Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Czy da się zbudować low-techowy panel solarny?

Prawdopodbnie George Cove, zapomniany pionier energii słonecznej, zbudował pierwszy panel solarny o wysokiej sprawności czterdzieści lat przed wynalezieniem przez Laboratoria Bell’a ogniw krzemowych. Jeśli jego wynalazek rzeczywiście działa, to może dać początek prostszej i bardziej zrównoważonej fotowoltaice.

Przekład: Michał Kolbusz

image

Zdjęcie: George Cove stoi przy swoim trzecim prototypie panelu słonecznego. Źródło: „Wytwarzanie energii za pomocą promieni słonecznych, Popular Electricity, wyd. 2, nr 12, kwiecień 1910 roku, strona 793.

Bardziej wydajne, mniej zrównoważone

Od czasu kiedy Laboratoria Bell’a zaprezentowały światu pierwszy panel fotowoltaiczny w latach 50. XX w. rozwój technologiczny skupił się na redukcji kosztów i zwiększaniu sprawności ogniw krzemowych. Badacze osiągnęli niemały sukces na tych polach. Sprawność paneli solarnych wzrosła z mniej niż 5% w latach 50. do ponad 20% dzisiaj, a koszt za jeden wat mocy szczytowej spadł z 30 dolarów w 1980 roku do 0.2 dolara w 2020 r. Niższa cena – do czego przyczynia się wyższa sprawność – jest uważana za kluczowy czynnik, który pozwoli fotowoltaice konkurować na rynku energii elektrycznej z paliwami kopalnymi.

Jednak pod względem zrównoważenia niewiele udało się poprawić. Chociaż minęło siedem dekad od powstania pierwszych krzemowych ogniw, ciągle nie nadają się one do recyklingu i w tysiącach ton lądują jako odpad na wysypiskach – w nadchodzących latach będzie ich coraz więcej. Panele solarne mają żywotność około 25-30 lat ((analiza rynku fotowoltaiki w Niemczech wskazuje, że ogniwa krzemowe mają krótszą żywotność, wynoszącą ok. 17-18 lat, przyp. tłum.), a większość z nich została zainstalowana niedawno. Badacze przewidują, że do 2050 roku prawie 80 milionów ton paneli słonecznych zakończy swój żywot. 1 2 3 Oznacza to ogrom zmarnowanych surowców i zagrożenie dla środowiska – złomowane panele zawierają toksyczne substancje i stwarzają ryzyko pożarowe.

Produkcja fotowoltaiki wymaga dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, a to blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórców.

Produkcja paneli fotowoltaicznych jest równie problematyczna. Generuje toksyczne substancje i wymaga globalnych łańcuchów dostaw, w tym: drogich fabryk, skomplikowanych maszyn, kopalń minerałów i ciągłego dopływu paliw kopalnych. W analizie cyklu życiowego paneli słonecznych naukowcy policzyli ile energii i materiałów potrzeba do ich zbudowania, jednak nie uwzględnili w obliczeniach ogromnych nakładów energii potrzebnych na powstanie i utrzymanie globalnych łańcuchów dostaw. 4 5 6 7 8 9 10 11 Taka analiza nie pokazuje więc prawdziwego kosztu paneli fotowoltaicznych, który wyraża się w zużytych paliwach kopalnych, wyemitowanych zanieczyszczeniach i gazach cieplarnianych. Co więcej, produkcja fotowoltaiki, wymagająca dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórcom.

Szukając inspiracji w przeszłości

Czy fotowoltaika musi być niezrównoważona, nierecyklingowalna i uzależniona od kapitałochłonnych zaawansowanych technologii wytwarzania? A może da się ją wytwarzać prostszymi metodami z lokalnie dostępnych i możliwych do recyklingu materiałów? Innymi słowy, czy można zbudować low-techowy panel fotowoltaiczny? A jeśli tak, to jakie będę koszty i sprawność?

Zanim postaramy się odpowiedzieć na te pytania, musimy zaznaczyć, że najlepszą low-techową alternatywą dla high-techowych paneli solarnych nie jest low-techowy panel, tylko bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej bez zamiany jej na elektryczność. Na przykład, sznurek na bieliznę i solarne grzanie wody są znacznie bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne niż suszarka bębnowa i bojler elektryczny zasilany fotowoltaiką. Energię słońca można wykorzystywać bezpośrednio, używając lokalnych materiałów, niezbyt zaawansowanych procesów technologicznych i krótkich łańcuchów dostaw.

