A história da energia fotovoltaica, como os primeiros painéis solares foram criados

Descobertas, experimentos e teorias

A história da energia fotovoltaica começa com a descoberta do efeito fotoelétrico. A conclusão de que a corrente entre eletrodos metálicos imersos em uma solução (líquida) varia com a intensidade da iluminação foi apresentada à Academia Francesa de Ciências em sua reunião de segunda-feira, 29 de julho de 1839, por Alexandre Edmond Becquerel, que posteriormente publicou artigo.

Seu pai, Antoine César Becquerel, às vezes é chamado de descobridor. Isso pode ser devido ao fato de que Edmond Becquerel tinha apenas 20 anos na época da publicação e ainda trabalhava no laboratório de seu pai.

O grande cientista escocês James Clerk Maxwell estava entre muitos cientistas europeus intrigados com o comportamento do selênio, que chamou a atenção da comunidade científica pela primeira vez em um artigo de Willoughby Smith publicado no Journal of the Society of Telegraph Engineers em 1873.

Smith, engenheiro elétrico-chefe da Gutta Percha Company, usou hastes de selênio no final da década de 1860 em um dispositivo para detectar falhas em cabos transatlânticos antes de mergulhar. Embora as hastes de selênio funcionassem bem à noite, elas funcionavam terrivelmente quando o sol saía.

Suspeitando que as propriedades especiais do selênio tivessem algo a ver com a quantidade de luz que incidia sobre ele, Smith colocou os bastões em uma caixa com tampa deslizante. Quando a gaveta foi fechada e as luzes apagadas, a resistência das hastes - o grau em que elas impedem a passagem de uma corrente elétrica através delas - foi máxima e permaneceu constante. Mas quando a tampa da caixa foi removida, sua condutividade imediatamente "aumentou de acordo com a intensidade da luz".

Entre os pesquisadores que estudaram o efeito da luz no selênio após o relatório de Smith estavam dois cientistas britânicos, o professor William Grylls Adams e seu aluno Richard Evans Day.

No final da década de 1870, eles submeteram o selênio a muitos experimentos e, em um desses experimentos, acenderam uma vela ao lado das hastes de selênio que Smith estava usando. A seta em seu medidor reage imediatamente. Proteger o selênio da luz fez com que a agulha caísse imediatamente para zero.

Essas reações rápidas excluem a possibilidade de o calor da chama da vela produzir uma corrente, pois quando o calor é fornecido ou removido em experimentos termoelétricos, a agulha sempre sobe ou desce lentamente. «Portanto», concluíram os investigadores, «estava claro que a corrente só poderia ser libertada em selénio sob a ação da luz». Adams e Day chamaram a corrente produzida pela luz de "fotovoltaica".

Ao contrário do efeito fotoelétrico observado por Becquerel, quando a corrente em uma célula elétrica mudava sob a ação da luz, neste caso a tensão (e corrente) elétrica era gerada sem a ação de um campo elétrico externo apenas sob a ação da luz.

Adams e Day até criaram um modelo de sistema fotovoltaico concentrado, que apresentaram a muitas pessoas proeminentes na Inglaterra, mas não o colocaram em prática.

outro criador células fotovoltaicas baseado em selênio foi o inventor americano Charles Fritts em 1883.

Ele espalhou uma camada larga e fina de selênio em uma placa de metal e a cobriu com uma fina película translúcida de folha de ouro. luz do sol, mas também em luz diurna fraca e difusa e até mesmo em luz de lâmpada'.

Mas a eficiência de suas células fotovoltaicas era inferior a 1%. No entanto, ele acreditava que eles poderiam competir com as usinas movidas a carvão de Edison.

Painéis solares de selênio dourado de Charles Fritts em um telhado da cidade de Nova York em 1884.

Fritz enviou um de seus painéis solares para Werner von Siemens, cuja reputação era igual à de Edison.

