Fotovoltaický pravěk: první „solární elektrárnu“ namontovali na střechu před více než 100 lety
Na začátku bylo zásadní zjištění, že světlo může vyrábět elektřinu. K praktickému využití fotovoltaiky, jak ji známe dnes třeba díky střešním instalacím v mnoha českých obcích, ale vedla dlouhá cesta.
Pavel Baroch
12. 4. 2024
Na konci letošního dubna uplyne 70 let, kdy svět spatřil první moderní křemíkový fotovoltaický článek. Vyvinuli ho vědci v amerických Bellových laboratořích, od té doby se fotovoltaika stala jedním z předních světových zdrojů získávání energie a také symbolem nahrazování fosilních paliv a boje se změnou klimatu. První pokusy o výrobu elektřiny ze slunce ale začaly mnohem dříve a my je představíme v prvním dílu našeho seriálu o historii a vývoji solárních elektráren.
Seriál k 70 letům od představení prvního křemíkového fotovoltaického článku:
- Fotovoltaický pravěk: první „solární elektrárnu“ namontovali na střechu před více než 100 lety
19. století se označuje jako století páry nebo také jako století velké průmyslové revoluce, jejímž hnacím motorem bylo uhlí. Ve stínu kouře a sazí se ale začal rodit nový fenomén – výroba energie ze slunečního záření.
Za zrod současných solárních elektráren, které dnes bereme už jako naprostou samozřejmost, lze označit rok 1839. Francouzské Akademii věd tehdy mladý fyzik Alexandre Edmond Becquerel prezentoval poznatek, že proud mezi kovovými elektrodami ponořenými v kapalině se mění v závislosti na intenzitě osvětlení. Následně o něm vydal článek s názvem „Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires“.
Jako objevitel bývá někdy uváděn jeho otec Antoine César Becquerel, což může být způsobeno tím, že Edmondovi bylo teprve 19 let a pracoval v laboratoři svého otce. Každopádně platí, že tento objev položil základ pro využívání sluneční energie.
První „solární elektrárna“
Dalším důležitým milníkem je rok 1876, kdy se londýnský profesor William Grylls Adams a jeho student Richard Evans Day stali svědky zajímavého jevu, když světlu vystavovali selen a získávali z něj elektrický proud.
Nebyli ale schopni přeměnit dostatek slunečního světla na energii potřebnou k napájení elektrických zařízení. Dokázali však, že pevné materiály mohou vyrábět elektřinu bez pohyblivých částí – pouhým vystavením slunci. A myšlenka na fotovoltaický článek byla na světě.
Mezi průkopníky využití sluneční energie pro výrobu elektřiny patří také americký vynálezce Charles Fritts. Do historie se zapsal v roce 1883, kdy sestavil vůbec první „solární elektrárnu“ na střeše budovy. Jeho zařízení umístěné na domě v New Yorku ale jen vzdáleně připomíná dnešní fotovoltaické moduly využívající křemíkové články.
Frittsovy panely pracovaly s mědí pokrytou selenem a tenkou vrstvou zlata. I přesto, že účinnost panelů nepřesahovala jedno procento, prezentoval Fritts svůj vynález jako řešení, které může konkurovat elektrárnám na uhlí. Na to ostatně pomýšlel i jeho mnohem známější současník Thomas Edison. „Vsadil bych své peníze na solární energii. Doufám, že nebudeme muset čekat, až dojde ropa a uhlí, než to budeme řešit,“ komentoval tenhdejší myšlenky a první pokusy slavný podnikatel.
Paradoxně ani samotný vynálezce Fritts pravděpodobně moc netušil, na jakém principu jeho „solární elektrárna“ fungovala. Fyzici sice znali fotovoltaiku již od roku 1839, ale fyzikální princip fotoelektrického jevu teoreticky popsal až jeden z nejvýznamnějších vědců všech dob – Albert Einstein.
Nobelovy ceny za fyziku
V roce 1905 v článku „O heuristickém hledisku dotýkajícím se vznikem a přeměnou světla“ navrhl myšlenku světelných kvant (nyní nazývaných fotony) a ukázal, jak mohou být použity k vysvětlení takových jevů, jako je právě ten fotoelektrický. Právě za práci o tom, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci záření (fotonů) a počet elektronů na intenzitě záření (počtu fotonů), získal Einstein v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku – tedy nikoli za teorii relativity, jak si mnozí myslí.
Tuto hypotézu následně potvrdil jiný vědec Robert Andrews Millikan v článku A Direct Photoelectric Determination of Planck's “h” z roku 1916. Paradoxem přitom je, že původním záměrem tohoto amerického fyzika pravděpodobně bylo Einsteinovy závěry vyvrátit. Mimochodem: po dvou letech po Einsteinovi, tedy v roce 1923, získal Millikan rovněž Nobelovu cenu za fyziku – za měření elementárního elektrické náboje, ale také za práci na fotoelektrickém jevu.
Trvalo to ale další desítky let, než se podařilo vyrobit skutečně první fotovoltaický článek, který by byl použitelný pro výrobu elektřiny. Stalo se to v roce 1954 v Bellových laboratořích ve Spojených státech, kde vědci vyvinuli článek na bázi křemíku, který se stal klíčovou surovinou používanou dodnes. V polovině minulého století to bylo poprvé, kdy dostatečné množství sluneční energie dokázalo udržet domácí elektrické spotřebiče v provozu.
Křemík je pevná krystalická látka se strukturou podobnou diamantu, na rozdíl od něj však absorbuje část slunečního záření a má vlastnosti polovodiče, takže osvětlením dochází k prudkému zvýšení jeho vodivosti. Významnou vlastností solárních článků je snadnost jejich vzájemného propojení za účelem sestavení větších celků, které pak představují základní stavební jednotky fotovoltaických systémů.
Vědci společnosti Bell Labs – Daryl Chapin, Calvin Fuller a Gerald Pearson – dosáhli s tímto prvním křemíkovým článkem 6procentní účinnosti. Jejich technická novinka našla uplatnění už o pár let později: v roce 1958 byla do vesmíru vypuštěna první umělá družice s přístroji napájenými z fotovoltaických článků – Vanguard l.
Od té doby se fotovoltaické články používají na kosmických družicích dodnes. Je to naprosto převažující zdroj elektřiny pro zařízení, u nichž se předpokládá dlouhodobý provoz. Například výkon fotovoltaických panelů na Mezinárodní kosmické stanici je 110 kWp.
Úvodní foto: Solární panel Bellových laboratoří v roce 1956, zdroj: AT&T