Fotoelementu vēsture, kā tika radīti pirmie saules paneļi
Atklājumi, eksperimenti un teorijas
Fotoelementu vēsture sākas ar fotoelektriskā efekta atklāšanu. Secinājumu, ka strāva starp metāla elektrodiem, kas iegremdēti šķīdumā (šķidrumā), mainās atkarībā no apgaismojuma intensitātes, Francijas Zinātņu akadēmijas sanāksmē pirmdien, 1839. gada 29. jūlijā, iepazīstināja Aleksandrs Edmonds Bekerels. Pēc tam viņš publicēja rakstu.
Viņa tēvu Antuānu Sēzaru Bekerelu dažreiz sauc par atklājēju. Iespējams, tas ir saistīts ar faktu, ka Edmonds Bekerels publikācijas laikā bija tikai 20 gadus vecs un joprojām strādāja sava tēva laboratorijā.
Lielais skotu zinātnieks Džeimss Klerks Maksvels bija viens no daudziem Eiropas zinātniekiem, kurus interesēja selēna uzvedība, kas pirmo reizi tika pievērsta zinātnieku aprindām Vilobija Smita rakstā, kas publicēts Telegrāfa inženieru biedrības žurnālā 1873. gadā.
Smits, uzņēmuma Gutta Percha Company galvenais elektroinženieris, 1860. gadu beigās izmantoja selēna stieņus ierīcē, lai pirms niršanas atklātu defektus transatlantiskajos kabeļos. Kamēr selēna stieņi darbojās labi naktī, tie darbojās šausmīgi, kad uznāca saule.
Radot aizdomas, ka selēna īpašajām īpašībām ir kāds sakars ar gaismas daudzumu, kas uz to krīt, Smits ievietoja stieņus kastē ar bīdāmu vāku. Kad atvilktne tika aizvērta un apgaismojums tika izslēgts, stieņu pretestība — pakāpe, kādā tie kavē elektriskās strāvas pāreju caur tām — bija maksimāla un palika nemainīga. Bet, kad kastītei tika noņemts vāks, to vadītspēja uzreiz "palielinājās atbilstoši gaismas intensitātei".
Starp pētniekiem, kuri pēc Smita ziņojuma pētīja gaismas ietekmi uz selēnu, bija divi britu zinātnieki, profesors Viljams Grills Adams un viņa students Ričards Evanss Dejs.
1870. gadu beigās viņi ar selēnu veica daudzus eksperimentus, un vienā no šiem eksperimentiem viņi aizdedzināja sveci blakus selēna stieņiem, kurus izmantoja Smits. Bultiņa uz viņu skaitītāja reaģē nekavējoties. Selēna pasargāšana no gaismas izraisīja adatas ātruma samazināšanos līdz nullei.
Šīs ātrās reakcijas izslēdz iespēju, ka sveces liesmas siltums rada strāvu, jo tad, kad siltums tiek piegādāts vai noņemts termoelektriskos eksperimentos, adata vienmēr lēnām paceļas vai nokrīt. "Tāpēc," secināja pētnieki, "bija skaidrs, ka strāva var izdalīties tikai selēnā gaismas iedarbībā." Adams un Dejs gaismas radīto strāvu sauca par "fotoelementu".
Atšķirībā no Bekerela novērotā fotoelektriskā efekta, kad strāva elektriskajā šūnā mainījās gaismas iedarbībā, šajā gadījumā elektriskais spriegums (un strāva) tika ģenerēts bez ārējā elektriskā lauka iedarbības tikai gaismas iedarbībā.
Adamss un Dejs pat izveidoja koncentrētas fotoelektriskās sistēmas modeli, ko viņi prezentēja daudziem ievērojamiem cilvēkiem Anglijā, taču neizmantoja to praktiski.
Vēl viens radītājs fotoelektriskās šūnas uz selēna bāzes bija amerikāņu izgudrotājs Čārlzs Fritss 1883. gadā.
Viņš uzklāja plašu plānu selēna kārtu uz metāla plāksnes un pārklāja to ar plānu, caurspīdīgu zelta lapu plēvi. Šis selēna modulis, sacīja Frics, radīja strāvu "nepārtrauktu, vienmērīgu un ievērojamu spēku ... ne tikai saules gaismā, bet arī vājā, izkliedētā dienas gaismā un vienmērīgā lampas gaismā”.
Bet viņa fotoelektrisko elementu efektivitāte bija mazāka par 1%. Tomēr viņš uzskatīja, ka tie varētu konkurēt ar Edisona ogļu spēkstacijām.
Čārlza Fritsa zeltītie selēna saules paneļi uz Ņujorkas jumta 1884. gadā.
Frics nosūtīja vienu no saviem saules paneļiem Verneram fon Sīmensam, kura reputācija bija līdzvērtīga Edisona reputācijai.
