फोटोव्होल्टेइकचा इतिहास, प्रथम सौर पॅनेल कसे तयार केले गेले

शोध, प्रयोग आणि सिद्धांत

फोटोव्होल्टाइक्सचा इतिहास फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाच्या शोधापासून सुरू होतो. द्रावणात (द्रव) बुडवलेल्या धातूच्या इलेक्ट्रोड्समधील विद्युत् प्रवाह प्रकाशाच्या तीव्रतेनुसार बदलतो हा निष्कर्ष फ्रेंच अकादमी ऑफ सायन्सेसच्या सोमवार, 29 जुलै 1839 रोजी झालेल्या बैठकीत अलेक्झांड्रे एडमंड बेकरेल यांनी मांडला. त्यानंतर त्यांनी लेख प्रकाशित केला.

त्याचे वडील, अँटोइन सीझर बेकरेल यांना कधीकधी शोधक म्हटले जाते. प्रकाशनाच्या वेळी एडमंड बेकरेल केवळ 20 वर्षांचा होता आणि तरीही त्याच्या वडिलांच्या प्रयोगशाळेत काम करत होता या वस्तुस्थितीमुळे हे असू शकते.

महान स्कॉटिश शास्त्रज्ञ जेम्स क्लर्क मॅक्सवेल हे सेलेनियमच्या वागणुकीबद्दल उत्सुक असलेल्या अनेक युरोपियन शास्त्रज्ञांपैकी एक होते, जे 1873 मध्ये सोसायटी ऑफ टेलिग्राफ इंजिनियर्सच्या जर्नलमध्ये प्रकाशित विलोबी स्मिथच्या लेखात प्रथम वैज्ञानिक समुदायाच्या लक्षात आले होते.

गुट्टा पर्चा कंपनीचे मुख्य विद्युत अभियंता स्मिथ यांनी 1860 च्या उत्तरार्धात डायव्हिंग करण्यापूर्वी ट्रान्सअटलांटिक केबल्समधील दोष शोधण्यासाठी सेलेनियम रॉड्सचा वापर केला. सेलेनियम रॉड्स रात्री चांगले काम करत असताना, जेव्हा सूर्य बाहेर आला तेव्हा ते भयानक काम करतात.

सेलेनियमच्या विशेष गुणधर्माचा त्यावर पडणाऱ्या प्रकाशाशी काहीतरी संबंध आहे असा संशय घेऊन, स्मिथने रॉड्स एका सरकत्या झाकणासह बॉक्समध्ये ठेवल्या. जेव्हा ड्रॉवर बंद केले गेले आणि दिवे बंद केले गेले, तेव्हा रॉड्सचा प्रतिकार - ज्या प्रमाणात ते त्यांच्याद्वारे विद्युत प्रवाह जाण्यास अडथळा आणतात ते जास्तीत जास्त होते आणि स्थिर राहिले. परंतु जेव्हा बॉक्सचे झाकण काढले गेले तेव्हा त्यांची चालकता ताबडतोब "प्रकाशाच्या तीव्रतेनुसार वाढली."

स्मिथच्या अहवालानंतर सेलेनियमवर प्रकाशाच्या परिणामाचा अभ्यास करणाऱ्या संशोधकांमध्ये प्राध्यापक विल्यम ग्रिल्स अॅडम्स आणि त्यांचे विद्यार्थी रिचर्ड इव्हान्स डे हे दोन ब्रिटिश शास्त्रज्ञ होते.

1870 च्या उत्तरार्धात, त्यांनी सेलेनियमवर अनेक प्रयोग केले आणि यापैकी एका प्रयोगात त्यांनी स्मिथ वापरत असलेल्या सेलेनियम रॉड्सच्या पुढे एक मेणबत्ती पेटवली. त्यांच्या मीटरवरील बाण लगेच प्रतिक्रिया देतो. सेलेनियमचे प्रकाशापासून संरक्षण केल्याने सुई लगेच शून्यावर गेली.