A Siemens ficou tão impressionada com a potência elétrica dos painéis quando acesos que um famoso cientista alemão apresentou o painel Fritts à Royal Academy na Prússia. A Siemens disse ao mundo científico que os módulos americanos "nos apresentaram pela primeira vez a conversão direta de energia luminosa em energia elétrica".

Poucos cientistas atenderam ao chamado da Siemens. A descoberta parecia contradizer tudo o que a ciência acreditava na época.

As hastes de selênio usadas pelos painéis "mágicos" de Adams e Day e Frith não dependiam de métodos conhecidos pela física para gerar energia. Portanto, a maioria os excluiu do escopo de novas pesquisas científicas.

O princípio físico do fenômeno fotoelétrico foi descrito teoricamente por Albert Einstein em seu artigo de 1905 sobre o campo eletromagnético, que ele aplicou ao campo eletromagnético, publicado por Max Karl Ernst Ludwig Planck na virada do século.

A explicação de Einstein mostra que a energia de um elétron liberado depende apenas da frequência da radiação (energia do fóton) e do número de elétrons da intensidade da radiação (número de fótons). Foi por seu trabalho no desenvolvimento da física teórica, especialmente a descoberta das leis do efeito fotoelétrico, que Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921.

A ousada nova descrição da luz de Einstein, combinada com a descoberta do elétron e o subsequente impulso para estudar seu comportamento - tudo ocorrido no início do século 19 - forneceu à fotoeletricidade uma base científica que faltava anteriormente e que agora poderia explicar o fenômeno em termos compreensível para a ciência.

Em materiais como o selênio, os fótons mais poderosos carregam energia suficiente para arrancar elétrons frouxamente ligados de suas órbitas atômicas. Quando os fios são conectados às hastes de selênio, os elétrons liberados fluem através deles como eletricidade.

Os experimentadores do século XIX chamavam o processo de fotovoltaico, mas na década de 1920 os cientistas chamavam o fenômeno de efeito fotoelétrico.

Em seu livro de 1919 sobre células solaresThomas Benson elogiou o trabalho dos pioneiros com o selênio como precursor do "inevitável gerador solar".

No entanto, sem descobertas no horizonte, o chefe da divisão fotovoltaica da Westinghouse só pôde concluir: "As células fotovoltaicas não serão do interesse de engenheiros práticos até que sejam pelo menos cinquenta vezes mais eficientes."

Os autores de Photovoltaics and Its Applications concordaram com a previsão pessimista, escrevendo em 1949: "Deve ser deixado para o futuro se a descoberta de células materialmente mais eficientes abrirá a possibilidade de usar a energia solar para fins úteis."

Mecanismos de efeitos fotovoltaicos: Efeito fotovoltaico e suas variedades

Fotovoltaica na prática

Em 1940, Russell Shoemaker Ole acidentalmente criou Junção PN em silício e descobriu que produzia eletricidade quando iluminado. Ele patenteou sua descoberta. A eficiência é de cerca de 1%.

A forma moderna de células solares nasceu em 1954 nos Laboratórios Bell. Em experimentos com silício dopado, foi estabelecida sua alta fotossensibilidade. O resultado foi uma célula fotovoltaica com uma eficiência de cerca de seis por cento.

Os executivos da Proud Bell revelaram o Bell Solar Panel em 25 de abril de 1954, apresentando um painel de células que dependem exclusivamente da energia da luz para alimentar a roda-gigante. No dia seguinte, os cientistas da Bell lançaram um transmissor de rádio movido a energia solar que transmitia voz e música para os principais cientistas americanos reunidos para uma reunião em Washington.

As primeiras células solares fotovoltaicas foram desenvolvidas no início da década de 1950.

Eletricista da Southern Bell monta um painel solar em 1955.

Células fotovoltaicas têm sido usadas como fonte de eletricidade para alimentar vários dispositivos desde o final da década de 1950 em satélites espaciais. O primeiro satélite com fotocélulas foi o satélite americano Vanguard I (Avangard I), lançado em órbita em 17 de março de 1958.