Jednakże w tym artykule próbuję szczerze odpowiedzieć na postawione pytanie: czy możemy zbudować low-techowe urządzenia fotowoltaiczne, które zamieniają promienie słoneczne na elektryczność? W poprzednim artykule zobaczyliśmy, że z historii możemy czerpać inspirację do budowy bardziej zrównoważonych turbin wiatrowych. Czy historia zainspiruje nas również do poszukiwań bardziej zrównoważonych ogniw solarnych?

Prehistoria ogniw solarnych

Zaprezentowany w roku 1954 panel fotowoltaiczny Laboratoriów Bell’a nie wziął się znikąd. Korzenie krzemowych ogniw słonecznych sięgają prostszych urządzeń, które wytwarzały prąd elektryczny ze światła lub z ciepła.

W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył, że w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali ze złączami o różnych temperaturach popłynie prąd elektryczny. Ten „efekt termoelektryczny” stanowił podstawę działania „generatora termoelektrycznego” — urządzenia, które przekształca ciepło (na przykład z pieca opalanego drewnem) bezpośrednio na energię elektryczną. W 1839 roku Antoine Becquerel odkrył, że światło można również zamieniać w elektryczność, a w latach 70. XIX wieku kilku naukowców odkryło ten sam efekt w ciałach stałych - zwłaszcza w selenie. „Efekt fotoelektryczny” stał się podstawą „generatora fotoelektrycznego”, który teraz nazywamy generatorem fotowoltaicznym lub ogniwem fotowoltaicznym. W 1883 roku Charles Fritts skonstruował pierwszy w historii moduł fotowoltaiczny wykorzystując selen na cienkiej warstwie złota. 12 13 14

Od lat 20. XIX w. aż do lat 50. XX w. praktyczne zastosowanie urządzeń termoelektrycznych i fotoelektrycznych było ograniczone. Wynalazcy zbudowali wiele eksperymentalnych generatorów termoelektrycznych (zwykle zasilanych płomieniem gazowym), jednak ich sprawność nie przekraczała 1%. Podobnie panel słoneczny Charlesa Frittsa (i później wyprodukowane selenowe ogniwa słoneczne) osiągnęł zaledwie 1-2% wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną. 15 Mówiąc krótko, okres przed latami 50. XX w. nie wydaje się dawać wiele inspiracji do budowy bardziej zrównoważonych paneli fotowoltaicznych.

Zapomniany pionier energii solarnej

Historia paneli słonecznych zdaje się być niekompletna. W 2019 roku otrzymałem maila od czytelnika Low-tech Magazine, Philipa Pesavento:

„Badam od początku lat 90. [historię] wczesnego pioniera technologii ogniw solarnych z przed drugiej wojny światowej. Jestem już za stary, żeby w jakikolwiek sposób kontynuować [tę pracę], jednak jest jeden, lub dwa, artykuły naukowe o Panu Cove, jednak zupełnie mylą się co do tego, co on osiągnął. Załączam pdf z prezentacją PowerPoint, którą zrobiłem w 2015, ale nigdy nikomu nie pokazałem. Jeśli jesteś zainteresowany samemu napisać o nim, mogę przesłać ci pendrive ze wszystkimi materiałami, które zebrałem.”

Jeśli hipotezy i zebrany przez Philipa Pesavento materiał historyczny są rzetelne, to oznacza, że George Cove postanowił zbudować generator termoelektryczny, ale przypadkowo stworzył generator fotowoltaiczny (ogniwo fotowoltaiczne). Chociaż miało to miejsce na początku XX wieku, Cove uzyskał porównywalną moc wyjściową i wydajność z urządzeniem z Laboratoriów Bell’a z 1954 roku. Jego projekt wykazywał również znacznie wyższą wydajność niż selenowe ogniwa słoneczne budowane w latach 1880-1940. 16 Philip Pesavento:

„To byłoby ekscytujące udowodnić, że stosunkowo wysokowydajne ogniwa solarne zostały wynalezione 40 lat przed opracowaniem ogniw krzemowych. Co ważniejsze, jeśli okaże się, że przed I wojną światową istniała fotowoltaika i system paneli fotowoltaicznych, może to nieść korzyści, takie jak: taniości surowców, niskiej energii wcielonej potrzebnej do przetwarzania rud na materiały metaliczne, [wyższej] wydajności końcowej ogniwa fotowoltaicznego i łatwości produkcji.”

Innymi słowy, jeśli historyczny opis i hipotezy Philipa Pesavento są prawdziwe, możliwe jest zbudowanie low-techowych paneli słonecznych.

Słoneczny generator elektryczny George Cove

George Cove zaprezentował swój pierwszy „słoneczny generator elektryczny” w 1905 roku w Metropole Building w Halifax w Nowej Szkocji. Poza jedną fotografią nie ma żadnych informacji o tym panelu, 17 jednak jego moc i wydajność były na tyle niezwykłe, że amerykańscy inwestorzy wysłali do wynalazcy swojego eksperta. W oparciu o oględziny urządzenia przeprowadzone przez rzeczonego eksperta, sprowadzili Cove’a do Stanów Zjednoczonych (Sommerville, stan Massachusetts), aby kontynuował rozwój swojego urządzenia.