या जलद प्रतिक्रियांमुळे मेणबत्तीच्या ज्वालाच्या उष्णतेमुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होण्याची शक्यता नाकारली जाते, जेव्हा उष्णता पुरवली जाते किंवा काढून टाकली जाते थर्मोइलेक्ट्रिक प्रयोगांमध्ये, सुई नेहमी उगवते किंवा हळूहळू पडते. "म्हणून", संशोधकांनी निष्कर्ष काढला, "हे स्पष्ट होते की प्रकाशाच्या क्रियेत फक्त सेलेनियममध्ये प्रवाह सोडला जाऊ शकतो." अॅडम्स आणि डे यांनी प्रकाशाद्वारे निर्माण होणाऱ्या विद्युत् प्रवाहाला "फोटोव्होल्टेइक" म्हटले.

बेकरेलने पाहिलेल्या फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाच्या विपरीत, जेव्हा विद्युत सेलमधील विद्युत् प्रवाह प्रकाशाच्या क्रियेत बदलतो, तेव्हा या प्रकरणात विद्युत व्होल्टेज (आणि करंट) केवळ प्रकाशाच्या क्रियेखाली बाह्य विद्युत क्षेत्राच्या क्रियेशिवाय निर्माण होते.

अॅडम्स आणि डे यांनी एकाग्र फोटोव्होल्टेइक प्रणालीचे मॉडेल देखील तयार केले, जे त्यांनी इंग्लंडमधील अनेक प्रमुख लोकांना सादर केले, परंतु ते व्यावहारिक वापरात आणले नाही.

दुसरा निर्माता फोटोव्होल्टेइक पेशी सेलेनियमवर आधारित 1883 मध्ये अमेरिकन शोधक चार्ल्स फ्रिट्स होते.

त्याने एका धातूच्या प्लेटवर सेलेनियमचा एक विस्तृत पातळ थर पसरवला आणि सोन्याच्या पानांच्या पातळ अर्धपारदर्शक फिल्मने ते झाकले. फ्रिट्झ म्हणाले, सेलेनियमच्या या मॉड्यूलने "सतत, स्थिर आणि लक्षणीय ताकदीची निर्मिती केली ... फक्त मध्येच नाही. सूर्यप्रकाश, परंतु कमकुवत, पसरलेल्या दिवसाच्या प्रकाशात आणि अगदी दिव्याच्या प्रकाशात देखील.

परंतु त्याच्या फोटोव्होल्टेइक पेशींची कार्यक्षमता 1% पेक्षा कमी होती. तथापि, त्यांचा विश्वास होता की ते एडिसनच्या कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांशी स्पर्धा करू शकतात.

1884 मध्ये न्यूयॉर्क शहराच्या छतावर चार्ल्स फ्रिट्सचे सोनेरी सेलेनियम सौर पॅनेल.

फ्रिट्झने त्याचे एक सौर पॅनेल वर्नर वॉन सीमेन्सला पाठवले, ज्याची प्रतिष्ठा एडिसनच्या बरोबरीची होती.

सिमेन्स पॅनेलच्या विद्युत शक्तीने इतके प्रभावित झाले की प्रशियातील रॉयल अकादमीला एका प्रसिद्ध जर्मन शास्त्रज्ञाने फ्रिट्स पॅनेल सादर केले. सीमेन्सने वैज्ञानिक जगाला सांगितले की अमेरिकन मॉड्यूल्सने "प्रथमच प्रकाश उर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये थेट रूपांतर आमच्यासमोर सादर केले."

काही शास्त्रज्ञांनी सीमेन्सच्या आवाहनाकडे लक्ष दिले आहे. हा शोध त्यावेळच्या विज्ञानावर विश्वास ठेवत असलेल्या प्रत्येक गोष्टीला विरोध करत होता.

अॅडम्स आणि डे आणि फ्रिथच्या "जादू" पॅनेलद्वारे वापरलेले सेलेनियम रॉड ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी भौतिकशास्त्राला ज्ञात असलेल्या पद्धतींवर अवलंबून नव्हते. त्यामुळे बहुसंख्यांनी त्यांना पुढील वैज्ञानिक संशोधनाच्या कक्षेतून वगळले.

फोटोइलेक्ट्रिक घटनेच्या भौतिक तत्त्वाचे सैद्धांतिकपणे अल्बर्ट आइनस्टाइनने 1905 च्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डवरील पेपरमध्ये वर्णन केले होते, जे त्यांनी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डवर लागू केले होते, जे शतकाच्या शेवटी मॅक्स कार्ल अर्न्स्ट लुडविग प्लँक यांनी प्रकाशित केले होते.

