از تاریک‌خانه قرن نوزدهم تا سقف‌های درخشان قرن بیست‌ویکم_دلچسب

رویای مهار آتش آسمان…

از سپیده‌دم تاریخ بشر، خورشید مدام نمادی از قوت، حیات و انرژی بی‌آخر بوده است. اجداد ما خورشید را می‌پرستیدند و برای گرم کردن خانه‌هایشان به نور آن وابسته بودند؛ اما ایده تبدیل مستقیم این پرتوهای طلایی به جریان نامرئی الکتریسیته، تا زمان‌ها تنها به قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی و جادوی کیمیاگران شباهت داشت. امروزه هنگامی از کنار مزارع خورشیدی عظیم با پنل‌های درخشان عبور می‌کنیم یا سقف خانه‌هایی را می‌بینیم که انرژی خود را مستقیماً از آسمان می‌گیرند، فراموش می‌کنیم که این انقلاب سبز، ریشه در یک اتفاق اتفاقی در آزمایشگاهی در فرانسه و دهه‌ها تلاش نفس‌گیر در دل جنگ سرد دارد.

داستان سلول‌های خورشیدی، فقطً تاریخچه یک قطعه الکترونیکی نیست؛ بلکه روایتی شوق‌انگیز از نبوغ علمی، رقابت فضایی، مشکلاتهای ژئوپلیتیک و در نهایت، تلاش انسان برای نجات سیاره زمین است. در این مقاله، به سفری در زمان می‌رویم تا ببینیم چطور تاثییر فتوولتائیک کشف شد و تکنولوژی خورشیدی چطور مسیر پرفراز و نشیب خود را از ماهواره‌های سرگردان در مدار زمین به روی سقف خانه‌های ما اشکار کرد.

جرقه اول در آزمایشگاه پدری: راز محلول‌های اسیدی (سال ۱۸۳۹)

همه چیز از یک روز معمولی در سال ۱۸۳۹ میلادی در پاریس اغاز شد. ادموند بکرل (Edmond Becquerel)، فیزیکدان جوان و ۱۹ ساله فرانسوی که در آزمایشگاه پدرش مشغول کار می بود، در حال انجام آزمایش‌هایی روی سلول‌های الکترولیتی می بود. او دو الکترود پلاتینی را درون یک محلول اسیدی قرار داد و به طور کاملاً اتفاقی فهمید یک اتفاق شگفت شد: وقتی که نور خورشید به یکی از الکترودها می‌تابید، جریان الکتریکی ضعیفی در مدار تشکیل می‌شد.

بکرل این اتفاق را «تاثییر فتوولتائیک» (Photovoltaic Effect) نامید. او در آن زمان به هیچ وجه نمی‌دانست که کشف کوچک او، قرار است پایه‌گذار یکی از بزرگ‌ترین صنایع انرژی در قرن‌های آینده شود. در واقع، در آن دوران برق تا این مدت اتفاق‌ای نوظهور می بود و کشف بکرل زیاد تر همانند به یک تردستی علمی به نظر می‌رسید تا یک راهکار کاربردی برای تشکیل انرژی.

از رویای سلنیومی تا نبوغ اینشتین

سال‌ها گذشت تا دانشمندان بتوانند از مرحله محلول‌های شیمیایی عبور کرده و به مواد جامد برسند. در سال ۱۸۸۳، یک مخترع آمریکایی به نام چارلز فریتس (Charles Fritts)، اولین سلول خورشیدی حالت جامد را با منفعت گیری از ماده نیمه‌هادی سلنیوم که با لایه زیاد نازکی از طلا پوشانده شده می بود، ساخت. بازدهی این سلول در تبدیل نور به الکتریسیته کمتر از ۱% می بود که برای هرگونه منفعت گیری تجاری غیرعملی به نظر می‌رسید، اما از نظر علمی ثابت کرد که فلزات جامد نیز می‌توانند نور را به برق تبدیل کنند.

با این حال، مکانیزم دقیق این اتفاق تا اغاز قرن بیستم در هاله‌ای از ابهام قرار داشت. در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین (Albert Einstein) با انتشار کردن مقاله‌ای درمورد «تاثییر فوتوالکتریک»، ماهیت کوانتومی نور را گفت. او ثابت کرد که نور از بسته‌های انرژی به نام فوتون راه اندازی شده است که هنگامی به سطوح خاصی برخورد می‌کنند، می‌توانند الکترون‌ها را از اتم‌هایشان جدا کرده و جریان الکتریکی تشکیل کنند. این توضیح درخشان، نه تنها فیزیک مدرن را منقلب کرد، بلکه جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۲۱ را برای اینشتین به ارمغان آورد و پایه تئوریک مهندسی پنل‌های خورشیدی را بنا نهاد.

معجزه سیلیکون در آزمایشگاه‌های بل: تولد خورشید مدرن (سال ۱۹۵۴)

نقطه عطف واقعی در داستان ما، در تاریخ ۲۵ آوریل ۱۹۵۴ رقم خورد. در راهروهای معروف آزمایشگاه‌های بل (Bell Labs) در آمریکا، سه دانشمند به نام‌های داریل چاپین (Daryl Chapin)، کالوین فولر (Calvin Fuller) و جرالد پیرسون (Gerald Pearson) در حال تحقیق روی خواص نیمه‌هادی‌ها برای بهبود سیستم‌های ارتباطی بودند.

