in

Historia fotowoltaiki

Historia fotowoltaiki

Dzisiaj jest jednym z najchętniej wybieranych rodzajów instalacji OZE na świecie. Fotowoltaika, bo o niej mowa, nie ma może tak długiej historii, jak wykorzystanie do produkcji energii wody czy wiatru, ale trudno odmówić jej skuteczności. Kiedy człowiek odkrył potencjał energii słonecznej i oswoił go na tyle, by zamienić go w prąd i wykorzystać do zasilania urządzeń? Jakie tęgie umysły przyczyniły się do rozwoju paneli słonecznych? Dzisiaj sprawdzimy, kiedy zaczęła się i jak przebiegała historia fotowoltaiki.

Fotowoltaika i ludy starożytne

Zanim jeszcze fotowoltaika stała się zaawansowanych technologicznie zestawem urządzeń, ludzkość już potrafiła dostrzec drzemiący w Słońcu potencjał. Oto kilka ciekawych przykładów wykorzystania energii słonecznej tysiące lat temu:

  • 700 lat p.n.e. używano szkła powiększającego do skupiania promieni słonecznych i rozpalania ognia.
  • 300 lat p.n.e. Grecy i Rzymianie przy pomocy specjalnych luster rozpalali pochodnie w celach religijnych.
  • 200 lat p.n.e. Archimedes wykorzystał tarcze z brązu do skupienia światła słonecznego i podpalenia rzymskich statków, oblegających Syrakuzy. Nie zachowały się żadne dowody potwierdzające to wydarzenie, ale w latach 70. XX wieku podjęto próbę jego odtworzenia. Okazało się, że faktycznie można podpalić drewnianą łódź, wykorzystując do tego tarcze z brązu. „Sztuczka” działa na odległość 50 metrów.
  • Od około 100 roku rzymskie łaźnie budowano z dużymi południowymi oknami, by korzystać z ciepła słonecznego. Później podobne okna zaczęły pojawiać się w wielu budynkach prywatnych i publicznych. W końcu około 600 roku Justynian ogłosił „prawo słoneczne” zapewniające obywatelom dostęp do Słońca.

Efekt fotowoltaiczny – odkrycie z 1839 roku

Historia fotowoltaiki sięga 1839 roku, kiedy to francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel zaczął eksperymentować z ogniwem zbudowanym z metalowych elektrod. Na pewnym etapie umieścił je w roztworze przewodzącym. Okazało się, że gdy wchodziło w kontakt ze światłem słonecznym, wytwarzało więcej energii elektrycznej. W ten sposób Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny, czyli zjawisko polegające na generacji nośników ładunku w półprzewodniku pod wpływem Słońca. W efekcie działania promieniowania słonecznego elektrony zostają pobudzone, przechodzą na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Wtedy z kolei mamy do czynienia z różnicą potencjałów i powstaniem prądu stałego.

Pra-ogniwo fotowoltaiczne z selenu

Kolejnym krokiem milowym dla rozwoju fotowoltaiki było odkrycie z 1873 roku. Wtedy to Willoughby Smith ustalił, że selen może pełnić funkcję fotoprzewodnika. Ledwie trzy lata później William Grylls Adams i jego uczeń Richard Evans Day odkryli, że selen wytwarza energię elektryczną pod wpływem światła. Jakkolwiek selenowe ogniwa słoneczne nie były w stanie przetworzyć wystarczającej ilości światła słonecznego, by zasilić jakiekolwiek sprzęt elektryczny, udowodniły, że istnieją materiały zdolne wygenerować elektryczność ze światła.

Badania swoich poprzedników w 1883 roku wykorzystał amerykański wynalazca Charles Fritz. Naukowiec stworzył pierwsze działające ogniwo słoneczne z selenu. W ciągu następnych 20 lat odnotowano wiele pomniejszych odkryć, które umożliwiły rozwinięcie pomysłu selenowych ogniw i fotowoltaiki. Wśród nich warto wyróżnić:

  • Odkrycie przez Heinricha Hertza w 1887 roku, że światło ultrafioletowe zmienia najniższe napięcie, które jest w stanie wywołać przeskok iskry pomiędzy dwiema metalowymi elektrodami.
  • Opatentowanie przez Baltimore’a Clarence’a Kempa w 1891 roku słonecznego podgrzewacza wody.
  • Ustalenie przez Wilhelma Hallwachsa w 1904 roku, że połączenie miedzi i tlenku miedzi jest światłoczułe.

Prawdziwą zmianę przynosi jednak dopiero rok 1905 i artykuł Alberta Einsteina.

