Solcellernas historia, hur de första solpanelerna skapades

Upptäckter, experiment och teorier

Solcellernas historia börjar med upptäckten av den fotoelektriska effekten. Slutsatsen att strömmen mellan metallelektroder nedsänkta i en lösning (vätska) varierar med belysningsintensiteten presenterades för den franska vetenskapsakademin vid mötet måndagen den 29 juli 1839 av Alexandre Edmond Becquerel. Han publicerade därefter en artikel.

Hans far, Antoine César Becquerel, kallas ibland för upptäckaren. Detta kan bero på att Edmond Becquerel bara var 20 år vid publiceringstillfället och fortfarande arbetade i sin fars laboratorium.

Den store skotske forskaren James Clerk Maxwell var bland många europeiska forskare som fascinerades av selens beteende, vilket först uppmärksammades av forskarvärlden i en artikel av Willoughby Smith publicerad i Journal of the Society of Telegraph Engineers 1873.

Smith, chefsingenjör för Gutta Percha Company, använde selenstavar i slutet av 1860-talet i en anordning för att upptäcka fel i transatlantiska kablar innan dykning. Medan selenstavarna fungerade bra på natten, fungerade de fruktansvärt när solen kom fram.

Eftersom han misstänkte att selens speciella egenskaper hade något att göra med mängden ljus som faller på det, placerade Smith stavarna i en låda med skjutlock. När lådan stängdes och belysningen släcktes var stavarnas motstånd – i vilken grad de hindrar passagen av en elektrisk ström genom dem – maximal och förblev konstant. Men när locket på lådan togs bort, ökade deras ledningsförmåga omedelbart i enlighet med ljusets intensitet.

Bland forskarna som studerade ljusets effekt på selen efter Smiths rapport fanns två brittiska forskare, professor William Grylls Adams och hans student Richard Evans Day.

I slutet av 1870-talet utsatte de selen för många experiment och i ett av dessa experiment tände de ett ljus bredvid selenstavarna som Smith använde. Pilen på deras mätare reagerar direkt. Avskärmning av selen från ljus gjorde att nålen omedelbart sjönk till noll.

Dessa snabba reaktioner utesluter möjligheten att värmen från ljuslågan producerar en ström, sedan när värme tillförs eller avlägsnas i termoelektriska experiment, nålen stiger eller faller alltid långsamt. "Därför", drog forskarna slutsatsen, "det var tydligt att strömmen endast kunde frigöras i selen under inverkan av ljus." Adams och Day kallade strömmen som produceras av ljuset "solcell".

Till skillnad från den fotoelektriska effekten som observerades av Becquerel, när strömmen i en elektrisk cell förändrades under inverkan av ljus, genererades i detta fall den elektriska spänningen (och strömmen) utan inverkan av ett yttre elektriskt fält endast under inverkan av ljus.

Adams och Day skapade till och med en modell av ett koncentrerat solcellssystem, som de presenterade för många framstående personer i England, men som inte kom till praktisk användning.

En annan skapare fotovoltaiska celler baserad på selen var den amerikanske uppfinnaren Charles Fritts 1883.

Han spred ett brett tunt lager av selen på en metallplatta och täckte den med en tunn genomskinlig film av bladguld. Denna modul av selen, sade Fritz, producerade en ström "kontinuerlig, stadig och av betydande styrka ... inte bara i solljus, men också i svagt, diffust dagsljus och till och med lampljus”.

Men effektiviteten hos hans solcellsceller var mindre än 1 %. Han trodde dock att de kunde konkurrera med Edisons koleldade kraftverk.

Charles Fritts förgyllda selen solpaneler på ett tak i New York City 1884.

Fritz skickade en av sina solpaneler till Werner von Siemens, vars rykte var lika med Edisons.

Siemens var så imponerad av panelernas elektriska kraft när de tändes att en berömd tysk vetenskapsman presenterade Fritts-panelen för Royal Academy i Preussen. Siemens berättade för den vetenskapliga världen att de amerikanska modulerna "för första gången presenterade för oss den direkta omvandlingen av ljusenergi till elektrisk energi."

Få forskare har hörsammat Siemens uppmaning. Upptäckten verkade motsäga allt vetenskapen trodde på den tiden.

Selenstavarna som användes av Adams och Day och Friths "magiska" paneler förlitade sig inte på metoder kända för fysiken för att generera energi. Därför uteslöt majoriteten dem från räckvidden för ytterligare vetenskaplig forskning.

Den fysikaliska principen för det fotoelektriska fenomenet beskrevs teoretiskt av Albert Einstein i hans skrift från 1905 om det elektromagnetiska fältet, som han tillämpade på det elektromagnetiska fältet, publicerat av Max Karl Ernst Ludwig Planck vid sekelskiftet.

Einsteins förklaring visar att energin hos en frigjord elektron endast beror på strålningsfrekvensen (fotonenergi) och antalet elektroner från strålningsintensiteten (antal fotoner). Det var för sitt arbete med utvecklingen av teoretisk fysik, särskilt upptäckten av den fotoelektriska effektens lagar, som Einstein tilldelades Nobelpriset i fysik 1921.

Einsteins djärva nya beskrivning av ljus, kombinerat med upptäckten av elektronen och den efterföljande drivkraften att studera dess beteende – allt som inträffade i början av 1800-talet – gav fotoelektricitet en vetenskaplig grund som den tidigare saknat och som nu kunde förklara fenomenet i termer förståeligt för vetenskapen.

I material som selen bär de mer kraftfulla fotonerna tillräckligt med energi för att slå ut löst bundna elektroner ur sina atombanor. När ledningarna är fästa vid selenstavarna strömmar de frigjorda elektronerna genom dem som elektricitet.

