Fotoelektros istorija, kaip buvo sukurtos pirmosios saulės baterijos
Atradimai, eksperimentai ir teorijos
Fotoelektros istorija prasideda nuo fotoelektrinio efekto atradimo. Išvadą, kad srovė tarp metalinių elektrodų, panardintų į tirpalą (skystį), kinta priklausomai nuo apšvietimo intensyvumo, Prancūzijos mokslų akademijos posėdyje pirmadienį, 1839 m. liepos 29 d., pateikė Alexandre'as Edmondas Becquerelis. Vėliau jis paskelbė straipsnį.
Jo tėvas Antuanas Cezaris Bekerelis kartais vadinamas atradėju. Taip gali būti dėl to, kad Edmondui Becquereliui publikacijos metu tebuvo 20 metų ir jis vis dar dirbo savo tėvo laboratorijoje.
Didysis škotų mokslininkas Jamesas Clerkas Maxwellas buvo tarp daugelio Europos mokslininkų, susidomėjusių seleno elgesiu, į kurį pirmą kartą mokslininkų bendruomenė atkreipė dėmesį Willoughby Smitho straipsnyje, paskelbtame Telegrafo inžinierių draugijos žurnale 1873 m.
Smithas, bendrovės „Gutta Percha Company“ vyriausiasis elektros inžinierius, septintojo dešimtmečio pabaigoje naudojo seleno strypus įrenginyje, kuris prieš nardymą aptiktų transatlantinių kabelių gedimus. Nors seleno strypai gerai veikė naktimis, o pasirodžius saulei jos veikė siaubingai.
Įtardamas, kad ypatingos seleno savybės turi kažką bendro su ant jo krentančios šviesos kiekiu, Smithas įdėjo strypus į dėžę su slankiu dangteliu. Kai stalčius buvo uždarytas ir apšvietimas buvo išjungtas, strypų varža - laipsnis, kuriuo jie trukdo elektros srovei praeiti per juos - buvo didžiausias ir išliko pastovus. Tačiau nuėmus dėžutės dangtį, jų laidumas iš karto „padidėjo atsižvelgiant į šviesos intensyvumą“.
Tarp mokslininkų, kurie tyrė šviesos poveikį selenui po Smitho pranešimo, buvo du britų mokslininkai, profesorius Williamas Gryllsas Adamsas ir jo mokinys Richardas Evansas Day.
1870-ųjų pabaigoje jie atliko daugybę eksperimentų su selenu, o vieno iš šių eksperimentų metu jie uždegė žvakę šalia seleno strypų, kuriuos naudojo Smithas. Rodyklė ant jų matuoklio sureaguoja iš karto. Uždengus seleną nuo šviesos, adata iškart nukrito iki nulio.
Šios greitos reakcijos neleidžia žvakės liepsnos šilumos sukelti srovę, nes tiekiant arba pašalinus šilumą termoelektriniuose eksperimentuose, adata visada kyla arba krinta lėtai. „Todėl“, – padarė išvadą tyrėjai, „buvo aišku, kad srovė gali išsiskirti tik selenu veikiant šviesai“. Adamsas ir Day šviesos sukuriamą srovę pavadino „fotovoltine“.
Skirtingai nuo Becquerel pastebėto fotoelektrinio efekto, kai srovė elektros elemente pakito veikiant šviesai, šiuo atveju elektros įtampa (ir srovė) buvo sukurta be išorinio elektrinio lauko veikimo tik veikiant šviesai.
Adamsas ir Day netgi sukūrė koncentruotos fotovoltinės sistemos modelį, kurį pristatė daugeliui žymių Anglijos žmonių, tačiau praktiškai jo nepritaikė.
Kitas kūrėjas fotovoltiniai elementai seleno pagrindu buvo amerikiečių išradėjas Charlesas Frittsas 1883 m.
Jis paskleidė platų ploną seleno sluoksnį ant metalinės plokštės ir uždengė plona permatoma aukso lapų plėvele. Šis seleno modulis, pasak Fritzo, gamino srovę „nepertraukiamą, pastovią ir didelio stiprumo... saulės šviesoje, bet ir silpnoje, išsklaidytoje dienos šviesoje ir net lempos šviesoje“.
Tačiau jo fotovoltinių elementų efektyvumas buvo mažesnis nei 1%. Tačiau jis tikėjo, kad jie galėtų konkuruoti su Edisono anglimi kūrenamais elektriniais.
Charleso Frittso paauksuotos seleninės saulės baterijos ant Niujorko stogo 1884 m.
Fritzas vieną iš savo saulės baterijų nusiuntė Werneriui von Siemensui, kurio reputacija prilygo Edisono reputacijai.
