La història de la fotovoltaica, com es van crear les primeres plaques solars
Descobriments, experiments i teories
La història de la fotovoltaica comença amb el descobriment de l'efecte fotoelèctric. La conclusió que el corrent entre elèctrodes metàl·lics immersos en una solució (líquid) varia amb la intensitat de la il·luminació va ser presentada a l'Acadèmia Francesa de Ciències en la seva reunió del dilluns 29 de juliol de 1839 per Alexandre Edmond Becquerel, que posteriorment va publicar un article.
El seu pare, Antoine César Becquerel, és anomenat de vegades el descobridor. Això pot ser degut al fet que Edmond Becquerel només tenia 20 anys en el moment de la publicació i encara treballava al laboratori del seu pare.
El gran científic escocès James Clerk Maxwell es trobava entre molts científics europeus intrigats pel comportament del seleni, que es va cridar per primera vegada a l'atenció de la comunitat científica en un article de Willoughby Smith publicat al Journal of the Society of Telegraph Engineers el 1873.
Smith, enginyer elèctric en cap de la Gutta Percha Company, va utilitzar barres de seleni a finals de la dècada de 1860 en un dispositiu per detectar fallades en els cables transatlàntics abans de bussejar. Tot i que les barres de seleni funcionaven bé a la nit, funcionaven terriblement quan sortia el sol.
Sospitant que les propietats especials del seleni tenien alguna cosa a veure amb la quantitat de llum que hi cau, Smith va col·locar les barres en una caixa amb una tapa lliscant. Quan es tancava el calaix i s'apagaven els llums, la resistència de les varetes —el grau en què impedeixen el pas del corrent elèctric a través d'elles— era màxima i es mantenia constant. Però quan es va treure la tapa de la caixa, la seva conductivitat immediatament "va augmentar d'acord amb la intensitat de la llum".
Entre els investigadors que van estudiar l'efecte de la llum sobre el seleni després de l'informe de Smith hi havia dos científics britànics, el professor William Grylls Adams i el seu estudiant Richard Evans Day.
A finals de la dècada de 1870, van sotmetre el seleni a molts experiments, i en un d'aquests experiments van encendre una espelma al costat de les barres de seleni que feia servir Smith. La fletxa del seu comptador reacciona immediatament. Protegir el seleni de la llum va fer que l'agulla caigués immediatament a zero.
Aquestes reaccions ràpides impedeixen la possibilitat que la calor de la flama de l'espelma produeixi un corrent, ja que quan es subministra o elimina calor en experiments termoelèctrics, l'agulla sempre puja o baixa lentament. "Per tant", van concloure els investigadors, "estava clar que el corrent només es podia alliberar en seleni sota l'acció de la llum". Adams i Day van anomenar el corrent produït per la llum "fotovoltaic".
A diferència de l'efecte fotoelèctric observat per Becquerel, quan el corrent en una cèl·lula elèctrica canviava sota l'acció de la llum, en aquest cas el voltatge elèctric (i el corrent) es generava sense l'acció d'un camp elèctric extern només sota l'acció de la llum.
Adams i Day fins i tot van crear un model d'un sistema fotovoltaic concentrat, que van presentar a moltes persones destacades a Anglaterra, però no el van portar a un ús pràctic.
Un altre creador cèl·lules fotovoltaiques basat en el seleni va ser l'inventor nord-americà Charles Fritts el 1883.
Va estendre una àmplia capa fina de seleni sobre una placa metàl·lica i la va cobrir amb una fina pel·lícula translúcida de fulla d'or. Aquest mòdul de seleni, va dir Fritz, va produir un corrent "continu, constant i de força considerable... no només en la llum del sol, però també a la llum del dia feble i difusa i fins i tot a la llum del llum».
Però l'eficiència de les seves cèl·lules fotovoltaiques era inferior a l'1%. Tanmateix, creia que podien competir amb les centrals elèctriques de carbó d'Edison.
Els panells solars de seleni daurats de Charles Fritts a un terrat de la ciutat de Nova York el 1884.
Fritz va enviar un dels seus panells solars a Werner von Siemens, la reputació del qual era igual a la d'Edison.