W 1909 roku Cove zaprezentował w Sommerville swój drugi generator energii słonecznej. Ten panel o powierzchni 1,5 m² mógł wytwarzać 45 watów mocy i miał wydajność w przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną na poziomie 2,75%. W połowie 1909 roku Cove przeniósł się do Nowego Jorku, gdzie zaprezentował swój trzeci prototyp - moduł słoneczny składający się z czterech paneli słonecznych o mocy szczytowej 60 W każdy. Ładował on pięć akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Całkowita powierzchnia wynosiła 4,5 m², maksymalna moc wyjściowa 240 watów, a wydajność sięgnęła 5% – porównywalnie do pierwszego panelu fotowoltaicznego zaprezentowanego przez Laboratoria Bell’a. 18

image

Powyżej: Pierwszy panel słoneczny George Cove, zademonstrowany w 1905 roku. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

image

Powyżej: Drugi panel słoneczny Cove, w którym brakuje jednej sekcji. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

image

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

image

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Panele są teraz pochylone pod kątem, a nie leżą płasko. Źródło: Literary Digest 1909 r, s. 1153.

image

Powyżej: Jeden z paneli słonecznych trzeciego zestawu solarnego Cove, ze zdjętą szklaną pokrywą. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Chociaż George Cove’a nie znajdziemy w większości opracowań historycznych o energii słonecznej, to jego generator zrobił wrażenie na niektórych popularnych czasopismach technicznych tamtych czasów. Na przykład, w 1909 roku Technical World Magazine napisał, że „ta maszyna jest tania i niezniszczalna jak asortyment kuchenny. Nawet w obecnym, nieco prymitywnym i eksperymentalnym kształcie, w dwa słoneczne dni zmagazynuje energię elektryczną wystarczającą do oświetlenia przeciętnego domu przez tydzień. Wynalazca udowadnia to od miesięcy w swoim zakładzie.” 19

Wtyki włożone w asfalt

Jak George Cove zdołał zbudować panel solarny wyprzedzający swoje czasy o 40 lat? Według Philipa Pesavento, który ma doświadczenie w inżynierii półprzewodników, Cove zamierzał zbudować udoskonalony generator termoelektryczny (ang. TEG przyp. tłum.), rozwijając eksperymentalne urządzenie Edwarda Westona (Weston stworzył pierwszy eksperymentalny termoelektryczny generator słoneczny w 1888 roku). Wystawił swój generator na działanie ciepła z pieca opalanego drewnem i bezpośredniej energii słonecznej. Intencje Cove’a były, z tego jak sam opisał swoje urządzenie, jasne:

„Ramka zawiera szereg tafli z fioletowego szkła, za którymi pod podkładem z mieszanki asfaltowej znajduje się wiele małych metalowych wtyków. Jeden koniec wtyku jest zawsze wystawiony na działanie promieni słonecznych, podczas gdy drugi koniec jest chłodny i osłonięty.”

Osiągnięcie jak największej różnicy temperatur jest kluczowe w produkcji energii termoelektrycznej, tak więc projekt Cove’a miał sens. Problem polegał na tym, że kiedy mierzył moc wyjściową swojego generatora nie reagował on na ciepło, tak jak powinien to zrobić generator termoelektryczny. Początkowo Cove zauważa, że jego wynalazek wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło do wytwarzania elektryczności pod wpływem energii słonecznej:

„Głównym elementem mojego wynalazku jest osobliwa kompozycja metalowych wtyków, na które słońce działa w taki sposób, że prąd jest generowany nie tylko przez promienie cieplne, ale także przez promienie fioletowe.”

Jednak po dalszych eksperymentach, zarówno z piecem opalanym drewnem jak i energią słoneczną, Cove stwierdza: 

„Gdy maszyna jest wystawiona na działanie różnych źródeł sztucznego ciepła, w ogóle nie daje prądu. Poza promieniami cieplnymi słońca (podczerwień krótkofalowa), być może w wytwarzaniu prądu elektrycznego aktywne są promienie fioletowe lub ultrafioletowe.”

Głównym ogniwem panelu fotowoltaicznego Cove’a były trzycalowe wtyki, lub pręty metaliczne, ze stopów kilku pospolitych metali. Panel o powierzchni 1,5 m² miał 976 prętów, a zestaw o pow. 4 m² miał 4 razy po 1804 prętów. Nie miało to znaczenia, że chłodny koniec prętów był oddzielony od gorącego warstwą asfaltu. Ważne było to, że Cove przez przypadek zbudował złącze metal-półprzewodnik.

