Lịch sử của quang điện, cách các tấm pin mặt trời đầu tiên được tạo ra

Khám phá, thí nghiệm và lý thuyết

Lịch sử quang điện bắt đầu với việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện. Kết luận rằng dòng điện giữa các điện cực kim loại ngâm trong dung dịch (chất lỏng) thay đổi theo cường độ chiếu sáng đã được Alexandre Edmond Becquerel trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Pháp tại cuộc họp vào thứ Hai, ngày 29 tháng 7 năm 1839. Sau đó, ông đã xuất bản bài báo.

Cha của ông, Antoine César Becquerel, đôi khi được gọi là người khám phá. Điều này có thể là do Edmond Becquerel chỉ mới 20 tuổi vào thời điểm xuất bản và vẫn đang làm việc trong phòng thí nghiệm của cha mình.

Nhà khoa học vĩ đại người Scotland James Clerk Maxwell nằm trong số nhiều nhà khoa học châu Âu bị thu hút bởi hành vi của selen, lần đầu tiên được cộng đồng khoa học chú ý trong một bài báo của Willoughby Smith đăng trên Tạp chí của Hiệp hội Kỹ sư Điện báo năm 1873.

Smith, kỹ sư điện trưởng của Công ty Gutta Percha, đã sử dụng các thanh selen vào cuối những năm 1860 trong một thiết bị để phát hiện các lỗi trong cáp xuyên Đại Tây Dương trước khi lặn. Trong khi các thanh selen hoạt động tốt vào ban đêm, chúng hoạt động rất tệ khi mặt trời ló dạng.

Nghi ngờ rằng các tính chất đặc biệt của selen có liên quan đến lượng ánh sáng chiếu vào nó, Smith đặt các thanh này vào một hộp có nắp trượt. Khi đóng ngăn kéo và tắt đèn, điện trở của các thanh - mức độ mà chúng cản trở dòng điện chạy qua - là cực đại và không đổi. Nhưng khi nắp hộp được mở ra, độ dẫn điện của chúng ngay lập tức "tăng theo cường độ ánh sáng".

Trong số những người nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng lên selen sau báo cáo của Smith có hai nhà khoa học người Anh, Giáo sư William Grylls Adams và học trò của ông là Richard Evans Day.

Vào cuối những năm 1870, họ đã đưa selen vào nhiều thí nghiệm, và trong một trong những thí nghiệm này, họ đã thắp một ngọn nến bên cạnh các thanh selen mà Smith đang sử dụng. Mũi tên trên đồng hồ của họ phản ứng ngay lập tức. Che chắn selen khỏi ánh sáng khiến kim ngay lập tức giảm xuống không.

Những phản ứng nhanh này loại trừ khả năng nhiệt của ngọn nến tạo ra dòng điện, vì khi nhiệt được cung cấp hoặc loại bỏ trong thí nghiệm nhiệt điện, kim luôn tăng hoặc giảm chậm. "Do đó", các nhà nghiên cứu kết luận, "rõ ràng là dòng điện chỉ có thể được giải phóng trong selen dưới tác động của ánh sáng." Adams và Day gọi dòng điện do ánh sáng tạo ra là "quang điện".

Không giống như hiệu ứng quang điện mà Becquerel quan sát được, khi dòng điện trong tế bào điện thay đổi dưới tác động của ánh sáng, trong trường hợp này, điện áp (và dòng điện) được tạo ra mà không có tác dụng của điện trường bên ngoài chỉ dưới tác động của ánh sáng.

Adams và Day thậm chí đã tạo ra một mô hình hệ thống quang điện tập trung mà họ đã trình bày cho nhiều người nổi tiếng ở Anh, nhưng không đưa nó vào sử dụng thực tế.

người sáng tạo khác tế bào quang điện dựa trên selen là nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts vào năm 1883.

Fritz cho biết ông trải một lớp selen mỏng rộng trên một tấm kim loại và phủ lên đó một lớp màng mỏng trong mờ bằng lá vàng.Fritz cho biết mô-đun selen này đã tạo ra một dòng điện "liên tục, ổn định và có cường độ đáng kể... ánh sáng mặt trời, mà còn trong ánh sáng ban ngày yếu, khuếch tán và thậm chí cả ánh đèn'.

Nhưng hiệu suất của các tế bào quang điện của anh ta chưa đến 1%. Tuy nhiên, ông tin rằng chúng có thể cạnh tranh với các nhà máy nhiệt điện than của Edison.

Các tấm pin mặt trời selen mạ vàng của Charles Fritts trên một mái nhà ở Thành phố New York vào năm 1884.

Fritz đã gửi một trong những tấm pin mặt trời của mình cho Werner von Siemens, người có tiếng tăm ngang với Edison.

Siemens đã rất ấn tượng với năng lượng điện của các tấm pin khi được thắp sáng đến nỗi một nhà khoa học nổi tiếng người Đức đã tặng tấm pin Fritts cho Học viện Hoàng gia ở Phổ. Siemens nói với giới khoa học rằng các mô-đun của Mỹ "lần đầu tiên cho chúng tôi thấy sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện."

