Ang kasaysayan ng photovoltaics, kung paano nilikha ang mga unang solar panel

Mga pagtuklas, eksperimento at teorya

Ang kasaysayan ng photovoltaics ay nagsisimula sa pagtuklas ng photoelectric effect. Ang konklusyon na ang kasalukuyang sa pagitan ng mga electrodes ng metal na nahuhulog sa isang solusyon (likido) ay nag-iiba sa intensity ng pag-iilaw ay iniharap sa French Academy of Sciences sa pulong nito noong Lunes, Hulyo 29, 1839, ni Alexandre Edmond Becquerel. Kasunod nito, inilathala niya ang artikulo.

Ang kanyang ama, si Antoine César Becquerel, ay kung minsan ay tinatawag na natuklasan. Ito ay maaaring dahil sa katotohanan na si Edmond Becquerel ay 20 taong gulang lamang sa oras ng paglalathala at nagtatrabaho pa rin sa laboratoryo ng kanyang ama.

Ang dakilang Scottish scientist na si James Clerk Maxwell ay kabilang sa maraming European scientist na naiintriga sa pag-uugali ng selenium, na unang binigyang pansin ng siyentipikong komunidad sa isang artikulo ni Willoughby Smith na inilathala sa Journal of the Society of Telegraph Engineers noong 1873.

Smith, punong electrical engineer ng Gutta Percha Company, ay gumamit ng selenium rods noong huling bahagi ng 1860s sa isang device para makakita ng mga fault sa transatlantic cables bago sumabak. Habang ang mga selenium rod ay gumagana nang maayos sa gabi, sila ay nagtrabaho nang husto kapag ang araw ay lumabas.

Sa paghihinala na ang mga espesyal na katangian ng selenium ay may kinalaman sa dami ng liwanag na nahuhulog dito, inilagay ni Smith ang mga rod sa isang kahon na may sliding lid. Kapag ang drawer ay sarado at ang mga ilaw ay pinatay, ang resistensya ng mga baras—ang antas kung saan sila humahadlang sa pagdaan ng isang electric current sa kanila—ay pinakamalaki at nanatiling pare-pareho. Ngunit nang alisin ang takip ng kahon, ang kanilang kondaktibiti ay agad na "tumaas alinsunod sa tindi ng liwanag."

Kabilang sa mga mananaliksik na nag-aral ng epekto ng liwanag sa selenium pagkatapos ng ulat ni Smith ay dalawang British scientist, Propesor William Grylls Adams at ang kanyang estudyante na si Richard Evans Day.

Noong huling bahagi ng 1870s, isinailalim nila ang selenium sa maraming eksperimento, at sa isa sa mga eksperimentong ito ay nagsindi sila ng kandila sa tabi ng mga selenium rod na ginagamit ni Smith. Nagre-react agad ang arrow sa kanilang metro. Ang pagtatanggol sa selenium mula sa liwanag ay naging sanhi ng pagbagsak ng karayom ​​sa zero.

Ang mga mabilis na reaksyon na ito ay humahadlang sa posibilidad ng init ng apoy ng kandila na makagawa ng isang kasalukuyang, dahil kapag ang init ay ibinibigay o inalis. sa mga eksperimento sa thermoelectric, ang karayom ​​ay palaging tumataas o bumababa nang dahan-dahan. "Samakatuwid", ang mga mananaliksik ay nagtapos, "malinaw na ang agos ay mailalabas lamang sa selenium sa ilalim ng pagkilos ng liwanag." Tinawag ni Adams at Day ang kasalukuyang ginawa ng liwanag na "photovoltaic."

Hindi tulad ng photoelectric effect na sinusunod ni Becquerel, kapag ang kasalukuyang sa isang electric cell ay nagbago sa ilalim ng pagkilos ng liwanag, sa kasong ito ang electric boltahe (at kasalukuyang) ay nabuo nang walang pagkilos ng isang panlabas na electric field lamang sa ilalim ng pagkilos ng liwanag.

