Historie fotovoltaiky, jak vznikaly první solární panely
Objevy, experimenty a teorie
Historie fotovoltaiky začíná objevem fotoelektrického jevu. Závěr, že proud mezi kovovými elektrodami ponořenými do roztoku (kapaliny) se mění s intenzitou osvětlení, předložil Francouzské akademii věd na jejím zasedání v pondělí 29. července 1839 Alexandre Edmond Becquerel, který následně publikoval článek.
Jeho otec Antoine César Becquerel je někdy nazýván objevitelem. To může být způsobeno tím, že Edmondu Becquerelovi bylo v době vydání pouhých 20 let a stále pracoval v laboratoři svého otce.
Velký skotský vědec James Clerk Maxwell byl jedním z mnoha evropských vědců, které zaujalo chování selenu, které bylo poprvé upozorněno vědeckou komunitou v článku Willoughbyho Smithe publikovaném v Journal of the Society of Telegraph Engineers v roce 1873.
Smith, hlavní elektroinženýr společnosti Gutta Percha Company, použil koncem 60. let 19. století selenové tyče v zařízení k detekci poruch v transatlantických kabelech před potápěním. Zatímco selenové tyče fungovaly dobře v noci, fungovaly strašně, když vyšlo slunce.
Smith měl podezření, že speciální vlastnosti selenu mají něco společného s množstvím světla, které na něj dopadá, a umístil tyče do krabice s posuvným víkem. Když byla zásuvka zavřená a světla zhasnutá, odpor tyčí – míra, do jaké jimi bránily průchodu elektrického proudu – byl maximální a zůstal konstantní. Ale když bylo víko krabice odstraněno, jejich vodivost okamžitě "vzrostla v souladu s intenzitou světla."
Mezi výzkumníky, kteří po Smithově zprávě studovali vliv světla na selen, byli dva britští vědci, profesor William Grylls Adams a jeho student Richard Evans Day.
Koncem 70. let 19. století podrobili selen mnoha experimentům a v jednom z těchto experimentů zapálili svíčku vedle selenových tyčí, které Smith používal. Šipka na jejich měřiči reaguje okamžitě. Odstínění selenu před světlem způsobilo, že jehla okamžitě klesla na nulu.
Tyto rychlé reakce vylučují možnost, že by teplo plamene svíčky produkovalo proud, protože když je teplo dodáváno nebo odváděno v termoelektrických experimentech, jehla vždy pomalu stoupá nebo klesá. "Proto", uzavřeli vědci, "bylo jasné, že proud se může uvolnit pouze v selenu působením světla." Adams a Day nazvali proud produkovaný světlem „fotovoltaický“.
Na rozdíl od fotoelektrického jevu pozorovaného Becquerelem, kdy se proud v elektrickém článku měnil působením světla, v tomto případě vznikalo elektrické napětí (a proud) bez působení vnějšího elektrického pole pouze působením světla.
Adams a Day dokonce vytvořili model koncentrovaného fotovoltaického systému, který představili mnoha významným lidem v Anglii, ale do praktického využití ho nedovedli.
Další tvůrce fotovoltaické články na selenu byl americký vynálezce Charles Fritts v roce 1883.
Rozprostřel širokou tenkou vrstvu selenu na kovovou desku a pokryl ji tenkým průsvitným filmem plátkového zlata. Fritz řekl, že tento modul selenu produkoval proud „nepřetržitý, stálý a značné síly... nejen v sluneční světlo, ale také slabé, rozptýlené denní světlo a dokonce světlo lampy“.
Ale účinnost jeho fotovoltaických článků byla menší než 1 %. Věřil však, že mohou konkurovat Edisonovým uhelným elektrárnám.
Zlacené selenové solární panely Charlese Frittse na střeše New Yorku v roce 1884.
Fritz poslal jeden ze svých solárních panelů Wernerovi von Siemens, jehož pověst byla stejná jako Edisonova.