Satélite americano Vanguard I, 1958.

O satélite Vanguard I ainda está em órbita. Ele passou mais de 60 anos no espaço (considerado o mais antigo objeto feito pelo homem no espaço).

O Vanguard I foi o primeiro satélite movido a energia solar e suas células solares forneceram energia ao satélite por sete anos. Ele parou de enviar sinais para a Terra em 1964, mas desde então os pesquisadores ainda o usam para obter informações sobre como o Sol, a Lua e a atmosfera da Terra afetam os satélites em órbita.

Satélite americano Explorer 6 com painéis solares elevados, 1959.

Com poucas exceções, é a principal fonte de eletricidade para aparelhos que devem funcionar por muito tempo. A capacidade total dos painéis fotovoltaicos da Estação Espacial Internacional (ISS) é de 110 kWh.

Painéis solares no espaço

Os preços das primeiras células fotovoltaicas na década de 1950 eram de milhares de dólares por watt de potência nominal, e o consumo de energia para produzi-las excedia a quantidade de eletricidade que essas células produziam durante sua vida útil.

A razão foi, além da baixa eficiência, que praticamente os mesmos procedimentos tecnológicos e intensivos em energia foram usados ​​na produção de células fotovoltaicas e na produção de microchips.

Em condições terrestres, os painéis fotovoltaicos foram usados ​​pela primeira vez para alimentar pequenos dispositivos em locais remotos ou, por exemplo, em bóias, onde seria extremamente difícil ou impossível conectá-los à rede elétrica. A principal vantagem dos painéis fotovoltaicos sobre outras fontes de eletricidade é que eles não precisam de combustível e manutenção.

Os primeiros painéis fotovoltaicos produzidos em massa apareceram no mercado em 1979.

O aumento do interesse na energia fotovoltaica como fonte de energia na Terra, bem como em outras fontes renováveis, foi alimentado pela crise do petróleo da década de 1970.

Desde então, intensa pesquisa e desenvolvimento foram realizados, resultando em maior eficiência, preços mais baixos e maior vida útil das células e painéis fotovoltaicos. Ao mesmo tempo, a intensidade energética da produção diminuiu a tal ponto que o painel gera muitas vezes mais energia do que foi usado para produzi-lo.

As grandes estruturas costeiras mais antigas (ainda em uso) datam do início dos anos 80. Naquela época, as células de silício cristalino ainda eram completamente dominadas, cuja vida útil foi confirmada em condições reais de pelo menos 30 anos.

Com base na experiência, os fabricantes garantem que o desempenho do painel diminuirá no máximo 20% após 25 anos (no entanto, os resultados das instalações mencionadas são muito melhores). Para outros tipos de painéis, a vida útil é estimada com base em testes acelerados.

Além das células originais de silício monocristalino, vários novos tipos de células fotovoltaicas foram desenvolvidos ao longo dos anos, filme cristalino e fino… No entanto, o silício ainda é o material dominante na energia fotovoltaica.

A tecnologia fotovoltaica experimentou um grande boom desde 2008, quando os preços do silício cristalino começaram a cair rapidamente, principalmente devido à transferência da produção para a China, que antes era um player minoritário no mercado (a maior parte da produção fotovoltaica estava concentrada no Japão, o Estados Unidos, Espanha e Alemanha).

A energia fotovoltaica só se generalizou com a introdução de vários sistemas de suporte. O primeiro foi o programa de subsídios no Japão e depois o sistema de preços de compra na Alemanha. Posteriormente, sistemas semelhantes foram introduzidos em vários outros países.

A energia fotovoltaica é a fonte de energia renovável mais comum atualmente e também é uma indústria em rápido crescimento. É amplamente instalado nos telhados de edifícios, bem como em terrenos que não podem ser usados ​​para trabalhos agrícolas.

As últimas tendências também incluem instalações de água na forma de sistemas fotovoltaicos flutuantes e instalações agro-fotovoltaicas, combinando as instalações fotovoltaicas com a produção agrícola.