Sejarah fotovoltaik, bagaimana panel surya pertama dibuat

Penemuan, percobaan dan teori

Sejarah fotovoltaik dimulai dengan ditemukannya efek fotolistrik. Kesimpulan bahwa arus antara elektroda logam yang dibenamkan dalam larutan (cair) bervariasi dengan intensitas iluminasi disampaikan kepada French Academy of Sciences pada pertemuannya pada Senin, 29 Juli 1839, oleh Alexandre Edmond Becquerel, yang kemudian menerbitkan artikelnya.

Ayahnya, Antoine César Becquerel, terkadang disebut sebagai penemu. Ini mungkin karena fakta bahwa Edmond Becquerel baru berusia 20 tahun pada saat publikasi dan masih bekerja di laboratorium ayahnya.

Ilmuwan hebat Skotlandia James Clerk Maxwell termasuk di antara banyak ilmuwan Eropa yang tertarik dengan perilaku selenium, yang pertama kali menjadi perhatian komunitas ilmiah dalam sebuah artikel oleh Willoughby Smith yang diterbitkan dalam Journal of the Society of Telegraph Engineers pada tahun 1873.

Smith, kepala teknisi listrik Perusahaan Gutta Percha, menggunakan batang selenium pada akhir tahun 1860-an dalam perangkat untuk mendeteksi kesalahan pada kabel transatlantik sebelum menyelam. Sementara batang selenium bekerja dengan baik di malam hari, mereka bekerja sangat buruk saat matahari terbit.

Menduga bahwa sifat khusus selenium ada hubungannya dengan jumlah cahaya yang jatuh di atasnya, Smith menempatkan batang-batang itu di dalam kotak dengan penutup geser. Ketika laci ditutup dan lampu dimatikan, resistansi batang—sejauh mana batang menghalangi aliran arus listrik melaluinya—maksimal dan tetap konstan. Namun saat tutup kotak dilepas, konduktivitasnya langsung "meningkat sesuai dengan intensitas cahaya".

Di antara para peneliti yang mempelajari efek cahaya pada selenium setelah laporan Smith adalah dua ilmuwan Inggris, Profesor William Grylls Adams dan muridnya Richard Evans Day.

Pada akhir tahun 1870-an, mereka melakukan banyak percobaan pada selenium, dan dalam salah satu percobaan ini mereka menyalakan lilin di sebelah batang selenium yang digunakan Smith. Panah pada meteran mereka segera bereaksi. Melindungi selenium dari cahaya menyebabkan jarum langsung turun ke nol.

Reaksi cepat ini menghalangi kemungkinan panas dari nyala lilin menghasilkan arus, sejak saat panas disuplai atau dihilangkan dalam percobaan termoelektrik, jarum selalu naik atau turun perlahan. «Oleh karena itu», para peneliti menyimpulkan, «jelas bahwa arus hanya dapat dilepaskan dalam selenium di bawah aksi cahaya.» Adams dan Day menyebut arus yang dihasilkan oleh cahaya sebagai "fotovoltaik".

Berbeda dengan efek fotolistrik yang diamati oleh Becquerel, ketika arus dalam sel listrik berubah di bawah aksi cahaya, dalam hal ini tegangan (dan arus) listrik dihasilkan tanpa aksi medan listrik eksternal hanya di bawah aksi cahaya.

Adams dan Day bahkan membuat model sistem fotovoltaik terkonsentrasi, yang mereka perlihatkan kepada banyak orang terkemuka di Inggris, tetapi tidak membawanya ke penggunaan praktis.

Pencipta lain sel fotovoltaik berdasarkan selenium adalah penemu Amerika Charles Fritts pada tahun 1883.

Dia menyebarkan lapisan tipis selenium yang lebar pada pelat logam dan menutupinya dengan film tipis transparan dari daun emas.Modul selenium ini, kata Fritz, menghasilkan arus yang "terus menerus, stabil, dan cukup kuat ... tidak hanya di sinar matahari, tetapi juga di siang hari yang lemah dan menyebar dan bahkan cahaya lampu '.

Tetapi efisiensi sel fotovoltaiknya kurang dari 1%. Namun, dia yakin mereka bisa bersaing dengan pembangkit listrik tenaga batu bara Edison.

Panel surya selenium berlapis emas Charles Fritts di atap New York City pada tahun 1884.

Fritz mengirim salah satu panel suryanya ke Werner von Siemens, yang reputasinya setara dengan Edison.

