ההיסטוריה של הפוטו-וולטאים, כיצד נוצרו הפאנלים הסולאריים הראשונים
תגליות, ניסויים ותיאוריות
ההיסטוריה של הפוטו-וולטאים מתחילה בגילוי האפקט הפוטואלקטרי. המסקנה לפיה הזרם בין אלקטרודות מתכת הטבולות בתמיסה (נוזל) משתנה בהתאם לעוצמת ההארה הוצגה בפני האקדמיה הצרפתית למדעים בפגישתה ביום שני, 29 ביולי 1839, על ידי אלכסנדר אדמונד בקארל. לאחר מכן פרסם מאמר.
אביו, אנטואן סזאר בקארל, נקרא לפעמים המגלה. ייתכן שהסיבה לכך היא שאדמונד בקארל היה רק בן 20 בזמן הפרסום ועדיין עבד במעבדה של אביו.
המדען הסקוטי הגדול ג'יימס קלרק מקסוול היה בין מדענים אירופאים רבים שהסתקרנו מהתנהגות הסלניום, שהובאה לראשונה לידיעת הקהילה המדעית במאמר מאת ווילובי סמית' שפורסם בכתב העת של האגודה של מהנדסי טלגרף ב-1873.
סמית', מהנדס חשמל ראשי של חברת Gutta Percha, השתמש במוטות סלניום בסוף שנות ה-60 במכשיר כדי לזהות תקלות בכבלים טרנס-אטלנטיים לפני צלילה. בעוד מוטות הסלניום עבדו היטב בלילה, הם עבדו נורא כשהשמש יצאה.
בחשד שלתכונות המיוחדות של סלניום יש קשר לכמות האור הנופלת עליו, סמית הניח את המוטות בקופסה עם מכסה הזזה. כשהמגירה נסגרה והאורות כבו, ההתנגדות של המוטות - המידה שבה הם מונעים את מעבר זרם חשמלי דרכם - הייתה מקסימלית ונשארה קבועה. אך כאשר הוסר מכסה הקופסה, המוליכות שלהם מיד "גדלה בהתאם לעוצמת האור".
בין החוקרים שחקרו את השפעת האור על סלניום לאחר הדו"ח של סמית' היו שני מדענים בריטים, פרופסור וויליאם גרילס אדמס ותלמידו ריצ'רד אוונס דיי.
בסוף שנות ה-70 הם הכניסו סלניום לניסויים רבים, ובאחד מהניסויים הללו הדליקו נר ליד מוטות הסלניום שבהם השתמש סמית. החץ במונה שלהם מגיב מיד. מיגון הסלניום מאור גרם למחט לרדת מיד לאפס.
תגובות מהירות אלו מונעות את האפשרות שחום להבת הנר יפיק זרם, שכן כאשר חום מסופק או מוסר בניסויים תרמו-אלקטריים, המחט תמיד עולה או יורדת לאט. "לכן", סיכמו החוקרים, "היה ברור שניתן לשחרר את הזרם רק בסלניום בפעולת האור." אדמס ודיי כינו את הזרם שמפיק האור "פוטו-וולטאי".
בשונה מהאפקט הפוטואלקטרי שצפה בקרל, כאשר הזרם בתא חשמלי השתנה בפעולת האור, במקרה זה המתח החשמלי (והזרם) נוצר ללא פעולת שדה חשמלי חיצוני רק בפעולת האור.
אדמס ודיי אף יצרו דגם של מערכת פוטו-וולטאית מרוכזת, אותו הציגו בפני אנשים בולטים רבים באנגליה, אך לא הביאו אותו לשימוש מעשי.
עוד יוצר תאים פוטו-וולטאיים המבוסס על סלניום היה הממציא האמריקאי צ'ארלס פריטס ב-1883.
הוא פרש שכבה דקה רחבה של סלניום על לוחית מתכת וכיסה אותה בסרט שקוף דק של עלי זהב. מודול זה של סלניום, אמר פריץ, הפיק זרם "רציף, יציב ובעל חוזק ניכר... לא רק ב אור שמש, אבל גם באור יום חלש ומפוזר ואפילו אור מנורה'.
אבל היעילות של התאים הפוטו-וולטאיים שלו הייתה פחות מ-1%. עם זאת, הוא האמין שהם יכולים להתחרות בתחנות הכוח הפחמיות של אדיסון.
פאנלים סולאריים מוזהבים של צ'ארלס פריטס על גג ניו יורק בשנת 1884.
פריץ שלח את אחד הפאנלים הסולאריים שלו לוורנר פון סימנס, שהמוניטין שלו היה שווה לזה של אדיסון.
סימנס כל כך התרשמה מהכוח החשמלי של הלוחות כשהם דולקים, עד שמדען גרמני מפורסם הציג את פאנל פריטס בפני האקדמיה המלכותית בפרוסיה. סימנס אמרה לעולם המדעי שהמודולים האמריקאים "הציגו לנו בפעם הראשונה את ההמרה הישירה של אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית".
