تاریخچه پیدایش و پیشرفت سلول های خورشیدی

یکی از چالش‌های بزرگ و کلیدی امروز، تأمین انرژی لازم برای مصارف مختلف صنعتی، کشاورزی، خانگی و ... است. با افزایش جمعیت جهان، پیشرفت فناوری و توسعه صنایع مختلف، مصرف انرژی به شکل فزاینده‌ای افزایش یافته است.

این امر، موجب شده تا منابع مرسوم انرژی، به‌ویژه سوخت‌های فسیلی، جوابگوی تقاضای روزافزون انرژی بشر نبوده و محققین و دانشمندان، روی به اشکال جدیدی از انرژی بیاورند. از طرف دیگر، آلودگی‌های ناشی از سوخت‌های فسیلی و تلاش برای جلوگیری از تغییرات آب و هوایی حاصل از گرم شدن زمین هم، مزید بر علت شده و عملاً توسعه فناوری‌های پاک در حوزه انرژی، به یک اولویت مهم سرمایه‌گذاری از سوی دولت‌ها و نهاد‌های بین‌المللی مبدل شده است.

یکی از مشهورترین انواع انرژی پاک، انرژی خورشیدی است که در سال‌های اخیر، به خوبی جای خود را در میان منابع تأمین انرژی باز کرده است. انرژی خورشید، یک منبع کاملاً تجدیدپذیر و به دور از هر گونه آلایندگی است. از سوی دیگر، فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، عموماً در دسترس عموم بوده و تجاری‌سازی آن‌ها با موفقیت انجام گرفته است.

نمونه بارز این امر، رواج فراگیر پنل‌های خورشیدی بر روی سقف بسیاری از خانه‌ها، اماکن عمومی و حتی پارک‌ها و مناطق تفریحی است که نشان از جایگزین شدن تدریجی این منبع پاک و لایزال، با سوخت‌های فسیلی است.

تسلا به تازگی نسل جدیدی از سقف‌های خورشیدی را ارائه کرده که دیگر نیاز به نصب تجهیزات اضافی بر روی سقف خانه‌ها هم ندارند و عملاً اجزا و قطعات سقف (آجر‌ها و کاشی‌های خورشیدی)، خود نوعی پنل خورشیدی به حساب می‌آیند.

اختراع سلول‌های خورشیدی، به نوعی مسیر تولید انرژی را تغییر داده است. این تغییر بزرگ و کلیدی، حاصل بیش از صد‌ها سال تلاش از سوی فیزیکدانان، مهندسین و مخترعین مختلف بوده که هر یک سهمی کوچک در توسعه و تکامل این فناوری ایفا کرده‌اند. از این منظر، توسعه و تجاری‌سازی انرژی خورشیدی را می‌توان داستانی جذاب از نوآوری، اختراع و پیشرفت دانست.

انرژی خورشیدی را نمی‌توان یک پدیده نوظهور و مرتبط با دهه‌های اخیر دانست؛ مردم از دیرباز از انرژی خورشید استفاده می‌کرده‌اند و حتی می‌توان قدمت آن را به نخستین باری که بشر بر روی زمین پای گذاشت، نسبت داد. اولین استفاده هدفمند از انرژی خورشید، شامل متمرکز کردن آن از طریق ذره‌بین و ایجاد آتش برای مقاصدی همچون پخت‌وپز بوده است.

مردم یونان و روم باستان، با استفاده از تابش آفتاب، «آینه‌های سوزان» می‌ساختند که در مراسم مذهبی کاربرد داشت. اتاق‌های مخصوص حمام گرفتن با نور خورشید که از گرمای طبیعی خورشید در آن‌ها استفاده می‌شد، از دیگر اختراعات اولیه در دوران باستان بوده است. این اتاق‌ها، معمولاً در جهت جنوبی ساخته شده و مثال مشهور آن، حمام‌های رومی و خانه‌های خشتی بومی آمریکا است. البته این اتاق‌های مخصوص، در خانه‌های مدرن امروزی هم بسیار محبوب هستند.

یک افسانه مشهور هم وجود دارد که ارشمیدس، دانشمند مشهور یونانی، برای شکستن محاصره کشتی‌های چوبی امپراتوری روم، از سپر‌های برنزی منعکس‌کننده و متمرکز کننده نور استفاده کرده است. اگرچه صحت رخ دادن این مسئله در زمان ارشمیدس مشخص نیست، اما نیروی دریایی یونان در دهه ۱۹۷۰ میلادی، این کار را به‌طور عملی آزمایش نمود و یک کشتی چوبی در فاصله ۵۰ متری را تنها با یک سپر برنزی و با استفاده از انرژی خورشید، آتش زد.

