Istorija solarne ćelije

Solarna energetika seže još u daleki osamnaesti vek. Toliko dug period u istraživanju i primeni solarne energije u ljudskom društvu ostavio je mnoga rešenja ne kojima se bazira današnji pogled eksploatacije zračenja Sunca. U narednom tekstu biće prikazani samo fragmenti ove bogate istorije.

Interesovanje za Sunce i iskorišćenje slobodne energije datira još iz početka šesnaestog veka. Veliki naučnik Leonardo da Vinci uradio je skicu koncentrisanog kolektora sa centralnim resiverom svetlosti koji bi pratio kretanje Sunca. Njegovu izradu započeo je 1515 god. Još od tada potiče ideja koncentrisanih solarnih kolektora.

Zatim, švajcarskom naučniku Horas de Sosir se pripisuje izgradnja prvog u svetu solarnog kolektora, koji je kasnije korišćen od strane Ser Džon Heršel za kuvanje hrane tokom njegove ekspedicije u Južnoj Africi 1830. Još jedan naučnik daje doprinos savremenim solarnom sistemima. Škotski ministar Dr Robert Stirling (slika gore levo ) izumeo je pumpu za vodu napajanu preko solarne energije. Njegov motor je dobijao snagu iz zagrejanog gasa u cilindričnom sudu. Sastojao se od dve spojene komore gasa koje su potpuno zatvorene. Zagrevanja gasa i stvaranjem razlike u temperaturi dva cilindra ili samo dve komore unutar mašine (ima više varijanti Strilingove mašine), radio je motor za pokretanje pumpe za vodu. Mnogi solarni kolektori sa velikim kružnim koncentratorom svetlosti ili ogledalima danas koriste isti princip.

Razvoj solarnih ćelija počinje 1839 istraživanjima francuskog fizičara Becquerela. Pronašao je fotonaponski efekat dok je eksperimentirao sa čvrstim elektrodama u rastvoru elektrolita kad se stvorio napon prilikom izlaganja elektrode svetlu. Primijetio da se jačina struje između dvije elektrode u elektrolitu povećava prilikom osvjetljavanja elektroda. Efekt je prvo proučavan na čvrstim telima, kao sto je selen (1873-Willoughby Smith). Kao rezultat, selen je uskoro usvojen  u fotografiji, u uređajima za mjerenje svjetlosti. Tako su W. G. Adams i R. E. Day 1877 godine napravili uređaj za mjerenje intenziteta svjetlosti.

Prvom originalnom solarnom ćelijom smatra se ona izrađena 1883 god. (Charles Fritts) od selena kao poluprovodnika s vrlo tankim slojem zlata. Ova rana ćelija imala je efikasnost pretvaranja energije manju od 1%. Nakon toga 1888 – 1897 objavljeno je nekoliko patenata pod naslovom ”Solar cell”. Interesantno je da je prvu solarnu mašinu osmislio Tesla 1901 godine (patent US 685957) .

Teslin patent o korišćenju solarne energije

Slika 1. Teslin patent o korišćenju solarne energije

Princip rada je bio da se na ploči P apsorbuje solarno elektromagnetno zračenje, pad napona je bio skoncen-trisan na pokretnim pločama t i t’ kondenzatora. Dok se punio proticala bi struja koja je napajala elektro-magnet a sve se moglo beležiti rotacionim sistemom koji je elektromagnet otkočivao. Kada bi se spojile elektrode i ispraznile, proces bi krenuo nanovo. Ali ovo nije jedini nacrt. Postoje različite varijacije ovog rešenja koja je Tesla priložio na ovom polju.

Albert Einstein je 1904 god. svojim objašnjenjem fotoelectričnog efekta doprineo je teorijskom razvoju solarnih ćelija. Iste godine Wilhelm Hallwachs napravio je prvu solarnu ćeliju sa poluprovodničkim spojem tako što je spojio bakar i bakar-oksid. 1916 god. Robert Miliken sproveo eksperimente i dokazao fotoelektričnog efekta. Još jedan tehnološki proces doprineo je razvoj poluprovodničke elektronike, mada kasnije, a time i solarne ćelije. Poljski naučnik 1918 god. Jan Czochralski (slika 2.) pronalazi metod narastanja kristala metala iz tečne faze. Kasnije je ovaj proces prilagođen za dobijanje kristalnog silicijuma (1948 god. Gordon Teal i John Little).