Pasmo wzbronione półprzewodników

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny – podobnie jak nikt inny w tym czasie. Dopiero praca Einsteina nad efektem fotoelektrycznym (z 1905 r.) i późniejsze odkrycia mechaniki kwantowej (lata 30. XX wieku i późniejsze) pozwoliły zrealizować koncepcję półprzewodnikowego pasma wzbronionego (inaczej przerwy energetycznej). Elektrony krążą wokół jądra atomu w różnych „stanach” tworzących obszary zwane „pasmami”. Te pasma utrzymują swoje elektrony na właściwym miejscu. Pomiędzy tymi pasmami znajdują się „pasma wzbronione” – stany, w których żaden elektron nie może się znajdować.

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny, podobnie jak nikt inny w tym czasie.

Przewodniki nie mają pasm wzbronionych, więc płyną przez nie elektrony. Dlatego właśnie drut miedziany przewodzi prąd. W izolatorach (takich jak drewno, szkło, tworzywa sztuczne czy ceramika) występują bardzo szerokie przerwy energetyczne blokujące przepływ elektronów. Za to w półprzewodnikach istnieją stosunkowo wąskie przerwy, co pozwala im działać jako izolator lub jako przewodnik. Półprzewodniki mogą stać się przewodnikami gdy absorbują „foton” (elementarną cząstkę światła) o potencjale energetycznym równym lub większym niż pasmo wzbronione materiału półprzewodnikowego. 20

Zrozumienie działania półprzewodników doprowadziło w latach 50. XX w. do narodzin nowoczesnego ogniwa fotowoltaicznego. Poprawiła się również wydajność generatorów termoelektrycznych – jednak z innych powodów. Generatory termoelektryczne nie wykorzystują pasma wzbronionego półprzewodników, lecz półprzewodniki mają wyższe napięcia termiczne i niższe przewodnictwo cieplne, niż metale i stopy metali bez przerwy energetycznej, dzięki czemu generatory termoelektryczne są bardziej wydajne.

Złącze Schottky’ego

Aby efekt fotowoltaiczny mógł zaistnieć, musi istnieć pewna niejednorodność w systemie. W latach pięćdziesiątych naukowcom z Laboratoriów Bell’a udało się to zrobić za pomocą tzw. złącza p-n, które tworzy granicę między półprzewodnikiem naładowanym dodatnio i ujemnie. Półprzewodniki typu p mają luki elektronowe zwane „dziurami” (które przyciągają elektrony), podczas gdy półprzewodniki typu n mają dodatkowe elektrony. Na styku obu jest potencjał elektryczny.

Ogniwo fotowoltaiczne można zbudować również z tzw. złącza Schottky’ego, które łączy półprzewodnik z metalem. W tym przypadku metal działa jako półprzewodnik typu n. Philip Pesavento: 

„Moja hipoteza jest taka, że George Cove natknął się na kontaktowe ogniwo fotowoltaiczne Schottky’ego dziesiątki lat przed tym, jak zostało opisane przez Waltera Schottky’ego. 21 Istnieje możliwość odpowiedzi fotowoltaicznych (głównie) i termoelektrycznych wychodzących z tych urządzeń. Złącze było wykonane ze stopu cynku i antymonu – o którym teraz wiemy, że jest półprzewodnikiem. Było on z jednej strony zamknięte przez [tzw.] nowe srebro (stop miedzi, niklu i cynku, przyp. tłum.) i miedź na przeciwległym końcu. W ten sposób powstał odpowiedni kontakt omowy i kontakt Schottky’ego. To jest właśnie urządzenie fotowoltaiczne.”

Przypadkowe odkrycie

Według Philipa Pesavento George Cove prawdopodobnie zaczął od nowego srebra jako materiału ujemnego na obu końcach wtyków i stopu antymonowo-cynkowego (ZnSb) jako materiału dodatniego. Były to wówczas najlepsze dostępne materiały termoelektryczne:

„Prawdopodobnie skończyło mu się nowe srebro i podstawiona miedź na dokończenie wiązki wtyków, ponieważ różnica w napięciu termoelektrycznym między miedzią a nowym srebrem była niewielka. Następnie, podczas testów, Cove zauważył, że te wtyki (z nasadką z nowego srebra na jednym końcu i miedzianą nasadką na drugim końcu) dają znacznie większe napięcie: 100s mV w porównaniu ze zwykłymi 10s mV dla generatora termoelektrycznego.”