Siemens bija tik pārsteigts par paneļu elektrisko jaudu, kad tie tika iedegti, ka slavens vācu zinātnieks prezentēja Fritts paneli Prūsijas Karaliskajai akadēmijai. Siemens stāstīja zinātniskajai pasaulei, ka amerikāņu moduļi "pirmo reizi mums iepazīstināja ar tiešu gaismas enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā".
Tikai daži zinātnieki ir ņēmuši vērā Siemens aicinājumu. Šķita, ka atklājums bija pretrunā visam, kam tajā laikā ticēja zinātne.
Selēna stieņi, ko izmantoja Adams un Day un Frith "burvju" paneļi, nepaļāvās uz fizikas zināmajām metodēm enerģijas ģenerēšanai. Tāpēc vairākums tos izslēdza no turpmāko zinātnisko pētījumu jomas.
Fotoelektriskās parādības fizisko principu teorētiski aprakstīja Alberts Einšteins savā 1905. gada rakstā par elektromagnētisko lauku, ko viņš piemēroja elektromagnētiskajam laukam, ko gadsimtu mijā publicēja Makss Kārlis Ernsts Ludvigs Planks.
Einšteina skaidrojums parāda, ka atbrīvotā elektrona enerģija ir atkarīga tikai no starojuma frekvences (fotonu enerģijas) un elektronu skaita no starojuma intensitātes (fotonu skaita). Tieši par darbu teorētiskās fizikas attīstībā, īpaši fotoelektriskā efekta likumu atklāšanā, Einšteinam 1921. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Einšteina drosmīgais jaunais gaismas apraksts apvienojumā ar elektrona atklāšanu un tam sekojošo vēlmi pētīt tā uzvedību — tas viss notika 19. gadsimta sākumā — nodrošināja fotoelektrībai zinātnisku pamatojumu, kura tai agrāk nebija un kas tagad varētu izskaidrot šo fenomenu terminos. zinātnei saprotams.
Materiālos, piemēram, selēna, jaudīgākie fotoni nes pietiekami daudz enerģijas, lai izsist no atomu orbītām brīvi saistītus elektronus. Kad vadi ir piestiprināti pie selēna stieņiem, atbrīvotie elektroni plūst caur tiem kā elektrība.
Deviņpadsmitā gadsimta eksperimentētāji šo procesu sauca par fotoelementu, bet 20. gadsimta 20. gados zinātnieki šo fenomenu sauca par fotoelektrisko efektu.
Savā 1919. gada grāmatā par saules baterijāmTomass Bensons atzinīgi novērtēja pionieru darbu ar selēnu kā "neizbēgamā saules ģeneratora" priekšteci.
Tomēr bez atklājumiem pie apvāršņa Vestinghausas fotoelementu nodaļas vadītājs varēja secināt tikai: "Fotoelementu elementi praktiskiem inženieriem neinteresēs, kamēr tie nebūs vismaz piecdesmit reizes efektīvāki."
Pesimistiskajai prognozei piekrita arī grāmatas Photovoltaics and Its Applications autori, kuri 1949. gadā rakstīja: "Tas ir jāatstāj nākotnei, vai materiāli efektīvāku elementu atklāšana pavērs iespēju izmantot saules enerģiju lietderīgiem mērķiem."
Fotoelektrisko efektu mehānismi: Fotoelementu efekts un tā veidi
Fotoelementi praksē
1940. gadā Rasels Kurpnieks Ole nejauši radīja PN krustojums uz silīcija un konstatēja, ka tas ražo elektrību, kad tas ir apgaismots. Viņš patentēja savu atklājumu. Efektivitāte ir aptuveni 1%.
Mūsdienu saules bateriju forma radās 1954. gadā Bell Laboratories. Eksperimentos ar leģētu silīciju tika konstatēta tā augstā fotosensitivitāte. Rezultātā tika izveidots fotoelements ar aptuveni sešu procentu efektivitāti.
Proud Bell vadītāji 1954. gada 25. aprīlī atklāj Bell saules paneli, kurā ir šūnu panelis, kas paļaujas tikai uz gaismas enerģiju panorāmas rata darbināšanai. Nākamajā dienā Bela zinātnieki palaida ar saules enerģiju darbināmu radio raidītāju, kas pārraidīja balsi un mūziku Amerikas vadošajiem zinātniekiem, kas pulcējās uz sanāksmi Vašingtonā.
Pirmie saules fotoelementi tika izstrādāti 1950. gadu sākumā.
Southern Bell elektriķis montē saules bateriju paneli 1955. gadā.
Fotoelektriskās šūnas ir izmantotas kā elektroenerģijas avots dažādu ierīču darbināšanai kopš 1950. gadu beigām kosmosa satelītos. Pirmais satelīts ar fotoelementiem bija amerikāņu satelīts Vanguard I (Avangard I), kas orbītā tika palaists 1958. gada 17. martā.
Amerikāņu satelīts Vanguard I, 1958.
