La storia del fotovoltaico, come sono nati i primi pannelli solari
Scoperte, esperimenti e teorie
La storia del fotovoltaico inizia con la scoperta dell'effetto fotoelettrico. La conclusione che la corrente tra gli elettrodi metallici immersi in una soluzione (liquida) varia con l'intensità dell'illuminazione fu presentata all'Accademia francese delle scienze nella riunione di lunedì 29 luglio 1839 da Alexandre Edmond Becquerel, che pubblicò successivamente un articolo.
Suo padre, Antoine César Becquerel, è talvolta chiamato lo scopritore. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che Edmond Becquerel aveva solo 20 anni al momento della pubblicazione e lavorava ancora nel laboratorio di suo padre.
Il grande scienziato scozzese James Clerk Maxwell fu tra i molti scienziati europei incuriositi dal comportamento del selenio, che fu portato per la prima volta all'attenzione della comunità scientifica in un articolo di Willoughby Smith pubblicato nel Journal of the Society of Telegraph Engineers nel 1873.
Smith, capo ingegnere elettrico della Gutta Percha Company, utilizzò bacchette di selenio alla fine del 1860 in un dispositivo per rilevare guasti nei cavi transatlantici prima di immergersi. Mentre le bacchette di selenio funzionavano bene di notte, funzionavano malissimo quando usciva il sole.
Sospettando che le speciali proprietà del selenio avessero qualcosa a che fare con la quantità di luce che cadeva su di esso, Smith mise le bacchette in una scatola con un coperchio scorrevole. Quando il cassetto è stato chiuso e le luci sono state spente, la resistenza delle aste - il grado in cui impediscono il passaggio di una corrente elettrica attraverso di esse - era massima e rimaneva costante. Ma quando il coperchio della scatola è stato rimosso, la loro conducibilità è immediatamente "aumentata in base all'intensità della luce".
Tra i ricercatori che hanno studiato l'effetto della luce sul selenio dopo il rapporto di Smith c'erano due scienziati britannici, il professor William Grylls Adams e il suo studente Richard Evans Day.
Alla fine del 1870, sottoposero il selenio a molti esperimenti e in uno di questi esperimenti accesero una candela accanto alle bacchette di selenio che Smith stava usando. La freccia sul loro misuratore reagisce immediatamente. Proteggere il selenio dalla luce ha fatto scendere immediatamente l'ago a zero.
Queste rapide reazioni precludono la possibilità che il calore della fiamma della candela produca una corrente, sin dal momento in cui il calore viene fornito o rimosso negli esperimenti termoelettrici, l'ago sale o scende sempre lentamente. «Pertanto», conclusero i ricercatori, «era chiaro che la corrente poteva essere liberata solo in selenio sotto l'azione della luce». Adams e Day chiamarono la corrente prodotta dalla luce "fotovoltaica".
A differenza dell'effetto fotoelettrico osservato da Becquerel, quando la corrente in una cella elettrica cambiava sotto l'azione della luce, in questo caso la tensione elettrica (e la corrente) veniva generata senza l'azione di un campo elettrico esterno solo sotto l'azione della luce.
Adams e Day hanno persino creato un modello di un sistema fotovoltaico concentrato, che hanno presentato a molte persone di spicco in Inghilterra, ma non l'hanno portato all'uso pratico.
Un altro creatore celle fotovoltaiche basato sul selenio fu l'inventore americano Charles Fritts nel 1883.
Stese uno strato ampio e sottile di selenio su una lastra di metallo e lo ricoprì con una sottile pellicola traslucida di foglia d'oro.Questo modulo di selenio, disse Fritz, produceva una corrente "continua, costante e di notevole forza... non solo in luce del sole, ma anche in condizioni di luce diurna debole e diffusa e persino alla luce di una lampada».
Ma l'efficienza delle sue celle fotovoltaiche era inferiore all'1%. Tuttavia, credeva di poter competere con le centrali elettriche a carbone di Edison.
I pannelli solari al selenio dorato di Charles Fritts su un tetto di New York City nel 1884.
Fritz inviò uno dei suoi pannelli solari a Werner von Siemens, la cui reputazione era pari a quella di Edison.