Co z tego wyszło? Używając miedzi Cove nieświadomie zbudował złącze Schottky’ego. To zmieniło jego generator termoelektryczny w „generator termofotowoltaiczny”. Takie urządzenie działa tak samo jak ogniwo fotowoltaiczne, ale na innych długościach fali elektromagnetycznej. Widmo słoneczne obejmuje zakres od około 0,5 do 2,9 elektronowoltów (eV), od podczerwieni do ultrafioletu. Półprzewodnik z pasmem wzbronionym między 1,0 a 1,7 eV wydajnie przekształca światło widzialne w energię elektryczną (generator fotowoltaiczny), podczas gdy półprzewodnik z przerwą energetyczną między 0,4 a 0,7 eV sprawnie przekształca krótkofalową energię słoneczną podczerwoną w energię elektryczną (generator termofotowoltaiczny).

image

Powyżej: Rysunek z patentu George Cove’ z 1906 roku przedstawia stop cunku-antymonu “b”; nasadkę (omową) z nowego srebra”; i nasadkę zamykającą z miedzi lub cyny (Schottky) “f”. Wszystkie elementy są łączone na wcisk, ponieważ połączenia lutowane zmniejszyłyby wydajność.

Dzisiaj wiemy, że stop ZnSb (materiał ujemny we wtykach Cove’a) jest półprzewodnikiem o paśmie wzbronionym 0,5 eV. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego wynalazca początkowo zaobserwował, że jego generator solarny przetwarza zarówno ciepło, jak i światło na energię elektryczną. Generator termofotowoltaiczny dopasowuje się nie tylko do podczerwonego ogona widma słonecznego – dopasowuje się również do bezpośredniego widma płonącego płomienia lub gorącej do czerwoności powierzchni ogrzewanej spalaniem drewna czy gazu ziemnego. Przekształca także (z bardzo niską wydajnoscią) w energię elektryczną dolną część widma widzialnego.

Według Philipa Pesavento Georgowi Cove udało się następnie udoskonalić skład stopu zbliżony do Zn4Sb3 – stopu cynkowo-antymonowego o proporcjach 4 części cynku do 3 części antymonu. Dzisiaj wiadomo, że ten stop to również półprzewodnik. Ma jednak pasmo wzbronione 1,1 eV – bardzo zbliżone do pasma krzemu (1,2 eV). W konsekwencji tej zmiany, jego generator termofotowoltaiczny przekształcił się w generator fotowoltaiczny:

„Niesiony na fali entuzjazmu Cove wpadł na to, że użyje większej liczby wtyków i jakoś wyszły mu „złe” proporcje na jednej partii. Potem kiedy zmierzył napięcie,pomiar był jeszcze wyższy. Na końcu, skrupulatnie zbadał stopy cynku i antymonu i odkrył, że stop w proporcjach 40-42% cynku daje najwyższe napięcie (w porównaniu do udziału 35% cynku w ZnSb). Po (przypadkowym) odkryciu, że wyższe pasmo wzbronione półprzewodnika Zn4Sb3 oznacza, że nie działa on już wystawiony na ciepło z pieca [zaobserwował, że] działa nawet lepiej wystawiony na promieniowanie słoneczne – ponieważ teraz przekształca o wiele więcej pasma widzialnego światła słonecznego na elektryczność.”

Używając barwionych szklanych filtrów George Cove ustalił, że większość odpowiedzi układu pochodziła z fioletowego końca widma światła, a tylko niewielka z tak zwanych „promieni cieplnych”. Jego wcześniejsze wtyki PV reagowały równie dobrze na promienie „cieplne” i fioletowe, podczas gdy starsze generatory termoelektryczne (nowe srebro na obu końcach) w ogóle nie reagowały na promienie fioletowe.

Powrót ogniwa solarnego Schottky’ego?

Ogniwa słoneczne ze złączem Schottky’ego nie zdobyły wiele uwagi wśród naukowców i korporacji – niewiele projektów ogniw słonecznych wykorzystuje metale w obszarze aktywnym (oprócz styków). 22 Niemniej jednak Philip Pesavento uważa, że warto byłoby spróbować wyprodukować niektóre ogniwa słoneczne Schottky’ego według projektu George Cove’a:

„Gdyby można było wykazać, że Zn4Sb3 (przerwa energetyczna 1,2 eV) może być wykorzystany w ogniwie fotowoltaicznym, to istnieje duża szansa, że taki projekt ogniwa słonecznego będzie zrównoważony (w sensie oddziaływania na środowisko, przyp. tłum). Byłby dobrym kandydatem do szybkiego EROI (to oznacza, że energie włożona w jego wyprodukowanie szybko by się zwróciła, przyp. tłum.) i miałby akceptowalnie długi okres eksploatacji z nadwyżką produkcji energii przez kilkadziesiąt lat. To zdumiewające, ale wydaje się, że wszyscy przeoczyli ten materiał i jego przydatność w ogniwach fotowoltaicznych, i że nie dokonano żadnego postępu [w jego użyciu] – nawet po tym, jak chwilowo badacze uznali go za możliwą początkową opcję [materiału] do połowy lat 80. XX wieku. Wpisuje się on w kategorię „przedwczesnego odkrycia”, co powinno znaczyć, że w dzisiejszych czasach może się bardzo szybko rozwinąć”.