Siemens sangat terkesan dengan daya listrik panel ketika dinyalakan sehingga seorang ilmuwan terkenal Jerman mempresentasikan panel Fritts ke Royal Academy di Prusia. Siemens mengatakan kepada dunia ilmiah bahwa modul Amerika "untuk pertama kalinya menunjukkan kepada kita konversi langsung energi cahaya menjadi energi listrik."

Beberapa ilmuwan telah mengindahkan seruan Siemens. Penemuan itu tampaknya bertentangan dengan semua yang diyakini sains saat itu.

Batang selenium yang digunakan oleh panel "ajaib" Adams dan Day dan Frith tidak bergantung pada metode yang dikenal fisika untuk menghasilkan energi. Oleh karena itu, mayoritas mengecualikan mereka dari ruang lingkup penelitian ilmiah lebih lanjut.

Prinsip fisika fenomena fotolistrik secara teoretis dijelaskan oleh Albert Einstein dalam makalahnya tahun 1905 tentang medan elektromagnetik, yang diterapkannya pada medan elektromagnetik, diterbitkan oleh Max Karl Ernst Ludwig Planck pada pergantian abad.

Penjelasan Einstein menunjukkan bahwa energi elektron yang dilepaskan hanya bergantung pada frekuensi radiasi (energi foton) dan jumlah elektron dari intensitas radiasi (jumlah foton). Atas karyanya dalam pengembangan fisika teoretis, khususnya penemuan hukum efek fotolistrik, Einstein dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1921.

Deskripsi baru Einstein yang berani tentang cahaya, digabungkan dengan penemuan elektron dan dorongan berikutnya untuk mempelajari perilakunya—semuanya terjadi pada awal abad ke-19—memberikan fotolistrik dengan landasan ilmiah yang sebelumnya tidak dimiliki dan yang sekarang dapat menjelaskan fenomena tersebut dalam istilah. dapat dipahami oleh sains.

Dalam bahan seperti selenium, foton yang lebih kuat membawa energi yang cukup untuk menjatuhkan elektron yang terikat longgar dari orbit atomnya. Ketika kabel dipasang ke batang selenium, elektron yang dibebaskan mengalir melaluinya sebagai listrik.

Eksperimen abad ke-19 menyebut proses tersebut fotovoltaik, tetapi pada tahun 1920-an, para ilmuwan menyebut fenomena tersebut sebagai efek fotolistrik.

Dalam bukunya tahun 1919 tentang sel suryaThomas Benson memuji karya perintis dengan selenium sebagai cikal bakal "generator surya yang tak terelakkan".

Namun, dengan tidak adanya penemuan di cakrawala, kepala divisi fotovoltaik Westinghouse hanya dapat menyimpulkan: "Sel fotovoltaik tidak akan menarik bagi para insinyur praktis sampai setidaknya lima puluh kali lebih efisien."

Penulis Photovoltaics and Its Applications setuju dengan perkiraan pesimistis, menulis pada tahun 1949: "Harus diserahkan ke masa depan apakah penemuan sel yang lebih efisien secara material akan membuka kemungkinan penggunaan energi matahari untuk tujuan yang bermanfaat."

Mekanisme efek fotovoltaik: Efek fotovoltaik dan varietasnya

Fotovoltaik dalam praktek

Pada tahun 1940, secara tidak sengaja dibuat oleh Russell Shoemaker Ole Persimpangan PN pada silikon dan menemukan bahwa itu menghasilkan listrik ketika diterangi. Dia mematenkan penemuannya. Efisiensinya sekitar 1%.

Bentuk modern sel surya lahir pada tahun 1954 di Bell Laboratories. Dalam percobaan dengan silikon yang didoping, fotosensitifitasnya yang tinggi terbentuk. Hasilnya adalah sel fotovoltaik dengan efisiensi sekitar enam persen.

Para eksekutif Proud Bell mengungkap Bell Solar Panel pada tanggal 25 April 1954, menampilkan panel sel yang hanya mengandalkan energi cahaya untuk menggerakkan kincir ria. Keesokan harinya, para ilmuwan Bell meluncurkan pemancar radio bertenaga surya yang menyiarkan suara dan musik kepada para ilmuwan terkemuka Amerika yang berkumpul untuk sebuah pertemuan di Washington.

Sel surya fotovoltaik pertama dikembangkan pada awal 1950-an.

Tukang listrik Southern Bell merakit panel surya pada tahun 1955.

Sel fotovoltaik telah digunakan sebagai sumber listrik untuk menyalakan berbagai perangkat sejak akhir 1950-an di satelit luar angkasa. Satelit pertama dengan fotosel adalah satelit Amerika Vanguard I (Avangard I), diluncurkan ke orbit pada 17 Maret 1958.

