ประวัติของแผงโซลาร์เซลล์ แผงโซลาร์เซลล์แรกถูกสร้างขึ้นอย่างไร

การค้นพบ การทดลอง และทฤษฎีต่างๆ

ประวัติของแผงโซลาร์เซลล์เริ่มต้นด้วยการค้นพบโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ ข้อสรุปที่ว่ากระแสระหว่างอิเล็กโทรดโลหะที่แช่อยู่ในสารละลาย (ของเหลว) แปรผันตามความเข้มของการส่องสว่างได้นำเสนอต่อ French Academy of Sciences ในการประชุมเมื่อวันจันทร์ที่ 29 กรกฎาคม พ.ศ. 2382 โดย Alexandre Edmond Becquerel จากนั้นเขาได้ตีพิมพ์บทความ

พ่อของเขา Antoine César Becquerel บางครั้งเรียกว่าผู้ค้นพบ อาจเป็นเพราะข้อเท็จจริงที่ว่า Edmond Becquerel อายุเพียง 20 ปีในขณะที่ตีพิมพ์และยังคงทำงานอยู่ในห้องทดลองของบิดา

เจมส์ เคลิร์ก แม็กซ์เวลล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อตผู้ยิ่งใหญ่เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปหลายคนที่ทึ่งกับพฤติกรรมของซีลีเนียม ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ชุมชนวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจในบทความของ Willoughby Smith ที่ตีพิมพ์ใน Journal of the Society of Telegraph Engineers ในปี 1873

Smith หัวหน้าวิศวกรไฟฟ้าของบริษัท Gutta Percha ใช้แท่งซีลีเนียมในช่วงปลายทศวรรษ 1860 ในอุปกรณ์เพื่อตรวจจับข้อบกพร่องในสายเคเบิลข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกก่อนดำน้ำ แม้ว่าแท่งซีลีเนียมจะทำงานได้ดีในตอนกลางคืน แต่แท่งซีลีเนียมจะทำงานได้แย่มากเมื่อแสงอาทิตย์ส่องออกมา

เมื่อสงสัยว่าคุณสมบัติพิเศษของซีลีเนียมอาจเกี่ยวข้องกับปริมาณแสงที่ตกกระทบ สมิธจึงวางแท่งเหล็กไว้ในกล่องที่มีฝาเลื่อน เมื่อปิดลิ้นชักและปิดไฟ ความต้านทานของแท่งเหล็ก—ระดับที่ขัดขวางการผ่านของกระแสไฟฟ้า—มีค่าสูงสุดและคงที่ แต่เมื่อเปิดฝากล่องออก ค่าการนำไฟฟ้าของกล่องก็จะ "เพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสง" ทันที

ในบรรดานักวิจัยที่ศึกษาผลกระทบของแสงต่อซีลีเนียมหลังจากรายงานของ Smith คือนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษสองคน ศาสตราจารย์ William Grylls Adams และ Richard Evans Day นักศึกษาของเขา

ในช่วงปลายทศวรรษ 1870 พวกเขาทดลองซีลีเนียมหลายครั้ง และหนึ่งในการทดลองเหล่านี้ พวกเขาจุดเทียนข้างๆ แท่งซีลีเนียมที่สมิธใช้อยู่ ลูกศรบนมิเตอร์ตอบสนองทันที การป้องกันซีลีเนียมจากแสงทำให้เข็มลดลงเป็นศูนย์ทันที

ปฏิกิริยาที่รวดเร็วเหล่านี้ขัดขวางความเป็นไปได้ของความร้อนของเปลวเทียนที่จะทำให้เกิดกระแส เนื่องจากเมื่อมีการจ่ายหรือนำความร้อนออก ในการทดลองเทอร์โมอิเล็กทริกเข็มขึ้นหรือลงช้าเสมอ «ดังนั้น» นักวิจัยสรุปว่า «เป็นที่แน่ชัดว่ากระแสน้ำสามารถถูกปลดปล่อยออกมาในซีลีเนียมภายใต้การกระทำของแสงเท่านั้น» อดัมส์และเดย์เรียกกระแสที่เกิดจากแสงว่า "เซลล์แสงอาทิตย์"

ไม่เหมือนกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่ Becquerel สังเกตเมื่อกระแสในเซลล์ไฟฟ้าเปลี่ยนไปภายใต้การกระทำของแสง ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้า (และกระแส) ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีการกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกภายใต้การกระทำของแสงเท่านั้น