Gumawa pa si Adams at Day ng isang modelo ng isang puro photovoltaic system, na ipinakita nila sa maraming kilalang tao sa England, ngunit hindi ito dinala sa praktikal na paggamit.

Isa pang creator photovoltaic cells batay sa selenium ay ang Amerikanong imbentor na si Charles Fritts noong 1883.

Inilatag niya ang isang malawak na manipis na layer ng selenium sa isang metal plate at tinakpan ito ng isang manipis na translucent film ng gold leaf. Ang module ng selenium na ito, sabi ni Fritz, ay gumawa ng kasalukuyang "continuous, steady, and of considerable strength ... hindi lamang sa sikat ng araw, ngunit gayundin sa mahina, nagkakalat na liwanag ng araw at kahit na liwanag ng lampara'.

Ngunit ang kahusayan ng kanyang mga photovoltaic cell ay mas mababa sa 1%. Gayunpaman, naniniwala siya na maaari silang makipagkumpitensya sa mga planta ng kuryente ng Edison.

Mga ginintuan na selenium solar panel ni Charles Fritts sa bubong ng New York City noong 1884.

Ipinadala ni Fritz ang isa sa kanyang mga solar panel kay Werner von Siemens, na ang reputasyon ay katumbas ng kay Edison.

Ang Siemens ay labis na humanga sa elektrikal na kapangyarihan ng mga panel nang sinindihan kung kaya't isang sikat na German scientist ang nagpakita ng Fritts panel sa Royal Academy sa Prussia. Sinabi ng Siemens sa siyentipikong mundo na ang mga module ng Amerika ay "ipinakita sa amin sa unang pagkakataon ang direktang conversion ng liwanag na enerhiya sa elektrikal na enerhiya."

Ilang mga siyentipiko ang nakinig sa panawagan ng Siemens. Ang pagtuklas ay tila sumasalungat sa lahat ng pinaniniwalaan ng siyensya noong panahong iyon.

Ang mga selenium rod na ginamit ng Adams at Day at ng mga "magic" na panel ni Frith ay hindi umaasa sa mga pamamaraan na kilala sa pisika upang makabuo ng enerhiya. Samakatuwid, ang karamihan ay hindi kasama ang mga ito mula sa saklaw ng karagdagang siyentipikong pananaliksik.

Ang pisikal na prinsipyo ng photoelectric phenomenon ay theoretically na inilarawan ni Albert Einstein sa kanyang 1905 na papel sa electromagnetic field, na inilapat niya sa electromagnetic field, na inilathala ni Max Karl Ernst Ludwig Planck sa pagliko ng siglo.

Ang paliwanag ni Einstein ay nagpapakita na ang enerhiya ng isang inilabas na elektron ay nakasalalay lamang sa dalas ng radiation (photon energy) at ang bilang ng mga electron mula sa intensity ng radiation (bilang ng mga photon). Ito ay para sa kanyang trabaho sa pagbuo ng teoretikal na pisika, lalo na ang pagtuklas ng mga batas ng photoelectric effect, na si Einstein ay ginawaran ng Nobel Prize sa Physics noong 1921.

Ang matapang na bagong paglalarawan ni Einstein ng liwanag, na sinamahan ng pagtuklas ng electron at ang kasunod na drive upang pag-aralan ang pag-uugali nito-lahat naganap noong unang bahagi ng ika-19 na siglo-nagbigay ng photoelectricity na may siyentipikong pundasyon na dati ay kulang at maaari na ngayong ipaliwanag ang kababalaghan sa mga termino naiintindihan ng agham.

Sa mga materyales tulad ng selenium, ang mas makapangyarihang mga photon ay nagdadala ng sapat na enerhiya upang paalisin ang mga electron na maluwag na nakagapos sa kanilang mga atomic orbit. Kapag ang mga wire ay nakakabit sa mga selenium rod, ang mga pinalayang electron ay dumadaloy sa kanila bilang kuryente.

Tinawag ng mga eksperimento ng ikalabinsiyam na siglo ang prosesong photovoltaic, ngunit noong 1920s, tinawag ng mga siyentipiko ang phenomenon na photoelectric effect.

