태양광 발전의 역사, 최초의 태양 전지판이 만들어지는 과정

발견, 실험 및 이론

광전지의 역사는 광전 효과의 발견으로 시작됩니다. 용액(액체)에 담긴 금속 전극 사이의 전류가 조명의 강도에 따라 달라진다는 결론은 1839년 7월 29일 월요일 프랑스 과학 아카데미 회의에서 Alexandre Edmond Becquerel에 의해 발표되었습니다.

그의 아버지 Antoine César Becquerel은 때때로 발견자라고 불립니다. 이것은 Edmond Becquerel이 출판 당시 겨우 20세였고 여전히 아버지의 실험실에서 일하고 있었다는 사실 때문일 수 있습니다.

위대한 스코틀랜드 과학자 James Clerk Maxwell은 1873년 Journal of the Society of Telegraph Engineers에 게재된 Willoughby Smith의 기사에서 처음으로 과학계의 관심을 끌게 된 셀레늄의 행동에 흥미를 느낀 많은 유럽 과학자들 중 하나였습니다.

Gutta Percha Company의 수석 전기 엔지니어인 Smith는 1860년대 후반에 잠수하기 전에 대서양 횡단 케이블의 결함을 감지하는 장치에 셀레늄 막대를 사용했습니다. 셀레늄 막대는 밤에 잘 작동했지만 태양이 나오면 끔찍하게 작동했습니다.

셀레늄의 특수한 특성이 셀레늄에 떨어지는 빛의 양과 관련이 있다고 생각한 Smith는 막대를 미닫이 뚜껑이 있는 상자에 넣었습니다. 서랍을 닫고 조명을 끄면 막대의 저항(전류가 통과하는 것을 방해하는 정도)이 최대가 되고 일정하게 유지됩니다. 그러나 상자의 뚜껑을 열었을 때 전도도는 즉시 "빛의 강도에 따라 증가했습니다."

Smith의 보고서 이후 셀레늄에 대한 빛의 영향을 연구한 연구원 중에는 William Grylls Adams 교수와 그의 학생 Richard Evans Day라는 두 명의 영국 과학자가 있었습니다.

1870년대 후반, 그들은 셀레늄에 대해 많은 실험을 했고, 이 실험 중 하나에서 스미스가 사용하던 셀레늄 막대 옆에 촛불을 켰습니다. 미터의 화살표가 즉시 반응합니다. 빛으로부터 셀레늄을 차폐하면 바늘이 즉시 0으로 떨어졌습니다.

이러한 빠른 반응은 열이 공급되거나 제거될 때 촛불 불꽃의 열이 전류를 생성할 가능성을 배제합니다. 열전 실험에서, 바늘은 항상 천천히 오르거나 내려갑니다. "따라서" 연구원들은 "빛의 작용 하에서만 전류가 셀레늄에서 방출될 수 있다는 것이 분명했습니다."라고 결론지었습니다. Adams와 Day는 빛에 의해 생성된 전류를 "광전지"라고 불렀습니다.

베크렐이 관찰한 광전 효과와 달리 빛의 작용에 의해 전기 셀의 전류가 변할 때, 이 경우에는 빛의 작용에 의해서만 외부 전기장의 작용 없이 전압(및 전류)이 생성됩니다.

Adams와 Day는 영국의 많은 저명한 사람들에게 집중된 태양 광 발전 시스템의 모델을 만들었지 만 실용화하지는 못했습니다.

또 다른 창조자 광전지 셀레늄을 기반으로 한 것은 1883년 미국 발명가 Charles Fritts였습니다.

그는 금속판 위에 넓고 얇은 셀레늄 층을 펴고 얇은 반투명 금박 필름으로 덮었습니다. 프리츠는 이 셀레늄 모듈이 "지속적이고 꾸준하며 상당한 강도의 전류를 생성했습니다... 햇빛뿐만 아니라 약하고 산만한 일광과 심지어 등불'에서도 마찬가지입니다.

그러나 그의 광전지 효율은 1% 미만이었다. 그러나 그는 그들이 에디슨의 석탄 화력 발전소와 경쟁할 수 있다고 믿었습니다.

1884년 뉴욕시 지붕에 있는 Charles Fritts의 도금된 셀레늄 태양 전지판.

프리츠는 자신의 태양 전지판 중 하나를 에디슨의 명성과 맞먹는 베르너 폰 지멘스에게 보냈습니다.