Siemens buvo toks sužavėtas elektros skydų galia, kai apšviesta, kad garsus vokiečių mokslininkas pristatė Fritts skydelį Prūsijos karališkajai akademijai. „Siemens“ mokslo pasauliui sakė, kad amerikietiški moduliai „pirmą kartą mums pristatė tiesioginį šviesos energijos pavertimą elektros energija“.
Nedaug mokslininkų atsižvelgė į Siemens raginimą. Atradimas atrodė prieštaravęs viskam, kuo tuo metu tikėjo mokslas.
Seleno strypai, kuriuos naudojo Adamso ir Day bei Frith „stebuklingosios“ plokštės, nepasikliovė fizikai žinomais energijos generavimo metodais. Todėl dauguma juos išbraukė iš tolesnių mokslinių tyrimų.
Fizinį fotoelektrinio reiškinio principą teoriškai aprašė Albertas Einšteinas savo 1905 m. straipsnyje apie elektromagnetinį lauką, kurį pritaikė elektromagnetiniam laukui, kurį amžių sandūroje paskelbė Maxas Karlas Ernstas Ludwigas Planckas.
Einšteino paaiškinimas rodo, kad išsiskyrusio elektrono energija priklauso tik nuo spinduliavimo dažnio (fotonų energijos) ir elektronų skaičiaus nuo spinduliavimo intensyvumo (fotonų skaičiaus). Būtent už darbą plėtojant teorinę fiziką, ypač už fotoelektrinio efekto dėsnių atradimą, Einšteinas 1921 m. buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija.
Naujas drąsus Einšteino šviesos aprašymas kartu su elektrono atradimu ir potraukiu tirti jo elgesį – viskas įvyko XIX amžiaus pradžioje – suteikė fotoelektrai mokslinį pagrindą, kurio anksčiau trūko ir kuris dabar galėtų paaiškinti šį reiškinį terminais. suprantama mokslui.
Medžiagose, tokiose kaip selenas, galingesni fotonai neša pakankamai energijos, kad iš atominės orbitos išmuštų laisvai surištus elektronus. Kai laidai yra pritvirtinti prie seleno strypų, išlaisvinti elektronai teka jais kaip elektra.
Devynioliktojo amžiaus eksperimentuotojai šį procesą vadino fotovoltiniu, tačiau XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje mokslininkai šį reiškinį pavadino fotoelektriniu efektu.
Savo 1919 m. knygoje apie saulės elementusThomas Bensonas gyrė pionierių darbą su selenu kaip „neišvengiamo saulės generatoriaus“ pirmtaką.
Tačiau nesant horizonte jokių atradimų, Westinghouse fotoelektros padalinio vadovas galėjo padaryti tik išvadą: „Fotovoltiniai elementai nesudomins praktinių inžinierių, kol nebus bent penkiasdešimt kartų efektyvesni“.
„Photovoltaics and Its Applications“ autoriai sutiko su pesimistine prognoze, 1949 m. rašydami: „Turi būti palikta ateičiai, ar materialiai efektyvesnių elementų atradimas atvers galimybę panaudoti saulės energiją naudingais tikslais“.
Fotovoltinių efektų mechanizmai: Fotovoltinis efektas ir jo atmainos
Fotoelektra praktikoje
1940 m. Russell Shoemaker Ole atsitiktinai sukūrė PN jungtis ant silicio ir nustatė, kad apšviestas gamina elektros energiją. Jis užpatentavo savo atradimą. Efektyvumas yra apie 1%.
Šiuolaikinė saulės elementų forma gimė 1954 m. Bell Laboratories. Eksperimentuose su legiruotu siliciu buvo nustatytas didelis jo jautrumas šviesai. Rezultatas buvo fotovoltinis elementas, kurio efektyvumas siekė apie šešis procentus.
„Proud Bell“ vadovai 1954 m. balandžio 25 d. pristatė „Bell Solar Panel“, kuriame yra elementų skydelis, kuris priklauso tik nuo šviesos energijos, kad galėtų maitinti apžvalgos ratą. Kitą dieną „Bell“ mokslininkai paleido saulės energija varomą radijo siųstuvą, kuris transliavo balsą ir muziką garsiausiems Amerikos mokslininkams, susirinkusiems į susitikimą Vašingtone.
Pirmieji saulės fotovoltiniai elementai buvo sukurti šeštojo dešimtmečio pradžioje.
„Southern Bell“ elektrikas surenka saulės kolektorių 1955 m.
Fotovoltiniai elementai buvo naudojami kaip elektros energijos šaltinis įvairiems įrenginiams maitinti nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos kosminiuose palydovuose. Pirmasis palydovas su fotoelementais buvo Amerikos palydovas Vanguard I (Avangard I), paleistas į orbitą 1958 metų kovo 17 dieną.
Amerikos palydovas Vanguard I, 1958 m.
