Skąd się wzięły panele fotowoltaiczne? Kosmiczna historia domowych elektrowni

Jeszcze kilka lat temu były ewenementem. Panele słoneczne były niezwykle rzadkim widokiem na budynkach. Przez wiele lat najpopularniejszym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było ładowanie kalkulatorów czy zegarków. Dziś ta technologia dojrzała i jest jednym z najważniejszych elementów zielonej rewolucji. Na świecie zainstalowano już ogniwa o łącznej mocy niemal tysiąca gigawatów, a tempo ich budowy stale przyspiesza. Według Międzynarodowej Agencji Energii, do 2050 r. to właśnie fotowoltaika stanie się najważniejszym źródłem prądu na świecie. 

To, w jakim tempie fotowoltaika zaczęła pojawiać się na naszych dachach, mogłoby sugerować, że to nowa, rewolucyjna technologia. Nie do końca. Rewolucyjna - z pewnością. Ale wcale nie taka nowa. 

Słońce jest źródłem całej energii na Ziemi. Zwykle korzystamy z tej energii pośrednio - spalając drewno czy paliwa kopalne, które "uwięziły" w sobie moc przesłaną ze Słońca, albo stawiając wiatraki, które przechwytują energię wiatru, za którego powstawanie odpowiada nagrzewanie naszej planety przez promienie słoneczne. Ale i bezpośrednie zastosowania energii słonecznej są znane od wieków. 

Już kilka tysięcy lat temu na Bliskim Wschodzie i wybrzeżach Morza Śródziemnego wykorzystywano promienie słoneczne, skupione przez prymitywne soczewki, do rozpalania ognia. Ich zastosowanie opisywał grecki komediopisarz Arystofanes, a rzymski historyk Pliniusz Starszy wspominał o soczewkach, w postaci szklanych kul wypełnionych wodą, wykorzystywanych do wypalania ran. Do III wieku p.n.e. Grecy i Rzymianie odbijali światło słoneczne od "płonących luster", aby zapalić święte pochodnie podczas ceremonii religijnych. Archimedes, według jednej z krążących o nim legend, w 212 r. p.n.e. miał przy pomocy ogromnych luster z brązu podpalać drewniane statki oblegających Syrakuzy Rzymian (nie ma na to dowodów, choć eksperymenty pokazały, że jest to w zasadzie możliwe). Słońce było też wykorzystywane do ogrzewania domów. Indianie Anasazi stawiali budynki tak, by okna wychodziły na południe. "Pokoje słoneczne" w starożytnym Rzymie były tak popularne, że słynny Kodeks Justyniana zagwarantował rzymianom "prawo do słońca". 

Słoneczne ciepło było wykorzystywane nawet u progu ery przemysłowej. W 1767 r. szwajcarski uczony Horace de Saussure stworzył pierwszy nowoczesny kolektor słoneczny, wykorzystywany do gotowania posiłków. Podróżnik, matematyk i astronom korzystał z takiej słonecznej kuchenki podczas ekspedycji do południowej Afryki w latach 30. XIX w. 

Prawdziwa rewolucja przyszła, kiedy nauczyliśmy się zmieniać energię Słońca na elektryczność. Kto wynalazł ogniwa fotowoltaiczne? Sukces ma wielu ojców, ale pierwszym, który zajął się tym problemem na poważnie był francuski fizyk Edmond Becquerel. W 1839 r. odkrył tak zwany efekt fotowoltaiczny, który jest podstawą działania ogniw fotowoltaicznych. Polega na tym, że składające się na światło słoneczne fotony, uderzając w powierzchnię odpowiedniego materiału, są pochłaniane przez elektrony z tworzących materiał atomów. Dzięki tej dodatkowej energii elektrony zaczynają się poruszać, tworząc prąd. To był jednak zaledwie początek drogi do nowoczesnych ogniw. 

W 1873 r. Willoughby Smith odkrył, że selen może działać jako fotoprzewodnik. Zaledwie trzy lata później, w 1876 r. William Grylls Adams i Richard Evans Day udowodnili, że energię elektryczną wytwarza także wystawiony na słońce selen. Prawie 50 lat po odkryciu efektu fotowoltaicznego, w 1883 r., amerykański wynalazca Charles Fritz stworzył pierwsze prawdziwe ogniwo słoneczne oparte na selenie. 

W popularyzacji energii słonecznej ważną rolę odegrał też Albert Einstein. W 1905 r. opublikował artykuł na temat efektu fotoelektrycznego i sposobu, w jaki światło przenosi energię.

Współczesne panele słoneczne powstały w 1954 r. Trzech naukowców pracujących dla amerykańskich Bell Labs, Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson, stworzyło bardziej praktyczne ogniwo słoneczne przy użyciu krzemu. To był wielki krok, bo w przeciwieństwie do selenu krzem jest powszechny i tani. A zbudowane w ten sposób ogniwa cechowały się lepszą od selenowych wydajnością, sięgającą 6 proc. 

Lata 50. były czasem, w którym ruszał właśnie wielki amerykańsko-radziecki wyścig w kosmos. Ogniwa fotowoltaiczne były idealnym źródłem zasilania dla statków kosmicznych. Jako pierwszy skorzystał z nich amerykański satelita Vanguard I z 1958 r. Dzieki ogniwom słonecznym działał bez przerwy przez osiem lat. Wkrótce potem na orbitę trafiły zasilane Słońcem Vanguard II, Explorer III i Sputnik-3.