Sa kanyang 1919 na libro sa solar cellsPinuri ni Thomas Benson ang gawain ng mga pioneer na may selenium bilang isang tagapagpauna ng "hindi maiiwasang solar generator".

Gayunpaman, nang walang mga pagtuklas sa abot-tanaw, ang pinuno ng photovoltaic division ng Westinghouse ay maaari lamang magtapos: "Ang mga photovoltaic cell ay hindi magiging interesado sa mga praktikal na inhinyero hanggang sa sila ay hindi bababa sa limampung beses na mas mahusay."

Ang mga may-akda ng Photovoltaics and Its Applications ay sumang-ayon sa pessimistic forecast, na sumulat noong 1949: "Dapat itong iwan sa hinaharap kung ang pagtuklas ng materyal na mas mahusay na mga cell ay magbubukas ng posibilidad ng paggamit ng solar energy para sa mga kapaki-pakinabang na layunin."

Mga mekanismo ng photovoltaic effect: Photovoltaic effect at mga varieties nito

Photovoltaics sa pagsasanay

Noong 1940, hindi sinasadyang nilikha ni Russell Shoemaker Ole PN junction sa silikon at nalaman na ito ay gumagawa ng kuryente kapag naiilaw. Pina-patent niya ang kanyang natuklasan. Ang kahusayan ay tungkol sa 1%.

Ang modernong anyo ng mga solar cell ay ipinanganak noong 1954 sa Bell Laboratories. Sa mga eksperimento na may doped silicon, ang mataas na photosensitivity nito ay naitatag. Ang resulta ay isang photovoltaic cell na may kahusayan na halos anim na porsyento.

Ipinakita ng mga Proud Bell executive ang Bell Solar Panel noong Abril 25, 1954, na nagtatampok ng panel ng mga cell na umaasa lamang sa liwanag na enerhiya upang paganahin ang Ferris wheel. Kinabukasan, naglunsad ang mga siyentipiko ng Bell ng isang solar-powered radio transmitter na nagbo-broadcast ng boses at musika sa mga nangungunang siyentipiko ng America na nagtipon para sa isang pulong sa Washington.

Ang unang solar photovoltaic cells ay binuo noong unang bahagi ng 1950s.

Ang Southern Bell electrician ay nag-assemble ng solar panel noong 1955.

Ang mga photovoltaic cell ay ginamit bilang isang pinagmumulan ng kuryente upang paganahin ang iba't ibang mga aparato mula noong huling bahagi ng 1950s sa mga satellite ng kalawakan. Ang unang satellite na may mga photocell ay ang American satellite na Vanguard I (Avangard I), na inilunsad sa orbit noong Marso 17, 1958.

American satellite Vanguard I, 1958.

Ang Vanguard I satellite ay nasa orbit pa rin. Ito ay gumugol ng higit sa 60 taon sa kalawakan (itinuring na pinakalumang bagay na ginawa ng tao sa kalawakan).

Ang Vanguard I ang unang solar powered satellite at ang mga solar cell nito ay nagbigay ng kapangyarihan sa satellite sa loob ng pitong taon. Huminto ito sa pagpapadala ng mga signal sa Earth noong 1964, ngunit mula noon ginamit pa rin ito ng mga mananaliksik upang makakuha ng insight sa kung paano nakakaapekto ang Sun, Moon at Earth's atmosphere sa mga orbiting satellite.

American satellite Explorer 6 na may mga nakataas na solar panel, 1959.

Sa ilang mga pagbubukod, ito ang pangunahing pinagmumulan ng kuryente para sa mga device na inaasahang gumana nang mahabang panahon. Ang kabuuang kapasidad ng mga photovoltaic panel sa International Space Station (ISS) ay 110 kWh.

Mga solar panel sa kalawakan

Ang mga presyo ng mga unang photovoltaic cell noong 1950s ay libu-libong dolyar bawat watt ng na-rate na kapangyarihan, at ang pagkonsumo ng enerhiya upang makagawa ng mga ito ay lumampas sa dami ng kuryente na ginawa ng mga cell na ito sa kanilang buhay.

