تاريخ الخلايا الكهروضوئية ، كيف تم إنشاء الألواح الشمسية الأولى
الاكتشافات والتجارب والنظريات
يبدأ تاريخ الخلايا الكهروضوئية باكتشاف التأثير الكهروضوئي. استنتاج مفاده أن التيار بين الأقطاب المعدنية المغمورة في محلول (سائل) يختلف باختلاف شدة الإضاءة ، قدمه ألكسندر إدموند بيكريل إلى أكاديمية العلوم الفرنسية في اجتماعها يوم الاثنين 29 يوليو 1839 ، ونشر مقالاً فيما بعد.
يُطلق على والده ، أنطوان سيزار بيكريل ، أحيانًا اسم المكتشف. قد يكون هذا بسبب حقيقة أن إدموند بيكريل كان يبلغ من العمر 20 عامًا فقط وقت النشر وكان لا يزال يعمل في مختبر والده.
كان العالم الاسكتلندي العظيم جيمس كليرك ماكسويل من بين العديد من العلماء الأوروبيين الذين أثار اهتمامهم سلوك السيلينيوم ، الذي لفت انتباه المجتمع العلمي لأول مرة في مقال بقلم ويلوبي سميث نُشر في مجلة جمعية مهندسي التلغراف في عام 1873.
استخدم سميث ، كبير المهندسين الكهربائيين في شركة جوتا بيرشا ، قضبان السيلينيوم في أواخر ستينيات القرن التاسع عشر في جهاز لاكتشاف الأعطال في الكابلات عبر المحيط الأطلسي قبل الغوص. بينما تعمل قضبان السيلينيوم جيدًا في الليل ، كانت تعمل بشكل رهيب عندما تشرق الشمس.
شكك سميث في أن الخصائص الخاصة للسيلينيوم لها علاقة بكمية الضوء الساقط عليها ، ووضع القضبان في صندوق بغطاء منزلق. عندما تم إغلاق الدرج وإطفاء الأنوار ، كانت مقاومة القضبان - الدرجة التي تعيق مرور التيار الكهربائي من خلالها - قصوى وظلت ثابتة. ولكن عندما تمت إزالة غطاء الصندوق ، زادت موصليةها على الفور "وفقًا لشدة الضوء".
من بين الباحثين الذين درسوا تأثير الضوء على السيلينيوم بعد تقرير سميث عالمان بريطانيان ، البروفيسور ويليام جريلز آدامز وتلميذه ريتشارد إيفانز داي.
في أواخر سبعينيات القرن التاسع عشر ، أخضعوا عنصر السيلينيوم للعديد من التجارب ، وفي إحدى هذه التجارب أشعلوا شمعة بجوار قضبان السيلينيوم التي كان سميث يستخدمها. يتفاعل السهم الموجود على عدادهم على الفور. تسبب حماية السيلينيوم من الضوء في انخفاض الإبرة على الفور إلى الصفر.
هذه التفاعلات السريعة تحول دون احتمال أن تنتج حرارة لهب الشمعة تيارًا ، لأنه عندما يتم توفير الحرارة أو إزالتها في التجارب الكهروحرارية، فإن الإبرة ترتفع أو تنخفض ببطء دائمًا. وخلص الباحثون إلى أنه «لذلك ، كان من الواضح أن التيار لا يمكن إطلاقه إلا في السيلينيوم تحت تأثير الضوء». أطلق آدامز وداي على التيار الذي ينتجه الضوء "الكهروضوئية".
على عكس التأثير الكهروضوئي الذي لاحظه بيكريل ، عندما يتغير التيار في خلية كهربائية تحت تأثير الضوء ، في هذه الحالة تم توليد الجهد الكهربائي (والتيار) بدون تأثير مجال كهربائي خارجي فقط تحت تأثير الضوء.
ابتكر Adams and Day نموذجًا لنظام كهروضوئيًا مركّزًا ، والذي قدموه للعديد من الشخصيات البارزة في إنجلترا ، لكنهم لم يستخدموه عمليًا.
