Fotogalvaanika ajalugu, kuidas loodi esimesed päikesepaneelid

Avastused, katsed ja teooriad

Fotogalvaanika ajalugu algab fotoelektrilise efekti avastamisest. Alexandre Edmond Becquerel esitas Prantsuse Teaduste Akadeemiale esmaspäeval, 29. juulil 1839 toimunud koosolekul järelduse, et lahusesse (vedelikku) sukeldatud metallelektroodide vaheline vool varieerub sõltuvalt valgustuse intensiivsusest. Seejärel avaldas ta artikli.

Tema isa Antoine César Becquerelit nimetatakse mõnikord avastajaks. See võib olla tingitud asjaolust, et Edmond Becquerel oli avaldamise ajal vaid 20-aastane ja töötas endiselt oma isa laboris.

Suur Šoti teadlane James Clerk Maxwell oli paljude Euroopa teadlaste seas, keda huvitas seleeni käitumine, millele juhtis teadlaskond esmakordselt Willoughby Smithi artiklis, mis avaldati ajakirjas Journal of the Society of Telegraph Engineers 1873. aastal.

Gutta Percha Company peaelektriinsener Smith kasutas seleenivardaid 1860. aastate lõpus seadmes, mis tuvastas enne sukeldumist Atlandi-üleste kaablite rikkeid. Kui seleenipulgad töötasid öösel hästi, siis päikese väljatulekul töötasid need kohutavalt.

Kahtlustades, et seleeni eriomadustel on midagi pistmist sellele langeva valguse hulgaga, asetas Smith vardad libiseva kaanega kasti. Kui sahtel suleti ja tuled välja lülitati, oli varraste takistus – määr, mil määral nad takistavad elektrivoolu läbimist neist – maksimaalne ja jäi samaks. Kuid kui karbi kaas eemaldati, "suurenes nende juhtivus koheselt vastavalt valguse intensiivsusele".

Teadlaste seas, kes uurisid valguse mõju seleenile pärast Smithi raportit, olid kaks Briti teadlast, professor William Grylls Adams ja tema õpilane Richard Evans Day.

1870. aastate lõpus tegid nad seleeniga palju katseid ja ühes neist katsetest süütasid nad Smithi kasutatud seleenivarraste kõrval küünla. Nende arvestil olev nool reageerib kohe. Seleeni valguse eest kaitsmisel langes nõel koheselt nulli.

Need kiired reaktsioonid välistavad võimaluse, et küünlaleegi soojus tekitab voolu, kuna soojuse tarnimisel või eemaldamisel termoelektrilistes katsetes, nõel tõuseb või langeb alati aeglaselt. "Seetõttu," järeldasid teadlased, "oli selge, et vool saab seleenis vabaneda ainult valguse mõjul." Adams ja Day nimetasid valguse tekitatud voolu "fotogalvaaniliseks".

Erinevalt Becquereli poolt täheldatud fotoelektrilisest efektist, kui elektrielemendi vool valguse toimel muutus, tekkis antud juhul elektripinge (ja vool) ilma välise elektrivälja toimeta ainult valguse mõjul.

Adams ja Day lõid isegi kontsentreeritud fotogalvaanilise süsteemi mudeli, mida nad esitlesid paljudele silmapaistvatele inimestele Inglismaal, kuid ei toonud seda praktilisse kasutusse.

Teine looja fotogalvaanilised elemendid seleenil põhines Ameerika leiutaja Charles Fritts 1883. aastal.

Ta laotas metallplaadile laia õhukese seleenikihi ja kattis selle õhukese poolläbipaistva lehtkuldkilega. Fritzi sõnul tekitas see seleenimoodul "pideva, ühtlase ja märkimisväärse tugevusega voolu ... mitte ainult päikesevalguses, aga ka nõrgas hajus päevavalguses ja ühtlases lambivalguses”.

Kuid tema fotogalvaaniliste elementide efektiivsus oli alla 1%. Siiski uskus ta, et nad suudavad konkureerida Edisoni kivisöel töötavate elektrijaamadega.

Charles Frittsi kullatud seleenist päikesepaneelid New Yorgi katusel 1884. aastal.

Fritz saatis ühe oma päikesepaneelidest Werner von Siemensile, kelle maine oli võrdne Edisoni omaga.

Siemensile avaldas süüdatud paneelide elektrivõimsus nii suurt muljet, et kuulus Saksa teadlane esitas Frittsi paneeli Preisimaa Kuninglikule Akadeemiale. Siemens ütles teadusmaailmale, et Ameerika moodulid "esitasid meile esimest korda valguse energia otsese muundamise elektrienergiaks".