Badania kosmiczne były impulsem do tego, by jeszcze bardziej zwiększać efektywność ogniw słonecznych. Stały one za prawdziwą rewolucją w telekomunikacji, w tym w telewizji. To dzięki nim możliwe stało się przekazywanie przez satelity rozmów telefonicznych, danych, czy sygnału TV. Pierwszy komercyjny satelita telekomunikacyjny Telstar wystrzelony w 1962 r., był zasilany panelami o mocy 14 W. W cztery lata później jeden z kolejnych satelitów miał już moc 1 kilowata. Panele słoneczne zasilały międzyplanetarne misje, stacje kosmiczne, a także załogowe pojazdy takie, jak radzieckie i rosyjskie kapsuły Sojuz. 

Dzięki tym ekstremalnym zastosowaniom udało się błyskawicznie poprawiać jakość, wytrzymałość i moc ogniw słonecznych. W 1960 r. firma Hoffman Electronics wprowadziła na rynek ogniwa o wydajności 14 proc. Dekadę później wydajność ogniw przekroczyła 20 proc. Pojawiły się też pierwsze projekty stosowania energii fotowoltaicznej na dużą skalę na Ziemi - w 1963 r. Japonia zbudowała fotowoltaiczny generator o mocy 242 W. - wówczas największy na świecie - do zasilania latarni morskiej. W 1972 r. Francuzi zaczęli instalować panele w szkołach w Nigrze w celu zasilania telewizorów do oglądania programów edukacyjnych. A w 1973 r. Uniwersytet Delaware stworzył "Solar One" - pierwszy na świecie dom zasilany energią słoneczną. W 1979 r. prezydent Jimmy Carter nakazał zainstalować panele słoneczne na Białym Domu. Popularność badań nad energią słoneczną wzrosła w tym czasie dzięki kryzysowi naftowemu, który doprowadził do gwałtownego wzrostu cen ropy.

Coraz tańsze, lżejsze i efektywniejsze ogniwa słoneczne pozwoliły inżynierom myśleć o wykorzystaniu ich do zasilania pojazdów. Pierwszy model słonecznego samochodu pokazano już w 1955 r. Trudno jednak nazwać Sunmobile, stworzony przez General Motors, praktycznym pojazdem: miał zaledwie 30 centymetrów długości i był napędzany silniczkiem zasilanym przez 12 selenowych ogniw fotowoltaicznych. 

Dzięki kosmicznym postępom w słonecznej technologii, w latach 80. ogniwa były już jednak dostatecznie lekkie i efektywne, by zasilać pełnowymiarowy pojazd. W 1987 r. ruszył pierwszy na świecie wyścig solarnych pojazdów. Pierwszy Pentax World Solar Challenge, wiodący po pustynnych drogach Australii, wygrał pojazd General Motors Sunracer pokonując trasę ze średnią prędkością 71 km na godzinę. Zawody rozgrywane są do dziś. W ostatnich, z 2019 r., zwyciężył belgijski zespół Agoria Solar Team, którego samochód Bluepoint liczącą 3 tys. kilometrów trasę pokonał ze średnią prędkością 86 km na godzinę.

Słońce może zasilać nie tylko samochody. Już w 1981 r. wynalazca Paul MacCready zbudował pierwszy zasilany energią słoneczną samolot. Solar Challenger, wyposażony w 16 tys. ogniw produkujących 3 kilowaty mocy, przeleciał nad Kanałem La Manche. W 2015 i 2016 r., inny słoneczny samolot, Solar Impulse 2, obleciał cały świat, wykonując 17 lotów między miastami odległymi od siebie nawet o 9 tys. kilometrów. Ta maszyna dysponowała 17 tys. ogniw o mocy 66 kilowatów. Nieco wcześniej, bo w 2012 r. świat opłynęła zasilana ogniwami słonecznymi łódź PlanetSolar. 

Te wszystkie badania i przełomy doprowadziły do tego, że już w latach 90. fotowoltaika stała się wielkim przemysłem. W 2000 r. moc zainstalowanych na całym świecie instalacji fotowoltaicznych przekroczyła gigawat, ale lawina dopiero ruszała. W 2015 r. tylko w USA moc instalacji fotowoltaicznych przekroczyła 25 gigawatów. 

Masowa skala produkcji fotowoltaiki doprowadziła do szybkiego spadku ceny ogniw, co z kolei jeszcze bardziej zwiększało zainteresowanie nimi. W 1977 r. fotowoltaiczne ogniwo krzemowe o mocy jednego wata kosztowało 77 dolarów. W 2015 r. już tylko 30 centów. 

Inżynierowie obawiają się jednak, że stosowane dziś na masową skalę technologie oparte na krzemie powoli docierają do granic swoich możliwości. Dziś większość dostępnych na rynku ogniw ma efektywność od 18 do 22 proc. Dlatego trwają pracę nad nowymi materiałami i technologiami, które sprawią, że fotowoltaika stanie się jeszcze tańsza i jeszcze bardziej wszechobecna.