خالق آخر الخلايا الضوئية على أساس السيلينيوم كان المخترع الأمريكي تشارلز فريتس في عام 1883.
قام بنشر طبقة رقيقة عريضة من السيلينيوم على لوح معدني وغطاه بغشاء رقيق شفاف من أوراق الذهب. قال فريتز إن هذه الوحدة من السيلينيوم أنتجت تيارًا "مستمرًا وثابتًا وقوة كبيرة ... ليس فقط في ضوء الشمس ، ولكن أيضًا في ضوء النهار الضعيف المنتشر وحتى ضوء المصباح.
لكن كفاءة الخلايا الكهروضوئية كانت أقل من 1٪. ومع ذلك ، كان يعتقد أن بإمكانهم منافسة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في Edison.
ألواح شمسية من السيلينيوم المذهبة من صنع تشارلز فريتس على سطح مدينة نيويورك عام 1884.
أرسل فريتز أحد ألواحه الشمسية إلى فيرنر فون سيمنز ، الذي كانت سمعته مساوية لسمعة إديسون.
أعجبت شركة سيمنز بالطاقة الكهربائية للوحات عندما أضاءت لدرجة أن عالم ألماني مشهور قدم لوحة فريتس إلى الأكاديمية الملكية في بروسيا. وقالت شركة سيمنز للعالم العلمي إن الوحدات الأمريكية "قدمت لنا لأول مرة التحويل المباشر للطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية".
استجاب قليل من العلماء لدعوة شركة سيمنز. بدا أن هذا الاكتشاف يتعارض مع كل ما يعتقده العلم في ذلك الوقت.
لم تعتمد قضبان السيلينيوم التي استخدمتها لوحات Adams and Day and Frith "السحرية" على الأساليب المعروفة للفيزياء لتوليد الطاقة. لذلك ، استبعدتهم الغالبية من نطاق البحث العلمي الإضافي.
تم وصف المبدأ الفيزيائي للظاهرة الكهروضوئية نظريًا من قبل ألبرت أينشتاين في بحثه عام 1905 عن المجال الكهرومغناطيسي ، والذي طبقه على المجال الكهرومغناطيسي ، والذي نشره ماكس كارل إرنست لودفيج بلانك في مطلع القرن.
يوضح تفسير أينشتاين أن طاقة الإلكترون المنطلق تعتمد فقط على تردد الإشعاع (طاقة الفوتون) وعدد الإلكترونات من شدة الإشعاع (عدد الفوتونات). حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 بسبب عمله في تطوير الفيزياء النظرية ، وخاصة اكتشاف قوانين التأثير الكهروضوئي.
قدم وصف أينشتاين الجديد الجريء للضوء ، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف الإلكترون والدافع اللاحق لدراسة سلوكه - كل ذلك حدث في أوائل القرن التاسع عشر - للكهرباء الكهروضوئية أساسًا علميًا كان يفتقر إليه سابقًا والذي يمكنه الآن تفسير الظاهرة من حيث مفهوم للعلم.
في مواد مثل السيلينيوم ، تحمل الفوتونات الأكثر قوة طاقة كافية لطرد الإلكترونات غير المحكم من مداراتها الذرية. عندما يتم توصيل الأسلاك بقضبان السيلينيوم ، تتدفق الإلكترونات المحررة عبرها ككهرباء.
أطلق المجربون في القرن التاسع عشر على العملية الكهروضوئية ، ولكن بحلول العشرينات من القرن الماضي ، أطلق العلماء على هذه الظاهرة التأثير الكهروضوئي.
في كتابه عام 1919 عن الخلايا الشمسيةأشاد توماس بنسون بعمل الرواد مع السيلينيوم باعتباره رائدًا لـ "مولد الطاقة الشمسية الحتمي".