Ang dahilan ay, bukod sa mababang kahusayan, na halos parehong teknolohikal at enerhiya-intensive na mga pamamaraan ang ginamit sa paggawa ng mga photovoltaic cell tulad ng sa paggawa ng mga microchip.

Sa mga kondisyong pang-terrestrial, ang mga photovoltaic panel ay unang ginamit upang paganahin ang maliliit na aparato sa mga malalayong lokasyon o, halimbawa, sa mga buoy, kung saan magiging lubhang mahirap o imposibleng ikonekta ang mga ito sa power grid. Ang pangunahing bentahe ng mga photovoltaic panel sa iba pang mga pinagkukunan ng kuryente ay hindi nila kailangan ng gasolina at pagpapanatili.

Ang unang mass-produced na mga photovoltaic panel ay lumitaw sa merkado noong 1979.

Ang tumaas na interes sa photovoltaics bilang pinagmumulan ng enerhiya sa Earth, gayundin sa iba pang nababagong pinagkukunan, ay pinalakas ng krisis ng langis noong 1970s.

Simula noon, isinagawa ang masinsinang pananaliksik at pagpapaunlad, na nagreresulta sa mas mataas na kahusayan, mas mababang presyo at mas mahabang buhay ng mga photovoltaic cell at panel. Kasabay nito, ang intensity ng enerhiya ng produksyon ay bumaba sa isang lawak na ang panel ay bumubuo ng maraming beses na mas maraming enerhiya kaysa sa ginamit upang makagawa nito.

Ang pinakamatanda (ginagamit pa rin) na malalaking istruktura sa baybayin ay nagmula noong unang bahagi ng 1980s. Sa oras na iyon, ang mga kristal na silikon na selula ay ganap na pinangungunahan, ang buhay ng serbisyo na kung saan ay nakumpirma sa totoong mga kondisyon ng hindi bababa sa 30 taon.

Batay sa karanasan, ginagarantiyahan ng mga tagagawa na ang pagganap ng panel ay bababa ng maximum na 20% pagkatapos ng 25 taon (gayunpaman, ang mga resulta ng nabanggit na mga pag-install ay mas mahusay). Para sa iba pang uri ng mga panel, tinatantya ang buhay ng serbisyo batay sa pinabilis na pagsubok.

Bilang karagdagan sa orihinal na mga monocrystalline na silicon na mga cell, isang bilang ng mga bagong uri ng mga photovoltaic cell ay binuo sa mga nakaraang taon, parehong mala-kristal at manipis na pelikula… Gayunpaman, ang silikon pa rin ang nangingibabaw na materyal sa photovoltaics.

Ang teknolohiyang photovoltaic ay nakaranas ng isang malaking boom mula noong 2008, nang ang mga kristal na presyo ng silikon ay nagsimulang bumagsak nang mabilis, pangunahin dahil sa paglipat ng produksyon sa China, na dati ay isang minorya na manlalaro sa merkado (ang karamihan sa produksyon ng photovoltaic ay puro sa Japan, ang U.S., Spain at Germany).

Ang mga photovoltaics ay naging laganap lamang sa pagpapakilala ng iba't ibang mga sistema ng suporta. Ang una ay ang subsidy program sa Japan at pagkatapos ay ang purchase price system sa Germany. Kasunod nito, ang mga katulad na sistema ay ipinakilala sa ilang iba pang mga bansa.

Ang photovoltaic energy ay ang pinakakaraniwang renewable energy source ngayon at isa ring napakabilis na lumalagong industriya. Ito ay malawak na naka-install sa mga bubong ng mga gusali pati na rin sa lupa na hindi maaaring gamitin para sa mga gawaing pang-agrikultura.

Kasama rin sa mga pinakabagong uso ang mga pag-install ng tubig sa anyo ng lumulutang na photovoltaic system at agro-photovoltaic installation, na pinagsasama ang photovoltaic installation sa agricultural production.