Fotowoltaika jest dziedziną obejmującą zagadnienia pozyskiwania energii elektrycznej ze światła słonecznego. W czasach, kiedy ekologia coraz częściej ma decydujący głos, a rachunki za prąd ciągle rosną, pozyskiwanie energii z paneli fotowoltaicznych robi coraz większą karierę. A wszystko zaczęło się na początku XX wieku.
Początki
Philipp Eduard Anton von Lenard, niemiecki fizyk, profesor m.in. Śląskiego Uniwersytetu Fryderyka Wilhelma we Wrocławiu, jeszcze w XIX stuleciu rozpoczął badania zjawiska fotoelektrycznego. Wyniki zebrał w pracy pt. Über lichtelektrische Wirkung (o działaniu fotoelektrycznym), którą opublikował w 1902 roku. Podważył w niej obowiązującą wówczas XIX-wieczną teorię falową światła, formułując nowe prawa zjawiska fotoelektrycznego. Udowodnił między innymi, że nie występuje ono poniżej określonej częstotliwości fali świetlnej, którą nazwał częstotliwością progową, a także że maksymalna energia fotoelektronów nie jest zależna od natężenia fali świetlnej, padającej na katodę. Powszechne uznanie wyników badań Lenarda zaowocowało przyznaniem mu w 1905 roku Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.
Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego ogłosił w tym samym roku Albert Einstein. Bazował on na teorii Maxa Plancka, według której światło emitowane jest w sposób nieciągły, a w przestrzeni rozchodzi się jako fala elektromagnetyczna. Natomiast według Einsteina kwanty światła (fotony) rozchodzą się w przestrzeni jak cząsteczki materii. Zetknięcie się fotonu z elektronem w metalu może spowodować wchłonięcie fotonu przez elektron, co skutkuje przekazaniem energii fotonu elektronowi. Einstein doczekał się za wyjaśnienie tego zjawiska Nagrody Nobla w 1921 roku.
Polski pierwiastek
Pochodzący z Kcyni na Pałukach Jan Czochralski, syn dobrze sytuowanego mistrza stolarskiego, po ukończeniu szkoły średniej wyjechał do pracy do Berlina, gdzie później podjął studia chemiczne. Tytuł inżyniera chemika uzyskał w 1910 roku i całe swoje życie zawodowe poświęcił pracy naukowej i wynalazczej, specjalizując się w metalografii. W 1916 roku odkrył metodę pomiaru szybkości krystalizacji metali, a dwa lata później opracował metodę wytwarzania monokryształów metali. W późniejszych latach opracował metodę produkcji kryształów krzemu, wykorzystując swoje poprzednie prace. Metoda ta stosowana jest do dziś, a wytworzone w ten sposób kryształy krzemu stanowią surowiec do budowy ogniw fotowoltaicznych. Dzięki technologii prof. Czochralskiego, którego wynalazek został zastosowany m.in. do skonstruowania pierwszych tranzystorów przez firmę Texas Instruments z USA, rozwiązana została kwestia zasilania urządzeń pracujących w kosmosie.
Dalszy rozwój
Jan Czochralski nie doczekał szerokiego zastosowania swojej technologii w przemyśle. Zmarł w 1953 roku, a pierwsze moduły fotowoltaiczne zostały zbudowane rok później. Miały one bardzo niską wydajność – zaledwie 4 proc., ale już w roku 1958 została ona zwiększona do 9 proc. Wtedy właśnie NASA zastosowała je po raz pierwszy do zasilania sztucznych satelitów. Jednak ich powszechne zastosowanie nie było jeszcze możliwe ze względu właśnie na niską wydajność i bardzo wysokie koszty produkcji. Dopiero w latach 70. XX wieku udało się je obniżyć. Rozpoczęła się szybka kariera ogniw fotowoltaicznych. Początkowo zastosowane zostały do zasilania platform wiertniczych i świateł nawigacyjnych na morzu, następnie do świateł sygnalizacyjnych na kolei, a w 1978 roku specjaliści z NASA po raz pierwszy zastosowali fotowoltaikę do zasilenia w energię elektryczną indiańskiej wioski, złożonej z piętnastu domów.
Fotowoltaika i lata 80. ubiegłego stulecia to dalsza ekspansja ogniw fotowoltaicznych, które były coraz bardziej wydajne, a koszty ich produkcji systematycznie spadały. W roku 1981 świat obiegła wiadomość o udanym przelocie nad kanałem La Manche samolotu, napędzanego systemem fotowoltaicznym. Samolot zbudował Brytyjczyk Paul MacCready, a nazwał go „Solar Challenger”. Pilotował go osobiście, przelatując odległość 262 km. W 1982 roku w Australii powstał samochód na ogniwa fotowoltaiczne, który przejechał trasę 2000 mil w ciągu 20 dni. W końcu lat 80. wydajność ogniw wynosiła już ponad 20 proc., co zachęcało do coraz szerszego wdrażania tej technologii.
Dookoła świata
W 1998 roku miał miejsce lot zdalnie sterowanego samolotu na energię słoneczną „Pathfinder”. Wzniósł się on na wysokość 80 tys. stóp (około 24 km). Natomiast trzy lata później samolot zbudowany przez NASA osiągnął 96 tys. stóp (prawie 30 km). W 2015 roku rozpoczął swój lot dookoła świata samolot szwajcarskiej konstrukcji „Solar Impulse 2”. Za jego sterami zasiedli dwaj piloci – Szwajcarzy Bertrand Piccard i André Borschberg. Samolot wyposażony był w ponad 17 tys. ogniw fotowoltaicznych. Leciał na średniej wysokości niespełna 6 tys. metrów z prędkością 50 – 100 km na godzinę. Trasa została wyznaczona z zachodu na wschód i składała się z kilkunastu etapów. Były one konieczne dla odpoczynku pilotów, którzy przebywali po kilkadziesiąt godzin w nieklimatyzowanym, ciasnym kokpicie, oraz w celu dokonania przeglądów technicznych samolotu. Lot zakończył się sukcesem – samolot wylądował w Abu Dhabi, pokonawszy odległość 43041 kilometrów.
Eksperyment wykazał, że lotnictwo elektryczne jest możliwe i ma przyszłość. Całkowicie bezpaliwowe, zatem bezemisyjne i w 100 proc. ekologiczne, będzie się dalej intensywnie rozwijać. Ówczesny sekretarz generalny ONZ, Ban Ki-moon, w rozmowie z Bertrandem Piccardem powiedział: „Być może właśnie kończy się lot dookoła świata, ale właśnie zespół Solar Impulse rozpoczął pilotowanie nas do nowej przyszłości.”
Autor: Katarzyna Zgorzelska, w konsultacji z TEB Edukacja