ومع ذلك ، مع عدم وجود اكتشافات في الأفق ، لم يستطع رئيس قسم الطاقة الكهروضوئية في وستنجهاوس إلا أن يستنتج: "لن تكون الخلايا الكهروضوئية موضع اهتمام المهندسين العمليين حتى تصبح أكثر كفاءة بخمسين مرة على الأقل."
اتفق مؤلفو الخلايا الكهروضوئية وتطبيقاتها مع التوقعات المتشائمة ، حيث كتبوا في عام 1949: "يجب أن نترك للمستقبل ما إذا كان اكتشاف خلايا أكثر كفاءة من الناحية المادية سيفتح إمكانية استخدام الطاقة الشمسية لأغراض مفيدة."
آليات التأثيرات الكهروضوئية: تأثير الخلايا الضوئية وأنواعها
الخلايا الكهروضوئية في الممارسة العملية
في عام 1940 ، ابتكر Russell Shoemaker Ole بالصدفة السندات الإذنية تقاطع على السيليكون ووجد أنه ينتج الكهرباء عند إضاءته. حصل على براءة اختراع لاكتشافه. الكفاءة حوالي 1٪.
وُلد الشكل الحديث للخلايا الشمسية في عام 1954 في مختبرات بيل. في التجارب على السيليكون المخدر ، تم إنشاء حساسية عالية للضوء. وكانت النتيجة خلية كهروضوئية بكفاءة تبلغ حوالي ستة بالمائة.
كشف المديرون التنفيذيون لشركة Proud Bell عن لوحة Bell Solar في 25 أبريل 1954 ، والتي تضم لوحة من الخلايا التي تعتمد فقط على الطاقة الضوئية لتشغيل عجلة فيريس. في اليوم التالي ، أطلق علماء بيل جهاز إرسال إذاعي يعمل بالطاقة الشمسية يبث الصوت والموسيقى إلى كبار العلماء الأمريكيين المجتمعين في اجتماع في واشنطن.
تم تطوير أول الخلايا الشمسية الكهروضوئية في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي.
كهربائي من شركة Southern Bell يقوم بتجميع الألواح الشمسية في عام 1955.
تم استخدام الخلايا الكهروضوئية كمصدر للكهرباء لتشغيل العديد من الأجهزة منذ أواخر الخمسينيات من القرن الماضي على الأقمار الصناعية الفضائية. كان أول قمر صناعي به خلايا ضوئية هو القمر الصناعي الأمريكي فانجارد 1 (أفانجارد 1) ، الذي أطلق في مداره في 17 مارس 1958.
القمر الصناعي الأمريكي فانجارد 1 ، 1958.
القمر الصناعي فانجارد 1 لا يزال في المدار. أمضى أكثر من 60 عامًا في الفضاء (يعتبر أقدم كائن من صنع الإنسان في الفضاء).
كان Vanguard I أول قمر صناعي يعمل بالطاقة الشمسية وكانت خلاياه الشمسية توفر الطاقة للقمر الصناعي لمدة سبع سنوات. توقفت عن إرسال إشارات إلى الأرض في عام 1964 ، ولكن منذ ذلك الحين استمر الباحثون في استخدامها لاكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير الشمس والقمر والغلاف الجوي للأرض على الأقمار الصناعية التي تدور حولها.
القمر الصناعي الأمريكي Explorer 6 مع الألواح الشمسية المرتفعة ، 1959.
مع استثناءات قليلة ، فهو المصدر الرئيسي للكهرباء للأجهزة التي من المتوقع أن تعمل لفترة طويلة. تبلغ السعة الإجمالية للألواح الكهروضوئية في محطة الفضاء الدولية (ISS) 110 كيلو واط في الساعة.
الألواح الشمسية في الفضاء
كانت أسعار الخلايا الكهروضوئية الأولى في الخمسينيات من القرن الماضي آلاف الدولارات لكل واط من الطاقة المقدرة ، وقد تجاوز استهلاك الطاقة لإنتاجها كمية الكهرباء التي أنتجتها هذه الخلايا في حياتها.