आइन्स्टाईनच्या स्पष्टीकरणावरून असे दिसून येते की प्रकाशीत इलेक्ट्रॉनची उर्जा केवळ रेडिएशनच्या वारंवारतेवर (फोटॉन ऊर्जा) आणि किरणोत्सर्गाच्या तीव्रतेपासून (फोटॉनची संख्या) इलेक्ट्रॉनच्या संख्येवर अवलंबून असते. सैद्धांतिक भौतिकशास्त्राच्या विकासासाठी, विशेषत: फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टच्या कायद्यांचा शोध या त्यांच्या कार्यासाठी, आइन्स्टाईन यांना 1921 मध्ये भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक देण्यात आले.

आइन्स्टाईनचे प्रकाशाचे ठळक नवीन वर्णन, इलेक्ट्रॉनचा शोध आणि त्याच्या वर्तनाचा अभ्यास करण्यासाठी त्यानंतरची मोहीम - हे सर्व 19 व्या शतकाच्या सुरुवातीस घडले - फोटोइलेक्ट्रीसिटी प्रदान केली ज्याचा वैज्ञानिक पाया पूर्वी नव्हता आणि जो आता या घटनेचे स्पष्टीकरण देऊ शकतो. विज्ञानाला समजण्यासारखे.

सेलेनियम सारख्या सामग्रीमध्ये, अधिक शक्तिशाली फोटॉन त्यांच्या अणु कक्षेतून सैलपणे बांधलेले इलेक्ट्रॉन ठोठावण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा वाहून नेतात. जेव्हा तारा सेलेनियम रॉड्सला जोडल्या जातात तेव्हा त्यांच्यामधून मुक्त इलेक्ट्रॉन वीज म्हणून वाहतात.

एकोणिसाव्या शतकातील प्रयोगकर्त्यांनी या प्रक्रियेला फोटोव्होल्टेइक म्हटले, परंतु 1920 च्या दशकापर्यंत शास्त्रज्ञ या घटनेला फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव म्हणत होते.

त्यांच्या 1919 च्या सौर पेशींवरील पुस्तकातथॉमस बेन्सन यांनी "अपरिहार्य सौर जनरेटर" चे अग्रदूत म्हणून सेलेनियमसह पायनियर्सच्या कार्याची प्रशंसा केली.

तथापि, क्षितिजावर कोणताही शोध न लागल्याने, वेस्टिंगहाऊसच्या फोटोव्होल्टेइक विभागाचे प्रमुख केवळ निष्कर्ष काढू शकले: "फोटोव्होल्टेइक पेशी किमान पन्नास पट अधिक कार्यक्षम होईपर्यंत व्यावहारिक अभियंत्यांना स्वारस्य नसतील."

फोटोव्होल्टाइक्स अँड इट्स अॅप्लिकेशन्सच्या लेखकांनी निराशावादी अंदाजाशी सहमती दर्शवली, 1949 मध्ये लिहिले: "भौतिकदृष्ट्या अधिक कार्यक्षम पेशींचा शोध उपयुक्त हेतूंसाठी सौर ऊर्जा वापरण्याची शक्यता उघड करेल की नाही हे भविष्यावर सोडले पाहिजे."

फोटोव्होल्टेइक प्रभावाची यंत्रणा: फोटोव्होल्टेइक प्रभाव आणि त्याचे प्रकार

सराव मध्ये फोटोव्होल्टाइक्स

1940 मध्ये, रसेल शूमेकर ओलेने चुकून तयार केले पीएन जंक्शन सिलिकॉनवर आणि असे आढळले की ते प्रकाशित झाल्यावर वीज निर्माण करते. त्याने त्याच्या शोधाचे पेटंट घेतले. कार्यक्षमता सुमारे 1% आहे.

1954 मध्ये बेल लॅबोरेटरीजमध्ये सौर पेशींच्या आधुनिक स्वरूपाचा जन्म झाला. डोपेड सिलिकॉनच्या प्रयोगांमध्ये, त्याची उच्च प्रकाशसंवेदनशीलता स्थापित केली गेली. परिणाम सुमारे सहा टक्के कार्यक्षमतेसह एक फोटोव्होल्टेइक सेल होता.

