De toevallige ontdekking door de 19-jarige Edmond Becquerel
Als 19-jarige onderzocht Edmond Becquerel in 1839 of licht enig effect had op elektrische reacties. Hij verwachtte dat de elektrische reactie zou versnellen of vertragen, maar hij had nooit verwacht dat het licht de bron zou zijn van de opgewekte elektrische energie. Hoewel het op geen enkele manier efficiënt was, werd het fotovoltaïsche effect die dag in 1839 ontdekt.
Een effect en ontwikkeling zonder theorie
Vanaf die dag in 1839 duurde het meer dan een eeuw voordat commerciële zonnepanelen met siliciumwafers werden geïntroduceerd. Het duurde zelfs 34 jaar voordat er nog een doorbraak werd ontdekt, namelijk de ontdekking van het effect van licht op selenium door Willoughby Smith in 1873. Tien jaar later bouwde Charles Fritts de eerste stabiele zonnecel, selenium met een dun laagje goud, en bereikte een rendement van 1% voor die cel. Gezien het vroege stadium van de ontwikkeling was dit een hele prestatie in 1883.
Natuurlijk wekte dit fenomeen de nieuwsgierigheid van veel wetenschappers, waaronder Heinrich Hertz en zijn opvolgers, zoals Edward Weston, die in 1888 het eerste zonneoctrooi verwierf.
De efficiëntie neemt toe en er wordt kennis opgedaan.
Veel wetenschappers raakten geïnteresseerd in dit onderwerp en voerden experimenten uit in het begin van de 20e eeuw, maar het onderliggende effect dat dit veroorzaakte werd niet goed begrepen totdat Einstein zijn fotonenkwantumtheorie introduceerde, die uitlegde hoe licht bestaat uit discrete energiepakketjes (fotonen) die elektronen uit een materiaal kunnen werpen. Voor velen van ons is dit tegenwoordig algemeen bekend. Maar in 1905 was dit een radicale doorbraak die het klassieke begrip van licht als een continue golf op losse schroeven zette.
Einsteins verklaring van het foto-elektrisch effect bouwde voort op eerdere ideeën van Planck, maar ging nog een stap verder door het concept van kwantisatie rechtstreeks op licht toe te passen. Dit hielp niet alleen bij het oplossen van een lang bestaand mysterie in de natuurkunde, maar legde ook de basis voor de kwantumtheorie. Interessant genoeg was het voor deze ontdekking – en niet voor zijn beroemde relativiteitstheorie – dat Einstein in 1921 de Nobelprijs voor Natuurkunde ontving. Dat alleen al geeft aan hoe belangrijk het foto-elektrisch effect is. Zonder dit effect zouden technologieën zoals zonnecellen – die precies dit principe gebruiken om zonlicht om te zetten in elektriciteit – misschien nooit zijn ontwikkeld.
Vooruitgang in zonnecellen begin 20e eeuw
Nadat Einstein in 1905 zijn verklaring van het foto-elektrisch effect publiceerde, groeide de interesse in de wisselwerking tussen licht en materie gestaag in wetenschappelijke kringen. In de daaropvolgende decennia bleven experimentele natuurkundigen het gedrag van elektronen onder verschillende vormen van verlichting onderzoeken. Het fenomeen bleef vooral een onderwerp van academische nieuwsgierigheid, met aanvankelijk weinig praktische toepassingen. Het speelde echter een cruciale rol in het verdiepen van het begrip van atoomstructuur en kwantumtheorie, vooral in de jaren 1920 en 1930 – een periode die vaak de gouden eeuw van de kwantummechanica wordt genoemd. In deze periode legden pioniers als Niels Bohr, Erwin Schrödinger en Werner Heisenberg de basis voor de moderne natuurkunde, waarbij ze vaak voortbouwden op concepten die mogelijk waren gemaakt door het werk van Einstein. Hoewel het opwekken van elektriciteit uit licht nog lang niet bruikbaar was in het dagelijks leven, werden de theoretische fundamenten steeds steviger en werd de weg vrijgemaakt voor meer geavanceerde en toepasbare doorbraken in de komende decennia.
- 1916 - Robert Millikan bevestigde experimenteel de fotontheorie van Einstein.
- 1918 - Jan Czochralski ontwikkelde de methode voor monokristallijn silicium, wat cruciaal is voor toekomstige zonnecellen.
Van theorie naar technologie: De geboorte van de moderne zonnecel
In de jaren 1940 begon de jarenlange academische fascinatie voor licht en elektriciteit zich te kruisen met een nieuw en snel ontwikkelend gebied: de halfgeleiderfysica. In 1941 patenteerde Russell Ohl bij Bell Labs een silicium zonnecel gebaseerd op de p-n junctie, een concept dat de hoeksteen van de moderne elektronica zou worden. Dit markeerde een cruciale verschuiving: van het observeren van het fotovoltaïsche effect als een wetenschappelijke nieuwsgierigheid naar het ontwikkelen ervan tot iets nuttigs.
Voortbouwend op eerdere kristallisatietechnieken, ontwikkeld door Jan Czochralski in 1918, verfijnden onderzoekers als Gordon Teal en John Little de productie van zeer zuivere siliciumkristallen tegen het einde van de jaren 1940. Dit was een essentiële stap in het creëren van consistente, efficiënte zonne-energie apparaten. Hoewel vroege experimenten germanium en zelfs lithium-gedoopt silicium omvatten, was het duidelijk dat silicium de meeste belofte in zich droeg.
Praktische doorbraak
Toen, in 1954, vond er een grote doorbraak plaats. Wetenschappers Daryl Chapin, Calvin Fuller en Gerald Pearson van Bell Labs onthulden de eerste praktische silicium zonnecel. Met een efficiëntie van ongeveer 6% was dit de eerste zonnecel die genoeg energie opwekte uit zonlicht om alledaagse elektrische apparaten te laten werken – geen laboratoriumtrucjes, geen speciale omstandigheden. De onthulling was zo belangrijk dat het op de voorpagina van The New York Times kwam, geprezen als “het begin van een nieuw tijdperk”.
Zonne-energie in de ruimte
Dit nieuwe tijdperk raakte in een stroomversnelling in de tweede helft van de jaren 1950. Western Electric begon in 1955 licenties te verstrekken voor zonne-energietechnologie voor commercieel gebruik, terwijl bedrijven als Hoffman Electronics de efficiëntie verbeterde tot meer dan 10% tegen het einde van het decennium. In 1958 maakte zonne-energie zijn eerste sprong in de ruimte, toen de Vanguard I satelliet werd gelanceerd met een piepklein fotovoltaïsch paneel – slechts 0,1 watt – waarmee de waarde van zonne-energie werd bewezen in de meest barre omgevingen denkbaar.
In 1960 waren zonnecellen niet langer slechts een resultaat van natuurkundige theorieën of laboratoriumdemonstraties. Ze waren een echte technologie geworden – nog steeds duur, nog steeds in ontwikkeling, maar eindelijk over de drempel van concept naar toepassing. En het begon allemaal met een nieuwsgierige tiener in 1839, die nooit had verwacht dat licht zelf de bron van elektriciteit zou kunnen zijn.