Vähesed teadlased on Siemensi üleskutset kuulda võtnud. Avastus näis olevat vastuolus kõigega, mida teadus tol ajal uskus.

Adamsi ja Day ning Frithi "maagiliste" paneelide kasutatud seleenivardad ei tuginenud energia tootmiseks füüsikale teadaolevatele meetoditele. Seetõttu jättis enamus need edasise teadusliku uurimistöö alt välja.

Fotoelektrilise nähtuse füüsikalist põhimõtet kirjeldas teoreetiliselt Albert Einstein oma 1905. aasta elektromagnetvälja käsitlevas töös, mida ta rakendas elektromagnetvälja kohta, mille avaldas Max Karl Ernst Ludwig Planck sajandivahetusel.

Einsteini seletus näitab, et vabanenud elektroni energia sõltub ainult kiirguse sagedusest (footonienergia) ja elektronide arvust kiirguse intensiivsusest (footonite arv). Just tema töö eest teoreetilise füüsika arendamisel, eriti fotoelektrilise efekti seaduste avastamisel, pälvis Einstein 1921. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

Einsteini julge uus valguse kirjeldus koos elektroni avastamise ja sellele järgnenud sooviga uurida selle käitumist – kõik toimus 19. sajandi alguses – andis fotoelektrile teadusliku aluse, mis tal varem puudus ja mis võiks nüüd nähtust sõnadega seletada. teadusele arusaadav.

Sellistes materjalides nagu seleen kannavad võimsamad footonid piisavalt energiat, et lõdvalt seotud elektronid oma aatomiorbiitidelt välja lüüa. Kui juhtmed on kinnitatud seleenivarraste külge, siis vabanevad elektronid voolavad neist elektrina läbi.

19. sajandi eksperimentaatorid nimetasid protsessi fotogalvaaniliseks, kuid 1920. aastateks nimetasid teadlased seda nähtust fotoelektriliseks efektiks.

Oma 1919. aasta raamatus päikesepatareidestThomas Benson kiitis pioneeride tööd seleeniga kui "paratamatu päikesegeneraatori" eelkäijat.

Kuna aga silmapiiril polnud ühtegi avastust, võis Westinghouse'i fotogalvaanilise divisjoni juht teha vaid järelduse: "Fotogalvaanilised elemendid ei paku praktilistele inseneridele huvi enne, kui need on vähemalt viiskümmend korda tõhusamad."

Ajakirja Photovoltaics and Its Applications autorid nõustusid pessimistliku prognoosiga, kirjutades 1949. aastal: "Tuleb jätta tulevikku, kas materiaalselt tõhusamate elementide avastamine avab võimaluse päikeseenergiat kasulikel eesmärkidel kasutada."

Fotogalvaaniliste efektide mehhanismid: Fotogalvaaniline efekt ja selle sordid

Fotogalvaanika praktikas

1940. aastal lõi Russell Shoemaker Ole kogemata PN-ristmik ränil ja leidis, et see toodab valgustatuna elektrit. Ta patenteeris oma avastuse. Tõhusus on umbes 1%.

Päikesepatareide kaasaegne vorm sündis 1954. aastal Bell Laboratoriesis. Legeeritud räniga tehtud katsetes tuvastati selle kõrge valgustundlikkus. Tulemuseks oli fotogalvaaniline element, mille efektiivsus oli umbes kuus protsenti.

Proud Belli juhid esitlesid 25. aprillil 1954 Belli päikesepaneeli, millel on elementide paneel, mis toetub vaateratta toiteks ainult valgusenergiale. Järgmisel päeval käivitasid Belli teadlased päikeseenergial töötava raadiosaatja, mis edastas häält ja muusikat Ameerika juhtivatele teadlastele, kes kogunesid Washingtonis kohtumisele.

Esimesed fotogalvaanilised päikeseelemendid töötati välja 1950. aastate alguses.

Southern Belli elektrik paneb päikesepaneeli kokku 1955. aastal.

Fotogalvaanilisi elemente on erinevate seadmete toiteks elektrienergia allikana kasutatud alates 1950. aastate lõpust kosmosesatelliitidel. Esimene fotoelementidega satelliit oli Ameerika satelliit Vanguard I (Avangard I), mis saadeti orbiidile 17. märtsil 1958. aastal.

Ameerika satelliit Vanguard I, 1958.

