Solcelleanleggets historie, hvordan de første solcellepanelene ble laget

Oppdagelser, eksperimenter og teorier

Historien om solceller begynner med oppdagelsen av den fotoelektriske effekten. Konklusjonen om at strømmen mellom metallelektroder nedsenket i en løsning (væske) varierer med belysningsintensiteten ble presentert for Det franske vitenskapsakademi på møtet mandag 29. juli 1839 av Alexandre Edmond Becquerel. Han publiserte deretter en artikkel.

Faren hans, Antoine César Becquerel, kalles noen ganger oppdageren. Dette kan skyldes det faktum at Edmond Becquerel bare var 20 år gammel på publiseringstidspunktet og fortsatt jobbet i farens laboratorium.

Den store skotske forskeren James Clerk Maxwell var blant mange europeiske forskere fascinert av oppførselen til selen, som først ble gjort oppmerksom på det vitenskapelige samfunnet i en artikkel av Willoughby Smith publisert i Journal of the Society of Telegraph Engineers i 1873.

Smith, sjefelektroingeniør i Gutta Percha Company, brukte selenstenger på slutten av 1860-tallet i en enhet for å oppdage feil i transatlantiske kabler før dykking. Mens selenstavene fungerte bra om natten, fungerte de forferdelig når solen kom.

I mistanke om at selens spesielle egenskaper hadde noe å gjøre med mengden lys som falt på det, plasserte Smith stengene i en boks med skyvelokk. Når skuffen ble lukket og lysene ble slått av, var motstanden til stengene - i hvilken grad de hindrer passasjen av en elektrisk strøm gjennom dem - maksimal og forble konstant. Men da lokket på boksen ble fjernet, økte deres ledningsevne umiddelbart i samsvar med lysets intensitet.

Blant forskerne som studerte effekten av lys på selen etter Smiths rapport var to britiske forskere, professor William Grylls Adams og hans student Richard Evans Day.

På slutten av 1870-tallet utsatte de selen for mange eksperimenter, og i ett av disse forsøkene tente de et lys ved siden av selenstavene som Smith brukte. Pilen på måleren deres reagerer umiddelbart. Skjerming av selen fra lys førte til at nålen umiddelbart falt til null.

Disse raske reaksjonene utelukker muligheten for at varmen fra stearinflammen produserer en strøm, siden når varme tilføres eller fjernes i termoelektriske eksperimenter, nålen stiger eller faller alltid sakte. «Derfor», konkluderte forskerne, «det var klart at strømmen bare kunne frigjøres i selen under påvirkning av lys.» Adams og Day kalte strømmen produsert av lyset "fotovoltaisk".

I motsetning til den fotoelektriske effekten observert av Becquerel, når strømmen i en elektrisk celle endret seg under påvirkning av lys, ble i dette tilfellet den elektriske spenningen (og strømmen) generert uten påvirkning av et eksternt elektrisk felt bare under påvirkning av lys.

Adams og Day skapte til og med en modell av et konsentrert solcelleanlegg, som de presenterte for mange fremtredende personer i England, men tok den ikke til praktisk bruk.

En annen skaper solcelleceller basert på selen var den amerikanske oppfinneren Charles Fritts i 1883.

Han spredte et bredt tynt lag med selen på en metallplate og dekket den med en tynn gjennomskinnelig film av bladgull. Denne modulen av selen, sa Fritz, produserte en strøm "kontinuerlig, jevn og av betydelig styrke ... ikke bare i sollys, men også i svakt, diffust dagslys og til og med lampelys'.

Men effektiviteten til solcellecellene hans var mindre enn 1 %. Imidlertid trodde han at de kunne konkurrere med Edisons kullkraftverk.

Charles Fritts' forgylte selen solcellepaneler på et tak i New York City i 1884.

Fritz sendte et av solcellepanelene sine til Werner von Siemens, hvis rykte var lik Edisons.