Oprócz fotowoltaiki Philip Pesavento dostrzega potencjał wykorzystania termofotowoltaiki dla pieców na drewno, kolektorów słonecznych lub zastosowań tandemowych z dwoma złączami, wykorzystując ZnSb zamiast Zn4Sb3. Co więcej, uważa on, że jeśli ogniwa słoneczne typu plug-in okażą się skuteczne to pozwolą na budowę kolektorów słonecznych z połączonych koncentratorami liniowymi – takimi jak rynny paraboliczne lub nie-obrazujące koncentratory CPC – przy znacznie obniżonych kosztach.

Proste wytwarzanie

Podstawową zaletą wynalazku Cove’a byłaby prostsza metoda produkcji w porównaniu do popularnych ogniw krzemowych. W latach 70. i 80. naukowcy badali Zn4Sb3 pod kątem zastosowania w fotowoltaice i doszli do wniosku, że „oczywistymi zaletami tego materiału są prostota i stosunkowo niska temperatura potrzebna w procesie wytwarzania.” 23 Temperatura topnienia Zn4Sb3 wynosi 570 stopni Celsjusza, a krzemu 1400 stopni.

W latach 70. naukowcy badali ogniwa słoneczne ze złączem metal-półprzewodnik oparte na innych typach półprzewodników niż Zn4Sb3. Chcieli opracować prostszy i tańszy proces produkcji w porównaniu z ówczesnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi ze złączem p-n. 24 25 Ogniwa Schottky’ego nie wymagają wysokotemperaturowego etapu dyfuzji fosforu, który zwykle tworzy warstwę n złącza p-n w dzisiejszym ogniwie krzemowym - samo to zmniejsza wkład energii w proces o 35%. 22

W latach 80. naukowcy poczynili znaczne postępy w rozwoju krzemowych złącz p-n i to doprowadziło do spadku zainteresowania alternatywami. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie powraca. Na przykład, badania nad grafenowo-krzemowymi ogniwami słonecznymi Schottky’ego pokazują, że „jedną z zalet jest prosta i tania produkcja urządzeń, które nie wymagają wysokich temperatur”. 26 W innych, niedawno przeprowadzonych badaniach, naukowcy dochodzą do wniosku, że „urządzenia selenowe typu Schottky’ego są… niezwykle proste i tanie w produkcji.” 27 28 29 30

Łatwiejszy recykling

Kolejną zaletą ogniw słonecznych Schottky’ego może być ich łatwiejszy recykling. Moduły krzemowe są umieszczane pomiędzy dwoma warstwami laminatu (zazwyczaj EVA, czyli kopolimeru etylenu/octanu winylu). Warstwy te są niezbędne do zapewnienia żywotności modułu. 1 2 3 Aby poddać recyklingowi krzem – najcenniejszy składnik panelu słonecznego – warstwy laminatu muszą zostać oddzielone, ale nie można ich po prostu wypalić, bo to zniszczy moduły. Ogniwa krzemowe można poddawać recyklingowi tylko poprzez skomplikowane etapy obróbki termicznej, chemicznej i metalurgicznej. To kosztowny i nieobojętny dla środowiska proces. Chociaż można się spotkać z doniesieniami, że około 10% paneli fotowoltaicznych jest „poddawanych recyklingowi”, to bardziej prawdopodobne jest, że przechodzą tzw. „downcycling”. Moduły są po prostu rozdrabniane na kawałki, a powstały materiał stanowi wypełniacz w asfalcie i cemencie.

Ogniwa zbudowane przez George’a Cove dałoby się całkowicie przetworzyć. Nie wymagały warstwy ochronnej laminatu, ani nawet lutowanych styków. Philip Pesavento:

„Gdybyś miał zbudować ogniwa dokładnie tak, jak zrobił to Cove, [tj.] na wcisk montując nasadki, a następnie owijając je drutem dla szczelności, to byłyby prostsze do recyklingu, który stałby się w pełni mechaniczną czynnością. Nie potrzeba by było żadnych chemikaliów. Złożenie i rozłożenie byłoby pracochłonne, ale można by to zautomatyzować”.