Poljski naučnik Jan Czochralski
Slika 2. Poljski naučnik Jan Czochralski

U Floridi i Kaliforniji 1920 počeli su da se proizvode i postavljaju solarni sistemi za zagrevanje vode. Audobert i Stora otkrili su i pokazali 1932 god. fotonaponski efekat u Kadmiumu selenidu (CdSe). Ovaj materijal se i danas koristi za izradu solarnih ćelija. Pored ovog matreijala je 1951 god. napravljena je p-n kristalna solarna ćelija od Ge.

Nedostatak je smanjen razvojem solarnih ćelija od silicijuma (Ohl, 1941). Nagli razvoj solarnih ćelija počinje 1954. godine kada su tri američka istraživača Pearson, Fuller i Chapin razvila monokristalnu silicijumsku solarnu ćeliju sposobnu da konvertuje 4% svetlosne energije iz sunčevih zraka dovoljne za snabdevanje električnih kola, slika 3. Kasnije su došli do 11%. Sastojala se od nekoliko silicijumskih pločica (veličine žileta) koji koje su prikupljale slobodne elektrone i pretvorale ih u električnu struju. Ovo istraživanje bilo je u okviru planova razvoja svemirskog programa u Bell-ovim laboratorijama. Iste godine razvijene su i solarne ćelije na kadmijum-sulfidu sa efikasnošću 6%.


Solar 3. Calvin Fuller i Daryl Chapin u Bell-ovim laboratorijama, efikasnosti 6%

Najveći korak prema komercijalizaciji PV ćelija poduzet je pedesetih godina prošlog stoljeća u Bell laboratorijima u New Yorku kad je razvijen Czochralskijev proces za proizvodnju kristalnog silicijuma visoke čistoće, a potom Bellove solarne baterije krajem 1955 godine. Lansiranjem prvog satelita Vanguard I 1958 god. napajanog solarnim ćelijama povezanih u panel od 100cm2 i snage 0.1W započinje era solarnih ćelija namenjenih kosmičkim letelicama.

Ovaj sistem je napajao satelit 8 godina. Potom je lansirani satelit Explorer-6 1959 godine posedovao je 9600 solarnih ćelija efikasnosti 10% dimanzija 2cm x 1cm. Od tada postaju izvor napajanja energijom satelita, svemirskih stanicama.
U 1960 godini Hoffman Electronics je razvio 14% solarne ćelije i time naglasio nadolažeći tehnološki razvoj u solarnoj industriji. U zemaljskim uslovima solarne ćelije počinju, doduše skromno, primenu na usamljenim objektima, svetionicima, mernim i istraživačkim mobilnim jedinicama, stambenim i industrijskim objektima, itd. Zato je 1961 god. u UN diskutovano o Solarnoj Energiji u razvijenom svetu. Ovom skupu prethodilo je stvaranje radne grupe o solarnoj energiji (RPG) kod napajanja letelica, u Filadelfiji, Pensilvanija. Naredne godine postavljen je linearni fokuseri svetlosti za zagrevanje vode površine 64m2, maksimalne dobijene temperature 450oC i dobijene energije 67,200 kWh na godišnjem nivou, slika levo.

Sa druge strane lansiran je telekomunikacioni satelit Telstar (Bell Labs),  sa panelom snage 14W. Godina 1963 može se označiti kao godina početka ere solarnih fotonaponskih elektrana. Te godine Japan (Sharp Corporation) je sagradio solarnu elektranu sa PV modulima snage 242W i to za snabdevanje svetionika. 1964 god. pokrenuta je svemirska letelica Nimbus sa 470W PV sistemom, dok je naredne godine postavljen tehnološki temelj thin-film solarnim panelima. Prvi sistem od 1kW postavljen je 1966 godine za snabdevanje astronomske opservatorije. Sa druge strane sveta 1967 god. napravljen je Sojuz 1  prva letelica sa ljudskom posadom koja može da se napaja pomoću solarnih ćelija, slika 5.