Siemens ble så imponert over den elektriske kraften til panelene når de ble tent at en berømt tysk vitenskapsmann presenterte Fritts-panelet til Royal Academy i Preussen. Siemens fortalte den vitenskapelige verden at de amerikanske modulene "for første gang presenterte oss den direkte konverteringen av lysenergi til elektrisk energi."

Få forskere har fulgt Siemens' oppfordring. Oppdagelsen så ut til å motsi alt vitenskapen trodde på den tiden.

Selenstavene brukt av Adams og Day og Friths "magiske" paneler var ikke avhengige av metoder kjent for fysikk for å generere energi. Derfor ekskluderte flertallet dem fra omfanget av videre vitenskapelig forskning.

Det fysiske prinsippet for det fotoelektriske fenomenet ble teoretisk beskrevet av Albert Einstein i hans artikkel fra 1905 om det elektromagnetiske feltet, som han brukte på det elektromagnetiske feltet, utgitt av Max Karl Ernst Ludwig Planck ved århundreskiftet.

Einsteins forklaring viser at energien til et frigjort elektron kun avhenger av frekvensen av stråling (fotonenergi) og antall elektroner fra intensiteten til stråling (antall fotoner). Det var for sitt arbeid med utviklingen av teoretisk fysikk, spesielt oppdagelsen av lovene for den fotoelektriske effekten, at Einstein ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1921.

Einsteins dristige nye beskrivelse av lys, kombinert med oppdagelsen av elektronet og den påfølgende driften til å studere dets oppførsel – alt som skjedde på begynnelsen av 1800-tallet – ga fotoelektrisitet et vitenskapelig grunnlag den tidligere hadde manglet og som nå kunne forklare fenomenet i termer forståelig for vitenskapen.

I materialer som selen bærer de kraftigere fotonene nok energi til å slå løst bundne elektroner ut av deres atombane. Når ledningene er festet til selenstavene, strømmer de frigjorte elektronene gjennom dem som elektrisitet.

Eksperimentører fra det nittende århundre kalte prosessen fotovoltaisk, men på 1920-tallet kalte forskere fenomenet den fotoelektriske effekten.

I sin bok fra 1919 om solcellerThomas Benson berømmet pionerenes arbeid med selen som en forløper for den "uunngåelige solgeneratoren".

Men uten funn i horisonten kunne lederen for Westinghouses solcelleavdeling bare konkludere: "Fotovoltaiske celler vil ikke være av interesse for praktiske ingeniører før de er minst femti ganger mer effektive."

Forfatterne av Photovoltaics and Its Applications var enige i den pessimistiske prognosen, og skrev i 1949: "Det må overlates til fremtiden om oppdagelsen av vesentlig mer effektive celler vil åpne for muligheten for å bruke solenergi til nyttige formål."

Mekanismer for fotovoltaiske effekter: Fotovoltaisk effekt og dens varianter

Solcelle i praksis

I 1940 opprettet Russell Shoemaker Ole ved et uhell PN-kryss på silisium og fant ut at det produserte strøm når det ble belyst. Han tok patent på oppdagelsen sin. Effektiviteten er ca. 1 %.

Den moderne formen for solceller ble født i 1954 ved Bell Laboratories. I eksperimenter med dopet silisium ble dens høye lysfølsomhet etablert. Resultatet ble en solcelle med en virkningsgrad på rundt seks prosent.

Stolte Bell-ledere avduker Bell Solar Panel 25. april 1954, med et panel av celler som kun er avhengig av lysenergi for å drive pariserhjulet. Dagen etter lanserte Bell-forskere en solcelledrevet radiosender som sendte stemme og musikk til USAs ledende forskere samlet til et møte i Washington.

De første solcellecellene ble utviklet på begynnelsen av 1950-tallet.

Southern Bell-elektriker monterer et solcellepanel i 1955.

Fotovoltaiske celler har blitt brukt som en kilde til elektrisitet for å drive forskjellige enheter siden slutten av 1950-tallet på romsatellitter. Den første satellitten med fotoceller var den amerikanske satellitten Vanguard I (Avangard I), som ble skutt opp i bane 17. mars 1958.