Pesavento wierzy, że z materiału Cove’a można zbudować także płaskie ogniwa słoneczne, jednakże to, czy wymagałyby one warstwy ochronnej utrudniającej recykling, musi się dopiero okazać. W latach 70. ogniwa solarne Schottky’ego (oparte na innych materiałach) nie zawsze wymagały warstwy ochronnej, a osiągały żywotność dłuższą niż 20 lat. 24

Sprawność

Jeśli moglibyśmy budować prostsze panele słoneczne, to jaką sprawność by one osiągały? Zdaniem Philipa Pesavento ogniwa Schottky’ego zrobione z tych samych materiałów są trochę mniej sprawne od złączy p-n, ponieważ złącza p-n dają wyższe napięcie – otrzymują więcej energii z zaabsorbowanych fotonów:

„Kiedy liczy się każdy ułamek procenta sprawności - robisz to [i używasz złączy P-N]. Jeśli twoim celem jest uproszczenie wytwarzania, posługując się ręcznymi lub rzemieślniczymi metodami, to dioda Schottky’ego będzie bardziej logicznym wyborem”.

Z drugiej strony, może da się zbudować ogniwo Schottky’ego cieńsze niż ogniwo krzemowe? To podniosłoby ich sprawność? Philip Pesavento:

„Nie znalazłem szczegółowych parametrów [m.in] prędkości nośnika, żywotności rekombinacji czy współczynnika absorpcji, żeby jasno to powiedzieć. Ale fakt, że Cove zrobił tak długie i cienkie ogniwa, oraz to że osiągnął tak wysoką wydajność, daje nadzieję, że mogłyby być cieńsze”.

Ostatnie badania nad ogniwami Schottky’ego oparte na innych materiałach wydają się to potwierdzać. Na przykład, w niedawnych eksperymentach z selenowymi ogniwami Schottky’ego osiągnięto grubość warstwy zaledwie 100 µm w porównaniu do 200-500 µm w przypadku ogniw krzemowych. 27 31 Naukowcy osiągnęli również 17% sprawności podczas eksperymentu dla grafenowo-krzemowego ogniwa Schottky’ego w porównaniu z 1,5% jeszcze dziesięć lat wcześniej. 26

Powinniśmy dzisiejszą obsesję na punkcie wyższych wydajności wziąć w znak zapytania. Wiele osób będzie argumentować, że low-techowe panele słoneczne są mniej wydajne, więc będziemy potrzebować więcej paneli słonecznych, aby wytworzyć taką samą moc wyjściową. W efekcie zasoby zaoszczędzone dzięki prostszym metodom produkcji zostaną zniwelowane dodatkowymi zasobami zużytymi do budowy większej liczby paneli słonecznych. Jednak wydajność ma kluczowe znaczenie tylko wtedy, gdy przyjmujemy wysokie zapotrzebowanie na energię za pewnik. Spadek wydajności można równie dobrze zrekompensować zmniejszeniem zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy doprowadzi to do większej trwałości ogniw i mniejszego zużycia surowców w całym łańcuchu dostaw. Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych, poświęcenie części wydajności może przynieść wiele korzyści w zakresie stopnia zrównoważenia.

Co się stało z George’m Cove?

Skoro panele solarne Cove były tak rewolucyjne, to dlaczego zostały zapomniane? Pod tym względem materiały zebrane przed Phillipa Pesavento czyta się jak kryminał. Wysiłki Cove’a nad produkcję i sprzedażą swoich paneli zakończyły się w tajemniczych okolicznościach.

Wynalazca zawarł znajomość z giełdowym spekulantem Elmerem Burlingame, który w 1909 i 1910 roku wypuścił na giełdzie akcje nie należące do niego, w tym akcje start-upu Cove’a tj. Sun Electric Generator Company. W Październiku 1909 roku Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego wynalazku. Policja jednak odrzuciła tę historię i uznała ją za przekręt. W 1911 roku Cove i Burlingame zostali aresztowani za defraudację akcji i spędzili rok w więzieniu. Chociaż po wyjściu na wolność Cove pracował nad różnymi wynalazkami, to jednak żaden z nich nie miał już nic wspólnego z energią solarną. 32

W Październiku 1909 roku George Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego solarnego wynalazku.

