Ma már természetes látvány a napelem. Ott van családi házak tetején, gyárépületeken, parkolók fölött és több tízezer panelből álló napelemparkokban.
De vajon ki találta fel a napelemet? A válasz meglepőbb, mint gondolnánk. Nincs egyetlen feltaláló, és nincs egyetlen pillanat sem, amikor valaki egyszerűen „feltalálta” a mai napelemet. A történet több mint száz éven keresztül íródott. És nem is egy napelemmel kezdődött. Hanem egy 19 éves fiatalember kísérletével, 1839-ben.
1839 – amikor először kiderült, hogy a fényből elektromosság lehet
Alexandre Edmond Becquerel
https://hu.wikipedia.org/wiki/Alexandre_Edmond_Becquerel
A francia fizikus, Alexandre-Edmond Becquerel mindössze 19 éves volt, amikor egy elektrokémiai kísérlet során különös jelenségre figyelt fel. Azt tapasztalta, hogy bizonyos körülmények között a fény hatására elektromos feszültség és áram keletkezhet. Ma ezt fotovoltaikus hatásnak nevezzük.
Becquerel természetesen még nem egy olyan napelemet tartott a kezében, amilyeneket ma ismerünk. Nem volt szilíciumcella, üvegborítás, alumíniumkeret vagy inverter. A jelentősége valami másban rejlett: felismerte azt a fizikai jelenséget, amelyre később az egész fotovoltaikus technológia épült.
A napelem történetének első mondata tehát tulajdonképpen így hangozhatna: A fény képes közvetlenül elektromos energiává alakulni. Csakhogy ezt akkor még senki sem tudta igazán jól kihasználni.
A következő nyom: a szelén
Willoughby Smith
https://en.wikipedia.org/wiki/Willoughby_Smith
Évtizedek teltek el, mire újabb fontos darab került a kirakósba. Az 1870-es években Willoughby Smith felfedezte a szelén fényérzékenységét. Kiderült, hogy ennek az anyagnak az elektromos tulajdonságai megváltoznak fény hatására. Ez már fontos lépés volt afelé, hogy a fény és az elektromosság kapcsolatából valamilyen használható eszköz születhessen.
A következő nagy lépést Charles Fritts tette meg.
Charles Fritts
1883 – megszületik a korai napelem
Fritts szelénből készített egy olyan szilárdtest-eszközt, amely a ráeső fényt közvetlenül elektromos energiává alakította. A szelént rendkívül vékony aranyréteggel vonta be.
A Smithsonian történeti összefoglalója szerint Fritts 1883-ban készítette el celláját; hatásfoka mindössze körülbelül 1–2 százalék volt. Mai szemmel ez rendkívül kevésnek tűnik. De a jelentősége óriási volt.
Becquerel megfigyelte a jelenséget. Fritts pedig már létrehozott egy szilárdtest-eszközt, amelyben a fényből ténylegesen elektromos energia keletkezett. A napelem azonban ekkor még messze volt attól, hogy valódi energiaforrássá váljon. Ehhez egy másik anyagra volt szükség. A szilíciumra.
1940 – egy különös szilíciumdarab
Russell Ohl
A történet következő fontos szereplője Russell Ohl, a Bell Laboratories kutatója.
Ohl félvezetőkkel és nagy tisztaságú szilíciummal kísérletezett. 1940-ben egy szilíciummintán különös jelenséget tapasztalt: amikor erős fény érte, jelentősen megváltozott az áram.
A mintában két eltérő elektromos tulajdonságú terület alakult ki. Az egyikből lett az úgynevezett p-típusú, a másikból az n-típusú tartomány. A kettő határán létrejött a p–n átmenet. Ez a látszólag apró felfedezés alapvető jelentőségűvé vált.
A p–n átmenet ugyanis a későbbi szilícium napelemcellák egyik legfontosabb működési alapja lett. A Computer History Museum dokumentációja szerint Ohl 1940-es felfedezése közvetlenül hozzájárult a későbbi napelemek és más félvezető eszközök fejlődéséhez.
A napelem történetének darabjai lassan összeálltak. Már ismerték a fotovoltaikus hatást. Már létezett korai szeléncella. És már megjelent a szilícium, valamint a p–n átmenet. Még mindig hiányzott azonban valami: egy olyan napelem, amely már nem pusztán érdekes laboratóriumi eszköz, hanem gyakorlatban is használható energiaforrás. Erre 1954-ig kellett várni.