Vanguard I satelīts joprojām atrodas orbītā. Tas kosmosā pavadīja vairāk nekā 60 gadus (tiek uzskatīts par vecāko cilvēka radīto objektu kosmosā).
Vanguard I bija pirmais ar saules enerģiju darbināmais satelīts, un tā saules baterijas nodrošināja satelīta enerģiju septiņus gadus. Tas pārtrauca signālu sūtīšanu uz Zemi 1964. gadā, taču kopš tā laika pētnieki to joprojām izmanto, lai gūtu ieskatu par to, kā Saule, Mēness un Zemes atmosfēra ietekmē orbītā riņķojošos satelītus.
Amerikāņu satelīts Explorer 6 ar paceltiem saules paneļiem, 1959. gads.
Ar dažiem izņēmumiem tas ir galvenais elektroenerģijas avots ierīcēm, kurām paredzēts ilgstoši darboties. Starptautiskās kosmosa stacijas (SKS) fotoelektrisko paneļu kopējā jauda ir 110 kWh.
Saules paneļi kosmosā
Pirmo fotoelektrisko elementu cenas 1950. gados bija tūkstošiem dolāru par nominālās jaudas vatu, un enerģijas patēriņš to ražošanai pārsniedza elektroenerģijas daudzumu, ko šie elementi saražoja to dzīves laikā.
Iemesls bija bez zemās efektivitātes, ka fotoelektrisko elementu ražošanā tika izmantotas praktiski tādas pašas tehnoloģiskās un energoietilpīgās procedūras kā mikroshēmu ražošanā.
Sauszemes apstākļos fotoelektriskos paneļus vispirms izmantoja, lai darbinātu mazas ierīces attālās vietās vai, piemēram, uz bojām, kur būtu ārkārtīgi grūti vai neiespējami tos savienot ar elektrotīklu. Galvenā fotoelektrisko paneļu priekšrocība salīdzinājumā ar citiem elektroenerģijas avotiem ir tāda, ka tiem nav nepieciešama degviela un apkope.
Pirmie sērijveidā ražotie fotoelektriskie paneļi tirgū parādījās 1979. gadā.
Pieaugošo interesi par fotoelementu kā enerģijas avotu uz Zemes, kā arī par citiem atjaunojamiem avotiem veicināja 70. gadu naftas krīze.
Kopš tā laika ir veikta intensīva izpēte un izstrāde, kā rezultātā ir augstāka efektivitāte, zemākas cenas un ilgāks fotoelektrisko elementu un paneļu kalpošanas laiks. Tajā pašā laikā ražošanas energointensitāte ir samazinājusies tiktāl, ka panelis ģenerē daudzkārt vairāk enerģijas, nekā tika izmantots tā ražošanai.
Vecākās (joprojām tiek izmantotas) lielās piekrastes struktūras ir datētas ar 80. gadu sākumu. Tolaik vēl pilnībā dominēja kristāliskā silīcija šūnas, kuru kalpošanas laiks reālos apstākļos tika apstiprināts vismaz 30 gadus.
Pamatojoties uz pieredzi, ražotāji garantē, ka paneļa veiktspēja pēc 25 gadiem samazināsies maksimāli par 20% (tomēr minēto instalāciju rezultāti ir daudz labāki). Citu veidu paneļiem kalpošanas laiks tiek aprēķināts, pamatojoties uz paātrinātu testēšanu.
Papildus oriģinālajām monokristāliskā silīcija šūnām gadu gaitā ir izstrādāti vairāki jauni fotoelektrisko elementu veidi, gan kristāliska, gan plāna plēve… Tomēr silīcijs joprojām ir dominējošais materiāls fotoelementā.
Fotoelementu tehnoloģija ir piedzīvojusi lielu uzplaukumu kopš 2008. gada, kad kristāliskā silīcija cenas sāka strauji kristies, galvenokārt tāpēc, ka ražošana tika pārcelta uz Ķīnu, kas iepriekš bija mazākuma tirgus dalībnieks (lielākā daļa fotoelementu ražošanas tika koncentrēta Japānā, ASV, Spānijā un Vācijā).
Fotoelementi kļuva plaši izplatīti tikai līdz ar dažādu atbalsta sistēmu ieviešanu. Pirmā bija subsīdiju programma Japānā un pēc tam iepirkuma cenu sistēma Vācijā. Pēc tam līdzīgas sistēmas tika ieviestas vairākās citās valstīs.
Fotoelementu enerģija mūsdienās ir visizplatītākais atjaunojamās enerģijas avots, un tā ir arī ļoti strauji augoša nozare. To plaši uzstāda uz ēku jumtiem, kā arī uz zemes, kas nav izmantojama lauksaimniecības darbiem.
Jaunākās tendences ietver arī ūdens instalācijas veidā peldošās fotoelektriskās sistēmas un agrofotoelektriskās iekārtas, apvienojot fotoelektriskās iekārtas ar lauksaimniecisko ražošanu.