Sojuz 1
Slika 5. Sojuz 1

Nakon toga je naredne godine lansiran OVI-13 satelt sa CdS panelima. U Francuskoj je 1969 god. Postavljen sistem „Odeillo solar furnace” sa koncentrisanom svetlošću I razvojem temperature u žiži do 3000oC. U 1970 godini razvijene su prve GaAs heterostukturne solarne ćelije. Razvio ih je Ruski fizičar Zhores Alferov. Institut za energetku konverziju u okviru unuverziteta u Delaware-u razvio je thin-film fotonaponske i solarne termalne sisteme. Ova laboratorija je postala najveća svetska laboratorija za ispitivanje solarne konverzije. NASA je 1976 godine je počela instalacija 83 PV sistema širom sveta sem Australije koje je konačno završeno 1995 god. Ova godina se vezuje za još jedan napredak u solarnoj tehnologiji. David Carlson i Christopher Wronski (RCA Laboratories) razvili su amorfne solarne ćelije efikasnosti 1.1%. Naredne godine otvoren je Solar Energy Research Institute” u Goldenu u Coloradu, sa proizvodnim kapacitetima preko 500kW. Te godine se i Bela Kuća umešala u promociju solarne energije kao alternativnog izvora energije. Ovom rastu popularnosti doprinela je i Energetska kriza koja je tih godina zahvatila industrijski razvijene zemlje.  1980 god. na univerzitetu u Delaware-u, napravljene su thin-film solarne ćelije 10% efikasnosti. Napravljene su od Cu2S i CdS. Iste godine pristupilo se izgradnji solarnog PV sistema snage 105.6kW u Utah, moduli su bili proizvedeni u Motoroli, ARCO Solaru i Spectrolabu.

Paul MacCready je 1981 god. završio svoju solarnu letelicu, koja je ujedno i prva takve vrste u svetu, slika 6. Njome je preleteo Engleski kanal. Sama letelica posedovala je 16,000 solarnih ćelija sa snagom 3kW. U duhu ovakvih izazova Hans Tholstrup je naredne godine napravio solarni automobil  ”The Quiet Achiever”, kojim je prešao razdaljinu od 4000km, od Sidneja do Perth-a za 20 dana i prosečnom brzinom od 24km/h i maksimalnom od 72km/h. Te godine je dostignuta proizvodnja solarnih panela ukupne snage od 9.3MW. Firma ARCO Solar’s Hisperia je postavila 1MW solarnu elektranu sa 108 dvoosnim držačima. Naredne godine ista firma je postavila solarnu elektranu od 6MW u Kaliforniji dok je u San Diego1982 god. izgrađena solarna termoelektrana snage 5MW. Već 1983 godine proizvodnja solarnih panela dospela je do cifre od 21.3MW za snabdevanje 2500 porodica. Tada počinju projekti nezavisnog napajanja domaćinstava solarnom energijom. Sa druge strane započet je projekat ” Solar One” od 10MW koncentrisanom solarnom energijom. Rad na njemu je trajao do 1988 god.

Prva solarna letelica
Slika 6. Prva solarna letelica

Dodatan skok u razvoju desio se 1985 god. kada su u Centru za Fotonaponski inženjering Univerziteta u New South Wales-u razvili solarnu ćeliju sa 20% efikasnosti pod sada utvrđenim laboratorijskim uslovima (1 sun). 1986 godine ”Schlaich Bergermann and Partners” dizajnirali su dva kolektora sa sfernim ogledalima od po 25kW nazvanim ”EuroDish Stirling Systems”, instaliranih u Saudiskoj Arbiji. Prečnik jednog ogledala je 17m a reflektovana površina 227m2. Mada vek trajanja ovog sistema nije bio na očekivanom nivou. Pored toga ove godine su skinuti solarni paneli sa Bele Kuće (naredba predsednika Reagan-a). Ali da ovu godinu ipak krasi uspeh govori razvoj ARCO Solar G-4000 prvog polisilicijumskog komercijalnog modula. Takođe, sagrađena je najveća solarna termoelektrana sa koncentratorima i jednoosnim pomeranjem ogledala i ukupnom snagom od 80MW i efikasnošću od 38%, slika 7. Tek 1989 godine je započeto sa primenom solarnih koncentratora sa solarnim ćelijama. Te godine ” Schlaich Bergermann and Partners” dizajnirali su, izgradili, upravljali prvim na svetu solarnim ”dimnjakom” u mestu Manzanares, Španija; životni vek je bio oko 7 godina.