Siemens va quedar tan impressionat per la potència elèctrica dels panells quan es van encendre que un famós científic alemany va presentar el panell Fritts a la Reial Acadèmia de Prússia. Siemens va dir al món científic que els mòduls americans "ens van presentar per primera vegada la conversió directa de l'energia lluminosa en energia elèctrica".
Pocs científics han fet cas a la crida de Siemens. El descobriment semblava contradir tot el que la ciència creia en aquell moment.
Les barres de seleni utilitzades pels panells "màgics" d'Adams i Day i Frith no es basaven en mètodes coneguts per la física per generar energia. Per tant, la majoria els va excloure de l'àmbit de la investigació científica posterior.
El principi físic del fenomen fotoelèctric va ser descrit teòricament per Albert Einstein en el seu article de 1905 sobre el camp electromagnètic, que va aplicar al camp electromagnètic, publicat per Max Karl Ernst Ludwig Planck a principis de segle.
L'explicació d'Einstein mostra que l'energia d'un electró alliberat depèn només de la freqüència de la radiació (energia fotogràfica) i del nombre d'electrons de la intensitat de la radiació (nombre de fotons). Va ser pel seu treball en el desenvolupament de la física teòrica, especialment pel descobriment de les lleis de l'efecte fotoelèctric, que Einstein va rebre el Premi Nobel de Física el 1921.
La nova descripció atrevida d'Einstein de la llum, combinada amb el descobriment de l'electró i el posterior impuls d'estudiar-ne el comportament —tot es va produir a principis del segle XIX— va proporcionar a la fotoelectricitat una base científica que abans no tenia i que ara podria explicar el fenomen en termes comprensible per a la ciència.
En materials com el seleni, els fotons més potents porten prou energia per expulsar els electrons poc lligats de les seves òrbites atòmiques. Quan els cables estan connectats a les barres de seleni, els electrons alliberats flueixen a través d'ells com a electricitat.
Els experimentadors del segle XIX van anomenar el procés fotovoltaic, però a la dècada de 1920, els científics van anomenar el fenomen efecte fotoelèctric.
En el seu llibre de 1919 sobre cèl·lules solarsThomas Benson va elogiar el treball dels pioners amb el seleni com a precursor del "generador solar inevitable".
Tanmateix, sense descobriments a l'horitzó, el cap de la divisió fotovoltaica de Westinghouse només va poder concloure: "Les cèl·lules fotovoltaiques no seran d'interès per als enginyers pràctics fins que siguin almenys cinquanta vegades més eficients".
Els autors de Photovoltaics and Its Applications van coincidir amb la previsió pessimista, escrivint el 1949: "S'ha de deixar al futur si el descobriment de cèl·lules materialment més eficients obrirà la possibilitat d'utilitzar l'energia solar amb finalitats útils".
Mecanismes d'efectes fotovoltaics: Efecte fotovoltaic i les seves varietats
La fotovoltaica a la pràctica
El 1940, Russell Shoemaker Ole va crear accidentalment Cruïlla PN sobre silici i va trobar que produïa electricitat quan s'il·luminava. Va patentar el seu descobriment. L'eficiència és d'un 1%.
La forma moderna de cèl·lules solars va néixer l'any 1954 als Laboratoris Bell. En experiments amb silici dopat, es va establir la seva alta fotosensibilitat. El resultat va ser una cèl·lula fotovoltaica amb una eficiència d'un sis per cent.
Els executius de Proud Bell presenten el panell solar Bell el 25 d'abril de 1954, que inclou un panell de cèl·lules que depenen únicament de l'energia de la llum per alimentar la roda de la fortuna. L'endemà, els científics de Bell van llançar un transmissor de ràdio amb energia solar que emetia veu i música als principals científics dels Estats Units reunits per a una reunió a Washington.
Les primeres cèl·lules solars fotovoltaiques es van desenvolupar a principis dels anys cinquanta.
L'electricista de Southern Bell munta un panell solar el 1955.
Les cèl·lules fotovoltaiques s'han utilitzat com a font d'electricitat per alimentar diversos dispositius des de finals de la dècada de 1950 en satèl·lits espacials. El primer satèl·lit amb fotocèl·lules va ser el satèl·lit nord-americà Vanguard I (Avangard I), llançat en òrbita el 17 de març de 1958.
Satèl·lit nord-americà Vanguard I, 1958.