جدای از این نوآوری‌ها و اختراعات اولیه، داستان اختراع فناوری سلول خورشیدی، به‌طور جدی از سال‌های ابتدایی قرن نوزدهم آغاز شده است. در سال ۱۸۳۹ میلادی، فیزیکدان فرانسوی، ادموند بکورل «Edmond Becquerel»، موفق به کشف «اثر فتوولتائیک» در هنگام آزمایش یک سلول ساخته شده از الکترود‌های فلزی در محلول رسانا شد. وی متوجه شد که با در معرض نور قرار گرفتن این سلول، ولتاژ افزایش یافته و الکتریسیته بیشتری تولید می‌شود.

بعد‌ها در سال ۱۸۷۳ میلادی، ویلوبی اسمیت «Willoughby Smith»، کشف کرد که سلنیوم می‌تواند به‌عنوان یک رسانای نوری خوب عمل نموده و تنها سه سال پس از این کشف، ویلیام گریل آدامز «William Grylls Adams» و ریچارد ایوانس «Richard Evans»، پدیده فتوولتائیک کشف شده توسط بکورل را بر روی سلنیوم اعمال کردند.

تقریباً پنجاه سال پس از کشف اثر فتوولتائیک، مخترع آمریکایی چارلز فریتز «Charles Frittz»، توانست اولین سلول کارآمد خورشیدی سلنویمی را ارائه کند. اگرچه امروزه در سلول‌های خورشیدی و برای ساخت پنل‌های مدرن از سیلیکون استفاده می‌شود، اما سلول خورشیدی فریتز، یک نقطه عطف مهم در پیشرفت و توسعه فناوری مورد استفاده امروز است.

گفتنی است، سال‌های پایانی قرن نوزدهم، در پیشرفت سلول‌های خورشیدی بسیار تأثیرگذار بوده است. تلاش‌های چارلز فریتز، ادوارد وتسون «Edward Wetson» و دیگران در این حوزه، موجب شد تا روند توسعه و تجاری‌سازی سلول‌های خورشیدی تسریع گردد. در همین دوره، نخستین پتنت‌های مرتبط با سلول‌های خورشیدی نیز به ثبت رسیدند. ادوارد وستون دو پتنت در این ارتباط به ثبت رسانید که در تاریخ چهارم سپتامبر سال ۱۸۸۸ میلادی، گواهی‌هایی با شماره‌های «US۳۸۹۱۲۴» و «US۳۸۹۱۲۵»، از سوی دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا به وی اعطا شد.

یک نکته جالب در فرآیند توسعه و تکامل سلول‌های خورشیدی، نقش بسیار کلیدی فیزیکدانان است. بکورل با کشف اثر فتوولتائیک و فریتز با ساخت نخستین نمونه سلول خورشیدی و به نوعی نسل اولیه این سلول‌ها، از پیشگامان این حوزه محسوب می‌شوند.

آلبرت اینشتین، فیزیکدان مشهور آلمانی، از دیگر افرادی است که توجه جهانیان را به انرژی خورشیدی و پتانسیل‌های بالقوه‌اش جلب نمود. وی در سال ۱۹۰۵ میلادی، مقاله‌ای در مورد «اثر فتوالکتریک» و چگونگی حمل انرژی توسط نور منتشر ساخت که اثری کلیدی در توجه و پذیرش بیشتر برای انرژی خورشیدی داشت. اینشتین بابت خدمات ارزشمندش به فیزیک نظری و به‌طور خاص، کشفیات پیرامون اثر فتوالکتریک، جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ میلادی را به خود اختصاص داد.

لازم ذکر است که اثر فتوالکتریک، پیش از اینشتین، توسط هنریچ هرتز «Heinrich Hertz» در سال ۱۸۸۷ میلادی مورد بررسی قرار گرفته بود.

با وجود تلاش‌های مخترعین و دانشمندان فوق، توسعه و تجاری‌سازی دستگاهی که بتواند انرژی خورشید را ذخیره و قابل استفاده کند، تا سال‌های میانی قرن بیستم ممکن نبود. تقریباً صد سال پس از کشف ادموند بکورل و به فاصله کوتاهی از اختراع ترانزیستور، در سال ۱۹۳۹ میلادی، راسل اهل «Russell Ohl»، موفق به ساخت نخستین سلول‌های خورشیدی به معنای مدرن آن گردید.

وی طراحی ابداعی خود را در تاریخ ۲۷ می‌سال ۱۹۴۱ به ثبت رسانید که دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا در ۲۵ ژوئن سال ۱۹۴۶، گواهی این درخواست را با شماره «US۲۴۰۲۶۶۲»، به وی اعطا نمود. در سال ۱۹۵۴ میلادی، سه مخترع فعال در آزمایشگاه‌های بل، به نام‌های داریل چاپین «Daryl Chapin»، کالوین فولر «Calvin Fuller» و جرارد پیرسون «Gerald Pearson»، از این طراحی استفاده کرده و موفق به ساخت یک سلول خورشیدی کارآمد با استفاده از سیلیکون شدند. این دستاورد، جهشی بزرگ به سمت سلول‌های خورشیدی نسل کنونی و پنل‌های مدرن خورشیدی به حساب می‌آید. از مزایای سیلیکون، می‌توان به راندمان بهتر و در دسترس بودن گسترده آن به‌عنوان یک منبع طبیعی اشاره کرد.

