέτησε τις ράβδους σε ένα κουτί με συρόμενο καπάκι. Όταν το συρτάρι έκλεινε και τα φώτα έσβησαν, η αντίσταση των ράβδων -ο βαθμός στον οποίο εμποδίζουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτές- ήταν μέγιστη και παρέμενε σταθερή. Όταν όμως αφαιρέθηκε το καπάκι του κουτιού, η αγωγιμότητά τους «αυξήθηκε αμέσως ανάλογα με την ένταση του φωτός».

Μεταξύ των ερευνητών που μελέτησαν την επίδραση του φωτός στο σελήνιο μετά την έκθεση του Smith ήταν δύο Βρετανοί επιστήμονες, ο καθηγητής William Grylls Adams και ο μαθητής του Richard Evans Day.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1870, υπέβαλαν σελήνιο σε πολλά πειράματα και σε ένα από αυτά τα πειράματα άναψαν ένα κερί δίπλα στις ράβδους σεληνίου που χρησιμοποιούσε ο Smith. Το βέλος στο μετρητή τους αντιδρά αμέσως. Η θωράκιση του σεληνίου από το φως έκανε τη βελόνα να πέσει αμέσως στο μηδέν.

Αυτές οι γρήγορες αντιδράσεις αποκλείουν την πιθανότητα η θερμότητα της φλόγας του κεριού να παράγει ρεύμα, αφού όταν παρέχεται ή αφαιρείται θερμότητα σε θερμοηλεκτρικά πειράματα, η βελόνα πάντα ανεβαίνει ή πέφτει αργά. «Ως εκ τούτου», κατέληξαν οι ερευνητές, «ήταν σαφές ότι το ρεύμα μπορούσε να απελευθερωθεί μόνο σε σελήνιο υπό τη δράση του φωτός». Ο Άνταμς και ο Ντέι ονόμασαν το ρεύμα που παράγεται από το φως «φωτοβολταϊκό».

Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που παρατηρήθηκε από τον Becquerel, όταν το ρεύμα σε ένα ηλεκτρικό στοιχείο άλλαξε υπό τη δράση του φωτός, στην περίπτωση αυτή η ηλεκτρική τάση (και ρεύμα) παρήχθη χωρίς τη δράση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου μόνο υπό τη δράση του φωτός.

Οι Adams and Day δημιούργησαν μάλιστα ένα μοντέλο συγκεντρωμένου φωτοβολταϊκού συστήματος, το οποίο παρουσίασαν σε πολλούς επιφανείς ανθρώπους στην Αγγλία, αλλά δεν το έφεραν στην πράξη.

Άλλος δημιουργός φωτοβολταϊκά κύτταρα με βάση το σελήνιο ήταν ο Αμερικανός εφευρέτης Τσαρλς Φριτς το 1883.

Άπλωσε ένα φαρδύ λεπτό στρώμα σεληνίου σε μια μεταλλική πλάκα και το σκέπασε με μια λεπτή ημιδιαφανή μεμβράνη από φύλλο χρυσού. Αυτή η μονάδα σεληνίου, είπε ο Fritz, παρήγαγε ένα ρεύμα "συνεχές, σταθερό και μεγάλης αντοχής... όχι μόνο σε ηλιακό φως, αλλά και σε αδύναμο, διάχυτο φως της ημέρας, ακόμη και το φως της λάμπας».

Όμως η απόδοση των φωτοβολταϊκών κυψελών του ήταν μικρότερη από 1%. Ωστόσο, πίστευε ότι θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής του Έντισον με καύση άνθρακα.

Τα επιχρυσωμένα ηλιακά πάνελ σεληνίου του Τσαρλς Φριτς σε στέγη της Νέας Υόρκης το 1884.

Ο Fritz έστειλε ένα από τα ηλιακά πάνελ του στον Werner von Siemens, του οποίου η φήμη ήταν ίση με αυτή του Edison.