El satèl·lit Vanguard I encara està en òrbita. Va passar més de 60 anys a l'espai (considerat l'objecte artificial més antic de l'espai).
Vanguard I va ser el primer satèl·lit alimentat amb energia solar i les seves cèl·lules solars van proporcionar energia al satèl·lit durant set anys. Va deixar d'enviar senyals a la Terra l'any 1964, però des de llavors els investigadors encara l'han utilitzat per conèixer com el Sol, la Lluna i l'atmosfera terrestre afecten els satèl·lits en òrbita.
Satèl·lit americà Explorer 6 amb panells solars elevats, 1959.
Amb poques excepcions, és la principal font d'electricitat per als dispositius que s'espera que funcionin durant molt de temps. La capacitat total de les plaques fotovoltaiques de l'Estació Espacial Internacional (ISS) és de 110 kWh.
Plaques solars a l'espai
Els preus de les primeres cèl·lules fotovoltaiques a la dècada de 1950 eren de milers de dòlars per watt de potència nominal, i el consum d'energia per produir-les superava la quantitat d'electricitat que aquestes cèl·lules produïen al llarg de la seva vida útil.
El motiu va ser, a part de la baixa eficiència, que pràcticament es van utilitzar els mateixos procediments tecnològics i energètics intensius en la producció de cèl·lules fotovoltaiques que en la producció de microxips.
En condicions terrestres, els panells fotovoltaics es van utilitzar primer per alimentar petits dispositius en llocs remots o, per exemple, en boies, on seria extremadament difícil o impossible connectar-los a la xarxa elèctrica. El principal avantatge de les plaques fotovoltaiques respecte a altres fonts d'electricitat és que no necessiten combustible ni manteniment.
Els primers panells fotovoltaics produïts en sèrie van aparèixer al mercat l'any 1979.
El creixent interès per la fotovoltaica com a font d'energia a la Terra, així com per altres fonts renovables, va ser alimentat per la crisi del petroli dels anys setanta.
Des d'aleshores, s'ha dut a terme una intensa investigació i desenvolupament, que ha donat com a resultat una major eficiència, preus més baixos i una vida útil més llarga de les cèl·lules i panells fotovoltaics. Al mateix temps, la intensitat energètica de producció ha disminuït fins a tal punt que el panell genera moltes vegades més energia de la que es va utilitzar per produir-lo.
Les grans estructures costaneres més antigues (encara en ús) daten de principis dels anys vuitanta. En aquell moment, les cèl·lules de silici cristal·lí encara estaven completament dominades, la vida útil de les quals es va confirmar en condicions reals d'almenys 30 anys.
A partir de l'experiència, els fabricants garanteixen que el rendiment del panell disminuirà com a màxim un 20% després de 25 anys (no obstant això, els resultats de les instal·lacions esmentades són molt millors). Per a altres tipus de panells, la vida útil s'estima a partir de proves accelerades.
A més de les cèl·lules originals de silici monocristal·lí, al llarg dels anys s'han desenvolupat una sèrie de nous tipus de cèl·lules fotovoltaiques, tant pel·lícula cristal·lina com fina… No obstant això, el silici segueix sent el material dominant en la fotovoltaica.
La tecnologia fotovoltaica ha experimentat un gran auge des del 2008, quan els preus del silici cristal·lí van començar a baixar ràpidament, principalment a causa de la transferència de producció a la Xina, que abans era un actor minoritari en el mercat (la majoria de la producció fotovoltaica es concentrava al Japó, el Estats Units, Espanya i Alemanya).
La fotovoltaica només es va generalitzar amb la introducció de diversos sistemes de suport. El primer va ser el programa de subvencions al Japó i després el sistema de preus de compra a Alemanya. Posteriorment, es van introduir sistemes similars en altres països.
L'energia fotovoltaica és la font d'energia renovable més comuna actualment i també és una indústria de creixement molt ràpid. S'instal·la àmpliament a les cobertes dels edificis, així com en terrenys que no es poden utilitzar per a treballs agrícoles.
Les últimes tendències també inclouen instal·lacions d'aigua en forma de sistemes fotovoltaics flotants i instal·lacions agrofotovoltaiques, combinant les instal·lacions fotovoltaiques amb la producció agrícola.