با رشد فناوری‌های فضایی و موفقیت‌های پی‌درپی بشر در زمینه طراحی و ساخت فضاپیما‌های غول‌پیکر در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ میلادی، پنل‌های خورشیدی برای تأمین انرژی بخش‌های مختلف این فضاپیما‌ها مورد استفاده قرار گرفت. نخستین ماهواره‌ای که پنل‌های خورشیدی در آن بکار رفت، «Vanguard ۱» در سال ۱۹۵۸ بود که در ادامه و با توجه به موفقیت این پروژه، در «Vanguard II» و «Explorer III» و همچنین «Sputnik-۳» نیز، از پنل‌های خورشیدی استفاده شد.

در نهایت، ناسا در سال ۱۹۶۴ میلادی، ماهواره «Nimbus» را راه‌اندازی نمود که از مجموعه پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک ۴۷۰ واتی بهره می‌برد. این پیشرفت‌ها، به خوبی پتانسیل‌های انرژی خورشیدی را هویدا ساخت و عملاً سرآغازی برای تجاری‌سازی وسیع پنل‌های خورشیدی در ساختمان‌ها و اماکن عمومی گردید.

در دهه ۱۹۷۰ میلادی، کمبود نفت موجب وابستگی آمریکا به منابع انرژی خارجی شده بود و فشار‌های اقتصادی فزاینده ناشی از این موضوع، ضرورت نوآوری برای تأمین انرژی را آشکار ساخت. در همین زمان، «جیمی کارتر» رئیس‌جمهور وقت آمریکا، از پنل‌های خورشیدی بر روی سقف کاخ سفید استفاده نمود که پیامی واضح برای عموم مردم این کشور، مبنی بر استفاده از انرژی پاک به حساب می‌آمد. از آن زمان تاکنون، پیشرفتی مستمر در زمینه بهبود عملکرد و کاهش هزینه پنل‌های خورشیدی به وقوع پیوسته و عملاً استفاده از خورشید برای تأمین انرژی، در بسیاری از کشور‌های جهان به یک روش واقع‌گرایانه و کاملاً عملی مبدل شده است. شاید بزرگ‌ترین جهش از منظر بازده و قیمت پنل‌های خورشیدی را بتوان طی یک دهه اخیر دانست، جایی که بسیاری از شرکت‌های فناور مشهور، از جمله تسلا، به توسعه و تجاری‌سازی نسل جدید فناوری‌های خورشیدی ورود کردند.

برای درک بهتر روند مستمر پیشرفت فناوری‌های خورشیدی از بدو اختراع آن تاکنون، می‌توان مقایسه‌ای از منظر عملکرد و قیمت سلول‌های خورشیدی داشت: «کشف اولیه بکورل، ساخت پنل‌های اولیه خورشیدی را موجب شد که راندمانی یک درصدی و هزینه‌ای ۳۰۰ دلاری به ازای هر وات انرژی تولیدی در بر داشت. این در حالی است که در آن زمان، تولید هر وات برق از طریق مصرف زغال‌سنگ، تنها ۲ تا ۳ دلار هزینه داشت. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی آزمایشگاه‌های بل، با راندمان تقریباً ۴ درصدی کار می‌کردند که با توسعه‌های بعدی به بازده ۱۱ درصدز هم رسیدند. این یک پیشرفت قابل‌توجه بود که برای اولین بار در تاریخ، کارکرد مداوم و چند ساعته یک دستگاه الکتریکی را ممکن می‌کرد.

در سال ۱۹۵۹، «Hoffman Electronics» موفق به ساخت پنل‌هایی با بازده ۱۰ درصد شد که در سال ۱۹۶۰ میلادی، آن را به ۱۴ درصد افزایش دادند. این رکورد و پیشرفت‌های بعدی، راهیابی پنل‌های خورشیدی به صنعت هوافضا را تسریع نمود و کم‌کم، قیمت برق تولیدی به حدود ۱۰۰ دلار به ازای هر وات رسید. یکی از نقاط عطف مهم در زمینه کاهش قیمت و بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی، تأمین مالی تحقیقات دکتر الیوت برمن «Elliot Berman» از سوی شرکت «Exxon» بود که هزینه هر وات برق تولیدی را به حدود ۲۰ دلار کاهش داد.

امروزه پنل‌های خورشیدی، دارای راندمانی بین ۱۵ تا ۱۸ درصد بوده و هزینه هر وات برق تولیدی، تنها برابر با «۰.۵» دلار است. این کاهش چشمگیر، به واسطه تلاش و سرمایه‌گذاری مجموعه‌ای از محققین، مخترعین و شرکت‌های نوآور محقق شده است، به‌طوری که از دهه ۱۹۸۰ میلادی به این‌سو، هزینه سلول‌های خورشیدی، سالیانه کاهش قیمت تقریباً ۱۰ درصدی را تجربه کرده است.