Kwanty światła Alberta Einsteina

W 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł na temat efektu fotoelektrycznego. Do tej pory naukowcy prezentowali różnego rodzaju urządzenia i możliwości związane z wykorzystaniem Słońca do produkcji energii, ale nie ujęto tego jeszcze w ramy teorii. Akademickie opisanie problemu sprawiło, że tematem zainteresowała się większa liczba badaczy. Ponadto, opisanie energii słonecznej i stwierdzenie, że światło jest nośnikiem tzw. kwantów światła (fotonów), przyniosło Einsteinowi w 1921 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Słynny naukowiec wyjaśniał zjawisko fotoelektryczne, bazując na teorii Maxa Plancka. Według niej światło nie jest emitowane w sposób ciągły, lecz przypomina falę elektromagnetyczną. Einstein stwierdził zaś, że fotonom bliżej jest raczej do cząsteczki materii. Ich zetknięcie z elektronem metalu potrafi skończyć się pochłonięciem fotonu i przekazaniem energii elektronowi.

Pierwszy moduł fotowoltaiczny

Fotowoltaika od początku przyciągała wielu naukowców. Kiedy Einstein opisał zjawisko fotoelektryczne, zaczęła się nią interesować jeszcze większa liczba badaczy. Powstanie pierwszego modułu fotowoltaicznego, który posiadał realne zastosowanie, poprzedziło kilka pomniejszych odkryć:

  • W 1908 William J. Bailley z Carnegie Steel Company wynajduje kolektor słoneczny z miedzianymi wężownicami i izolowaną skrzynką. Konstrukcja ta była bardzo podobna do dzisiejszych instalacji.
  • W 1918 na arenę historii fotowoltaiki wkroczył Polak – prof. Jan Czochralski – który najpierw opracował metodę wytwarzania monokryształów metali, a później krzemu. Krzem stanowi główny materiał dla produkcji ogniw fotowoltaicznych także dzisiaj. Co więcej, technologia prof. Czochralskiego znalazła zastosowanie w tranzystorach zasilających urządzenia pracujące w kosmosie. Niestety, badacz nie doczekał przemysłowego zastosowania odkrytego przez siebie rozwiązania. Zmarł w 1953, podczas gdy pierwsze krzemowe moduły fotowoltaiczne pojawiły się w 1954 roku.
  • W 1932 roku odkryto efekt fotowoltaiczny w siarczku kadmu, który do dzisiaj znajduje zastosowanie w strukturach fotowoltaicznych.

W 1954 roku naukowcy Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller opracowali w Bell Labs krzemowe ogniwo fotowoltaiczne (PV). Było to pierwsze ogniwo słoneczne, które potrafiło przekształcić wystarczającą ilość energii słonecznej, by zasilić urządzenia elektryczne. Pierwsze moduły nie imponowały wydajnością, która oscylowała w granicach 4%. Wystarczyło kilka lat, by ogniwa mogły pochwalić się parametrami na poziomie kilkunastu procent (dzięki Hoffman Electronics). Już w 1955 roku rozpoczęła się jednak sprzedaż komercyjnych licencji na krzemowe ogniwa fotowoltaiczne.

Patent Bell Labs odbił się szerokim echem na świecie. Bardzo entuzjastycznie wypowiadały się o nim również media. The New York Times nazwał to odkrycie początkiem „nowej ery, prowadzącej ostatecznie do realizacji wykorzystania niemal nieograniczonej energii słońca do zastosowań cywilizacyjnych”. Nie da się jednak ukryć, że w tamtej chwili było to rozwiązanie tak drogie, że w rzeczywistości nie znajdowało szerszego zastosowania. Przynajmniej do czasu.

Krzemowe ogniwa słoneczne i kosmiczne satelity

Pierwsze ogniwa krzemowe może i okazały się nieopłacalne z perspektywy przeciętnego odbiorcy, ale bardzo szybko zainteresowały Armię Amerykańską. Miały jednak ten mankament, że stanowiły technologię nową i niepewną. Kiedy więc marynarka wojenna planowała uruchomienie pierwszego satelity (Vanguard) w swoich szeregach i rozważała jego źródło zasilania, w pierwszym odruchu zdecydowała się na baterie chemiczne, a nie panele fotowoltaiczne. Przeciwna podobnej decyzji była tylko jednak osoba – doktor Hans Ziegler.

Twierdził on, że bateria chemiczna przestanie działać w ciągu kilku dni i doprowadzi do niepowodzenia misji. Sugerował, że ogniwa krzemowe mimo swojej nowości dają szansę na zasilania satelity nawet przez lata. Ostatecznie połowicznie posłuchano Zieglera i wyposażono satelitę Vaguard w dwa rozwiązania – baterię chemiczną i panele słoneczne. I całe szczęście, bo okazało się, że naukowiec miał rację. Po tygodniu bateria chemiczna się wyczerpała, podczas gdy panele wciąż działały.