Vanguard I satelliit on endiselt orbiidil. See veetis kosmoses üle 60 aasta (seda peetakse kosmose vanimaks tehisobjektiks).

Vanguard I oli esimene päikeseenergial töötav satelliit ja selle päikesepatareid varustasid satelliidiga seitse aastat. See lõpetas Maale signaalide saatmise 1964. aastal, kuid sellest ajast peale on teadlased seda ikka veel kasutanud, et saada ülevaade sellest, kuidas Päike, Kuu ja Maa atmosfäär mõjutavad tiirlevaid satelliite.

Tõstetud päikesepaneelidega Ameerika satelliit Explorer 6, 1959.

Väheste eranditega on see peamine elektriallikas seadmetele, mis eeldatavasti töötavad pikka aega. Rahvusvahelise kosmosejaama (ISS) fotogalvaaniliste paneelide koguvõimsus on 110 kWh.

Päikesepaneelid kosmoses

Esimeste fotogalvaaniliste elementide hinnad olid 1950. aastatel tuhandeid dollareid nimivõimsuse vati kohta ja nende tootmiseks kulunud energia ületas nende elementide eluea jooksul toodetud elektrikoguse.

Põhjuseks oli peale madala efektiivsuse see, et fotogalvaaniliste elementide valmistamisel kasutati praktiliselt samu tehnoloogilisi ja energiamahukaid protseduure kui mikrokiipide valmistamisel.

Maapealsetes tingimustes kasutati fotogalvaanilisi paneele esmalt väikeste seadmete toiteks kaugemates kohtades või näiteks poidel, kus nende ühendamine elektrivõrku oleks äärmiselt keeruline või võimatu. Fotogalvaaniliste paneelide peamine eelis teiste elektrienergiaallikate ees on see, et need ei vaja kütust ja hooldust.

Esimesed masstoodanguna toodetud fotogalvaanilised paneelid ilmusid turule 1979. aastal.

Suurenenud huvi fotogalvaanika kui energiaallika vastu Maal, aga ka muude taastuvate energiaallikate vastu, ajendas 1970. aastate naftakriis.

Sellest ajast alates on tehtud intensiivset uurimis- ja arendustegevust, mille tulemuseks on fotogalvaaniliste elementide ja paneelide suurem efektiivsus, madalamad hinnad ja pikem eluiga. Samas on tootmise energiamahukus sedavõrd vähenenud, et paneel toodab kordades rohkem energiat, kui selle tootmiseks kulus.

Vanimad (tänini kasutusel) suured rannarajatised pärinevad 1980. aastate algusest. Sel ajal domineerisid veel täielikult kristalsed ränielemendid, mille kasutusiga kinnitati reaalsetes tingimustes vähemalt 30 aastat.

Tootjad garanteerivad kogemustele tuginedes, et paneeli jõudlus langeb 25 aasta pärast maksimaalselt 20% (nimetatud paigalduste tulemused on aga palju paremad). Muud tüüpi paneelide kasutusiga on hinnatud kiirendatud testimise põhjal.

Lisaks algsetele monokristallilistele ränielementidele on aastate jooksul välja töötatud mitmeid uut tüüpi fotogalvaanilisi elemente, nii kristalne kui õhuke kile… Siiski on räni fotogalvaanilises energias endiselt domineeriv materjal.

Fotogalvaaniline tehnoloogia on kogenud suurt buumi alates 2008. aastast, mil kristallilise räni hinnad hakkasid kiiresti langema, peamiselt tänu tootmise üleviimisele Hiinasse, mis oli varem turul vähemustegija (enamik fotogalvaanilise elektritootmist oli koondunud Jaapanisse, USA, Hispaania ja Saksamaa).

Fotogalvaanika sai laialt levinud alles erinevate tugisüsteemide kasutuselevõtuga. Esimene oli toetusprogramm Jaapanis ja seejärel ostuhinna süsteem Saksamaal. Seejärel võeti sarnased süsteemid kasutusele paljudes teistes riikides.

Fotogalvaaniline energia on tänapäeval kõige levinum taastuvenergiaallikas ja ka väga kiiresti arenev tööstusharu. Seda paigaldatakse laialdaselt nii hoonete katustele kui ka maale, mida ei saa kasutada põllumajandustöödeks.

Viimaste trendide hulka kuuluvad ka veepaigaldised kujul ujuvad fotogalvaanilised süsteemid ja agro-fotogalvaanilised paigaldised, kombineerides fotogalvaanilisi seadmeid põllumajandusliku tootmisega.