1954 czyli narodziny ogniwa krzemowego
25 kwietnia 1954 naukowcy z Laboratorium Bella zaprezentowali pierwsze działające solarne ogniwa krzemowe.
Jak już pisałem w moich poprzednich wpisach ogniwa słoneczne, które przekształcają światło słoneczne w prąd elektryczny, miały swoje początki ponad sto lat temu. Wczesne ogniwa słoneczne były jednak zbyt nieefektywne, aby mogły być przydatne.
Zasadniczy przełom nastąpił w kwietniu 1954 roku kiedy to naukowcy z Bell Laboratories zademonstrowali pierwsze praktyczne krzemowe ogniwo słoneczne.
Historia ogniw słonecznych sięga wczesnych obserwacji efektu fotowoltaicznego w 1839 roku. Wtedy też Francuski fizyk Alexandre-Edmond Becquerel, syn fizyka Antoine’a Cesara Becquerela i ojciec fizyka Henriego Becquerela, pracował z metalowymi elektrodami w roztworze elektrolitu. Zauważył że małe prądy elektryczne powstają, gdy metale są wystawione na działanie światła, ale nie potrafił wyjaśnić tego efektu.
Kilkadziesiąt lat później, w 1873 roku, angielski inżynier Willoughby Smith odkrył fotoprzewodnictwo selenu podczas testowania materiałów na podwodne kable telegraficzne.
W 1883 roku amerykański wynalazca Charles Fritts wykonał pierwsze ogniwa słoneczne z selenu. Chociaż Fritts miał nadzieję, że jego ogniwa słoneczne będą konkurować z elektrowniami węglowymi Edisona, były one mniej niż jeden procent wydajne. Zbyt słabo przekształcały światło słoneczne w energię elektryczną, a zatem nie były zbyt praktyczne. Niektóre badania nad selenową fotowoltaiką kontynuowano przez następne kilkadziesiąt lat. Znaleziono nawet kilka zastosowań, ale nie zostały one wprowadzone do powszechnego użytku.
Następnego dużego postępu w technologii ogniw słonecznych dokonał w 1940 roku Russell Shoemaker Ohl, badacz półprzewodników w Bell Labs.
Badał kilka próbek krzemu, z których jedna miała pęknięcie w środku. Zauważył, że w tej konkretnej próbce prąd przepływał przez tę próbkę, gdy była wystawiona na działanie światła. To pęknięcie, które prawdopodobnie powstało podczas wykonywania próbki, w rzeczywistości wyznaczało granicę między regionami zawierającymi różne poziomy zanieczyszczeń. Jedna strona była domieszkowana dodatnio, a druga strona domieszkowana ujemnie. Ohl zatem nieumyślnie stworzył złącze pn, podstawę ogniwa słonecznego.
Jak wiemy nadmiar ładunku dodatniego gromadzi się po jednej stronie bariery p-n. Natomiast nadmiar ładunku ujemnego gromadzi się po drugiej stronie bariery, tworząc pole elektryczne. Kiedy komórka jest podłączona do obwodu, przychodzący foton, który uderza w komórkę, może następnie dać elektronowi ”kopnięcie”. Tym samym rozpocząć przepływ prądu. Ohl opatentował swoje ogniwo słoneczne, którego wydajność wynosiła około jednego procenta.
Pierwsze praktyczne krzemowe ogniwo słoneczne stworzono jednak trzynaście lat później przez zespół naukowców pracujących razem w Bell Labs. W 1953 roku inżynier Daryl Chapin, który wcześniej pracował nad materiałami magnetycznymi w Bell Labs, próbował opracować źródło zasilania dla systemów telefonicznych. Znajdowały się one w odległych, wilgotnych miejscach, gdzie baterie z suchymi ogniwami zbyt szybko ulegały degradacji.
Chapin zbadał kilka alternatywnych źródeł energii i zdecydował się na energię słoneczną jako jedno z najbardziej obiecujących.
Wypróbował selenowe ogniwa słoneczne, ale uznał je za zbyt nieefektywne. Tymczasem chemik Calvin Fuller i fizyk Gerald Pearson pracowali nad kontrolowaniem właściwości półprzewodników poprzez wprowadzanie zanieczyszczeń.