Siemens rimase così colpita dalla potenza elettrica dei pannelli quando accesi che un famoso scienziato tedesco presentò il pannello Fritts alla Royal Academy in Prussia. Siemens ha detto al mondo scientifico che i moduli americani "ci hanno presentato per la prima volta la conversione diretta dell'energia luminosa in energia elettrica".
Pochi scienziati hanno ascoltato l'appello di Siemens. La scoperta sembrava contraddire tutto ciò che la scienza credeva all'epoca.
Le bacchette di selenio utilizzate da Adams e Day e dai pannelli "magici" di Frith non si basavano su metodi noti alla fisica per generare energia. Pertanto, la maggioranza li ha esclusi dall'ambito di ulteriori ricerche scientifiche.
Il principio fisico del fenomeno fotoelettrico fu descritto teoricamente da Albert Einstein nel suo articolo del 1905 sul campo elettromagnetico, che applicò al campo elettromagnetico, pubblicato da Max Karl Ernst Ludwig Planck all'inizio del secolo.
La spiegazione di Einstein mostra che l'energia di un elettrone rilasciato dipende solo dalla frequenza della radiazione (energia del fotone) e dal numero di elettroni dall'intensità della radiazione (numero di fotoni). Fu per il suo lavoro nello sviluppo della fisica teorica, in particolare per la scoperta delle leggi dell'effetto fotoelettrico, che Einstein ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1921.
L'audace nuova descrizione della luce di Einstein, combinata con la scoperta dell'elettrone e la successiva spinta a studiarne il comportamento - tutto avvenuto all'inizio del XIX secolo - fornì alla fotoelettricità un fondamento scientifico che prima le mancava e che ora potrebbe spiegare il fenomeno in termini comprensibile alla scienza.
In materiali come il selenio, i fotoni più potenti trasportano energia sufficiente per espellere gli elettroni debolmente legati dalle loro orbite atomiche. Quando i fili sono attaccati alle bacchette di selenio, gli elettroni liberati fluiscono attraverso di esse sotto forma di elettricità.
Gli sperimentatori del diciannovesimo secolo chiamarono il processo fotovoltaico, ma negli anni '20 gli scienziati chiamavano il fenomeno effetto fotoelettrico.
Nel suo libro del 1919 sulle celle solariThomas Benson ha elogiato il lavoro dei pionieri con il selenio come precursore dell '"inevitabile generatore solare".
Tuttavia, senza scoperte all'orizzonte, il capo della divisione fotovoltaica di Westinghouse ha potuto solo concludere: "Le celle fotovoltaiche non interesseranno gli ingegneri pratici fino a quando non saranno almeno cinquanta volte più efficienti".
Gli autori di Photovoltaics and Its Applications concordarono con la previsione pessimistica, scrivendo nel 1949: "Bisogna lasciare al futuro se la scoperta di celle materialmente più efficienti aprirà la possibilità di utilizzare l'energia solare per scopi utili".
Meccanismi degli effetti fotovoltaici: Effetto fotovoltaico e sue varietà
Fotovoltaico in pratica
Nel 1940, Russell Shoemaker Ole creò accidentalmente giunzione PN sul silicio e ha scoperto che produceva elettricità quando era illuminato. Ha brevettato la sua scoperta. L'efficienza è di circa l'1%.
La forma moderna delle celle solari è nata nel 1954 presso i Bell Laboratories. In esperimenti con silicio drogato, è stata stabilita la sua elevata fotosensibilità. Il risultato è stato una cella fotovoltaica con un'efficienza di circa il sei percento.
Gli orgogliosi dirigenti di Bell svelano il Bell Solar Panel il 25 aprile 1954, caratterizzato da un pannello di celle che si basano esclusivamente sull'energia luminosa per alimentare la ruota panoramica. Il giorno successivo, gli scienziati Bell hanno lanciato un trasmettitore radio a energia solare che trasmette voce e musica ai principali scienziati americani riuniti per un incontro a Washington.
Le prime celle solari fotovoltaiche furono sviluppate all'inizio degli anni '50.
L'elettricista della Southern Bell assembla un pannello solare nel 1955.
Le celle fotovoltaiche sono state utilizzate come fonte di elettricità per alimentare vari dispositivi sin dalla fine degli anni '50 sui satelliti spaziali. Il primo satellite con fotocellule fu il satellite americano Vanguard I (Avangard I), lanciato in orbita il 17 marzo 1958.
