太陽光発電の歴史、最初のソーラーパネルがどのように作られたか
発見、実験、理論
太陽光発電の歴史は、光電効果の発見から始まります。溶液（液体）に浸された金属電極間の電流が照明の強さによって変化するという結論は、1839 年 7 月 29 日月曜日のフランス科学アカデミーの会議で Alexandre Edmond Becquerel によって提示され、その後論文を発表しました。
彼の父、アントワーヌ・セザール・ベクレルは発見者と呼ばれることもあります。これは、エドモン・ベクレルが出版当時まだ 20 歳で、まだ父親の研究室で働いていたという事実によるものかもしれません。
スコットランドの偉大な科学者ジェームス・クラーク・マックスウェルは、多くのヨーロッパの科学者の一人であり、セレンの挙動に興味をそそられました。セレンは、1873 年に電信学会誌に掲載されたウィロビー・スミスの論文で初めて科学界の注目を集めました。
ガッタ パーチャ カンパニーの主任電気技師であるスミスは、1860 年代後半に、潜水前に大西洋横断ケーブルの障害を検出する装置にセレン棒を使用しました。セレン棒は夜にはうまく機能しましたが、太陽が出るとひどく機能しました。
セレンの特殊な特性がそれに当たる光の量と関係があるのではないかと考え、スミス氏はロッドをスライド式の蓋付きの箱に入れました。引き出しが閉まり、照明が消されたとき、ロッドの抵抗、つまりロッドを通る電流の通過を妨げる程度は最大となり、一定のままでした。しかし、箱の蓋を外すと、すぐに導電率が「光の強さに応じて増加」した。
スミスの報告後にセレンに対する光の影響を研究した研究者の中には、ウィリアム・グリルス・アダムス教授とその学生リチャード・エヴァンス・デイという二人のイギリス人科学者がいた。
1870 年代後半、彼らはセレンに対して多くの実験を行い、そのうちの 1 つで、スミスが使用していたセレン棒の隣でろうそくに火を灯しました。メーターの矢印がすぐに反応します。セレンを光から遮ると、針は即座にゼロに下がりました。
これらの急速な反応により、熱が供給または除去されるときにキャンドルの炎の熱が電流を生成する可能性が排除されます。 熱電実験では、針は常にゆっくりと上昇または下降します。 「したがって」研究者らは、「光の作用下でのみセレンに電流が放出され得ることは明らかだった」と結論づけた。アダムズとデイは、光によって生成される電流を「光起電力」と呼びました。
ベクレルによって観測された光電効果とは異なり、光の作用により電池内の電流が変化すると、この場合、外部電場の作用なしに光の作用のみで電圧（および電流）が生成されました。
アダムズとデイは、集中型太陽光発電システムのモデルも作成し、イギリスの多くの著名人に披露しましたが、実用化には至りませんでした。
別のクリエイター 太陽電池 1883年にアメリカの発明家チャールズ・フリッツがセレンに基づいて開発しました。
彼は、セレンの薄い層を金属板上に広く広げ、金箔の薄い半透明のフィルムで覆った。フリッツ氏によると、このセレンのモジュールは、「連続的で安定した、そしてかなりの強さの電流を生成した。太陽光だけでなく、弱い拡散日光、さらにはランプの光でも。
しかし、彼の太陽電池の効率は 1% 未満でした。しかし、エジソンの石炭火力発電所と競争できると彼は信じていた。
1884年、ニューヨーク市の屋根に設置されたチャールズ・フリッツの金メッキセレンソーラーパネル。
フリッツはソーラーパネルの1つをヴェルナー・フォン・シーメンスに送り、その評判はエジソンと同等でした。
シーメンスは、点灯時のパネルの電力に非常に感銘を受け、有名なドイツの科学者がフリッツ パネルをプロイセン王立アカデミーに贈呈しました。シーメンスは科学界に対し、米国のモジュールが「光エネルギーから電気エネルギーへの直接変換を初めて示した」と語った。
シーメンスの呼びかけに耳を傾けた科学者はほとんどいない。この発見は、当時科学が信じていたことすべてに矛盾しているように見えました。
アダムズとデイとフリスの「魔法」パネルで使用されたセレン棒は、エネルギーを生成するために物理学で知られている方法に依存しませんでした。したがって、大多数はそれらをさらなる科学研究の範囲から除外しました。
光電現象の物理原理は、アルバート・アインシュタインが 1905 年の電磁場に関する論文で理論的に説明し、それを電磁場に応用して、世紀末にマックス・カール・エルンスト・ルートヴィヒ・プランクによって出版されました。
アインシュタインの説明によれば、放出された電子のエネルギーは、放射線の周波数（光子エネルギー）と放射線の強度（光子の数）からの電子の数にのみ依存します。アインシュタインは、理論物理学の発展、特に光電効果の法則の発見における業績により、1921 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
アインシュタインの光に関する大胆で新しい記述は、電子の発見とその後のその挙動の研究への取り組みと組み合わされて、すべて 19 世紀初頭に起こったことで、光電気にこれまで欠けていた科学的根拠を提供し、現在ではこの現象を用語で説明できるようになりました。科学的には理解できる。
セレンのような材料では、より強力な光子が、緩く結合した電子を原子軌道から弾き出すのに十分なエネルギーを運びます。ワイヤーがセレン棒に取り付けられると、自由電子が電気として棒の中を流れます。
19 世紀の実験者はこのプロセスを光起電力と呼んでいましたが、1920 年代までに科学者たちはこの現象を光電効果と呼んでいました。