CSP parabolični sistem
Slika 7. CSP parabolični sistem, Kramer Junction, California

Visina stuba je oko 200m i 10m u prečniku. Površina oko dimnjakla je pokrivena plastičnim membranama u ukupnoj površini 45000m2. Zagrejan vazduh ispod plastičnog pokrivača se usmerava ka centralizovanom dimnjaku. Na svom putu pokreće turbine koje proizvode električnu energiju. Snaga ovog sistema iznosila je 50kW.

Da je solarna energija pozitivno prihvaćena govori i činjenica da je 1990 godine prvi put postavljen solarni sistem na krovu Katedrale u Magdeburg-u u Istočnoj Nemačkoj. Još jedan korak u Nemačkoj je učinjen ka solarnoj energiji. Te godine oformljen je “Siemens Solar Industries”. Naredne godine usavršene su fotohemijske ćelije (PEC) i otkrivene ćelije osetljive na određenu vrstu boje. U Americi se formirala te godine Nacionalna laboratorija za obnovljive izvore energije (N.R.E.L.). 1992 godine na Univerzitetu Južna Florida razvijeni su thin-film solarni paneli sa efikašnoću 15.89%. NASA instalira sistem na Lake Hoare-u, Antarctik, sistem od 0.5kW za napajanje laboratorije. To se danas pokazuje kao odlično rešenje za daleke merne stanice. Mnoge mobilne klimatske merne jedinice su potpuno automatizovane i nezavisne po napajanju. “Schlaich Bergermann and Partners” su 1992 godine objavili još jedan projekat u Nemačkoj (Pforzheim). Radi se o solarnom kolektoru na helijumu sa površinom koncentratorkog ogledala 44m2, snage 9kW. Isti taj solarni kolektorski sistem sa tri jedinice je napravljeni i u Almeria-i, Španija (DISTAL I). U Americi je 1993 god. u okviru N.R.E.L. formirana Istraživačka ustanova za solarnu energiju (SERF). I u sledećoj godini N.R.E.L. pokazuje veliku aktivnost. U okviru svojih istraživanja ostvarili su novu vrstu solarnih ćelija od GaInP/GaAs, čime se uspelo dosegnuti do 30% efikasnosti sa solarnim koncentratorima. 1996 godine osnovane su: “Renewable Energy Corporation(REC)”, “Norwegian solar energy company”, “National Center for Photovoltaics” (The U.S. Department of Energy). EPFL iz Lausanne, postigli su 11% efikasnosti na polju DSC ćelija (“dye-sensitized cells”) sa fotoelektrohemijskim efektom. Iste godine pokrenut je program “Solar Two” kao nadgradnja već postojećeg “Solar One” sistema. U narednoj godini “Schlaich Bergermann and Partners” pokreću nov projekat DISTAL II visine 8.5m I površine 57m2, snage 10kW. Sistem je trajao do sredine 2003 godine. U 1999 godini “Spectrolab, Inc”. i N.R.E.L razvili su solarne ćelije sa tri spoja (triple junction) čija efikasnost 32.3%. Po prvi put su spojena tri fotonaponska sloja u jednu solarnu ćeliju. U okviru N.R.E.L.-a razvijena je i polikristala solarna ćelija sa novom rekordnom vrednošću od 18.8%. U toj godini ukupna snaga instaliranih sistema na planeti dostigla je 1000MW. Na početku novog milenijuma ”First Solar, Inc” započinje masovnu proizvodnju  ”thin-film” solarne ćelije u Perrysburg, Ohio, sa godišnjom proizvodnjom snage 100MW.

U novijoj istoriji počinje napredno razdoblje u solarnoj industriji. Projekti se usložnjavaju, same solarne elektrane bivaju po nekoliko desetina megavata. U mnogim vladama donose se uredbe i zakoni o obnovljivim izvorima energije pa time i o solarnoj energiji. Na primer, u USA u Kaliforniji započeto je sa ”Solar Roofs Initiative” programom od milion solarnih krovova do 2017 god. Ili instaliranje sistema snage od 1000MW do 2015. U mnogim delovima planete započinje se sa izgradnjom sličnih postrojenja na solarnu energiju. Očigledno, istorija solarne energije će tek biti  pisana!