Satelit Amerika Vanguard I, 1958.

Satelit Vanguard I masih mengorbit. Ia menghabiskan lebih dari 60 tahun di luar angkasa (dianggap sebagai objek buatan manusia tertua di luar angkasa).

Vanguard I adalah satelit bertenaga surya pertama dan sel suryanya memberikan daya ke satelit selama tujuh tahun. Itu berhenti mengirimkan sinyal ke Bumi pada tahun 1964, tetapi sejak itu para peneliti masih menggunakannya untuk mendapatkan wawasan tentang bagaimana Matahari, Bulan, dan atmosfer Bumi memengaruhi satelit yang mengorbit.

Satelit Amerika Explorer 6 dengan panel surya terangkat, 1959.

Dengan sedikit pengecualian, ini adalah sumber listrik utama untuk perangkat yang diperkirakan akan beroperasi dalam waktu lama. Kapasitas total panel fotovoltaik di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) adalah 110 kWh.

Panel surya di luar angkasa

Harga sel fotovoltaik pertama pada tahun 1950-an adalah ribuan dolar per watt daya pengenal, dan konsumsi energi untuk memproduksinya melebihi jumlah listrik yang dihasilkan sel ini selama masa pakainya.

Alasannya adalah, selain dari efisiensi yang rendah, prosedur intensif teknologi dan energi yang hampir sama digunakan dalam produksi sel fotovoltaik seperti dalam produksi microchip.

Dalam kondisi terestrial, panel fotovoltaik pertama kali digunakan untuk memberi daya pada perangkat kecil di lokasi terpencil atau, misalnya, pada pelampung, di mana akan sangat sulit atau tidak mungkin untuk menyambungkannya ke jaringan listrik. Keuntungan utama panel fotovoltaik dibandingkan sumber listrik lainnya adalah tidak membutuhkan bahan bakar dan perawatan.

Panel fotovoltaik yang diproduksi secara massal pertama kali muncul di pasaran pada tahun 1979.

Meningkatnya minat pada fotovoltaik sebagai sumber energi di Bumi, serta sumber terbarukan lainnya, dipicu oleh krisis minyak tahun 1970-an.

Sejak saat itu, penelitian dan pengembangan intensif telah dilakukan, menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi, harga yang lebih rendah, dan masa pakai sel dan panel fotovoltaik yang lebih lama. Pada saat yang sama, intensitas energi produksi telah menurun sedemikian rupa sehingga panel menghasilkan energi berkali-kali lipat lebih banyak daripada yang digunakan untuk memproduksinya.

Bangunan pantai besar tertua (masih digunakan) berasal dari awal 1980-an. Pada saat itu, sel silikon kristal masih mendominasi sepenuhnya, yang umur layanannya dikonfirmasi dalam kondisi nyata minimal 30 tahun.

Berdasarkan pengalaman, pabrikan menjamin kinerja panel akan berkurang maksimal 20% setelah 25 tahun (namun, hasil pemasangan tersebut jauh lebih baik). Untuk jenis panel lainnya, masa pakai diperkirakan berdasarkan pengujian yang dipercepat.

Selain sel silikon monocrystalline asli, sejumlah jenis sel fotovoltaik baru telah dikembangkan selama bertahun-tahun, baik kristal dan film tipis… Namun, silikon masih menjadi bahan dominan dalam fotovoltaik.

Teknologi fotovoltaik telah mengalami ledakan besar sejak 2008, ketika harga silikon kristal mulai turun dengan cepat, terutama karena pengalihan produksi ke China, yang sebelumnya merupakan pemain minoritas di pasar (mayoritas produksi fotovoltaik terkonsentrasi di Jepang, AS, Spanyol dan Jerman).

Fotovoltaik hanya tersebar luas dengan diperkenalkannya berbagai sistem pendukung. Yang pertama adalah program subsidi di Jepang dan kemudian sistem harga pembelian di Jerman. Selanjutnya, sistem serupa diperkenalkan di sejumlah negara lain.

Energi fotovoltaik adalah sumber energi terbarukan yang paling umum saat ini dan juga merupakan industri yang berkembang sangat cepat. Itu banyak dipasang di atap bangunan maupun di tanah yang tidak dapat digunakan untuk pekerjaan pertanian.

Tren terbaru juga termasuk instalasi air dalam bentuk sistem fotovoltaik mengambang dan instalasi agro-fotovoltaik, menggabungkan instalasi fotovoltaik dengan produksi pertanian.