1919 年の太陽電池に関する本の中でトーマス・ベンソンは、セレンを使った先駆者の研究を「必然の太陽発電機」の先駆者として賞賛した。
しかし、発見の目処が立っていないため、ウェスチングハウスの太陽光発電部門の責任者は、「太陽電池は少なくとも50倍効率が良くなるまでは、実際の技術者にとって興味を持たないだろう」と結論付けることしかできなかった。
『太陽光発電とその応用』の著者らはこの悲観的な予測に同意し、1949年に次のように書いている。「物質的により効率的な電池の発見によって、太陽エネルギーを有用な目的に利用できる可能性が開かれるかどうかは、将来に委ねられるべきである。」
太陽光発電効果のメカニズム: 光起電力効果とその種類
太陽光発電の実践
1940年、ラッセル靴職人のオーレが偶然作った PN接合 シリコンに光を当てると電気が発生することが分かりました。彼は自分の発見で特許を取得しました。効率は約 1% です。
太陽電池の現代的な形式は、1954 年にベル研究所で誕生しました。ドープされたシリコンを使った実験では、その高い感光性が確立されました。その結果、効率が約 6% の太陽電池が完成しました。
誇り高きベルの幹部たちは、1954 年 4 月 25 日に、観覧車に電力を供給するために光エネルギーのみに依存するセルのパネルを特徴とするベル ソーラー パネルを発表しました。翌日、ベルの科学者たちは、ワシントンでの会議に集まったアメリカの一流の科学者たちに音声と音楽を放送する太陽光発電の無線送信機を打ち上げた。
最初の太陽電池は 1950 年代初頭に開発されました。
1955 年、サザン ベルの電気技師がソーラー パネルを組み立てます。
太陽電池は、1950 年代後半から宇宙衛星のさまざまな機器に電力を供給する電源として使用されてきました。光電池を備えた最初の衛星は、1958 年 3 月 17 日に軌道上に打ち上げられたアメリカの衛星ヴァンガード I (アバンガード I) でした。
アメリカの衛星ヴァンガード I、1958 年。
Vanguard I 衛星はまだ軌道上にあります。 60 年以上宇宙で過ごしました (宇宙最古の人工物と考えられています)。
Vanguard I は最初の太陽光発電衛星であり、その太陽電池は 7 年間衛星に電力を供給しました。 1964 年に地球への信号の送信を停止しましたが、それ以来、研究者たちは太陽、月、地球の大気が軌道周回衛星にどのような影響を与えるかを洞察するために今でも使用されています。
盛り上がったソーラーパネルを備えたアメリカの衛星エクスプローラー 6、1959 年。
一部の例外を除き、長時間の動作が予想される機器の主な電源です。国際宇宙ステーション (ISS) の太陽光発電パネルの総容量は 110 kWh です。
宇宙のソーラーパネル
1950 年代の最初の太陽電池の価格は、定格電力 1 ワットあたり数千ドルであり、太陽電池を生産するためのエネルギー消費量は、これらの太陽電池が寿命で生産する電力量を超えていました。
その理由は、効率が低いことは別として、太陽電池の製造にはマイクロチップの製造と実質的に同じ技術的およびエネルギー集約的な手順が使用されたためです。
陸上環境では、太陽光発電パネルは、遠隔地やブイなどの電力網に接続することが非常に困難または不可能な場所にある小型機器に電力を供給するために初めて使用されました。他の電源と比較した太陽光発電パネルの主な利点は、燃料やメンテナンスが必要ないことです。
最初の量産型太陽光発電パネルは 1979 年に市場に登場しました。
地球上のエネルギー源としての太陽光発電や他の再生可能資源への関心の高まりは、1970 年代の石油危機によって加速されました。
それ以来、集中的な研究開発が行われ、その結果、太陽電池とパネルの効率が向上し、価格が下がり、寿命が長くなりました。同時に、生産のエネルギー集約度は大幅に低下し、パネルは生産に使用されたエネルギーの何倍ものエネルギーを生成します。
最古の（現在も使用されている）大規模な海岸構造物は 1980 年代初期のものです。当時は結晶シリコン電池がまだ完全に主流であり、その耐用年数は実際の条件で少なくとも 30 年であることが確認されていました。
経験に基づいて、メーカーは 25 年後にパネルの性能が最大 20% 低下することを保証しています (ただし、前述の設置の結果ははるかに優れています)。他のタイプのパネルの耐用年数は加速試験に基づいて推定されます。
オリジナルの単結晶シリコン電池に加えて、長年にわたって多数の新しいタイプの太陽電池が開発されてきました。 結晶と薄膜の両方…しかし、シリコンは依然として太陽光発電の主要な材料です。
太陽光発電技術は、結晶シリコンの価格が急速に下落し始めた 2008 年以来、大きなブームを経験しています。これは、主に、以前は市場で少数のプレーヤーであった中国への生産移管によるものです (太陽光発電の生産の大部分は日本に集中していました)。米国、スペイン、ドイツ）。
太陽光発電は、さまざまな支援制度の導入によって初めて普及しました。まずは日本の補助金制度、そしてドイツの買取価格制度です。その後、同様のシステムが他の多くの国でも導入されました。
太陽光発電は現在最も一般的な再生可能エネルギー源であり、非常に急成長している産業でもあります。建物の屋上や農作業ができない土地などに広く設置されています。
最新のトレンドには、次のような形の水道設備も含まれています。 水上太陽光発電システム 太陽光発電設備と農業生産を組み合わせた農業太陽光発電設備。