1800-talsexperimentörer kallade processen fotovoltaisk, men på 1920-talet kallade forskare fenomenet för den fotoelektriska effekten.

I sin bok från 1919 om solcellerThomas Benson berömde pionjärernas arbete med selen som en föregångare till den "oundvikliga solgeneratorn".

Men utan några upptäckter vid horisonten kunde chefen för Westinghouses solcellsdivision bara dra slutsatsen: "Fotovoltaiska celler kommer inte att vara av intresse för praktiska ingenjörer förrän de är minst femtio gånger effektivare."

Författarna till Photovoltaics and Its Applications instämde i den pessimistiska prognosen och skrev 1949: "Det måste lämnas åt framtiden om upptäckten av materiellt mer effektiva celler kommer att öppna upp möjligheten att använda solenergi för användbara ändamål."

Mekanismer för fotovoltaiska effekter: Fotovoltaisk effekt och dess varianter

Solceller i praktiken

1940 skapade Russell Shoemaker Ole av misstag PN-korsning på kisel och fann att det producerade elektricitet när det var upplyst. Han patenterade sin upptäckt. Verkningsgraden är cirka 1 %.

Den moderna formen av solceller föddes 1954 på Bell Laboratories. I experiment med dopat kisel fastställdes dess höga ljuskänslighet. Resultatet blev en solcellscell med en verkningsgrad på cirka sex procent.

Stolta Bell-chefer avtäcker Bell Solar Panel den 25 april 1954, med en panel av celler som enbart förlitar sig på ljusenergi för att driva pariserhjulet. Nästa dag lanserade Bell-forskare en soldriven radiosändare som sänder röst och musik till USA:s ledande forskare som samlats för ett möte i Washington.

De första solcellscellerna utvecklades i början av 1950-talet.

Southern Bell elektriker monterar en solpanel 1955.

Solceller har använts som en källa till el för att driva olika enheter sedan slutet av 1950-talet på rymdsatelliter. Den första satelliten med fotoceller var den amerikanska satelliten Vanguard I (Avangard I), som sköts upp i omloppsbana den 17 mars 1958.

Amerikansk satellit Vanguard I, 1958.

Vanguard I-satelliten är fortfarande i omloppsbana. Det tillbringade mer än 60 år i rymden (anses som det äldsta konstgjorda föremålet i rymden).

Vanguard I var den första solcellsdrivna satelliten och dess solceller gav ström till satelliten i sju år. Den slutade skicka signaler till jorden 1964, men sedan dess har forskare fortfarande använt den för att få insikt i hur solen, månen och jordens atmosfär påverkar satelliter som kretsar runt.

Amerikansk satellit Explorer 6 med upphöjda solpaneler, 1959.

Med få undantag är det den huvudsakliga elkällan för enheter som förväntas fungera under lång tid. Den totala kapaciteten för solcellspanelerna på den internationella rymdstationen (ISS) är 110 kWh.

Solpaneler i rymden

Priserna på de första solcellscellerna på 1950-talet var tusentals dollar per watt märkeffekt, och energiförbrukningen för att producera dem översteg mängden el som dessa celler producerade under sin livstid.

Anledningen var, förutom den låga verkningsgraden, att praktiskt taget samma tekniska och energikrävande procedurer användes vid tillverkningen av solceller som vid tillverkningen av mikrochips.

Under markförhållanden användes solcellspaneler först för att driva små enheter på avlägsna platser eller till exempel på bojar, där det skulle vara extremt svårt eller omöjligt att ansluta dem till elnätet. Den största fördelen med solcellspaneler jämfört med andra elkällor är att de inte behöver bränsle och underhåll.

De första masstillverkade solcellspanelerna dök upp på marknaden 1979.

Det ökade intresset för solceller som energikälla på jorden, såväl som för andra förnybara källor, drevs av oljekrisen på 1970-talet.

Sedan dess har intensiv forskning och utveckling bedrivits, vilket resulterat i högre effektivitet, lägre priser och längre livslängd för solceller och paneler. Samtidigt har energiintensiteten i produktionen minskat så mycket att panelen genererar mångdubbelt mer energi än vad som användes för att producera den.

De äldsta (fortfarande i bruk) stora kuststrukturerna är från början av 1980-talet. Vid den tiden var kristallina kiselceller fortfarande helt dominerade, vars livslängd bekräftades under verkliga förhållanden på minst 30 år.

Baserat på erfarenhet garanterar tillverkarna att panelens prestanda kommer att minska med maximalt 20 % efter 25 år (resultaten av de nämnda installationerna är dock mycket bättre). För andra typer av paneler uppskattas livslängden baserat på accelererad provning.

Utöver de ursprungliga monokristallina kiselcellerna har ett antal nya typer av solcellsceller utvecklats under åren, både kristallin och tunn film… Men kisel är fortfarande det dominerande materialet i solceller.

Solcellstekniken har upplevt en stor boom sedan 2008, då priserna på kristallint kisel började falla snabbt, främst på grund av överföringen av produktionen till Kina, som tidigare var en minoritetsaktör på marknaden (den största delen av solcellsproduktionen var koncentrerad till Japan, USA, Spanien och Tyskland).

Solceller blev utbredda först med införandet av olika stödsystem. Det första var subventionsprogrammet i Japan och sedan inköpsprissystemet i Tyskland. Därefter har liknande system införts i ett antal andra länder.

Solcellsenergi är den vanligaste förnybara energikällan idag och är också en mycket snabbväxande industri. Den är allmänt installerad på byggnaders tak samt på mark som inte kan användas för jordbruksarbete.

De senaste trenderna omfattar även vatteninstallationer i form av flytande solcellssystem och agro-solcellsanläggningar, som kombinerar solcellsanläggningar med jordbruksproduktion.