Siemens는 불이 켜졌을 때 패널의 전력에 깊은 인상을 받아 유명한 독일 과학자가 Fritts 패널을 프로이센의 왕립 아카데미에 제출했습니다. Siemens는 과학계에 미국 모듈이 "빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 것을 처음으로 우리에게 제시했다"고 말했습니다.

Siemens의 부름에 주의를 기울인 과학자는 거의 없습니다. 그 발견은 당시 과학이 믿었던 모든 것과 모순되는 것처럼 보였습니다.

Adams와 Day and Frith의 "마술" 패널이 사용하는 셀레늄 막대는 에너지를 생성하기 위해 물리학에 알려진 방법에 의존하지 않았습니다. 따라서 대다수는 추가 과학 연구 범위에서 제외했습니다.

광전 현상의 물리적 원리는 1905년 Albert Einstein이 전자기장에 적용한 전자기장에 대한 논문에서 이론적으로 설명되었으며 세기의 전환기에 Max Karl Ernst Ludwig Planck가 출판했습니다.

아인슈타인의 설명은 방출된 전자의 에너지가 방사선의 주파수(광자 에너지)와 방사선의 강도(광자 수)로부터 전자의 수에만 의존한다는 것을 보여줍니다. 아인슈타인이 1921년 노벨 물리학상을 수상한 것은 이론 물리학의 발전, 특히 광전 효과의 법칙 발견에 대한 그의 업적이었습니다.

아인슈타인의 빛에 대한 대담한 새 기술은 전자의 발견과 전자의 행동을 연구하려는 후속 추진력(모두 19세기 초에 발생)과 결합되어 이전에는 결여되었던 과학적 토대를 갖춘 광전기를 제공했으며 이제 이 현상을 용어로 설명할 수 있습니다. 과학으로 이해할 수 있습니다.

셀레늄과 같은 물질에서 더 강력한 광자는 느슨하게 결합된 전자를 원자 궤도에서 떨어뜨리기에 충분한 에너지를 전달합니다. 와이어가 셀레늄 막대에 부착되면 자유 전자가 전기로 흐르게 됩니다.

19세기 실험자들은 이 과정을 광전지라고 불렀지만 1920년대에 과학자들은 이 현상을 광전 효과라고 불렀습니다.

1919년 그의 태양 전지에 관한 책에서Thomas Benson은 "불가피한 태양열 발전기"의 선구자로서 셀레늄을 사용한 개척자들의 작업을 칭찬했습니다.

그러나 아직 발견되지 않은 상태에서 Westinghouse의 태양광 사업부 책임자는 다음과 같은 결론을 내릴 수밖에 없었습니다.

Photovoltaics and Its Applications의 저자는 1949년에 쓴 비관적인 예측에 동의했습니다.

광전지 효과의 메커니즘: 광전지 효과 및 그 종류

실제 태양광 발전

1940년, Russell Shoemaker Ole은 우연히 PN 접합 실리콘에 조명을 비추면 전기가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 그는 자신의 발견에 대해 특허를 받았습니다. 효율은 약 1%이다.

현대적인 형태의 태양 전지는 1954년 벨 연구소에서 탄생했습니다. 도핑된 실리콘을 사용한 실험에서 높은 감광성이 확립되었습니다. 그 결과 효율이 약 6%인 광전지가 탄생했습니다.

자랑스러운 Bell 경영진은 1954년 4월 25일에 관람차에 동력을 공급하기 위해 빛 에너지에만 의존하는 전지 패널을 특징으로 하는 Bell 태양 전지판을 공개합니다. 다음날 Bell 과학자들은 워싱턴에서 회의를 위해 모인 미국의 주요 과학자들에게 음성과 음악을 방송하는 태양열 라디오 송신기를 출시했습니다.

최초의 태양광 전지는 1950년대 초에 개발되었습니다.

1955년 서던 벨의 전기 기술자가 태양 전지판을 조립하고 있습니다.

광전지는 1950년대 후반부터 우주 위성에서 다양한 장치에 전력을 공급하는 전기 공급원으로 사용되었습니다. 광전지를 탑재한 최초의 위성은 1958년 3월 17일 궤도에 진입한 미국 위성 Vanguard I(Avangard I)입니다.

미국 위성 Vanguard I, 1958.