Amerikansk satellitt Vanguard I, 1958.

Vanguard I-satellitten er fortsatt i bane. Den tilbrakte mer enn 60 år i verdensrommet (regnes som det eldste menneskeskapte objektet i rommet).

Vanguard I var den første solcelledrevne satellitten og dens solceller ga strøm til satellitten i syv år. Den sluttet å sende signaler til jorden i 1964, men siden den gang har forskere fortsatt brukt den til å få innsikt i hvordan solen, månen og jordens atmosfære påvirker satellitter i bane.

Amerikansk satellitt Explorer 6 med hevet solcellepanel, 1959.

Med få unntak er det hovedkilden til strøm for enheter som forventes å fungere i lang tid. Den totale kapasiteten til solcellepanelene på den internasjonale romstasjonen (ISS) er 110 kWh.

Solcellepaneler i verdensrommet

Prisene på de første solcellecellene på 1950-tallet var tusenvis av dollar per watt merkeeffekt, og energiforbruket for å produsere dem oversteg mengden elektrisitet disse cellene produserte i løpet av deres levetid.

Årsaken var, bortsett fra den lave effektiviteten, at praktisk talt de samme teknologiske og energikrevende prosedyrene ble brukt ved produksjon av solcelleceller som ved produksjon av mikrobrikker.

Under terrestriske forhold ble solcellepaneler først brukt til å drive små enheter på avsidesliggende steder eller for eksempel på bøyer, der det ville være ekstremt vanskelig eller umulig å koble dem til strømnettet. Den største fordelen med solcellepaneler fremfor andre strømkilder er at de ikke trenger drivstoff og vedlikehold.

De første masseproduserte solcellepanelene dukket opp på markedet i 1979.

Den økte interessen for solceller som energikilde på jorden, så vel som for andre fornybare kilder, ble drevet av oljekrisen på 1970-tallet.

Siden den gang har det blitt utført intensiv forskning og utvikling som har resultert i høyere effektivitet, lavere priser og lengre levetid på solcelleceller og paneler. Samtidig har energiintensiteten i produksjonen sunket såpass at panelet genererer mange ganger mer energi enn det som ble brukt til å produsere det.

De eldste (fortsatt i bruk) store kyststrukturene er fra tidlig på 1980-tallet. På den tiden var krystallinske silisiumceller fortsatt fullstendig dominert, hvis levetid ble bekreftet under reelle forhold på minst 30 år.

Basert på erfaring garanterer produsentene at ytelsen til panelet vil reduseres med maksimalt 20 % etter 25 år (resultatene av de nevnte installasjonene er imidlertid mye bedre). For andre typer paneler beregnes levetiden basert på akselerert testing.

I tillegg til de originale monokrystallinske silisiumcellene er det utviklet en rekke nye typer solcelleceller gjennom årene, både krystallinsk og tynn film… Silisium er imidlertid fortsatt det dominerende materialet i solceller.

Fotovoltaisk teknologi har opplevd en stor boom siden 2008, da prisene på krystallinsk silisium begynte å falle raskt, hovedsakelig på grunn av overføring av produksjon til Kina, som tidligere var en minoritetsaktør i markedet (størstedelen av solcelleproduksjonen var konsentrert i Japan, USA, Spania og Tyskland).

Solcelleanlegg ble først utbredt med innføringen av ulike støttesystemer. Det første var subsidieprogrammet i Japan og deretter kjøpesumssystemet i Tyskland. Deretter ble lignende systemer innført i en rekke andre land.

Fotovoltaisk energi er den vanligste fornybare energikilden i dag og er også en svært raskt voksende industri. Det er mye installert på taket av bygninger så vel som på land som ikke kan brukes til landbruksarbeid.

De siste trendene inkluderer også vanninstallasjoner i form av flytende solcelleanlegg og agro-fotovoltaiske installasjoner, som kombinerer solcelleanlegg med landbruksproduksjon.