Home / Kennisbank / Productie van silicium zonnecellen / De eerste fotovoltaïsche apparaten

De eerste fotovoltaïsche apparaten

Zonnepanelen en zonnecellen zouden niet bestaan zonder baanbrekende ontdekkingen in de 19e en 20e eeuw. Hier wordt beschreven welke ontdekkingen ten grondslag liggen aan de huidige PV-technologie [1], [2], [3] en [4].

Fotovoltaïsche effect

Edmond Becquerel was de eerste onderzoeker die het fotovoltaïsche effect wist aan te tonen [5], [6]. Hij werkte op zijn negentiende in het laboratorium van zijn vader en wist electriciteit op te wekken door een elektrode te beschijnen met verschillende soorten licht, waaronder zonlicht (zie onderstaande afbeelding). De beste resultaten werden bereikt wanneer blauw of ultraviolet licht werd gebruikt en wanneer elektroden met een laagje lichtgevoelig materiaal zoals AgCl (Zilverchloride) of AgBr (Zilverbromide) werden bedekt. Hoewel hij voornamelijk platina elektroden gebruikte, nam hij ook wat activiteit waar met zilveren elektroden. Hij vond vervolgens een toepassing voor het fotovoltaïsche effect door het ontwerpen van een “aktinograaf”, een apparaat dat werd gebruikt om de temperatuur van verwarmde objecten te meten door het meten van de uitgestraalde lichtintensiteit.

Proefopstelling zoals beschreven door Becquerel (1839)
Met deze proefopstelling ontdekte Edmond Becquerel het fotovoltaisch effect

Lichtgevoeligheid van selenium

De volgende belangrijke fotovoltaïsche ontwikkeling kwam voort uit de interesse in de lichtgevoeligheid (fotoconductieve effect) van selenium. Adams en Day (1877) ontdekten tijdens hun onderzoek [7] een afwijking waarvan ze dachten dat deze kon worden verklaard door voltages die intern worden opgewekt. Ze deden verder onderzoek naar deze afwijking met behulp van proeven zoals onderstaande afbeelding. Verhitte platina contacten werden in beide uiteinden van kleine cylinders met transparante selenium gedaan. De doelstelling van één van de onderzoeken van Adams en Day met dergelijke opstelling was om te zien ‘of het mogelijk is in het selenium stroom op te wekken door slechts de invloed van licht’.

foto-elektrische effecten van selenium.
Proefopstelling gebruikt door Adams en Day (1876) voor het onderzoek naar foto-elektrische effecten van selenium.

Het resultaat was positief! Hiermee werd het fotovoltaïsche effect voor het eerst aangetoond in een opstelling met slechts vaste stoffen. Adams en Day stelden dat de opwekking van stroom door licht te wijten was aan door licht veroorzaakte kristallisatie van de buitenste lagen van het staafje selenium. Een aantal decennia verstreek vervolgens voordat ontwikkelingen in de natuurkunde meer inzicht in dit proces konden bieden.

De volgende belangrijke stap voorwaarts werd zeven jaar later gemaakt door het werk van Fritts (1883) [8]. Door gesmolten selenium samen te persen tussen platen gemaakt van verschillende metalen, maakte Fritts dunne Se laagjes die aan één van de platen bleven steken, maar niet aan de andere. Door bladgoud op het blootliggende selenium te drukken, maakte hij de eerste “dunne-film” fotovoltaïsche apparaten. Deze apparaten hadden een oppervlak van ongeveer 30 cm².

Dunne-film selenium zoals getoond door Fritts in 1883

Hij was tevens de eerste die inzag welk enorme potentieël fotovoltaïsche apparaten konden hebben. Hij zag dat de apparaten tegen zeer lage kosten konden worden gefabriceerd, en merkte op dat ‘de stroom, als deze niet direct nodig was, kon worden “opgeslagen” in batterijen wanneer deze werd opgewekt (of kon worden doorgevoerd) naar een andere plek om daar gebruikt of opgeslagen te worden’.

