De geschiedenis van fotovoltaïsche cellen, hoe de eerste zonnepanelen werden gemaakt

Ontdekkingen, experimenten en theorieën

De geschiedenis van fotovoltaïsche cellen begint met de ontdekking van het foto-elektrisch effect. De conclusie dat de stroom tussen metalen elektroden ondergedompeld in een oplossing (vloeistof) varieert met de intensiteit van de verlichting, werd door Alexandre Edmond Becquerel aan de Franse Academie van Wetenschappen voorgelegd tijdens haar bijeenkomst op maandag 29 juli 1839. Hij publiceerde vervolgens een artikel.

Zijn vader, Antoine César Becquerel, wordt wel eens de ontdekker genoemd. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat Edmond Becquerel slechts 20 jaar oud was op het moment van publicatie en nog steeds in het laboratorium van zijn vader werkte.

De grote Schotse wetenschapper James Clerk Maxwell was een van de vele Europese wetenschappers die geïntrigeerd waren door het gedrag van selenium, dat voor het eerst onder de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap werd gebracht in een artikel van Willoughby Smith, gepubliceerd in de Journal of the Society of Telegraph Engineers in 1873.

Smith, hoofdelektrotechnisch ingenieur van de Gutta Percha Company, gebruikte eind jaren 1860 seleniumstaven in een apparaat om fouten in transatlantische kabels op te sporen voordat er werd gedoken. Terwijl de seleniumstaven 's nachts goed werkten, werkten ze vreselijk als de zon opkwam.

Omdat hij vermoedde dat de speciale eigenschappen van selenium iets te maken hadden met de hoeveelheid licht die erop viel, plaatste Smith de staafjes in een doos met een schuifdeksel. Als de la dicht was en de lichten uit waren, was de weerstand van de staven - de mate waarin ze de doorgang van een elektrische stroom belemmeren - maximaal en constant. Maar toen het deksel van de doos werd verwijderd, nam hun geleidbaarheid onmiddellijk "toe in overeenstemming met de intensiteit van het licht".

Onder de onderzoekers die het effect van licht op selenium bestudeerden na het rapport van Smith waren twee Britse wetenschappers, professor William Grylls Adams en zijn student Richard Evans Day.

Aan het einde van de jaren 1870 onderwierpen ze selenium aan vele experimenten, en in een van deze experimenten staken ze een kaars aan naast de seleniumstaven die Smith gebruikte. De pijl op hun meter reageert direct. Door het selenium tegen licht af te schermen, zakte de naald onmiddellijk naar nul.

Deze snelle reacties sluiten de mogelijkheid uit dat de hitte van de kaarsvlam een ​​stroom veroorzaakt, aangezien er warmte wordt toegevoerd of afgevoerd bij thermo-elektrische experimentengaat de naald altijd langzaam omhoog of omlaag. «Daarom», concluderen de onderzoekers, «was het duidelijk dat de stroom alleen onder invloed van licht in selenium kon vrijkomen.» Adams en Day noemden de door het licht geproduceerde stroom 'fotovoltaïsch'.

In tegenstelling tot het foto-elektrisch effect waargenomen door Becquerel, wanneer de stroom in een elektrische cel veranderde onder invloed van licht, werd in dit geval de elektrische spanning (en stroom) gegenereerd zonder de werking van een extern elektrisch veld alleen onder invloed van licht.

Adams en Day creëerden zelfs een model van een geconcentreerd fotovoltaïsch systeem, dat ze aan veel vooraanstaande mensen in Engeland presenteerden, maar het niet in de praktijk brachten.

Een andere maker fotovoltaïsche cellen op basis van selenium was de Amerikaanse uitvinder Charles Fritts in 1883.

Hij spreidde een brede dunne laag selenium uit op een metalen plaat en bedekte deze met een dunne, doorschijnende laag bladgoud. Deze module van selenium, zei Fritz, produceerde een stroom "continu, stabiel en van aanzienlijke sterkte ... niet alleen in zonlicht, maar ook bij zwak, diffuus daglicht en zelfs lamplicht'.

Maar het rendement van zijn fotovoltaïsche cellen was minder dan 1%. Hij geloofde echter dat ze konden concurreren met de kolencentrales van Edison.

Charles Fritts' vergulde selenium zonnepanelen op een dak in New York City in 1884.

Fritz stuurde een van zijn zonnepanelen naar Werner von Siemens, wiens reputatie gelijk was aan die van Edison.

Siemens was zo onder de indruk van de elektrische kracht van de panelen bij het aansteken dat een beroemde Duitse wetenschapper het Fritts-paneel presenteerde aan de Koninklijke Academie in Pruisen. Siemens vertelde de wetenschappelijke wereld dat de Amerikaanse modules "ons voor het eerst de directe omzetting van lichtenergie in elektrische energie presenteerden".