Rất ít nhà khoa học đã chú ý đến lời kêu gọi của Siemens. Phát hiện này dường như mâu thuẫn với mọi điều mà khoa học tin tưởng vào thời điểm đó.

Các thanh selen được sử dụng bởi các bảng "ma thuật" của Adams và Day and Frith không dựa vào các phương pháp vật lý đã biết để tạo ra năng lượng. Do đó, phần lớn loại trừ chúng khỏi phạm vi nghiên cứu khoa học hơn nữa.

Nguyên lý vật lý của hiện tượng quang điện được Albert Einstein mô tả về mặt lý thuyết trong bài báo năm 1905 về trường điện từ mà ông đã áp dụng cho trường điện từ, được xuất bản bởi Max Karl Ernst Ludwig Planck vào đầu thế kỷ.

Giải thích của Einstein cho thấy năng lượng của một electron được giải phóng chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ (năng lượng photon) và số lượng electron từ cường độ bức xạ (số lượng photon). Nhờ công trình phát triển vật lý lý thuyết, đặc biệt là khám phá ra các định luật về hiệu ứng quang điện, Einstein đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921.

Mô tả mới đầy táo bạo của Einstein về ánh sáng, kết hợp với việc khám phá ra electron và động lực tiếp theo để nghiên cứu hành vi của nó—tất cả đều xảy ra vào đầu thế kỷ 19—đã cung cấp cho hiện tượng quang điện một cơ sở khoa học mà trước đây nó còn thiếu và giờ đây có thể giải thích hiện tượng này bằng thuật ngữ dễ hiểu đối với khoa học.

Trong các vật liệu như selen, các photon mạnh hơn mang đủ năng lượng để đánh bật các electron liên kết lỏng lẻo ra khỏi quỹ đạo nguyên tử của chúng. Khi các dây dẫn được gắn vào các thanh selen, các electron tự do chạy qua chúng dưới dạng dòng điện.

Các nhà thí nghiệm ở thế kỷ 19 gọi quá trình này là quang điện, nhưng đến những năm 1920, các nhà khoa học gọi hiện tượng này là hiệu ứng quang điện.

Trong cuốn sách năm 1919 của ông về pin mặt trờiThomas Benson đã ca ngợi công việc của những người tiên phong với selen là tiền thân của "máy phát năng lượng mặt trời không thể tránh khỏi".

Tuy nhiên, không có khám phá nào ở phía trước, người đứng đầu bộ phận quang điện của Westinghouse chỉ có thể kết luận: "Các tế bào quang điện sẽ không được các kỹ sư thực hành quan tâm cho đến khi chúng hiệu quả hơn ít nhất năm mươi lần."

Các tác giả của cuốn Quang điện và các ứng dụng của nó đã đồng ý với dự báo bi quan này, viết vào năm 1949: "Việc phát hiện ra các tế bào hiệu quả hơn về mặt vật chất có mở ra khả năng sử dụng năng lượng mặt trời cho các mục đích hữu ích hay không thì còn phải chờ đợi trong tương lai."

Cơ chế của hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện và các giống của nó

Quang điện trong thực tế

Năm 1940, Russell Shoemaker Ole vô tình tạo ra ngã ba PN trên silicon và thấy rằng nó tạo ra điện khi được chiếu sáng. Ông đã được cấp bằng sáng chế cho khám phá của mình. Hiệu quả là khoảng 1%.

Dạng pin mặt trời hiện đại ra đời năm 1954 tại Phòng thí nghiệm Bell. Trong các thí nghiệm với silicon pha tạp, độ nhạy sáng cao của nó đã được thiết lập. Kết quả là một tế bào quang điện với hiệu suất khoảng 6%.

Các giám đốc điều hành của Proud Bell công bố Bảng điều khiển năng lượng mặt trời Bell vào ngày 25 tháng 4 năm 1954, có một bảng các tế bào chỉ dựa vào năng lượng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho bánh xe Ferris. Ngày hôm sau, các nhà khoa học của Bell đã phóng một máy phát thanh chạy bằng năng lượng mặt trời để phát giọng nói và âm nhạc tới các nhà khoa học hàng đầu của Mỹ đang tập trung cho một cuộc họp ở Washington.

Các tế bào quang điện mặt trời đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1950.

Thợ điện Southern Bell lắp ráp một tấm pin mặt trời vào năm 1955.

Tế bào quang điện đã được sử dụng làm nguồn điện để cung cấp năng lượng cho các thiết bị khác nhau kể từ cuối những năm 1950 trên các vệ tinh không gian. Vệ tinh đầu tiên có tế bào quang điện là vệ tinh Vanguard I (Avangard I) của Mỹ, được phóng lên quỹ đạo vào ngày 17 tháng 3 năm 1958.

Vệ tinh Vanguard I của Mỹ, 1958.