Het duurde echter bijna vijftien jaar voor er opnieuw veel werk werd verricht op dit gebied.

Koper-koperoxide gelijkrichters als fotovoltaïsche cellen

Terwijl er onderzoek werd gedaan naar fotoconductieve effecten in koperoxide laagjes gevormd op koper, werd de gelijkrichterwerking van de koper-koperoxide verbinding ontdekt. Dit leidde tot het ontwikkelen van groot-oppervlak gelijkrichters, snel gevolgd door de ontwikkeling van groot-oppervlak fotocellen. Grondahl [9] beschrijft de ontwikkeling van zowel koper-koperoxide gelijkrichters als fotovoltaïsche cellen.

De onderstaande afbeelding geeft de zeer simpele structuur weer die werd gebruikt in de eerste cellen gebaseerd op de koper-koperoxide verbinding. Een spoel van Pb-draad dient als contactrooster met het door licht beschenen oppervlak van de cel. Deze aanpak werd vervolgens verfijnd door het metaal op het oppervlak te sputteren en dit deels te verwijderen om zo ‘een rooster te maken van elke gewenste fijnheid’. Het lijkt erop dat deze ontwikkelingen tot veel activiteit op dit gebied hebben geleid. Grondahl [9] noemt 38 publicaties uit de periode 1930-1932 die gaan over koper-koperoxide fotovoltaïsche cellen.

ontdekt door Grondahl-Geiger (omstreeks 1927).
Een vroege Grondahl-Geiger koper-koperoxide fotovoltaïsche cel (omstreeks 1927).

Deze toegenomen activiteit heeft ook gezorgd voor hernieuwde interesse in selenium als fotovoltaïsch materiaal. Vooral Bergmann [10] rapporteert over verbeterde selenium apparaten in 1931. Deze bleken beter dan de op koper gebaseerde apparaten en kregen commercieel de overhand. In 1939 rapporteerde Nix [11] over een thalliumsulfide cel met vergelijkbare prestaties. De structuur van dit apparaat en de meest efficiënte selenium en koper-koperoxide apparaten was die als in onderstaande afbeelding.

zonnecel met dunne film metaallaag
Structuur van de meest efficiënte fotovoltaïsche apparaten ontwikkeld in de jaren ’30 van de vorige eeuw.

Verwijzingen

  1. Green, M. A., “Photovoltaics: Coming of Age”, 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Orlando, USA, pp. 1-8, 05/1990.
  2. Benjamin, P., Voltaic Cell, Chapter XIV, New York, Wiley, 1983.
  3. Shive, J. N., Semiconductor Devices, Chapter 8, New Jersey, Van Nostrand, 1959.
  4. Wolf, M., Historical Development of Solar Cells, IEEE Press, 1976.
  5. Becquerel, A. E., “Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumiere solaire au moyen des courants electriques”, Comptes Rendus de L´Academie des Sciences, vol. 9, pp. 145-149, 1839.
  6. Citekey Becquerel841 not found
  7. Adams, W. G., en R. E. Day, “The Action of Light on Selenium”, Proceedings of the Royal Society, London, vol. A25, pp. 113, 1877.
  8. Fritts, C. E., “On a New Form of Selenium Photocell”, American J. of Science, vol. 26, pp. 465, 1883.
  9. Grondahl, L. O., “The Copper-Cuprous-Oxide Rectifier and Photoelectric Cell”, Review of Modern Physics, vol. 5, pp. 141, 1933.
  10. Bergmann, L., “Uber eine neue Selen- Sperrschicht Photozelle”, Physikalische Zeitschrift, vol. 32, pp. 286, 1931.
  11. Nix, F. C., en A. W. Treptwo, “A Thallous Sulphide Photo EMF Cell”, Journal Opt. Society of America, vol. 29, pp. 457, 1939.