Weinig wetenschappers hebben gehoor gegeven aan de oproep van Siemens. De ontdekking leek in tegenspraak met alles wat de wetenschap destijds geloofde.

De seleniumstaven die door de "magische" panelen van Adams en Day en Frith werden gebruikt, waren niet afhankelijk van methoden die in de natuurkunde bekend zijn om energie op te wekken. Daarom sloot de meerderheid hen uit van verder wetenschappelijk onderzoek.

Het fysische principe van het foto-elektrische fenomeen werd theoretisch beschreven door Albert Einstein in zijn artikel uit 1905 over het elektromagnetische veld, dat hij toepaste op het elektromagnetische veld, gepubliceerd door Max Karl Ernst Ludwig Planck rond de eeuwwisseling.

Uit de uitleg van Einstein blijkt dat de energie van een vrijgekomen elektron alleen afhangt van de stralingsfrequentie (fotonenenergie) en het aantal elektronen van de stralingsintensiteit (aantal fotonen). Het was voor zijn werk in de ontwikkeling van de theoretische natuurkunde, in het bijzonder de ontdekking van de wetten van het foto-elektrisch effect, dat Einstein in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving.

Einsteins gedurfde nieuwe beschrijving van licht, gecombineerd met de ontdekking van het elektron en de daaropvolgende drang om zijn gedrag te bestuderen - alles gebeurde in het begin van de 19e eeuw - gaf foto-elektriciteit een wetenschappelijke basis die voorheen ontbrak en die het fenomeen nu in termen kon verklaren. begrijpelijk voor de wetenschap.

In materialen zoals selenium dragen de krachtigere fotonen genoeg energie om losjes gebonden elektronen uit hun atomaire banen te slaan. Wanneer de draden aan de seleniumstaven zijn bevestigd, stromen de vrijgekomen elektronen er als elektriciteit doorheen.

Negentiende-eeuwse onderzoekers noemden het proces fotovoltaïsch, maar tegen de jaren 1920 noemden wetenschappers het fenomeen het foto-elektrisch effect.

In zijn boek uit 1919 over zonnecellenThomas Benson prees het werk van de pioniers met selenium als een voorloper van de "onvermijdelijke zonnegenerator".

Omdat er echter geen ontdekkingen aan de horizon zijn, kon het hoofd van de fotovoltaïsche afdeling van Westinghouse alleen maar concluderen: "Fotovoltaïsche cellen zullen pas interessant zijn voor praktische ingenieurs als ze minstens vijftig keer efficiënter zijn."

De auteurs van Photovoltaics and Its Applications waren het eens met de pessimistische voorspelling en schreven in 1949: "Het moet aan de toekomst worden overgelaten of de ontdekking van materieel efficiëntere cellen de mogelijkheid zal openen om zonne-energie voor nuttige doeleinden te gebruiken."

Mechanismen van fotovoltaïsche effecten: Fotovoltaïsch effect en zijn variëteiten

Fotovoltaïsche energie in de praktijk

In 1940 creëerde Russell Shoemaker Ole per ongeluk PN-kruising op silicium en ontdekte dat het elektriciteit opwekte wanneer het werd verlicht. Hij patenteerde zijn ontdekking. Het rendement is ongeveer 1%.

De moderne vorm van zonnecellen werd geboren in 1954 bij Bell Laboratories. In experimenten met gedoteerd silicium werd de hoge lichtgevoeligheid ervan vastgesteld. Het resultaat was een fotovoltaïsche cel met een rendement van ongeveer zes procent.

Trotse leidinggevenden van Bell onthullen het Bell Solar Panel op 25 april 1954, met een paneel van cellen die uitsluitend afhankelijk zijn van lichtenergie om het reuzenrad aan te drijven. De volgende dag lanceerden Bell-wetenschappers een radiozender op zonne-energie die stem en muziek uitzond naar Amerika's vooraanstaande wetenschappers die bijeen waren voor een bijeenkomst in Washington.

Begin jaren vijftig werden de eerste fotovoltaïsche zonnecellen ontwikkeld.

De elektricien van Southern Bell monteert in 1955 een zonnepaneel.

Fotovoltaïsche cellen worden sinds eind jaren vijftig van de vorige eeuw op ruimtesatellieten gebruikt als elektriciteitsbron om verschillende apparaten van stroom te voorzien. De eerste satelliet met fotocellen was de Amerikaanse satelliet Vanguard I (Avangard I), die op 17 maart 1958 in een baan om de aarde werd gelanceerd.

Amerikaanse satelliet Vanguard I, 1958.