อดัมส์และเดย์ได้สร้างแบบจำลองของระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบเข้มข้น ซึ่งพวกเขาได้นำเสนอต่อบุคคลที่มีชื่อเสียงหลายคนในอังกฤษ แต่ไม่ได้นำไปใช้จริง

ผู้สร้างอื่น เซลล์แสงอาทิตย์ บนพื้นฐานของซีลีเนียมคือ Charles Fritts นักประดิษฐ์ชาวอเมริกันในปี 1883

เขาแผ่ซีลีเนียมเป็นชั้นบาง ๆ กว้าง ๆ บนแผ่นโลหะแล้วปิดด้วยแผ่นทองคำเปลวโปร่งแสงบาง ๆ ฟริตซ์กล่าวว่าโมดูลซีลีเนียมนี้สร้างกระแสไฟฟ้าที่ "ต่อเนื่อง มั่นคง และแข็งแรงมาก ... ไม่เพียง แต่ใน แสงแดด แต่ยังอยู่ในแสงแดดอ่อน ๆ กระจายแสงและแม้แต่แสงตะเกียง'

แต่ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ของเขาน้อยกว่า 1% อย่างไรก็ตาม เขาเชื่อว่าพวกเขาสามารถแข่งขันกับโรงไฟฟ้าถ่านหินของเอดิสันได้

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซีลีเนียมปิดทองของ Charles Fritts บนหลังคานครนิวยอร์กในปี 1884

ฟริตซ์ส่งแผงโซลาร์เซลล์ของเขาไปให้แวร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ ซึ่งมีชื่อเสียงเทียบเท่ากับเอดิสัน

ซีเมนส์รู้สึกประทับใจมากกับพลังงานไฟฟ้าของแผงเมื่อสว่างขึ้น นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันผู้มีชื่อเสียงได้นำเสนอแผง Fritts แก่ราชบัณฑิตยสถานในปรัสเซีย ซีเมนส์บอกกับโลกวิทยาศาสตร์ว่าโมดูลของอเมริกา "นำเสนอให้เราเป็นครั้งแรกในการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง"

นักวิทยาศาสตร์ไม่กี่คนที่เอาใจใส่การเรียกร้องของซีเมนส์ การค้นพบนี้ดูเหมือนจะขัดแย้งกับทุกสิ่งที่วิทยาศาสตร์เชื่อในเวลานั้น

แท่งซีลีเนียมที่ใช้โดยแผง "เวทมนตร์" ของอดัมส์และเดย์และฟริธไม่ได้อาศัยวิธีการที่ฟิสิกส์รู้จักในการสร้างพลังงาน ดังนั้นคนส่วนใหญ่จึงแยกพวกเขาออกจากขอบเขตของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เพิ่มเติม

หลักการทางกายภาพของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้รับการอธิบายทางทฤษฎีโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในบทความเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของเขาในปี 1905 ซึ่งเขาได้นำไปใช้กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจัดพิมพ์โดยมักซ์ คาร์ล เอิร์นส์ ลุดวิก พลังค์ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ

คำอธิบายของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับความถี่ของการแผ่รังสี (พลังงานโฟตอน) และจำนวนอิเล็กตรอนจากความเข้มของรังสี (จำนวนโฟตอน) สำหรับผลงานของเขาในการพัฒนาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการค้นพบกฎของโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2464

คำอธิบายใหม่ที่ชัดเจนของไอน์สไตน์เกี่ยวกับแสง รวมกับการค้นพบอิเล็กตรอนและแรงผลักดันที่ตามมาเพื่อศึกษาพฤติกรรมของมัน—ทั้งหมดเกิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 19—ให้โฟโตอิเล็กทริกอิเล็กทริกที่มีพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ซึ่งก่อนหน้านี้ขาดไป และตอนนี้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ในแง่ วิทยาศาสตร์เข้าใจได้

ในวัสดุเช่นซีลีเนียม โฟตอนที่ทรงพลังกว่าจะมีพลังงานมากพอที่จะผลักอิเล็กตรอนที่จับกันหลวมๆ ออกจากวงโคจรของอะตอม เมื่อต่อสายไฟเข้ากับแท่งซีลีเนียม อิเล็กตรอนอิสระจะไหลผ่านเป็นไฟฟ้า

นักทดลองในศตวรรษที่ 19 เรียกกระบวนการนี้ว่า โฟโตโวลตาอิก แต่ในปี ค.ศ. 1920 นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์

ในหนังสือเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ในปี พ.ศ. 2462โทมัส เบ็นสันยกย่องงานของผู้บุกเบิกที่ใช้ซีลีเนียมในฐานะผู้บุกเบิก "เครื่องกำเนิดพลังงานแสงอาทิตย์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้"

อย่างไรก็ตาม เมื่อยังไม่มีการค้นพบใดๆ หัวหน้าแผนกเซลล์แสงอาทิตย์ของ Westinghouse จึงสรุปได้เพียงว่า "เซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะไม่เป็นที่สนใจของวิศวกรภาคปฏิบัติ จนกว่าจะมีประสิทธิภาพมากกว่านี้อย่างน้อยห้าสิบเท่า"

ผู้เขียนของ Photovoltaics and Its Applications เห็นด้วยกับการคาดการณ์ในแง่ร้าย โดยเขียนในปี 1949 ว่า "คงต้องปล่อยให้เป็นเรื่องของอนาคตว่าการค้นพบเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าจะเปิดโอกาสในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อจุดประสงค์ที่เป็นประโยชน์หรือไม่"

กลไกของผลกระทบจากเซลล์แสงอาทิตย์: ผลกระทบของไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และพันธุ์ของมัน

ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในทางปฏิบัติ

ในปี 1940 Russell Shoemaker Ole ประดิษฐ์ขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ทางแยก PN บนซิลิกอนและพบว่าผลิตไฟฟ้าได้เมื่อได้รับแสงสว่าง เขาจดสิทธิบัตรการค้นพบของเขา ประสิทธิภาพประมาณ 1%

เซลล์แสงอาทิตย์รูปแบบใหม่ถือกำเนิดขึ้นในปี พ.ศ. 2497 ที่ Bell Laboratories ในการทดลองกับซิลิกอนเจือ มีการสร้างความไวแสงสูง ผลที่ได้คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพประมาณหกเปอร์เซ็นต์

ผู้บริหารของ Proud Bell เปิดตัว Bell Solar Panel เมื่อวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2497 โดยมีแผงเซลล์ที่ใช้พลังงานแสงเพียงอย่างเดียวในการขับเคลื่อนชิงช้าสวรรค์ วันรุ่งขึ้น นักวิทยาศาสตร์ของ Bell ได้เปิดตัวเครื่องส่งวิทยุพลังงานแสงอาทิตย์ที่ถ่ายทอดเสียงและดนตรีไปยังนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของอเมริกาที่มารวมตัวกันเพื่อประชุมในวอชิงตัน

เซลล์สุริยะเซลล์แรกได้รับการพัฒนาในต้นปี 1950

ช่างไฟฟ้า Southern Bell ประกอบแผงโซลาร์เซลล์ในปี 1955

เซลล์แสงอาทิตย์ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1950 บนดาวเทียมอวกาศ ดาวเทียมดวงแรกที่มีโฟโตเซลล์คือดาวเทียมอเมริกัน แวนการ์ด 1 (Avangard I) ซึ่งส่งขึ้นสู่วงโคจรเมื่อวันที่ 17 มีนาคม พ.ศ. 2501

ดาวเทียม Vanguard I ของอเมริกา พ.ศ. 2501

ดาวเทียม Vanguard I ยังอยู่ในวงโคจร มันใช้เวลาอยู่ในอวกาศมากกว่า 60 ปี (ถือเป็นวัตถุที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์สร้างขึ้นในอวกาศ)

Vanguard I เป็นดาวเทียมที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ดวงแรกและเซลล์แสงอาทิตย์ของดาวเทียมให้พลังงานแก่ดาวเทียมเป็นเวลาเจ็ดปี มันหยุดส่งสัญญาณมายังโลกในปี 2507 แต่ตั้งแต่นั้นมานักวิจัยยังคงใช้มันเพื่อทำความเข้าใจว่าบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลกส่งผลต่อดาวเทียมที่โคจรอยู่อย่างไร

ดาวเทียม Explorer 6 ของอเมริกาพร้อมแผงโซลาร์เซลล์ที่ยกขึ้น พ.ศ. 2502

มีข้อยกเว้นบางประการ เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าหลักสำหรับอุปกรณ์ที่คาดว่าจะใช้งานได้เป็นเวลานาน ความจุรวมของแผงโซลาร์เซลล์บนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) คือ 110 กิโลวัตต์ชั่วโมง