Η Siemens εντυπωσιάστηκε τόσο πολύ από την ηλεκτρική ισχύ των πάνελ όταν άναψε, που ένας διάσημος Γερμανός επιστήμονας παρουσίασε το πάνελ Fritts στη Βασιλική Ακαδημία στην Πρωσία. Η Siemens είπε στον επιστημονικό κόσμο ότι οι αμερικανικές ενότητες «μας παρουσίασαν για πρώτη φορά την άμεση μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια».

Λίγοι επιστήμονες έχουν εισακούσει το κάλεσμα της Siemens. Η ανακάλυψη φαινόταν να έρχεται σε αντίθεση με όλα όσα πίστευε η επιστήμη εκείνη την εποχή.

Οι ράβδοι σεληνίου που χρησιμοποιήθηκαν από τα «μαγικά» πάνελ των Adams and Day και Frith δεν βασίζονταν σε μεθόδους γνωστές στη φυσική για την παραγωγή ενέργειας. Ως εκ τούτου, η πλειοψηφία τους απέκλεισε από το πεδίο της περαιτέρω επιστημονικής έρευνας.

Η φυσική αρχή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου περιγράφηκε θεωρητικά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στην εργασία του το 1905 για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο εφάρμοσε στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που δημοσιεύτηκε από τον Max Karl Ernst Ludwig Planck στις αρχές του αιώνα.

Η εξήγηση του Αϊνστάιν δείχνει ότι η ενέργεια ενός απελευθερωμένου ηλεκτρονίου εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας (ενέργεια φωτονίων) και τον αριθμό των ηλεκτρονίων από την ένταση της ακτινοβολίας (αριθμός φωτονίων). Ήταν για το έργο του στην ανάπτυξη της θεωρητικής φυσικής, ειδικά για την ανακάλυψη των νόμων του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, που ο Αϊνστάιν τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1921.

Η τολμηρή νέα περιγραφή του φωτός από τον Αϊνστάιν, σε συνδυασμό με την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και την επακόλουθη ώθηση για μελέτη της συμπεριφοράς του -όλα που συνέβησαν στις αρχές του 19ου αιώνα- παρείχαν στον φωτοηλεκτρισμό μια επιστημονική βάση που δεν είχε προηγουμένως και που μπορούσε τώρα να εξηγήσει το φαινόμενο με όρους κατανοητό στην επιστήμη.

Σε υλικά όπως το σελήνιο, τα πιο ισχυρά φωτόνια μεταφέρουν αρκετή ενέργεια για να χτυπήσουν χαλαρά συνδεδεμένα ηλεκτρόνια έξω από τις ατομικές τροχιές τους. Όταν τα καλώδια συνδέονται με τις ράβδους σεληνίου, τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω αυτών ως ηλεκτρική ενέργεια.

Οι πειραματιστές του δέκατου ένατου αιώνα ονόμασαν τη διαδικασία φωτοβολταϊκή, αλλά μέχρι τη δεκαετία του 1920, οι επιστήμονες αποκαλούσαν το φαινόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Στο βιβλίο του το 1919 για τα ηλιακά κύτταραΟ Thomas Benson εξήρε το έργο των πρωτοπόρων με το σελήνιο ως πρόδρομο της «αναπόφευκτης ηλιακής γεννήτριας».

Ωστόσο, χωρίς να υπάρχουν ανακαλύψεις στον ορίζοντα, ο επικεφαλής του τμήματος φωτοβολταϊκών της Westinghouse θα μπορούσε μόνο να συμπεράνει: «Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν θα ενδιαφέρουν τους πρακτικούς μηχανικούς μέχρι να είναι τουλάχιστον πενήντα φορές πιο αποτελεσματικά».

Οι συγγραφείς του Photovoltaics and Its Applications συμφώνησαν με την απαισιόδοξη πρόβλεψη, γράφοντας το 1949: «Πρέπει να αφεθεί στο μέλλον εάν η ανακάλυψη υλικά πιο αποδοτικών κυψελών θα ανοίξει τη δυνατότητα χρήσης της ηλιακής ενέργειας για χρήσιμους σκοπούς».