Siemens byl tak ohromen elektrickým výkonem rozsvícených panelů, že slavný německý vědec představil Frittsův panel Královské akademii v Prusku. Siemens řekl vědeckému světu, že americké moduly „nám poprvé představily přímou přeměnu světelné energie na elektrickou energii“.
Jen málo vědců vyslyšelo výzvu společnosti Siemens. Zdálo se, že objev odporuje všemu, čemu věda v té době věřila.
Selenové tyče používané Adamsovými a Dayovými a Frithovými „magickými“ panely se nespoléhaly na metody známé fyzice k výrobě energie. Proto je většina vyřadila z okruhu dalšího vědeckého bádání.
Fyzikální princip fotoelektrického jevu teoreticky popsal Albert Einstein ve svém článku z roku 1905 o elektromagnetickém poli, který aplikoval na elektromagnetické pole, který na přelomu století publikoval Max Karl Ernst Ludwig Planck.
Einsteinovo vysvětlení ukazuje, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci záření (energie fotonu) a počtu elektronů od intenzity záření (počet fotonů). Právě za jeho práci na rozvoji teoretické fyziky, zejména za objev zákonů fotoelektrického jevu, byla Einsteinovi v roce 1921 udělena Nobelova cena za fyziku.
Einsteinův odvážný nový popis světla v kombinaci s objevem elektronu a následnou snahou studovat jeho chování – to vše se odehrávalo na počátku 19. století – poskytly fotoelektřinu vědecký základ, který dříve postrádala a který by nyní mohl vysvětlit tento jev v termínech. pro vědu pochopitelné.
V materiálech, jako je selen, silnější fotony nesou dostatek energie k vyražení volně vázaných elektronů z jejich atomových drah. Když jsou dráty připojeny k selenovým tyčím, uvolněné elektrony jimi proudí jako elektřina.
Experimentátoři z 19. století tento proces nazvali fotovoltaický, ale ve dvacátých letech minulého století vědci tento jev nazývali fotoelektrický jev.
Ve své knize z roku 1919 o solárních článcíchThomas Benson ocenil práci průkopníků se selenem jako předchůdce „nevyhnutelného solárního generátoru“.
Jelikož však nebyly na obzoru žádné objevy, mohl šéf fotovoltaické divize Westinghouse jen dojít k závěru: „Fotovoltaické články nebudou praktické inženýry zajímat, dokud nebudou alespoň padesátkrát účinnější.“
S pesimistickou prognózou souhlasili autoři knihy Fotovoltaika a její aplikace, kteří v roce 1949 napsali: „Je třeba ponechat budoucnosti, zda objev materiálově účinnějších článků otevře možnost využití solární energie pro užitečné účely.“
Mechanismy fotovoltaických efektů: Fotovoltaický efekt a jeho varianty
Fotovoltaika v praxi
V roce 1940 náhodně vytvořil Russell Shoemaker Ole PN přechod na křemíku a zjistil, že při osvětlení vyrábí elektřinu. Svůj objev si nechal patentovat. Účinnost je asi 1%.
Moderní forma solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s dopovaným křemíkem byla prokázána jeho vysoká fotosenzitivita. Výsledkem byl fotovoltaický článek s účinností kolem šesti procent.
Vedení společnosti Proud Bell odhalilo 25. dubna 1954 solární panel Bell, který obsahuje panel článků, které k pohonu ruského kola spoléhají pouze na světelnou energii. Následujícího dne spustili vědci z Bell solární rádiový vysílač, který vysílal hlas a hudbu předním americkým vědcům, kteří se sešli na setkání ve Washingtonu.
První solární fotovoltaické články byly vyvinuty na počátku 50. let 20. století.
Elektrikář Southern Bell sestavuje solární panel v roce 1955.
Fotovoltaické články se jako zdroj elektřiny pro napájení různých zařízení používají od konce 50. let na vesmírných družicích. První družicí s fotobuňkami byla americká družice Vanguard I (Avangard I), vypuštěná na oběžnou dráhu 17. března 1958.