Calvin Fuller
Fuller dał Pearsonowi kawałek krzemu zawierający zanieczyszczenia galem. Pearson zanurzył go w licie, tworząc złącze p-n. Następnie Pearson podłączył amperomierz do kawałka krzemu i oświetlił go światłem. Ku ich zaskoczeniu amperomierz znacznie podskoczył. Pearson, który był świadomy pracy Chapina, powiedział swojemu przyjacielowi, aby nie marnował więcej czasu na selenowe ogniwa słoneczne. Chapin natychmiast przeszedł na krzem.
Następnie przez kilka miesięcy cała trójka pracowała nad poprawą właściwości swoich krzemowych ogniw słonecznych. Jednym z problemów była trudność w tworzeniu dobrych styków elektrycznych z ogniwami krzemowymi. Innym problemem było to, że w temperaturze pokojowej lit z czasem migrował przez krzem, przesuwając złącze p-n dalej od wpadającego światła słonecznego. Aby rozwiązać ten problem, wypróbowali różne zanieczyszczenia i ostatecznie zdecydowali się na arsen i bor, które utworzyły złącze p-n, które pozostało blisko powierzchni. Odkryli również, że są w stanie nawiązać dobre kontakty elektryczne z krzemem borowo-arsenowym.
Po wprowadzeniu kilku innych ulepszeń do projektu połączyli ze sobą kilka ogniw słonecznych, aby stworzyć coś, co nazwali „baterią słoneczną”. 1954 czyli narodziny ogniwa krzemowego
Firma Bell Labs ogłosiła wynalazek 25 kwietnia 1954 roku w Murray Hill w stanie New Jersey. Panowie zademonstrowali swój panel słoneczny, używając go do zasilania małego ”diabelskiego młyna” i nadajnika radiowego zasilanego energią słoneczną.
Te pierwsze krzemowe ogniwa słoneczne miały około 6 procent wydajności w przekształcaniu energii słonecznej w energię elektryczną, co stanowi ogromną poprawę w stosunku do poprzednich ogniw słonecznych. The New York Times napisał, że krzemowe ogniwo słoneczne „może oznaczać początek nowej ery, prowadzącej w końcu do realizacji jednego z najcenniejszych marzeń ludzkości — wykorzystania niemal nieograniczonej energii słonecznej do celów cywilizacyjnych”.
Jak wiecie z moich innych wpisów pierwsze krzemowe ogniwa słoneczne były drogie w produkcji. Wczesne próby komercjalizacji nie były początkowo wielkim sukcesem.
W ciągu kilku lat ogniwa słoneczne zaczęły być powszechnie używane do zasilania satelitów, a potem pojawiły się inne zastosowania. Chapin wkrótce uprościł proces wytwarzania krzemowych ogniw słonecznych, a nawet opracował eksperyment naukowy z ogniwami słonecznymi dla uczniów szkół średnich. Chapin, Fuller i Pearson zostali wprowadzeni do National Inventors Hall of Fame w 2008 roku.
Ogniwa słoneczne używamy dzisiaj we wszelkiego rodzaju urządzeniach, od podręcznych kalkulatorów po panele słoneczne na dachu. Udoskonalone projekty i zaawansowane materiały umożliwiły zbudowanie ogniw słonecznych, które osiągają ponad 30-procentową sprawność.
Ciągle jednak kontynuuje się badania i rozwój w celu obniżenia kosztów i zwiększenia wydajności. Tak aby energia słoneczna była bardziej konkurencyjna w stosunku do paliw kopalnych.
Planujecie budowę swojej farmy fotowoltaicznej lub poszukujecie firmy świadczącej usługi O&M?
Chcecie zakupić projekt farmy fotowoltaicznej lub wiatrowej i potrzebujecie sprawnie i profesjonalnie wykonać audyt / due diligence?
Poszukujecie recyklera paneli fotowoltaicznej lub firmy myjącej instalacje i farmy fotowoltaiczne?
Zapraszamy do kontaktu z Nami!