प्राऊड बेलच्या अधिकाऱ्यांनी 25 एप्रिल 1954 रोजी बेल सोलर पॅनेलचे अनावरण केले, ज्यामध्ये फेरिस व्हीलला शक्ती देण्यासाठी पूर्णपणे प्रकाश ऊर्जेवर अवलंबून असलेल्या पेशींचे पॅनेल आहे. दुसऱ्या दिवशी, बेलच्या शास्त्रज्ञांनी वॉशिंग्टनमध्ये एका बैठकीसाठी जमलेल्या अमेरिकेतील आघाडीच्या शास्त्रज्ञांना आवाज आणि संगीत प्रसारित करणारा सौरऊर्जेवर चालणारा रेडिओ ट्रान्समीटर सुरू केला.

1950 च्या दशकाच्या सुरुवातीस प्रथम सौर फोटोव्होल्टेइक पेशी विकसित करण्यात आल्या.

दक्षिणी बेल इलेक्ट्रिशियन 1955 मध्ये सौर पॅनेल एकत्र करतात.

1950 च्या दशकाच्या उत्तरार्धापासून अंतराळ उपग्रहांवर विविध उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी फोटोव्होल्टेइक पेशी विजेचा स्रोत म्हणून वापरल्या जात आहेत. 17 मार्च 1958 रोजी कक्षेत प्रक्षेपित केलेला अमेरिकन उपग्रह व्हँगार्ड I (Avangard I) हा फोटोसेल असलेला पहिला उपग्रह होता.

अमेरिकन उपग्रह व्हॅनगार्ड I, 1958.

व्हॅनगार्ड I उपग्रह अजूनही कक्षेत आहे. त्याने अंतराळात 60 वर्षांहून अधिक काळ घालवला (अंतराळातील सर्वात जुनी मानवनिर्मित वस्तू मानली जाते).

Vanguard I हा पहिला सौरऊर्जेवर चालणारा उपग्रह होता आणि त्याच्या सौर पेशींनी उपग्रहाला सात वर्षे वीज पुरवली. त्याने 1964 मध्ये पृथ्वीवर सिग्नल पाठवणे बंद केले, परंतु तेव्हापासून संशोधकांनी त्याचा उपयोग सूर्य, चंद्र आणि पृथ्वीच्या वातावरणाचा परिभ्रमण करणाऱ्या उपग्रहांवर कसा परिणाम होतो याची माहिती मिळवण्यासाठी केला आहे.

अमेरिकन सॅटेलाइट एक्सप्लोरर 6 वर सोलर पॅनेलसह, 1959.

काही अपवाद वगळता, दीर्घकाळ चालण्याची अपेक्षा असलेल्या उपकरणांसाठी हा विजेचा मुख्य स्त्रोत आहे. इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशन (ISS) वरील फोटोव्होल्टेइक पॅनेलची एकूण क्षमता 110 kWh आहे.

अंतराळात सौर पॅनेल

1950 च्या दशकात पहिल्या फोटोव्होल्टेइक पेशींच्या किमती हजारो डॉलर्स प्रति वॅट रेटेड पॉवर होत्या आणि त्यांच्या निर्मितीसाठी लागणारा ऊर्जेचा वापर या पेशींनी त्यांच्या आयुष्यात निर्माण केलेल्या विजेच्या प्रमाणापेक्षा जास्त होता.

याचे कारण, कमी कार्यक्षमतेव्यतिरिक्त, फोटोव्होल्टेइक पेशींच्या निर्मितीमध्ये मायक्रोचिपच्या उत्पादनाप्रमाणेच व्यावहारिकदृष्ट्या समान तांत्रिक आणि ऊर्जा-केंद्रित प्रक्रिया वापरल्या गेल्या.

स्थलीय परिस्थितींमध्ये, फोटोव्होल्टेइक पॅनेलचा वापर प्रथम दुर्गम ठिकाणी लहान उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी केला गेला किंवा उदाहरणार्थ, बोयवर, जेथे त्यांना पॉवर ग्रिडशी जोडणे अत्यंत कठीण किंवा अशक्य असेल. विजेच्या इतर स्त्रोतांपेक्षा फोटोव्होल्टेइक पॅनेलचा मुख्य फायदा म्हणजे त्यांना इंधन आणि देखभालीची आवश्यकता नसते.