1954 – megszületik a modern napelem
Daryl Muscott Chapin
https://handwiki.org/wiki/Biography:Daryl_Chapin
Calvin Fuller
https://www.invent.org/inductees/calvin-fuller
Gerald L. Pearson professzor
https://www.nae.edu/28762/Professor-Gerald-L-Pearson
A Bell Laboratories három kutatója, Daryl Chapin, Calvin Fuller és Gerald Pearson különböző problémákon dolgozott, amikor kutatásaik végül találkoztak.
Chapin olyan energiaforrást keresett, amely távoli telefonrendszereket is képes lenne ellátni elektromos energiával. A hagyományos elemek és akkumulátorok nem jelentettek minden körülmények között megfelelő megoldást. A napenergia ígéretes lehetőségnek tűnt. A korábbi szeléncellák azonban túlságosan kis hatásfokúak voltak. Fuller és Pearson eközben a szilícium tulajdonságaival és a félvezetők megfelelő adalékolásával foglalkozott. A három kutatási irány végül összeért.
1954-ben megszületett az első valóban praktikus szilícium napelem.
A Smithsonian ma is őriz a fejlesztéshez kapcsolódó eredeti Bell Laboratories-kísérleti cellákból, és gyűjteményi leírásában Chapin, Fuller és Pearson munkáját az első praktikus napelem megalkotásaként mutatja be.
A korai Bell Labs-cella körülbelül 6 százalékos hatásfokot ért el – nagyságrendileg sokszorosát annak, amit a korábbi szeléncellák tudtak. Ez volt az a pont, ahol a napelem története új korszakba lépett. A több mint száz éve megfigyelt fizikai jelenségből végre használható technológia lett.
Akkor végül ki találta fel a napelemet?
Talán most már érthető, miért nincs erre egyetlen névvel megválaszolható kérdés. Becquerel felfedezte a jelenséget, Fritts megépítette a kezdetleges szilárdtest-cellát, Chapin, Fuller és Pearson pedig használható technológiává tette a napelemet.
Tudta?
Több mint száz év telt el a fotovoltaikus hatás felfedezése és az első valóban praktikus szilícium napelem megszületése között.
1839-ben Becquerel még egy laboratóriumi jelenséget figyelt meg. 1954-ben a Bell Laboratories kutatói már olyan szilíciumcellát mutattak be, amely megnyitotta az utat a modern fotovoltaika előtt. De ezzel a történet még korántsem ért véget. Sőt, bizonyos értelemben ekkor kezdődött igazán.
Felhasznált és ajánlott források
A napelemek történetéhez és a fotovoltaikus technológia fejlődéséhez felhasznált, illetve további tájékozódásra ajánlott források egységes szerkezetben.
1. American Physical Society (APS) – April 25, 1954: Bell Labs Demonstrates the First Practical Silicon Solar Cell
https://www.aps.org/apsnews/2009/04/bell-labs-silicon-solar-cell
2. Computer History Museum – 1940: Discovery of the p-n Junction
https://www.computerhistory.org/siliconengine/discovery-of-the-p-n-junction
3. Smithsonian Magazine – A Brief History of Solar Panels
https://www.smithsonianmag.com/sponsored/brief-history-solar-panels-180972006
4. Wikipedia – Alexandre Edmond Becquerel
https://hu.wikipedia.org/wiki/Alexandre_Edmond_Becquerel
5. Wikipedia – Willoughby Smith
https://en.wikipedia.org/wiki/Willoughby_Smith
6. TME – Charles Fritts – Pioneer of the Use of Solar Energy
https://www.tme.eu/en/news/library-articles/inventors/page/64220/charles-fritts-pioneer-of-the-use-of-solar-energy/
7. Engineering and Technology History Wiki (ETHW) – Russell Ohl
https://ethw.org/Russell_Ohl
8. HandWiki – Daryl Chapin
https://handwiki.org/wiki/Biography:Daryl_Chapin
9. National Inventors Hall of Fame – Calvin Fuller
https://www.invent.org/inductees/calvin-fuller
10. National Academy of Engineering – Professor Gerald L. Pearson
https://www.nae.edu/28762/Professor-Gerald-L-Pearson
