ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

Το φαινόμενο Becquerel.

Ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel, το 1839, μόλις σε ηλικία 19 ετών έθεσε τις βάσεις για την ανάπτυξη της σύγχρονης τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων.

Πειραματιζόμενος στο εργαστήριο του πατέρα του, κατάφερε να κατασκευάσει το πρώτο φωτοβολταϊκό κελί, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια από λευκόχρυσο τα οποία είχε επικαλύψει με χλωριούχο άργυρο. Μόλις τα ηλεκτρόδια αυτά φωτίζονταν, παρατήρησε ότι δημιουργούταν τάση και ρεύμα στο κύκλωμα.

Καθώς η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου (1897) και η διατύπωση της κβαντικής θεωρίας λάβαν χώρα αρκετά χρόνια μετά, η κβαντική φύση του φαινομένου και οι αρχές που το διέπουν έγιναν κατανοητές στις αρχές του 20^ου αιώνα. Στην ουσία εάν σε ένα αγώγιμο υλικό προσπέσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (όπως η ηλιακή), με συχνότητα μεγαλύτερη από μια συγκεκριμένη τιμή για κάθε υλικό, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποδεσμευτούν από την επιφάνεια του υλικού και να χρησιμοποιηθούν για να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα.

Με την περαιτέρω έρευνα πάνω στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (κάτι για το οποίο ο Einstein έλαβε το Nobel Φυσικής το 1921) και την έρευνα πάνω στους ημιαγωγούς στο πρώτο μισό του 20^ου αιώνα, καταλήγουμε στο έτος 1954 όπου στα Bell Laboratories κατασκευάστηκε η πρώτη ηλιακή κυψέλη με πλέον πρακτική εφαρμογή.

Η πρώτη σημαντική χρήση των φωτοβολταϊκών στοιχείων έλαβε χώρα το 1958 καθώς αυτά τροφοδότησαν με ηλεκτρισμό των δορυφόρο Vanguard 1, με μεγάλη επιτυχία, κάνοντας την φωτοβολταϊκή τεχνολογία την κύρια πηγή τροφοδοσίας για δορυφόρους μέχρι και σήμερα

.

Ακόμα το κόστος κατασκευής τους ήταν πολύ υψηλό αλλά με τη συνεχιζόμενη χρηματοδότηση της έρευνας και την πετρελαϊκή κρίση του 1973 να στρέφει τα μάτια επενδυτών σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας, φτάνουμε στα μέσα της δεκαετίας του 1980 όπου η τιμή ανά Watt έπεσε κάτω από τα 10 $ σε σχέση με τα 80 $ δέκα χρόνια πριν. Από εκεί και πέρα έχουμε συνεχιζόμενη μείωση κόστους όπου από το 2010 μέχρι και σήμερα μπορούμε να μιλάμε για την αποδοτικότερη και περιβαλλοντικά ορθότερη λύση για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία λειτουργούν ως εξής:
Ουσιαστικά τα στοιχεία αποτελούνται από δύο πλάκες ημιαγωγών (δίοδοι p-n) από κρυστάλλους πυριτίου (Si), το οποίο δεν είναι καλός αγωγός ηλεκτρισμού (έχει 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα). Έτσι το πυρίτιο δέχεται προσμίξεις από άλλα στοιχεία με τον ακόλουθο τρόπο.

Στην πάνω πλάκα (τύπου n), προστίθεται αρσενικό (As) ή φώσφορος (P) τα οποία διαθέτουν 5 ηλεκτρόνια στις εξωτερικές τους στοιβάδες (ένα παραπάνω από το πυρίτιο). Στην πλάκα αυτή επικρατούν οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων, σε σχέση με αυτές των λεγόμενων οπών, δλδ των θέσεων που απελευθερώνονται στο κάθε άτομο Si για να δεχτεί ηλεκτρόνια, ουσιαστικά οι κενές ηλεκτρονικές θέσεις των χημικών δεσμών.

Στην κάτω πλάκα (τύπου p) προστίθεται συνήθως Βόριο (B) , που διαθέτει τρία ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (ένα λιγότερο από το πυρίτιο). Εδώ επικρατούν οι συγκεντρώσεις των οπών.

Η άνω πλάκα με τα επιπλέον ηλεκτρόνια ονομάζεται ημιαγωγός τύπου n (negative - αρνητικό φορτίο), ενώ η κάτω πλάκα με τα λιγότερα ηλεκτρόνια είναι ημιαγωγός τύπου ρ (positive - θετικό φορτίο). Η επιφάνεια μεταξύ των ημιαγωγών τύπου p και τύπου n που δημιουργούνται ονομάζεται p-n επαφή (Ρ-Ν junction).

Τώρα στην επιφάνεια επαφής των δύο πλακών και επειδή τα δύο υλικά έχουν διαφορετικό αριθμό ηλεκτρονίων δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού και ένα ηλεκτροστατικό πεδίο, έχουμε δηλαδή μια δίοδο η οποία συμπεριφέρεται διαφορετικά στην ροή του ρεύματος, ανάλογα με τη φορά αυτού και ανάλογα με την τάση που της επιβάλλεται εξωτερικά.