Vanguard I palydovas vis dar yra orbitoje. Jis kosmose praleido daugiau nei 60 metų (laikomas seniausiu žmogaus sukurtu objektu kosmose).
„Vanguard I“ buvo pirmasis saulės energija varomas palydovas, o jo saulės elementai tiekė palydovui energiją septynerius metus. Jis nustojo siųsti signalus į Žemę 1964 m., tačiau nuo tada mokslininkai vis dar naudojo jį norėdami suprasti, kaip Saulė, Mėnulis ir Žemės atmosfera veikia orbitoje skriejančius palydovus.
Amerikietiškas palydovas Explorer 6 su pakeltais saulės kolektoriais, 1959 m.
Išskyrus kelias išimtis, tai yra pagrindinis elektros energijos šaltinis prietaisams, kurie, kaip tikimasi, veiks ilgą laiką. Bendra Tarptautinės kosminės stoties (TKS) fotovoltinių plokščių galia yra 110 kWh.
Saulės baterijos erdvėje
Pirmųjų fotovoltinių elementų kainos šeštajame dešimtmetyje buvo tūkstančiai dolerių už vardinės galios vatą, o energijos sąnaudos jiems gaminti viršijo elektros energijos kiekį, kurį šie elementai pagamino per savo gyvavimo laikotarpį.
Priežastis, be mažo efektyvumo, buvo ta, kad fotovoltinių elementų gamyboje buvo naudojamos praktiškai tos pačios technologinės ir daug energijos reikalaujančios procedūros kaip ir mikroschemų gamyboje.
Antžeminėmis sąlygomis fotovoltinės plokštės pirmiausia buvo naudojamos mažiems įrenginiams maitinti atokiose vietose arba, pavyzdžiui, ant plūdurų, kur būtų itin sunku arba neįmanoma juos prijungti prie elektros tinklo. Pagrindinis fotovoltinių plokščių pranašumas prieš kitus elektros energijos šaltinius yra tai, kad joms nereikia kuro ir priežiūros.
Pirmosios masinės gamybos fotovoltinės plokštės rinkoje pasirodė 1979 m.
Išaugusį susidomėjimą fotoelektra kaip energijos šaltiniu Žemėje, taip pat kitais atsinaujinančiais šaltiniais, paskatino aštuntojo dešimtmečio naftos krizė.
Nuo to laiko buvo vykdomi intensyvūs moksliniai tyrimai ir plėtra, todėl fotovoltinių elementų ir plokščių efektyvumas didesnis, kainos mažesnės ir ilgesnis tarnavimo laikas. Tuo pačiu metu gamybos energijos intensyvumas sumažėjo tiek, kad skydas generuoja daug kartų daugiau energijos nei buvo sunaudota jai gaminti.
Seniausi (vis dar naudojami) dideli pakrantės statiniai datuojami devintojo dešimtmečio pradžioje. Tuo metu dar visiškai dominavo kristalinio silicio elementai, kurių tarnavimo laikas realiomis sąlygomis buvo patvirtintas mažiausiai 30 metų.
Gamintojai, remdamiesi patirtimi, garantuoja, kad po 25 metų plokštės našumas sumažės daugiausiai 20% (tačiau minėtų instaliacijų rezultatai yra daug geresni). Kitų tipų plokščių tarnavimo laikas apskaičiuojamas pagal pagreitintą bandymą.
Be originalių monokristalinio silicio elementų, bėgant metams buvo sukurta keletas naujų tipų fotovoltinių elementų, tiek kristalinė, tiek plona plėvelė… Tačiau silicis vis dar yra dominuojanti medžiaga fotoelektroje.
Fotovoltinės technologijos patyrė didelį bumą nuo 2008 m., kai kristalinio silicio kainos pradėjo sparčiai kristi, daugiausia dėl gamybos perkėlimo į Kiniją, kuri anksčiau buvo mažuma rinkoje (didžioji fotovoltinės energijos gamyba buvo sutelkta Japonijoje, JAV, Ispanijoje ir Vokietijoje).
Fotoelektra išplito tik pradėjus taikyti įvairias paramos sistemas. Pirmoji buvo subsidijų programa Japonijoje, o vėliau – pirkimo kainų sistema Vokietijoje. Vėliau panašios sistemos buvo įdiegtos daugelyje kitų šalių.
Fotovoltinė energija šiandien yra labiausiai paplitęs atsinaujinančios energijos šaltinis ir labai sparčiai auganti pramonė. Jis plačiai montuojamas ant pastatų stogų, taip pat ant žemės, kuri negali būti naudojama žemės ūkio darbams.
Naujausios tendencijos taip pat apima vandens įrenginius plūduriuojančios fotovoltinės sistemos ir žemės ūkio fotovoltiniai įrenginiai, derinant fotovoltinius įrenginius su žemės ūkio produkcija.