Satellite americano Vanguard I, 1958.
Il satellite Vanguard I è ancora in orbita. Ha trascorso più di 60 anni nello spazio (considerato il più antico oggetto creato dall'uomo nello spazio).
Vanguard I è stato il primo satellite ad energia solare e le sue celle solari hanno fornito energia al satellite per sette anni. Ha smesso di inviare segnali alla Terra nel 1964, ma da allora i ricercatori lo hanno ancora utilizzato per ottenere informazioni su come il Sole, la Luna e l'atmosfera terrestre influenzano i satelliti in orbita.
Satellite americano Explorer 6 con pannelli solari rialzati, 1959.
Con poche eccezioni, è la principale fonte di elettricità per i dispositivi che dovrebbero funzionare a lungo. La capacità totale dei pannelli fotovoltaici sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è di 110 kWh.
Pannelli solari nello spazio
I prezzi delle prime celle fotovoltaiche negli anni '50 erano migliaia di dollari per watt di potenza nominale e il consumo di energia per produrle superava la quantità di elettricità che queste celle producevano nel corso della loro vita.
Il motivo era, a parte la bassa efficienza, che nella produzione di celle fotovoltaiche venivano utilizzate praticamente le stesse procedure tecnologiche ed energivore utilizzate nella produzione di microchip.
In condizioni terrestri, i pannelli fotovoltaici sono stati inizialmente utilizzati per alimentare piccoli dispositivi in località remote o, ad esempio, su boe, dove sarebbe estremamente difficile o impossibile collegarli alla rete elettrica. Il vantaggio principale dei pannelli fotovoltaici rispetto ad altre fonti di energia elettrica è che non necessitano di carburante e manutenzione.
I primi pannelli fotovoltaici prodotti in serie sono comparsi sul mercato nel 1979.
Il crescente interesse per il fotovoltaico come fonte di energia sulla Terra, così come per altre fonti rinnovabili, è stato alimentato dalla crisi petrolifera degli anni '70.
Da allora, sono state condotte intense attività di ricerca e sviluppo, che hanno portato a una maggiore efficienza, prezzi più bassi e una maggiore durata delle celle e dei pannelli fotovoltaici. Allo stesso tempo, l'intensità energetica della produzione è diminuita a tal punto che il pannello genera molte volte più energia di quanta ne è stata utilizzata per produrlo.
Le grandi strutture costiere più antiche (ancora in uso) risalgono ai primi anni '80. A quel tempo, le celle di silicio cristallino erano ancora completamente dominate, la cui durata è stata confermata in condizioni reali di almeno 30 anni.
Sulla base dell'esperienza, i produttori garantiscono che le prestazioni del pannello diminuiranno al massimo del 20% dopo 25 anni (tuttavia, i risultati delle installazioni menzionate sono molto migliori). Per altri tipi di pannelli, la vita utile è stimata sulla base di test accelerati.
Oltre alle originarie celle in silicio monocristallino, negli anni sono state sviluppate diverse nuove tipologie di celle fotovoltaiche, sia cristallino che a film sottile… Tuttavia, il silicio è ancora il materiale dominante nel fotovoltaico.
La tecnologia fotovoltaica ha conosciuto un forte boom a partire dal 2008, quando i prezzi del silicio cristallino hanno iniziato a scendere rapidamente, principalmente a causa del trasferimento della produzione in Cina, che in precedenza era un player di minoranza nel mercato (la maggior parte della produzione fotovoltaica era concentrata in Giappone, il Stati Uniti, Spagna e Germania).
Il fotovoltaico si è diffuso solo con l'introduzione di vari sistemi di supporto. Il primo è stato il programma di sovvenzioni in Giappone e poi il sistema dei prezzi di acquisto in Germania. Successivamente, sistemi simili sono stati introdotti in numerosi altri paesi.
L'energia fotovoltaica è oggi la fonte di energia rinnovabile più comune ed è anche un settore in rapida crescita. È ampiamente installato sui tetti degli edifici e su terreni non utilizzabili per lavori agricoli.
Le ultime tendenze includono anche impianti idrici sotto forma di impianti fotovoltaici galleggianti e impianti agro-fotovoltaici, combinando gli impianti fotovoltaici con la produzione agricola.