מעטים המדענים שענו לקריאתה של סימנס. נראה שהתגלית סותרת את כל מה שהמדע האמין אז.
מוטות הסלניום ששימשו את לוחות ה"קסם" של אדמס ודי ופרית' לא הסתמכו על שיטות הידועות לפיזיקה להפקת אנרגיה. לכן, הרוב הדיר אותם מתחום המחקר המדעי הנוסף.
העיקרון הפיזיקלי של התופעה הפוטואלקטרית תואר תיאורטית על ידי אלברט איינשטיין במאמרו משנת 1905 על השדה האלקטרומגנטי, אותו יישם על השדה האלקטרומגנטי, שפורסם על ידי מקס קרל ארנסט לודוויג פלאנק בתחילת המאה.
ההסבר של איינשטיין מראה שהאנרגיה של אלקטרון משוחרר תלויה רק בתדירות הקרינה (אנרגיית הפוטונים) ובמספר האלקטרונים מעוצמת הקרינה (מספר הפוטונים). על עבודתו בפיתוח הפיזיקה התיאורטית, במיוחד גילוי חוקי האפקט הפוטואלקטרי, זכה איינשטיין בפרס נובל לפיזיקה ב-1921.
התיאור החדש והנועז של איינשטיין של האור, בשילוב עם גילוי האלקטרון והדחף שלאחר מכן לחקור את התנהגותו - כולם התרחשו בתחילת המאה ה-19 - סיפקו לפוטואלקטריות בסיס מדעי שהיה חסר לו בעבר ואשר יכול היה כעת להסביר את התופעה במונחים מובן למדע.
בחומרים כמו סלניום, הפוטונים החזקים יותר נושאים מספיק אנרגיה כדי להפיל אלקטרונים הקשורים באופן רופף ממסלוליהם האטומיים. כאשר החוטים מחוברים למוטות הסלניום, האלקטרונים המשוחררים זורמים דרכם כחשמל.
נסיינים מהמאה התשע-עשרה כינו את התהליך פוטו-וולטאי, אבל בשנות העשרים של המאה ה-20, מדענים כינו את התופעה האפקט הפוטואלקטרי.
בספרו משנת 1919 על תאים סולארייםתומס בנסון שיבח את עבודתם של החלוצים עם סלניום כמבשר של "המחולל הסולארי הבלתי נמנע".
עם זאת, ללא תגליות באופק, ראש החטיבה הפוטו-וולטאית של וסטינגהאוס יכול היה רק להסיק: "תאים פוטו-וולטאיים לא יעניינו הנדסאים עד שהם יהיו יעילים לפחות פי חמישים".
מחברי ה-Photovoltaics and Its Applications הסכימו עם התחזית הפסימית, וכתבו ב-1949: "יש להשאיר לעתיד אם גילוי תאים יעילים יותר מבחינה מהותית תפתח את האפשרות להשתמש באנרגיה סולארית למטרות שימושיות".
מנגנונים של אפקטים פוטו-וולטאיים: אפקט פוטו וולטאי וזנייו
פוטו-וולטאים בפועל
בשנת 1940, ראסל סנדלר אולה יצר בטעות צומת PN על סיליקון וגילו שהוא מייצר חשמל כשהוא מואר. הוא רשם פטנט על הגילוי שלו. היעילות היא כ-1%.
הצורה המודרנית של תאים סולאריים נולדה ב-1954 במעבדות בל. בניסויים עם סיליקון מסומם, נקבעה הרגישות הגבוהה שלו לאור. התוצאה הייתה תא פוטו-וולטאי ביעילות של כשישה אחוזים.
מנהלי בל הגאים חושפים את הפאנל הסולארי של בל ב-25 באפריל 1954, הכולל פאנל של תאים המסתמכים אך ורק על אנרגיית אור כדי להפעיל את הגלגל הענק. למחרת, השיקו מדעני בל משדר רדיו מופעל סולארי שמשדר קול ומוזיקה למדענים המובילים באמריקה שהתאספו לפגישה בוושינגטון.
התאים הפוטו-וולטאיים הסולאריים הראשונים פותחו בתחילת שנות ה-50.
חשמלאי סאות'רן בל מרכיב פאנל סולארי ב-1955.
תאים פוטו-וולטאיים שימשו כמקור חשמל להפעלת מכשירים שונים מאז סוף שנות ה-50 בלווייני חלל. הלוויין הראשון עם תאי פוטו היה הלוויין האמריקאי Vanguard I (Avangard I), ששוגר למסלול ב-17 במרץ 1958.
הלוויין האמריקאי Vanguard I, 1958.
הלוויין Vanguard I עדיין במסלול. הוא בילה יותר מ-60 שנה בחלל (נחשב לעצם מעשה ידי אדם העתיק ביותר בחלל).
