Skąd wzięły się ogniwa fotowoltaiczne?

W kontekście odnawialnych źródeł energii najwięcej mówi się o ogniwach fotowoltaicznych i wykorzystywaniu energii słonecznej. Większość z nas prawdopodobnie jednak nie wie jak one powstały i skąd wziął się pomysł na nie? Przede wszystkim zaskakujący może być fakt, że pierwsze pomysły na wykorzystanie energii słonecznej zrodziły się w umysłach fizyków już w XIX wieku. Za najważniejszą osobę należy tutaj uznać Antoine’a Césara Becquerela, nie jest to jednak ten słynny Becquerel, który wraz z Marią Skłodowską-Curie i Piotrem Curie otrzymał Nagrodę Nobla za badania dotyczące promieniotwórczości. Bowiem to od nazwiska Henriego Becquerela pochodzi nazwa jednostki miary aktywności promieniotwórczej.

Antoine César Becquerel prowadził swoje badania kilkadziesiąt lat wcześniej. Rezultaty tych istotnych dla przyszłej fotowoltaiki zostały przez niego opublikowane w roku 1839. Zgodnie z nimi i jego obserwacjami padające na niektóre substancje światło słoneczne powoduje przepływ prądu. Konkretnie stwierdził, że na naświetlanej elektrodzie zanurzonej w elektrolicie występuje potencjał elektryczny.

Pierwsze działające ogniwo zostało jednak stworzone dopiero w 1883 roku. Jego twórcą był amerykański wynalazca Charles Fritts. Skonstruowane przez niego ogniwo wykorzystywały selen i złoto. Trzeba jednak podkreślić jego wyjątkowo niską efektywność, bowiem szacuje się, że tylko około 1-2% absorbowanego przez to ogniwo światła słonecznego było przekształcanych w prąd elektryczny.

Kilka przełomowych momentów dla badań nad zjawiskiem fotowoltaicznym przyniósł początek XX wieku. Pierwszym z naukowców, którzy wnieśli swój wkład w rozwój tej płaszczyzny badań był Philipp Eduard Anton von Lenard. Był on niemieckim fizykiem, w tym profesorem Śląskiego Uniwersytetu im. Fryderyka Wilhelma we Wrocławiu. W roku 1902 opublikował wyniki prowadzonych przez siebie w XIX wieku badań, które zostały zebrane w Über lichtelektrische Wirkung (o działaniu fotoelektrycznym). Badania Lenarda zostały w 1905 roku uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Badaniami w opisywanym temacie zajmował się także Albert Einstein, który również otrzymał za nie w 1921 roku Nagrodę Nobla. Słynnemu fizykowi udało się m.in. odkryć prawa rządzące efektem fotoelektrycznym.

Sześć lat później zaczęto testować ogniwa stworzone z nowych materiałów. Tym razem była to miedź i tlenek miedziowy. Nie były one znacząco wydajniejsze od wcześniejszych, selenowych, jednakże w latach 30 zaczęto wykorzystywać je w przemyśle, głównie w urządzeniach światłoczułych stosowanych w fotografice. Z kolei w roku 1932 odkryto występowanie efektu fotowoltaicznego w selenku kadmu.

Kolejnym przełomem okazało się wykorzystanie krzemu i w tym kontekście warto wspomnieć o pewnym polskim akcencie. Jeszcze w latach 1916-1918 roku inżynier chemik Jan Czochralski pracował nad tzw. metodę wytwarzania monokryształów metali, a na jej podstawie opracował sposób produkcji kryształów krzemu. Jego badania znalazły zastosowanie nie tylko w kontekście samej budowy ogniw, ale także przykładowo rozwiązano przy ich pomocy problem zasilania obiektów wysyłanych w kosmosie. Niestety Jan Czochralski zmarł w 1953 roku, nie mógł zatem już być świadkiem kolejnych przełomowych wydarzeń, do których przyczyniły się jego badania.

Już bowiem rok później trójka amerykańskich naukowców: Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson zaprezentowała ogniwo, którego sprawność wynosiła 6%. Jednak wciąż nie była to wartość wystarczająca dla wejścia tych ogniw do masowej produkcji. W roku 1958 udało się uzyskać 9%, dokonało tego Hoffman Electronics, zaś NASA zaczęła wykorzystywać je do zasilania wysyłanych na orbitę satelitów. To samo przedsiębiorstwo pod koniec lat 50. XX wieku zwiększyło sprawność ogniw do 14%.

Przez kolejnych 50 lat koszt produkcji ogniw stopniowo się zmniejszał. Szczególnie widoczne stało się to w latach 70, kiedy ich cena spadła do 20 dolarów. Pod koniec lat 70. NASA’s Lewis Research Center skonstruowała system ogniw, który zasilał 15 domów znajdujących się w indiańskiej wiosce. Na przełomie lat 80. i 90. sprawność ogniw wynosiła już ponad 20%. Część obserwatorów uważa, że do zwiększenia zainteresowania energetyką słoneczną przyczynił się słynny kryzys naftowy z lat 70. natomiast lata 90. przyniosły już znacznie dynamiczniejszy rozwój tej płaszczyzny energetyki oraz spektakularne wydarzenia, takie jak loty Pathfindera oraz Solar Challenger i Challenger 2.