Stručná historie fotovoltaiky

Datum: 1.9.2014  |  Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.  |  Recenzent: RNDr. Antonín Fejfar, CSc., Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Historie fotovoltaiky začíná objevením fotoelektrického a později fotovoltaického jevu. Do praktického užití se fotovoltaika dostala o století později. Následoval bouřlivý vývoj provázený rapidním poklesem cen a růstem účinnosti.

Objevy, experimenty a teorie

Historie fotovoltaiky začíná objevením fotoelektrického jevu. Poznatek, že proud mezi kovovými elektrodami ponořenými v roztoku (kapalině) se mění v závislosti na intenzitě osvětlení, prezentoval francouzské Akademii věd na jejím zasedání v pondělí 29. července 1839 Alexandre Edmond Becquerel. Následně o něm vydal článek v Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences s názvem Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires [1]. Jako objevitel bývá někdy uváděn jeho otec Antoine César Becquerel [2]. Důvodem může být skutečnost, že Edmondu Becquerelovi bylo v době zveřejnění objevu teprve 20 let a dosud pracoval v laboratoři svého otce.

V roce 1887 Heinrich Rudolf Hertz objevil další závislost elektřiny a světla, a sice že elektrický výboj ve vzduchu (plynu) vznikne snadněji mezi elektrodami, na které dopadá ultrafialové záření. Svá pozorování publikoval v práci Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung [3]. Popsané jevy se však nedařilo vysvětlit na základě vlnové teorie světla (elektromagnetického záření).

Fyzikální princip fotoelektrického jevu teoreticky popsal Albert Einstein v práci Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt [4] z roku 1905 za předpokladu, že na elektromagnetické pole aplikoval kvantovou teorii, kterou Max Karl Ernst Ludwig Planck publikoval na přelomu století. Z Einsteinova vysvětlení vyplývá, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci záření (energii fotonů) a počet elektronů na intenzitě záření (počtu fotonů). Právě za práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákonitostí fotoelektrického jevu obdržel Einstein v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku.

Experimentální zařízení prof. Millikana („dílna ve vakuu“) [5]
Experimentální zařízení prof. Millikana („dílna ve vakuu“) [5]

Einsteinovu hypotézu experimentálně potvrdil Robert Andrews Millikan v článku A Direct Photoelectric Determination of Planck's “h” z roku 1916 [5]. Paradoxní je, že původním záměrem Millikanova experimentu bylo s největší pravděpodobností vyvrátit Einsteinovu hypotézu, kterou v článku Einstein's Photoelectric Equation and Contact Electromotive Force [6] publikovaném o několik měsíců dříve označil za nepodloženou. Pomocí Einsteinovy rovnice popisující fotoelektrický jev, do které dosadil hodnotu elementárního elektrického náboje, který sám změřil nejdříve v roce 1909 a potom s vysokou přesností v roce 1912 [7], určil na tu dobu velmi přesně hodnotu Planckovy konstanty. Za výzkum elementárního elektrického náboje a fotoelektrického jevu obdržel v roce 1923 Nobelovu cenu za fyziku.

Všechny uvedené experimenty a teorie se vztahují k fotoelektrickému jevu vnějšímu, neboli k fotoemisi, kdy se elektrony z vodivostního pásu z ozařovaného kovu uvolňují do okolí (vakua, plynu, nebo elektrolytu). Kromě toho je možno rozlišit další dvě formy fotoelektrického jevu, kdy elektrony zůstávají v materiálu – fotovoltaický jev, který nás zajímá v tomto článku, a fotoionizaci, ke které dochází při ozáření elektromagnetickým zářením o dostatečně vysoké frekvenci.

Fotovoltaický jev vzniká v polovodičích, když foton s dostatečnou energií uvolní elektron z valenčního pásu do pásu vodivostního. Ve valenčním pásu zůstane „chybějící elektron“, tzv. díra, kterou lze považovat za elementární kladný náboj (díra se pohybuje tak, že se do ní přemístí valenční elektron sousedního atomu, čímž se díra přesune na původní místo tohoto elektronu). Zjednodušeně lze prohlásit, že dopadem fotonu se vytvoří pár pohyblivých nábojů elektron-díra. Tyto náboje se difúzí nebo působením elektrického pole v okolí PN přechodu pohybují ve směru k elektrodě se stejnou polaritou – elektron k záporné a díra ke kladné. Při propojení elektrod vnějším obvodem putují elektrony k opačné elektrodě, kde rekombinují s děrami – vnějším obvodem prochází elektrický proud.

Fotovoltaický jev poprvé pozorovali William Grylls Adams a jeho žák Richard Evans Day v roce 1876 na PN přechodu vytvořeném mezi selenem a platinou. Na rozdíl od fotoelektrického jevu pozorovaného Becquerelem, kdy se proud elektrického článku měnil působením světla, v tomto případě vznikalo elektrické napětí (a proud) bez působení vnějšího elektrického pole pouze působením světla [8]. Adams dokonce vyrobil model koncentračního fotovoltaického systému, který předvedl před mnoha významnými osobnostmi v Anglii, nedotáhl jej však k praktické realizaci [9].