Vanguard I היה הלוויין המופעל על ידי השמש הראשון והתאים הסולאריים שלו סיפקו חשמל ללווין במשך שבע שנים. הוא הפסיק לשלוח אותות לכדור הארץ ב-1964, אך מאז חוקרים עדיין השתמשו בו כדי לקבל תובנה לגבי האופן שבו השמש, הירח והאטמוספירה של כדור הארץ משפיעים על לוויינים המקיפים אותם.
לוויין אמריקאי Explorer 6 עם פאנלים סולאריים מוגבהים, 1959.
למעט יוצאים מן הכלל, זהו מקור החשמל העיקרי למכשירים שצפויים לפעול לאורך זמן. הקיבולת הכוללת של הפאנלים הפוטו-וולטאיים בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) היא 110 קוט"ש.
פאנלים סולאריים בחלל
המחירים של התאים הפוטו-וולטאיים הראשונים בשנות ה-50 של המאה ה-20 היו אלפי דולרים לוואט הספק נקוב, וצריכת האנרגיה לייצורם עלתה על כמות החשמל שהתאים הללו ייצרו במהלך חייהם.
הסיבה הייתה, מלבד היעילות הנמוכה, שבפועל נעשה שימוש באותם הליכים טכנולוגיים ועתירי אנרגיה בייצור תאים פוטו-וולטאיים כמו בייצור של שבבים.
בתנאים יבשתיים, פאנלים פוטו-וולטאיים שימשו תחילה להפעלת מכשירים קטנים במקומות מרוחקים או, למשל, על מצופים, שם יהיה קשה מאוד או בלתי אפשרי לחבר אותם לרשת החשמל. היתרון העיקרי של פאנלים פוטו-וולטאיים על פני מקורות חשמל אחרים הוא שהם אינם זקוקים לדלק ולתחזוקה.
הפאנלים הפוטו-וולטאיים הראשונים בייצור המוני הופיעו בשוק בשנת 1979.
העניין המוגבר בפוטו-וולטאים כמקור אנרגיה על פני כדור הארץ, כמו גם במקורות מתחדשים אחרים, ניזון על ידי משבר הנפט של שנות ה-70.
מאז, בוצעו מחקר ופיתוח אינטנסיביים, שהביאו ליעילות גבוהה יותר, מחירים נמוכים יותר וחיים ארוכים יותר של תאים ופאנלים פוטו-וולטאיים. יחד עם זאת, עצימות האנרגיה של הייצור ירדה עד כדי כך שהפאנל מייצר פי כמה יותר אנרגיה ממה שנוצל לייצורו.
מבני החוף הגדולים העתיקים ביותר (עדיין בשימוש) הם מתחילת שנות ה-80. באותו זמן, תאי סיליקון גבישי עדיין נשלטו לחלוטין, שחיי השירות שלהם אושרו בתנאים אמיתיים של לפחות 30 שנה.
על סמך ניסיון, היצרנים מבטיחים שביצועי הפאנל יפחתו ב-20% לכל היותר לאחר 25 שנה (עם זאת, התוצאות של ההתקנות הנזכרות טובות בהרבה). עבור סוגים אחרים של לוחות, חיי השירות נאמדים על סמך בדיקות מואצות.
בנוסף לתאי הסיליקון החד-גבישיים המקוריים, פותחו במהלך השנים מספר סוגים חדשים של תאים פוטו-וולטאיים, גם סרט גבישי וגם דק... עם זאת, סיליקון הוא עדיין החומר הדומיננטי בפוטו-וולטאים.
הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית חוותה פריחה גדולה מאז 2008, כאשר מחירי הסיליקון הגבישיים החלו לרדת במהירות, בעיקר בשל העברת הייצור לסין, שהייתה בעבר שחקנית מיעוט בשוק (רוב הייצור הפוטו-וולטאי התרכז ביפן, ארה"ב, ספרד וגרמניה).
הפוטו-וולטאים הפכו לנפוצים רק עם כניסתן של מערכות תמיכה שונות. הראשון היה תוכנית הסובסידיה ביפן ולאחר מכן שיטת מחירי הרכישה בגרמניה. לאחר מכן, הוצגו מערכות דומות במספר מדינות נוספות.
אנרגיה פוטו-וולטאית היא מקור האנרגיה המתחדשת הנפוץ ביותר כיום והיא גם תעשייה שצומחת במהירות רבה. הוא מותקן באופן נרחב על גגות מבנים וכן על קרקע שאינה יכולה לשמש לעבודות חקלאיות.
הטרנדים האחרונים כוללים גם מתקני מים בצורה של מערכות פוטו-וולטאיות צפות ומתקנים אגרו-פוטו-וולטאיים, המשלבים מתקנים פוטו-וולטאיים עם ייצור חקלאי.