Ogniwa słoneczne w programach kosmicznych wykorzystywano bardzo intensywnie w latach 60. i 70. Zrobiło to temu rozwiązaniu ogromną przysługę. Organizacje takie jak NASA nigdy nie musiały się przejmować kosztami. Inwestowały więc śmiało w nową technologię, przyczyniając się do jej rozwoju, a w efekcie również zmniejszenia jej kosztów. Wśród najważniejszych kosmicznych projektów w kontekście fotowoltaiki wymienić można:

  • Satelitę Explorer VI (1959) z matrycą fotowoltaiczną składającą się z 9600 ogniw fotowoltaicznych.
  • Pierwszego satelitę telekomunikacyjnego (1962) firmy Bell Telephone Laboratories. Telstar mógł pochwalić się mocą 14 W.
  • Satelitę Nimbus (1964) zasilaną przez ogniwa fotowoltaiczne o mocy 470 W.
  • Pierwsze orbitalne obserwatorium astronomiczne (1966), zasilane przez zestaw fotowoltaiczny o mocy 1 kW.

Kryzys energetyczny jako bodziec dla rozwoju fotowoltaiki

W latach 70. po raz pierwszy Stany Zjednoczone uświadamiają sobie, jak bardzo uzależnione są od ropy z zagranicznych źródeł. Fotowoltaika zaczyna wydawać się potrzebna jak nigdy wcześniej. Wtedy to Dr Elliot Berman, z pomocą Exxon Corporation, projektuje znacznie tańsze ogniwo słoneczne (20 dolarów za wat zamiast 100). Instalacje PV zaczynają zasilać światła ostrzegawcze i klaksony. Coraz chętniej wdraża się je na platformach wiertniczych, w latarniach morskich, przejazdach kolejowych i domach w odległych lokalizacjach.

Dobry przykład daje też sam prezydent USA. Jimmy Carter wydaje polecenie instalacji paneli fotowoltaicznych na dachu Białego Domu. Ten krok sprawia, że panele fotowoltaiczne zaczynają zyskiwać zainteresowanie coraz większej części społeczeństwa. W 1973 roku Uniwersytet Delaware buduje „Solar One”, jeden z pierwszych na świecie obiektów zasilanych fotowoltaiką (PV). Umieszczone w tym projekcie na dachu baterie przekazywały nadwyżki energii przez specjalny licznik do zakładu energetycznego w ciągu dnia, w nocy zaś kupowano energię od dostawcy sieciowego. W 1977 z kolei Departament Energii USA uruchamia Instytut Badań nad Energią Słoneczną. Z każdym kolejnym rokiem zaczynają się pojawiać sprawniejsze i bardziej zaawansowane panele fotowoltaiczne. Cena podobnych instalacji spada, więc coraz chętniej inwestują w nią osoby prywatne. I tak to się kręci do dziś.

Historia fotowoltaiki – co przyniesie przyszłość?

W efekcie rozwoju technologii ogniw słonecznych od końca XX wieku obserwuje się wzrost zainteresowania wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii takich, jak Słońce. Po pierwszej fali udoskonalania podstawowych elementów instalacji rozpoczęły się nowe eksperymenty z wykorzystaniem ogniw słonecznych. W roku 1981 nad kanałem La Manche przeleciał samolot zasilany panelami solarnymi zbudowany przez Brytyjczyka – Paula MacCready’ego. „Solar Challenger”, bo tak nazywała się maszyna, pokonał odległość 262 kilometrów. Rok później w Australii zaprojektowano z kolei samochód na ogniwa fotowoltaiczne, który pokonał 2000 mil w 20 dni. Pomysły te zachęciły wynalazców do nowego spojrzenia na wykorzystanie prądu elektrycznego i działanie światła.

W kolejnych latach podejmowano coraz śmielsze próby stosowania instalacji fotowoltaicznych. W 2015 roku Szwajcarzy Bertrand Piccard i André Borschberg elektrycznym samolotem „Solar Impulse 2” odbyli lot wokół Ziemi (trasa była podzielona na etapy, a średnia prędkość wahała się między 50 a 100 km/h). Jak wygląda przyszłość technologii instalacji fotowoltaicznej? Nie sposób powiedzieć, jakie wynalazki na całym świecie przyniosą najbliższe lata, ale jedno jest pewne – będzie to przyszłość świetlana.

Dodaj komentarz

Ile kosztuje fotowoltaika

Fotowoltaika – koszty. Ile kosztuje fotowoltaika?

Fotowoltaika off-grid - wady i zalety

Fotowoltaika off-grid – wady i zalety