Další, kdo vyrobil fotovoltaické články na bázi selenu, byl v roce 1883 americký vynálezce Charles Fritts, účinnost však byla nižší než 1 %. Přesto věřil, že by mohly konkurovat Edisonovým uhelným elektrárnám [10].

V roce 1940 Russell Shoemaker Ohl bezděčně vyrobil PN přechod na křemíku a zjistil, že při osvětlení vyrábí proud. Svůj objev si nechal patentovat. Účinnost se pohybovala kolem 1 % [10].

Fotovoltaika v praxi

První fotovoltaický článek, který byl použitelný pro výrobu elektřiny, byl vyroben v roce 1954 v Bellových laboratořích. Jednalo se o článek z monokrystalického křemíku, který měl účinnost kolem 6 % [10].

Jako zdroj elektřiny se začaly fotovoltaické články používat již od roku 1958 na kosmických družicích, kde je fotovoltaika k napájení spotřebičů používána dodnes. S několika výjimkami (např. vojenské satelity na nízkých drahách nebo sondy mířící do vzdálených oblastí sluneční soustavy) se jedná o naprosto převažující zdroj elektřiny pro zařízení, u nichž se předpokládá dlouhodobý provoz. Celkový výkon fotovoltaických panelů na Mezinárodní kosmické stanici (ISS) je 110 kWp [11].

Vývoj cen fotovoltaických panelů [12]
Vývoj cen fotovoltaických panelů [12]

Vedle původních článků z monokrystalického křemíku byla v průběghu let vyvinuta celá řada nových typů fotovoltaických článků, a to jak krystalických, tak tenkovrstvých. Křemík je však stále ve fotovoltaice dominantní materiál.

Ceny prvních fotovoltaických článků se v 50. letech pohybovaly v tisících dolarů za watt jmenovitého výkonu a spotřeba energie na jejich výrobu přesahovala množství elektřiny, které tyto články vyrobily za celou dobu své životnosti. Důvodem byla kromě nízké účinnosti především skutečnost, že při výrobě fotovoltaických článků byly používány v podstatě stejné technologicky i energeticky náročné postupy jako při výrobě mikročipů.

V pozemských podmínkách byly nejdříve fotovoltaické panely používány k napájení menších spotřebičů v odlehlých lokalitách nebo například na bójích, kde by bylo extrémně náročné nebo zcela nemožné je připojit k elektrizační soustavě. Hlavní výhodou fotovoltaických panelů oproti jiným zdrojům elektřiny bylo, že nepotřebují palivo ani obsluhu. Jednalo se obvykle o ostrovní systémy s akumulátory.

Větší zájem o fotovoltaiku jako zdroj energie v pozemských podmínkách byl, stejně jako u ostatních obnovitelných zdrojů, vyvolán ropnými krizemi v 70. letech minulého století. Od té doby probíhá intenzivní výzkum a vývoj, v jehož důsledku roste účinnost, klesá cena a zvyšuje se životnost fotovoltaických článků a panelů. Zároveň se snížila energetická náročnost výroby natolik, že panel za dobu svého života vyprodukuje mnohonásobně více energie, než se spotřebovalo na jeho výrobu [13, 14].

Nejstarší (dosud provozované) větší pozemní instalace pocházejí z počátku 80. let. V té době ještě zcela dominovaly články z krystalického křemíku, u kterých je proto v reálných podmínkách ověřena životnost minimálně 30 let. Výrobci na základě zkušeností garantují, že výkon panelu se po 25 letech sníží nejvýše o 20 % (výsledky zmíněných instalací jsou však podstatně lepší). U jiných typů panelů je životnost odhadována na základě zrychlených zkoušek.

Skutečného rozšíření se však fotovoltaika dočkala teprve se zavedením různých systémů podpory. Prvním byl dotační program v Japonsku následovaný systémem výkupních cen v Německu. Obdobné systémy byly následně zavedeny v řadě dalších zemí.

Reference

 
English Synopsis
Brief history of photovoltaics

The history of photovoltaic begins with the discovery of the photoelectric effect in 1839 and later the photovoltaic effect in 1876. Practical application of photovoltaics came a century later, the earliest for power supply of satellites in 1958.
Turbulent development of the field followed, accompanied by the rapid decline in prices and increase of energy efficiency.

 

Hodnotit:  

Datum: 1.9.2014
Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.   všechny články autora
Recenzent: RNDr. Antonín Fejfar, CSc., Fyzikální ústav Akademie věd ČR



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (25 příspěvků, poslední 08.09.2014 13:21)


Projekty 2017

Partneři - Fotovoltaika

logo BOHEMIA ENERGY
logo FRONIUS

Partneři - Obnovitelná energie

logo NELUMBO
logo HOTJET
logo VIESSMANN
 
 

Aktuální články na ESTAV.czVIDEO: Autonomní stavební mechanizace. Reálné využití dříve než automobilyBrno zahájilo průzkumné práce v retenční nádrži v Králově PoliZájem o nájemní bydlení v Praze v posledních letech rosteVyladění interiéru podle feng shui: Prvek země