Μηχανισμοί φωτοβολταϊκών φαινομένων: Φωτοβολταϊκό φαινόμενο και οι ποικιλίες του

Τα φωτοβολταϊκά στην πράξη

Το 1940, ο Russell Shoemaker Ole δημιούργησε κατά λάθος Διασταύρωση ΠΝ σε πυρίτιο και διαπίστωσε ότι παρήγαγε ηλεκτρισμό όταν φωτιζόταν. Κατοχύρωσε την ανακάλυψή του με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η απόδοση είναι περίπου 1%.

Η σύγχρονη μορφή ηλιακών κυψελών γεννήθηκε το 1954 στα εργαστήρια Bell. Σε πειράματα με ντοπαρισμένο πυρίτιο, διαπιστώθηκε η υψηλή φωτοευαισθησία του. Το αποτέλεσμα ήταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με απόδοση περίπου έξι τοις εκατό.

Τα στελέχη της Proud Bell αποκαλύπτουν το Bell Solar Panel στις 25 Απριλίου 1954, με ένα πάνελ κυψελών που βασίζονται αποκλειστικά στην φωτεινή ενέργεια για την τροφοδοσία του τροχού λούνα παρκ. Την επόμενη μέρα, οι επιστήμονες της Bell κυκλοφόρησαν έναν ηλιακό πομπό ραδιοφώνου που μετέδιδε φωνή και μουσική στους κορυφαίους επιστήμονες της Αμερικής που συγκεντρώθηκαν για μια συνάντηση στην Ουάσιγκτον.

Τα πρώτα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1950.

Ο ηλεκτρολόγος της Southern Bell συναρμολογεί ένα ηλιακό πάνελ το 1955.

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν χρησιμοποιηθεί ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία διαφόρων συσκευών από τα τέλη της δεκαετίας του 1950 σε διαστημικούς δορυφόρους. Ο πρώτος δορυφόρος με φωτοκύτταρα ήταν ο αμερικανικός δορυφόρος Vanguard I (Avangard I), που εκτοξεύτηκε σε τροχιά στις 17 Μαρτίου 1958.

Αμερικανικός δορυφόρος Vanguard I, 1958.

Ο δορυφόρος Vanguard I βρίσκεται ακόμα σε τροχιά. Πέρασε περισσότερα από 60 χρόνια στο διάστημα (θεωρείται το αρχαιότερο τεχνητό αντικείμενο στο διάστημα).

Το Vanguard I ήταν ο πρώτος δορυφόρος με ηλιακή ενέργεια και οι ηλιακές κυψέλες του παρείχαν ενέργεια στον δορυφόρο για επτά χρόνια. Σταμάτησε να στέλνει σήματα στη Γη το 1964, αλλά από τότε οι ερευνητές εξακολουθούν να το χρησιμοποιούν για να μάθουν πώς ο Ήλιος, η Σελήνη και η ατμόσφαιρα της Γης επηρεάζουν τους δορυφόρους σε τροχιά.

Αμερικανικός δορυφόρος Explorer 6 με υπερυψωμένα ηλιακά πάνελ, 1959.

Με ελάχιστες εξαιρέσεις, είναι η κύρια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για συσκευές που αναμένεται να λειτουργήσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η συνολική χωρητικότητα των φωτοβολταϊκών πάνελ στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) είναι 110 kWh.

Ηλιακά πάνελ στο διάστημα

Οι τιμές των πρώτων φωτοβολταϊκών στοιχείων τη δεκαετία του 1950 ήταν χιλιάδες δολάρια ανά watt ονομαστικής ισχύος και η κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή τους υπερέβαινε την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παρήγαγαν αυτά τα κύτταρα κατά τη διάρκεια της ζωής τους.

Ο λόγος ήταν, εκτός από τη χαμηλή απόδοση, ότι πρακτικά χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες τεχνολογικές και ενεργοβόρες διαδικασίες στην παραγωγή φωτοβολταϊκών κυψελών όπως και στην παραγωγή μικροτσίπ.