De Vanguard I-satelliet bevindt zich nog steeds in een baan om de aarde. Het bracht meer dan 60 jaar door in de ruimte (beschouwd als het oudste door mensen gemaakte object in de ruimte).

Vanguard I was de eerste satelliet op zonne-energie en de zonnecellen voorzagen de satelliet zeven jaar lang van stroom. Het stopte met het verzenden van signalen naar de aarde in 1964, maar sindsdien hebben onderzoekers het nog steeds gebruikt om inzicht te krijgen in de invloed van de zon, de maan en de atmosfeer van de aarde op satellieten in een baan om de aarde.

Amerikaanse satelliet Explorer 6 met verhoogde zonnepanelen, 1959.

Op enkele uitzonderingen na is het de belangrijkste elektriciteitsbron voor apparaten die naar verwachting lang zullen werken. De totale capaciteit van de fotovoltaïsche panelen op het International Space Station (ISS) is 110 kWh.

Zonnepanelen in de ruimte

De prijzen van de eerste fotovoltaïsche cellen in de jaren vijftig waren duizenden dollars per watt nominaal vermogen, en het energieverbruik om ze te produceren overtrof de hoeveelheid elektriciteit die deze cellen tijdens hun leven produceerden.

De reden was, afgezien van het lage rendement, dat bij de productie van fotovoltaïsche cellen vrijwel dezelfde technologische en energie-intensieve procedures werden gebruikt als bij de productie van microchips.

In terrestrische omstandigheden werden fotovoltaïsche panelen voor het eerst gebruikt om kleine apparaten van stroom te voorzien op afgelegen locaties of bijvoorbeeld op boeien, waar het uiterst moeilijk of onmogelijk zou zijn om ze op het elektriciteitsnet aan te sluiten. Het belangrijkste voordeel van fotovoltaïsche panelen ten opzichte van andere elektriciteitsbronnen is dat ze geen brandstof en onderhoud nodig hebben.

In 1979 kwamen de eerste in massa geproduceerde fotovoltaïsche panelen op de markt.

De toegenomen belangstelling voor fotovoltaïsche energie als energiebron op aarde, evenals voor andere hernieuwbare bronnen, werd aangewakkerd door de oliecrisis van de jaren zeventig.

Sindsdien is intensief onderzoek en ontwikkeling uitgevoerd, met als resultaat een hoger rendement, lagere prijzen en een langere levensduur van fotovoltaïsche cellen en panelen. Tegelijkertijd is de energie-intensiteit van de productie dermate afgenomen dat het paneel vele malen meer energie opwekt dan er voor de productie is gebruikt.

De oudste (nog steeds in gebruik zijnde) grote kustwerken dateren uit het begin van de jaren tachtig. In die tijd domineerden de cellen van kristallijn silicium nog volledig, waarvan de levensduur in reële omstandigheden van ten minste 30 jaar werd bevestigd.

Op basis van ervaring garanderen de fabrikanten dat de prestaties van het paneel na 25 jaar met maximaal 20% zullen afnemen (de resultaten van de genoemde installaties zijn echter veel beter). Voor andere typen panelen wordt de levensduur geschat op basis van versneld testen.

Naast de oorspronkelijke monokristallijne siliciumcellen zijn er in de loop der jaren een aantal nieuwe typen fotovoltaïsche cellen ontwikkeld, zowel kristallijn als dunne film… Silicium is echter nog steeds het dominante materiaal in fotovoltaïsche cellen.

Fotovoltaïsche technologie heeft een grote vlucht genomen sinds 2008, toen de prijzen van kristallijn silicium snel begonnen te dalen, voornamelijk als gevolg van de verplaatsing van de productie naar China, dat voorheen een minderheidsspeler op de markt was (het grootste deel van de fotovoltaïsche productie was geconcentreerd in Japan, de VS, Spanje en Duitsland).

Fotovoltaïsche zonne-energie werd pas wijdverbreid met de introductie van verschillende ondersteuningssystemen. De eerste was het subsidieprogramma in Japan en vervolgens het aankoopprijssysteem in Duitsland. Vervolgens zijn soortgelijke systemen in een aantal andere landen ingevoerd.

Fotovoltaïsche energie is tegenwoordig de meest voorkomende hernieuwbare energiebron en is ook een zeer snelgroeiende industrie. Het wordt veel geïnstalleerd op de daken van gebouwen en op land dat niet kan worden gebruikt voor landbouwwerkzaamheden.

Bij de laatste trends horen ook waterinstallaties in de vorm van drijvende fotovoltaïsche systemen en agro-fotovoltaïsche installaties, waarbij fotovoltaïsche installaties worden gecombineerd met landbouwproductie.