1979 मध्ये प्रथम मोठ्या प्रमाणात उत्पादित फोटोव्होल्टेइक पॅनेल बाजारात दिसू लागले.

1970 च्या दशकातील तेल संकटामुळे पृथ्वीवरील ऊर्जेचा स्रोत म्हणून फोटोव्होल्टेईक्समध्ये तसेच इतर नूतनीकरणीय स्त्रोतांमध्ये वाढलेली रुची वाढली.

तेव्हापासून, गहन संशोधन आणि विकास केले गेले, परिणामी उच्च कार्यक्षमता, कमी किमती आणि फोटोव्होल्टेइक पेशी आणि पॅनेलचे दीर्घ आयुष्य. त्याच वेळी, उत्पादनाची उर्जा तीव्रता इतकी कमी झाली आहे की पॅनेल ते तयार करण्यासाठी वापरल्या गेलेल्या ऊर्जापेक्षा कितीतरी पट जास्त ऊर्जा निर्माण करते.

सर्वात जुनी (अद्याप वापरात असलेली) मोठी किनारपट्टी संरचना 1980 च्या दशकाच्या सुरुवातीची आहे. त्या वेळी, स्फटिकासारखे सिलिकॉन पेशी अजूनही पूर्णपणे वर्चस्व होते, ज्याचे सेवा जीवन किमान 30 वर्षांच्या वास्तविक परिस्थितीत पुष्टी होते.

अनुभवाच्या आधारे, उत्पादक हमी देतात की 25 वर्षांनंतर पॅनेलची कार्यक्षमता जास्तीत जास्त 20% कमी होईल (तथापि, नमूद केलेल्या स्थापनेचे परिणाम बरेच चांगले आहेत). इतर प्रकारच्या पॅनेलसाठी, प्रवेगक चाचणीच्या आधारे सेवा आयुष्याचा अंदाज लावला जातो.

मूळ मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन पेशींव्यतिरिक्त, फोटोव्होल्टेइक पेशींचे अनेक नवीन प्रकार गेल्या काही वर्षांत विकसित केले गेले आहेत, क्रिस्टलीय आणि पातळ फिल्म दोन्ही… तथापि, फोटोव्होल्टेईक्समध्ये सिलिकॉन अजूनही प्रबळ सामग्री आहे.

2008 पासून फोटोव्होल्टेईक तंत्रज्ञानाने मोठी भरभराट अनुभवली आहे, जेव्हा क्रिस्टलीय सिलिकॉनच्या किमती झपाट्याने घसरायला लागल्या होत्या, मुख्यतः उत्पादन चीनकडे हस्तांतरित झाल्यामुळे, जे पूर्वी बाजारपेठेत अल्पसंख्याक होते (बहुसंख्य फोटोव्होल्टेइक उत्पादन जपानमध्ये केंद्रित होते, यूएस, स्पेन आणि जर्मनी).

फोटोव्होल्टाइक्स केवळ विविध समर्थन प्रणालींच्या परिचयाने व्यापक झाले. प्रथम जपानमधील अनुदान कार्यक्रम आणि नंतर जर्मनीमध्ये खरेदी किंमत प्रणाली. त्यानंतर, इतर अनेक देशांमध्ये समान प्रणाली सुरू करण्यात आली.

फोटोव्होल्टेइक ऊर्जा हा आजचा सर्वात सामान्य अक्षय ऊर्जा स्त्रोत आहे आणि हा एक अतिशय वेगाने वाढणारा उद्योग देखील आहे. हे इमारतींच्या छतावर तसेच शेतीच्या कामासाठी वापरले जाऊ शकत नाही अशा जमिनीवर मोठ्या प्रमाणावर स्थापित केले आहे.

नवीनतम ट्रेंडमध्ये पाण्याच्या स्थापनेचा देखील समावेश आहे फ्लोटिंग फोटोव्होल्टेइक प्रणाली आणि ऍग्रो-फोटोव्होल्टेइक इंस्टॉलेशन्स, फोटोव्होल्टेइक इंस्टॉलेशन्सना कृषी उत्पादनासह एकत्र करणे.