Σε επίγειες συνθήκες, τα φωτοβολταϊκά πάνελ χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά για την τροφοδοσία μικρών συσκευών σε απομακρυσμένες τοποθεσίες ή, για παράδειγμα, σε σημαδούρες, όπου θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο ή αδύνατο να συνδεθούν με το ηλεκτρικό δίκτυο. Το κύριο πλεονέκτημα των φωτοβολταϊκών πάνελ σε σχέση με άλλες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας είναι ότι δεν χρειάζονται καύσιμα και συντήρηση.

Τα πρώτα φωτοβολταϊκά πάνελ μαζικής παραγωγής εμφανίστηκαν στην αγορά το 1979.

Το αυξημένο ενδιαφέρον για τα φωτοβολταϊκά ως πηγή ενέργειας στη Γη, καθώς και για άλλες ανανεώσιμες πηγές, τροφοδοτήθηκε από την πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 1970.

Έκτοτε, έχει γίνει εντατική έρευνα και ανάπτυξη, με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση, χαμηλότερες τιμές και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των φωτοβολταϊκών κυψελών και πάνελ. Ταυτόχρονα, η ενεργειακή ένταση της παραγωγής έχει μειωθεί σε τέτοιο βαθμό που το πάνελ παράγει πολλές φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του.

Οι παλαιότερες (ακόμη σε χρήση) μεγάλες παράκτιες κατασκευές χρονολογούνται από τις αρχές της δεκαετίας του 1980. Εκείνη την εποχή, οι κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου εξακολουθούσαν να κυριαρχούν πλήρως, η διάρκεια ζωής των οποίων επιβεβαιώθηκε σε πραγματικές συνθήκες τουλάχιστον 30 ετών.

Με βάση την εμπειρία, οι κατασκευαστές εγγυώνται ότι η απόδοση του πίνακα θα μειωθεί κατά 20% το πολύ μετά από 25 χρόνια (ωστόσο, τα αποτελέσματα των αναφερόμενων εγκαταστάσεων είναι πολύ καλύτερα). Για άλλους τύπους πάνελ, η διάρκεια ζωής υπολογίζεται βάσει επιταχυνόμενων δοκιμών.

Εκτός από τις αρχικές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου, ένας αριθμός νέων τύπων φωτοβολταϊκών στοιχείων έχουν αναπτυχθεί όλα αυτά τα χρόνια, τόσο κρυσταλλική όσο και λεπτή μεμβράνη… Ωστόσο, το πυρίτιο εξακολουθεί να είναι το κυρίαρχο υλικό στα φωτοβολταϊκά.

Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών γνώρισε μεγάλη έκρηξη από το 2008, όταν οι τιμές του κρυσταλλικού πυριτίου άρχισαν να πέφτουν γρήγορα, κυρίως λόγω της μεταφοράς της παραγωγής στην Κίνα, η οποία προηγουμένως ήταν μειοψηφία στην αγορά (η πλειοψηφία της παραγωγής φωτοβολταϊκών συγκεντρωνόταν στην Ιαπωνία. ΗΠΑ, Ισπανία και Γερμανία).

Τα φωτοβολταϊκά έγιναν ευρέως διαδεδομένα μόνο με την εισαγωγή διαφόρων συστημάτων υποστήριξης. Το πρώτο ήταν το πρόγραμμα επιδοτήσεων στην Ιαπωνία και μετά το σύστημα τιμών αγοράς στη Γερμανία. Στη συνέχεια, παρόμοια συστήματα εισήχθησαν σε πολλές άλλες χώρες.

Η φωτοβολταϊκή ενέργεια είναι η πιο κοινή ανανεώσιμη πηγή ενέργειας σήμερα και είναι επίσης μια πολύ γρήγορα αναπτυσσόμενη βιομηχανία. Τοποθετείται ευρέως σε στέγες κτιρίων καθώς και σε εδάφη που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αγροτικές εργασίες.

Οι τελευταίες τάσεις περιλαμβάνουν επίσης εγκαταστάσεις νερού με τη μορφή πλωτά φωτοβολταϊκά συστήματα και αγρο-φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, συνδυάζοντας φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις με αγροτική παραγωγή.