Vệ tinh Vanguard I vẫn còn trên quỹ đạo. Nó đã trải qua hơn 60 năm trong không gian (được coi là vật thể nhân tạo lâu đời nhất trong không gian).

Vanguard I là vệ tinh chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên và pin mặt trời của nó đã cung cấp năng lượng cho vệ tinh trong bảy năm. Nó đã ngừng gửi tín hiệu đến Trái đất vào năm 1964, nhưng kể từ đó, các nhà nghiên cứu vẫn sử dụng nó để hiểu rõ hơn về cách Mặt trời, Mặt trăng và bầu khí quyển của Trái đất ảnh hưởng đến các vệ tinh quay quanh.

Vệ tinh Explorer 6 của Mỹ với các tấm pin mặt trời được nâng lên, 1959.

Với một vài ngoại lệ, nó là nguồn điện chính cho các thiết bị dự kiến ​​​​sẽ hoạt động trong một thời gian dài. Tổng công suất của các tấm pin quang điện trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) là 110 kWh.

Tấm năng lượng mặt trời trong không gian

Giá của các tế bào quang điện đầu tiên vào những năm 1950 là hàng nghìn đô la cho mỗi watt công suất định mức và mức tiêu thụ năng lượng để sản xuất chúng vượt quá lượng điện mà các tế bào này tạo ra trong suốt thời gian tồn tại của chúng.

Lý do là, ngoài hiệu quả thấp, thực tế các quy trình sử dụng nhiều năng lượng và công nghệ giống nhau đã được sử dụng trong sản xuất tế bào quang điện cũng như trong sản xuất vi mạch.

Trong điều kiện trên mặt đất, các tấm quang điện lần đầu tiên được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị nhỏ ở những địa điểm xa xôi hoặc, ví dụ, trên phao, nơi sẽ cực kỳ khó hoặc không thể kết nối chúng với lưới điện. Ưu điểm chính của các tấm quang điện so với các nguồn điện khác là chúng không cần nhiên liệu và bảo trì.

Tấm quang điện sản xuất hàng loạt đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 1979.

Sự quan tâm ngày càng tăng đối với quang điện như một nguồn năng lượng trên Trái đất, cũng như các nguồn tái tạo khác, được thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970.

Kể từ đó, nghiên cứu và phát triển chuyên sâu đã được thực hiện, mang lại hiệu suất cao hơn, giá thấp hơn và tuổi thọ của các tế bào quang điện và tấm pin lâu hơn. Đồng thời, cường độ năng lượng trong sản xuất đã giảm đến mức tấm pin tạo ra năng lượng gấp nhiều lần so với năng lượng được sử dụng để sản xuất ra nó.

Các cấu trúc ven biển lớn lâu đời nhất (vẫn còn được sử dụng) có từ đầu những năm 1980. Vào thời điểm đó, các tế bào silicon tinh thể vẫn chiếm ưu thế hoàn toàn, tuổi thọ của chúng được xác nhận trong điều kiện thực tế ít nhất là 30 năm.

Dựa trên kinh nghiệm, các nhà sản xuất đảm bảo rằng hiệu suất của bảng điều khiển sẽ giảm tối đa 20% sau 25 năm (tuy nhiên, kết quả của các cài đặt được đề cập tốt hơn nhiều). Đối với các loại bảng khác, tuổi thọ của dịch vụ được ước tính dựa trên thử nghiệm tăng tốc.

Ngoài các tế bào silicon đơn tinh thể ban đầu, một số loại tế bào quang điện mới đã được phát triển trong những năm qua, cả tinh thể và màng mỏng… Tuy nhiên, silicon vẫn là vật liệu chiếm ưu thế trong quang điện.

Công nghệ quang điện đã trải qua một sự bùng nổ lớn kể từ năm 2008, khi giá silicon tinh thể bắt đầu giảm nhanh chóng, chủ yếu là do việc chuyển sản xuất sang Trung Quốc, quốc gia trước đây chỉ chiếm thiểu số trên thị trường (phần lớn sản xuất quang điện tập trung ở Nhật Bản, Mỹ, Tây Ban Nha và Đức).

Quang điện chỉ trở nên phổ biến với sự ra đời của các hệ thống hỗ trợ khác nhau. Đầu tiên là chương trình trợ cấp ở Nhật Bản và sau đó là hệ thống giá mua hàng ở Đức. Sau đó, các hệ thống tương tự đã được giới thiệu ở một số quốc gia khác.

Năng lượng quang điện là nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất hiện nay và cũng là một ngành phát triển rất nhanh. Nó được lắp đặt rộng rãi trên mái nhà của các tòa nhà cũng như trên đất không thể sử dụng cho công việc nông nghiệp.

Các xu hướng mới nhất cũng bao gồm lắp đặt nước dưới dạng hệ thống quang điện nổi và lắp đặt quang điện nông nghiệp, kết hợp lắp đặt quang điện với sản xuất nông nghiệp.