แผงโซลาร์เซลล์ในอวกาศ

ราคาของเซลล์แสงอาทิตย์เซลล์แรกในทศวรรษ 1950 อยู่ที่หลายพันดอลลาร์ต่อวัตต์ของกำลังไฟฟ้าที่กำหนด และการใช้พลังงานเพื่อผลิตเซลล์เหล่านี้เกินกว่าปริมาณไฟฟ้าที่เซลล์เหล่านี้ผลิตได้ตลอดชีวิต

เหตุผลก็คือ นอกเหนือจากประสิทธิภาพที่ต่ำแล้ว กระบวนการทางเทคโนโลยีและพลังงานที่เข้มข้นแบบเดียวกันนี้ถูกนำมาใช้จริงในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เช่นเดียวกับในการผลิตไมโครชิป

ในสภาวะภาคพื้นดิน แผงเซลล์แสงอาทิตย์ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกเพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์ขนาดเล็กในสถานที่ห่างไกล หรือตัวอย่างเช่น บนทุ่น ซึ่งการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าจะเป็นเรื่องยากมากหรือเป็นไปไม่ได้ ข้อได้เปรียบหลักของแผงโซลาร์เซลล์เหนือแหล่งไฟฟ้าอื่นๆ คือ ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงและการบำรุงรักษา

แผงโซลาร์เซลล์ที่ผลิตจำนวนมากชุดแรกออกสู่ตลาดในปี 1979

ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในเซลล์แสงอาทิตย์ในฐานะแหล่งพลังงานบนโลก รวมถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ นั้นได้รับแรงหนุนจากวิกฤตการณ์น้ำมันในทศวรรษ 1970

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา มีการวิจัยและพัฒนาอย่างเข้มข้น ส่งผลให้เซลล์และแผงเซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ราคาลดลง และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ในเวลาเดียวกัน ความเข้มของพลังงานในการผลิตลดลงจนถึงระดับที่แผงควบคุมสร้างพลังงานได้มากกว่าที่ใช้ในการผลิตหลายเท่า

โครงสร้างชายฝั่งขนาดใหญ่ที่เก่าแก่ที่สุด (ยังคงใช้งานอยู่) มีอายุตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 ในเวลานั้น เซลล์ผลึกซิลิคอนยังคงถูกครอบงำอย่างสมบูรณ์ อายุการใช้งานได้รับการยืนยันในสภาพจริงอย่างน้อย 30 ปี

จากประสบการณ์ ผู้ผลิตรับประกันว่าประสิทธิภาพของแผงจะลดลงสูงสุด 20% หลังจาก 25 ปี (อย่างไรก็ตาม ผลของการติดตั้งดังกล่าวจะดีกว่ามาก) สำหรับแผงควบคุมประเภทอื่นๆ อายุการใช้งานจะประมาณตามการทดสอบแบบเร่ง

นอกเหนือจากเซลล์ซิลิคอนชนิดโมโนคริสตัลไลน์เดิมแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์ประเภทใหม่จำนวนหนึ่งได้รับการพัฒนาในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ทั้งแบบผลึกและแบบฟิล์มบาง… อย่างไรก็ตาม ซิลิกอนยังคงเป็นวัสดุที่โดดเด่นในเซลล์แสงอาทิตย์

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับความนิยมอย่างมากตั้งแต่ปี 2551 เมื่อราคาผลึกซิลิคอนเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว สาเหตุหลักมาจากการย้ายการผลิตไปยังประเทศจีน ซึ่งก่อนหน้านี้เป็นผู้เล่นส่วนน้อยในตลาด (การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา สเปน และเยอรมนี)

เซลล์แสงอาทิตย์เริ่มแพร่หลายเมื่อมีการเปิดตัวระบบสนับสนุนต่างๆ อันดับแรกคือโครงการเงินช่วยเหลือในญี่ปุ่น และระบบราคาซื้อในเยอรมนี ต่อจากนั้น มีการนำระบบที่คล้ายกันนี้ไปใช้ในหลายประเทศ

พลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่พบมากที่สุดในปัจจุบัน และยังเป็นอุตสาหกรรมที่เติบโตอย่างรวดเร็วอีกด้วย มีการติดตั้งกันอย่างแพร่หลายบนหลังคาของอาคารและบนที่ดินที่ไม่สามารถใช้ในงานเกษตรกรรมได้

แนวโน้มล่าสุดยังรวมถึงการติดตั้งน้ำในรูปแบบของ ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ลอยน้ำ และการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อการเกษตร รวมการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์เข้ากับการผลิตทางการเกษตร