Americká družice Vanguard I, 1958.
Satelit Vanguard I je stále na oběžné dráze. Strávil více než 60 let ve vesmíru (považován za nejstarší člověkem vyrobený objekt ve vesmíru).
Vanguard I byl první solárně poháněný satelit a jeho solární články dodávaly energii satelitu po dobu sedmi let. Signály na Zemi přestala vysílat v roce 1964, ale od té doby jej výzkumníci stále používají, aby získali přehled o tom, jak Slunce, Měsíc a zemská atmosféra ovlivňují satelity na oběžné dráze.
Americká družice Explorer 6 se zvednutými solárními panely, 1959.
Až na výjimky je hlavním zdrojem elektrické energie pro zařízení, u kterých se předpokládá dlouhodobý provoz. Celková kapacita fotovoltaických panelů na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) je 110 kWh.
Solární panely ve vesmíru
Ceny prvních fotovoltaických článků v 50. letech minulého století byly tisíce dolarů za watt jmenovitého výkonu a spotřeba energie na jejich výrobu převyšovala množství elektřiny, které tyto články vyrobily za svou životnost.
Důvodem bylo kromě nízké účinnosti i to, že při výrobě fotovoltaických článků byly použity prakticky stejné technologické a energeticky náročné postupy jako při výrobě mikročipů.
V pozemských podmínkách byly fotovoltaické panely nejprve použity k napájení malých zařízení ve vzdálených lokalitách nebo například na bójích, kde by bylo extrémně obtížné nebo nemožné je připojit k elektrické síti. Hlavní výhodou fotovoltaických panelů oproti jiným zdrojům elektřiny je, že nepotřebují palivo a údržbu.
První sériově vyráběné fotovoltaické panely se objevily na trhu v roce 1979.
Zvýšený zájem o fotovoltaiku jako zdroj energie na Zemi, stejně jako o další obnovitelné zdroje, podpořila ropná krize v 70. letech.
Od té doby probíhá intenzivní výzkum a vývoj, jehož výsledkem je vyšší účinnost, nižší cena a delší životnost fotovoltaických článků a panelů. Energetická náročnost výroby se přitom snížila natolik, že panel generuje mnohonásobně více energie, než bylo spotřebováno na jeho výrobu.
Nejstarší (dosud používané) velké pobřežní stavby pocházejí z počátku 80. let 20. století. V té době ještě zcela dominovaly články z krystalického křemíku, jejichž životnost byla potvrzena v reálných podmínkách minimálně 30 let.
Výrobci na základě zkušeností garantují, že výkon panelu se po 25 letech sníží maximálně o 20 % (výsledky zmíněných instalací jsou však mnohem lepší). U ostatních typů panelů se životnost odhaduje na základě zrychleného testování.
Kromě původních monokrystalických křemíkových článků byla v průběhu let vyvinuta řada nových typů fotovoltaických článků, jak krystalický, tak tenký film… Dominantním materiálem ve fotovoltaice je však stále křemík.
Fotovoltaická technologie zažívá velký boom od roku 2008, kdy ceny krystalického křemíku začaly rychle klesat, a to především díky přesunu výroby do Číny, která byla dříve menšinovým hráčem na trhu (většina fotovoltaické výroby byla soustředěna v Japonsku, tzv. USA, Španělsko a Německo).
Fotovoltaika se rozšířila až se zaváděním různých podpůrných systémů. Prvním byl dotační program v Japonsku a poté systém výkupních cen v Německu. Následně byly podobné systémy zavedeny v řadě dalších zemí.
Fotovoltaická energie je dnes nejrozšířenějším obnovitelným zdrojem energie a je také velmi rychle rostoucím odvětvím. Hojně se instaluje na střechy budov i na pozemky, které nelze využít pro zemědělské práce.
Mezi nejnovější trendy patří také vodovodní instalace v podobě plovoucí fotovoltaické systémy a agrofotovoltaická zařízení, kombinující fotovoltaická zařízení se zemědělskou výrobou.