Vanguard I 위성은 아직 궤도에 있습니다. 그것은 우주에서 60년 이상을 보냈습니다(우주에서 가장 오래된 인공 물체로 간주됨).

뱅가드 1호는 최초의 태양열 동력 위성이었으며 태양 전지는 7년 동안 위성에 전력을 공급했습니다. 그것은 1964년에 지구에 신호를 보내는 것을 중단했지만 그 이후로 연구자들은 태양, 달, 지구의 대기가 궤도를 도는 위성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 얻기 위해 여전히 그것을 사용했습니다.

1959년 미국 위성 익스플로러 6호에 태양 전지판이 올려져 있습니다.

몇 가지 예외를 제외하고 오랫동안 작동할 것으로 예상되는 장치의 주요 전기 공급원입니다. 국제 우주 정거장(ISS)에 있는 태양광 패널의 총 용량은 110kWh입니다.

우주의 태양 전지판

1950년대 최초의 태양광 전지의 가격은 정격 전력 와트당 수천 달러였으며, 이를 생산하기 위한 에너지 소비량은 이 전지가 수명 동안 생산한 전기량을 초과했습니다.

그 이유는 효율성이 낮다는 점 외에도 마이크로칩 생산과 동일한 기술 및 에너지 집약적 절차가 광전지 생산에 사용되었기 때문입니다.

지상 조건에서 광전지 패널은 원격 위치 또는 예를 들어 전력망에 연결하는 것이 극히 어렵거나 불가능한 부표에 있는 소형 장치에 전력을 공급하는 데 처음 사용되었습니다. 다른 전기 공급원에 비해 광전지 패널의 주요 장점은 연료와 유지 보수가 필요하지 않다는 것입니다.

최초의 대량 생산 태양광 패널은 1979년에 시장에 출시되었습니다.

1970년대 오일 파동으로 인해 다른 재생 가능한 자원뿐만 아니라 지구상의 에너지원으로서 태양광 발전에 대한 관심이 높아졌습니다.

그 이후로 집중적인 연구 개발이 수행되어 광전지 및 패널의 효율은 높이고 가격은 낮추고 수명은 늘렸습니다. 동시에 생산 에너지 집약도는 패널이 생산에 사용된 것보다 몇 배 더 많은 에너지를 생성할 정도로 감소했습니다.

가장 오래된(여전히 사용 중인) 대형 해안 구조물은 1980년대 초에 지어진 것입니다. 그 당시에는 결정질 실리콘 셀이 여전히 완전히 지배적이었고 실제 조건에서 최소 30년의 수명이 확인되었습니다.

경험을 바탕으로 제조업체는 패널의 성능이 25년 후 최대 20%까지 감소할 것이라고 보장합니다(그러나 언급된 설치의 결과는 훨씬 더 좋습니다). 다른 유형의 패널의 경우 서비스 수명은 가속 테스트를 기반으로 예측됩니다.

원래의 단결정 실리콘 셀 외에도 ​​여러 가지 새로운 유형의 광전지가 수년에 걸쳐 개발되었습니다. 결정질과 박막 모두… 그러나 실리콘은 여전히 ​​광전지에서 지배적인 재료입니다.

태양광 기술은 결정질 실리콘 가격이 급격히 하락하기 시작한 2008년 이후 큰 호황을 누렸습니다. 주로 이전에 시장에서 소수 플레이어였던 중국으로의 생산 이전으로 인해 결정질 실리콘 가격이 급격히 하락하기 시작했습니다(태양광 생산의 대부분은 일본에 집중되어 있었습니다. 미국, 스페인, 독일).

광전지는 다양한 지원 시스템의 도입으로 널리 보급되었습니다. 첫 번째는 일본의 보조금 프로그램이었고, 그 다음은 독일의 구매 가격 시스템이었습니다. 그 후 유사한 시스템이 다른 여러 국가에 도입되었습니다.

태양광 에너지는 오늘날 가장 일반적인 재생 에너지원이며 매우 빠르게 성장하는 산업이기도 합니다. 건물 옥상은 물론 농작업이 불가능한 토지에도 널리 설치된다.

최신 트렌드에는 다음과 같은 형태의 물 설치도 포함됩니다. 부동 광전지 시스템 태양광 발전 설비와 농업 생산을 결합한 농업 태양광 발전 설비.