Sciencemag.cz
Doporučujeme
V dubnu roku 1954 předvedli výzkumníci z amerických Bellových laboratoří prototyp funkčního křemíkového solárního článku. Stalo se tak po více než sto letech, kdy vědci poprvé přišli s myšlenkou přeměny slunečního záření na elektrickou energii. První solární články byly ze selenu, ale jejich širšímu využití bránila nízká účinnost. Velký průlom v oblasti fotovoltaiky proto nastal až s rozmachem polovodičů v 50. letech minulého století.
Příběh solárních článků začíná v roce 1839. Francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel tehdy jako první pozoroval fotovoltaický jev. Profesor z pařížského Národního přírodovědného muzea (a také otec později slavného fyzika Henriho Becquerela, objevitele přirozené radioaktivity a držitele Nobelovy ceny za fyziku) se zabýval pokusy s kovovými elektrodami v elektrolytickém roztoku, při nichž pozoroval malé proudy, které vznikaly, když byly elektrody vystavené světlu. Poznatek, že proud mezi dvěma kovovými elektrodami ponořenými v elektrolytickém roztoku je závislý na intenzitě osvětlení, pak prezentoval na zasedání francouzské Akademie věd. Pozorovaný jev však nedokázal vysvětlit.
První selenové fotovoltaické články vznikly v roce 1883. O deset let dříve objevil fotoelektrickou vodivost selenu anglický inženýr Willoughby Smith, když testoval materiály vhodné k výrobě podmořských telegrafních kabelů. Fotoelektrických vlastností selenu pak využil americký vynálezce Charles Fritts a sestavil první funkční solární články. Fritts do svého vynálezu vkládal velké naděje a těšil se na zisky, které mu komerční využití solárních článků přinese. Výroba elektrické energie ze Slunce se v té době zdála být neomezeným a levným zdrojem energie. Problém ale spočíval v účinnosti solárních článků, která byla nižší než jedno procento, a tak Fritts se svým vynálezem neuspěl.
Dalším významným pokrokem ve vývoji technologie fotovoltaických článků byl objev p-n přechodu v roce 1939. Russell Shoemaker Ohl, výzkumný pracovník v Bellových laboratořích, studoval vlastnosti křemíku, když v jednom ze vzorků zpozoroval prasklinu. Zjistil, že pokud je zkoumaný vzorek vystaven světlu, prochází jím proud. Prasklina, která vznikla nedopatřením při výrobě křemíku, rozdělila vzorek na dvě oblasti s různým množstvím příměsí. Zatímco jedna strana byla pozitivně dotována, ta druhá měla dotování negativní. A tak díky chybě ve výrobě vznikl první p-n přechod, mimo jiné základ pro solární článek. Dvě opačně dotované oblasti vytvářejí elektrické pole a pokud je p-n přechod připojen do obvodu, dopadající fotony v něm generují elektrický proud.
Ohlův solární článek, který si autor nechal patentovat, ale i přes využití revolučního p-n přechodu dosahoval pouze jednoprocentní účinnosti. Na první prakticky využitelný solární článek bylo nutné počkat ještě dalších 14 let. V roce 1953 hledal inženýr Daryl Chapin z Bellových laboratoří alternativní zdroje energie pro telefonní systémy umisťované do odlehlých lokalit s vysokou vlhkostí, kde docházelo k rychlé degradaci suchých baterií. Nabízelo se tedy využít energii ze Slunce pomocí solárních článků.
Chapin to nejprve zkoušel se selenovými články, ale stejně jako jeho předchůdci narazil na nízkou účinnost. Další volba tak padla na křemíkové solární články. Chapin se spojil s chemikem Calvinem Fullerem a fyzikem Geraldem Pearsonem, kteří zkoumali vlastnosti polovodičů v závislosti na jejich příměsích. Společnými silami pak vytvořili první prakticky využitelný solární článek – p-n přechod tvořený křemíkem s příměsí boru na jedné straně a křemíkem s dopováním arzenem na straně druhé.
Finální design sestával z několika solárních článků spojených do tzv. solární baterie. Autoři svůj vynález slavnostně představili 25. dubna 1954 v Bellových laboratořích v Murray Hill v New Jersey. Křemíkové solární články, sestavené Chapinem, Fullerem a Pearsonem, dosahovaly účinnosti okolo šesti procent a znamenaly obrovský pokrok ve využití energie ze Slunce. Výroba však byla zpočátku velmi nákladná, takže k jejich komercionalizaci došlo až za několik let.
Ani dnes nejsou solární články levnou záležitostí a neomezeně dostupným zdrojem elektrické energie, jak jim bylo před více než sto lety předpovídáno. I přesto ale našly využití v mnoha zařízeních, ať už jde o kapesní kalkulačky nebo naopak o velké solární elektrárny pokrývající plochy o velikosti několika čtverečních kilometrů. Díky současné technologii, vylepšeným konstrukcím a pokročilým materiálům překračuje účinnost dnešních solárních článků 40 procent. A výzkum stále pokračuje, takže se dá předpokládat, že výkonnost v budoucnu ještě poroste, zatímco náklady se sníží.
Autor: Iveta Zatočilová
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka: Univerzita Karlova na Veletrhu vědy
VYZKOUŠEJTE SI FYZIKÁLNÍ POKUSY!
30. 5. – 1. 6. 2024
VSTUP ZDARMA PVA EXPO Praha