Czy George Cove był oszustem? A może był ofiarą oszustwa? Czy jego reputacja została zniszczona ponieważ jego wynalazki zagrażały interesom innych firm? Istnieje wiele historycznych przykładów tłumienia innowacji technologicznych przez wielkie amerykańskie korporacje. George Cove działał w tym samym czasie co Edison Electric Illuminating Company z Nowego Jorku, której pozbawione skrupułów praktyki wobec konkurencji są dobrze udokumentowane. Gdyby generator energii słonecznej Cove’a się upowszechnił, mógłby zmniejszyć rosnące zapotrzebowanie na elektrownie węglowe i olejowe Edison Company. 32 Wcześniej, w latach 80. XIX wieku, niesławna korporacja z Nowego Jorku kupiła firmę produkującą najlepszy w tamtych czasach generator termoelektryczny (ulepszony stos termoelektryczny Clamondsa) i następnie zatrzymała rozwój maszyny. 33

Więcej zagadek

Chociaż można się pokusić o przedstawienie George Cove jako ofiary spisku, to brakuje nam wystarczających dowodów. Materiały archiwalne Phillipa Pesavento zawierają więcej tajemnic, jak np. patent Cove’a złożony w 1905 roku i zatwierdzony w 1906 r. W patencie wynalazca opisuje w szczegółach wykonanie swoich wtyków ze stopu Zn4Sb3. Na tej podstawie Pesavento oszacował moc wyjściową i sprawność modułówi słonecznych Cove’a. Jednak Cove opisuje swoje wtyki z przeznaczeniem do konwersji ciepła z pieca opalanego drewnem na energię elektryczną, co nie jest zgodne z jego własnym wyborem materiału. Aby generator zasilany piecem działał, wymagał wtyczek ZnSb z przerwą energetyczną 0,5 eV. Phillip Pesavento:

„Czy to było celowe wprowadzenie w błąd ze strony Cove’a, aby nie dopuścić innych do skopiowania projektu jego patentowego pieca? Nie wiem tego”.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, zdjęcie przedstawiające Cove stojącego obok jednego ze swoich paneli słonecznych pojawia się w historycznym przeglądzie energii słonecznej Johna Perlina z 2013 r.: Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy (Niech świeci: 6000 tysięcy lat historii energii słonecznej). Jednak panel słoneczny na zdjęciu przypisywany jest Charlesowi Frittsowi, wynalazcy selenowego ogniwa słonecznego. Co więcej, sam George Cove zniknął z fotografii. Fragmenty książki oraz zdjęcie pojawiły się na kilku stronach internetowych. Philip Pesavento nie był zdziwiony, gdy zadzwoniłem po tym odkryciu:

„Odkryłem to samo kilka lat temu. Myślę, że ktoś bardzo potrzebował zdjęcia paneli słonecznych Frittsa, znalazł to zdjęcie, a następnie wyciął z niego George’a Cove’a. W końcu Cove jest całkowicie nieznany i uważa się, że wynalazł solarny generator termoelektryczny, a nie panel fotowoltaiczny. Jeśli przyjrzysz się uważnie tym dwóm fotografiom, zobaczysz, że góra prawego portyku kolumny za nim została wycięta i wklejona w miejscu, w którym stał Cove […].”

Kris De Decker   * Zapisz się do naszego newslettera * Wesprzyj Low-tech Magazine przez Paypal lub Patreon. * Kup frukowanę stronę internetową. * Dowiedzi się więcej o naszej stronie internetowej zasilanej słońcem.


  1. Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. 

  2. Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. 

  3. Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. 

  4. Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. 

  5. Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. 

  6. Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. 

  7. Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. 

  8. Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. 

  9. Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. 

  10. Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. 

  11. Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. 

  12. Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. 

  13. Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). 

  14. Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. 

  15. Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. 

  16. Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. 

  17. Ekstrapolując parametry kolejnego panelu możemy zgadywać, że ten miał moc wyjściową ok. 25 W i sprawność trochę poniżej 3%. 

  18. George Cove mówił, że zbudował jeszcze większy zestaw solarny o powierzchni 9 m², a nie żadne zdjęcie nie przetrwało. Podobno miał moc wyjściową 768 W i sprawność 8% przy 100 W/ft2 nasłonecznienia. Ten zestaw składał się z 8 paneli i łącznie 14 432 wtyków. 

  19. Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. 

  20. Dlaczego w panelach solarnych nie używa się przewodników? Ponieważ światło padające na przewodnik jest prawie w całości odbijane i tylko ułamek energii (albo nic) jest pochłaniany. Co więcej, w przewodnikach elektrony poruszają się chaotycznie, więc nie może być mowy o ukierunkowanym przepływie prądu. 

  21. Cove nie był pierwszy. Ogniwo solarne Charles’a Frtiis’a również było zbudowane na złączu Schottky’ego. 

  22. Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). 

  23. Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs 

  24. Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102. 

  25. Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. 

  26. Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. 

  27. Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. 

  28. Selen można osadzać przez odparowanie termiczne w temperaturze zaledwie 200°C. Temperatura ta jest łatwo osiągalna dla technologii solarnych, co oznacza, że ​​w zasadzie procesy te mogą być prowadzone przez bezpośrednie wykorzystanie energia słonecznej. 

  29. Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. 

  30. Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. 

  31. Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. 

  32. More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. 

  33. Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. 

541.86KB