كان السبب ، بصرف النظر عن الكفاءة المنخفضة ، أنه تم استخدام نفس الإجراءات التكنولوجية واستهلاك الطاقة بشكل كبير في إنتاج الخلايا الكهروضوئية كما هو الحال في إنتاج الرقائق الدقيقة.
في الظروف الأرضية ، تم استخدام الألواح الكهروضوئية لأول مرة لتشغيل الأجهزة الصغيرة في المواقع البعيدة أو ، على سبيل المثال ، في العوامات ، حيث سيكون من الصعب للغاية أو المستحيل توصيلها بشبكة الطاقة. الميزة الرئيسية للألواح الكهروضوئية على مصادر الكهرباء الأخرى هي أنها لا تحتاج إلى وقود وصيانة.
ظهرت أول الألواح الكهروضوئية ذات الإنتاج الضخم في السوق في عام 1979.
زاد الاهتمام بالخلايا الكهروضوئية كمصدر للطاقة على الأرض ، وكذلك في مصادر الطاقة المتجددة الأخرى ، بسبب أزمة النفط في السبعينيات.
منذ ذلك الحين ، تم إجراء بحث وتطوير مكثف ، مما أدى إلى زيادة الكفاءة وانخفاض الأسعار وعمر أطول للخلايا والألواح الكهروضوئية. في الوقت نفسه ، انخفضت كثافة الطاقة في الإنتاج لدرجة أن اللوحة تولد طاقة أكثر بكثير مما تم استخدامه في إنتاجها.
يرجع تاريخ أقدم الهياكل الساحلية الكبيرة (التي لا تزال قيد الاستخدام) إلى أوائل الثمانينيات. في ذلك الوقت ، كانت خلايا السيليكون البلورية لا تزال مهيمنة تمامًا ، وتم تأكيد عمر الخدمة في ظروف حقيقية لا تقل عن 30 عامًا.
بناءً على الخبرة ، يضمن المصنعون أن أداء اللوحة سينخفض بحد أقصى 20٪ بعد 25 عامًا (ومع ذلك ، فإن نتائج التركيبات المذكورة أفضل بكثير). بالنسبة للأنواع الأخرى من اللوحات ، يتم تقدير عمر الخدمة بناءً على الاختبار المعجل.
بالإضافة إلى خلايا السيليكون أحادية البلورية الأصلية ، تم تطوير عدد من الأنواع الجديدة من الخلايا الكهروضوئية على مر السنين ، كل من الأغشية البلورية والرقيقة... ومع ذلك ، لا يزال السيليكون هو المادة المهيمنة في الخلايا الكهروضوئية.
شهدت التكنولوجيا الكهروضوئية طفرة كبيرة منذ عام 2008 ، عندما بدأت أسعار السيليكون البلوري في الانخفاض بسرعة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى نقل الإنتاج إلى الصين ، التي كانت في السابق لاعبًا أقلية في السوق (تركزت غالبية إنتاج الخلايا الكهروضوئية في اليابان ، الولايات المتحدة وإسبانيا وألمانيا).
أصبحت الخلايا الكهروضوئية منتشرة على نطاق واسع فقط مع إدخال أنظمة دعم مختلفة. الأول كان برنامج الدعم في اليابان ثم نظام سعر الشراء في ألمانيا. بعد ذلك ، تم إدخال أنظمة مماثلة في عدد من البلدان الأخرى.
الطاقة الكهروضوئية هي أكثر مصادر الطاقة المتجددة شيوعًا اليوم وهي أيضًا صناعة سريعة النمو. يتم تثبيته على نطاق واسع على أسطح المباني وكذلك على الأراضي التي لا يمكن استخدامها في الأعمال الزراعية.
تشمل أحدث الاتجاهات أيضًا منشآت المياه في شكل الأنظمة الكهروضوئية العائمة والمنشآت الكهروضوئية ، التي تجمع بين التركيبات الكهروضوئية والإنتاج الزراعي.