آن‌ها فهمید شدند که هنگامی سیلیکون با ناخالصی‌های خاصی (همانند آرسنیک یا بور) ترکیب می‌شود، حساسیت بسیار‌ای به نور اشکار می‌کند. این تیم توانست اولین سلول خورشیدی سیلیکونی کاربردی جهان را با بازدهی نزدیک به ۶% بسازد. آزمایشگاه‌های بل با برگزاری یک کنفرانس مطبوعاتی پر سر و صدا، این اختراع را به جهان معارفه کرد. آن‌ها برای نشان دادن قوت این تکنولوژی، یک چرخ‌وفلک اسباب‌بازی و یک فرستنده رادیویی را تنها با منفعت گیری از نور خورشید به کار انداختند. روزنامه نیویورک تایمز در آن زمان نوشت: «این اختراع امکان پذیر روزی به تحقق یکی از گرامی‌ترین رویاهای بشر، یعنی مهار انرژی بی‌کران خورشید برای منفعت گیری بشر، منجر شود.»

ونگارد ۱؛ تولد خورشید در تاریکی فضا (سال ۱۹۵۸)

با وجود شوق اولیه، سلول‌های خورشیدی سیلیکونی یک مشکل اساسی داشتند: قیمت آن‌ها به شکل نجومی بالا می بود. تشکیل یک وات برق با این سلول‌ها نزدیک به ۳۰۰ دلار هزینه داشت (معادل هزاران دلار در اقتصاد امروز)، در حالی که برق تشکیل شده از زغال‌سنگ تنها چند سنت به ازای هر وات همه می‌شد. هیچ‌کس حاضر نبوده است برای روشن کردن خانه‌اش این چنین مبلغی بپردازد.

اما در دل جنگ سرد، مکانی وجود داشت که در آن «هزینه» هیچ اهمیتی نداشت: فضا.

وزارت دفاع آمریکا و آژانس فضایی تازه‌تاسیس ناسا، به جستوجو راهی برای تامین برق ماهواره‌های خود بودند. باتری‌های شیمیایی معمولی تنها چند روز دوام می‌آوردند و وزن بسیاری داشتند. در اینجا می بود که دکتر هانس زیگلر (Hans Ziegler) نظر منفعت گیری از سلول‌های خورشیدی را نقل کرد.

در هفدهم مارس ۱۹۵۸، ماهواره ونگارد ۱ (Vanguard 1) به فضا پرتاب شد. این ماهواره که تنها به اندازه یک گریپ‌فروت می بود، به شش پنل خورشیدی کوچک تجهیزشده می بود. در حالی که باتری‌های شیمیایی ماهواره بعد از ۲۰ روز از کار افتادند، پنل‌های خورشیدی ونگارد ۱ برای بیشتر از شش سال بی‌وقفه به ارسال سیگنال به زمین ادامه دادند. این پیروزی دیدنی ثابت کرد که انرژی خورشیدی نه تنها یک اسباب‌بازی آزمایشگاهی نیست، بلکه تنها راه نجات برای بقا در محیط خشن فضا است. از آن روز به سپس، ماهواره‌ها و ایستگاه‌های فضایی به مشتریان مهم این تکنولوژی تبدیل شدند.

بحران نفت و برگشت به زمین (دهه ۱۹۷۰)

تا دهه ۱۹۷۰ میلادی، سلول‌های خورشیدی هم چنان یک تکنولوژی لوکس و محدود به صنعت هوافضا باقی مانده بودند؛ اما یک شوک ژئوپلیتیک همه چیز را تحول داد. تحریم‌های نفتی اعراب در سال ۱۹۷۳ علتشد قیمت نفت به شدت افزایش یابد و کشورهای غربی فهمید صدمه‌پذیری شدید خود در عرصه انرژی شوند. یک دفعه، یافتن منبع های جانشین انرژی به یک الزام امنیت ملی تبدیل شد.

شرکت‌های نفتی همانند اگزون (Exxon) با پیش‌بینی آخر عصر نفت ارزان، اندوخته‌گذاری عظیمی در تحقیقات خورشیدی انجام دادند. دکتری به نام الیوت برمن (Elliot Berman) با بودجه شرکت اگزون، ماموریت یافت تا سلول‌های خورشیدی ارزان‌تری بسازد. او با منفعت گیری از سیلیکون‌های دورریز صنعت نیمه‌هادی و تحول مواد بسته‌بندی پنل‌ها، توانست هزینه تشکیل را از ۱۰۰ دلار به ۲۰ دلار به ازای هر وات افت دهد.

این افت قیمت علتشد تا منفعت گیری از پنل‌های خورشیدی در مناطق دورافتاده روی زمین توجیه اقتصادی اشکار کند؛ از تامین برق سکوهای نفتی دریایی و فانوس‌های دریایی گرفته تا ریل‌های راه‌آهن در بیابان‌ها. خورشید بالاخره از فضا به زمین بازگشته می بود.

عصر مدرن: از مزارع شیشه‌ای تا سقف‌های درخشان

با ورود به قرن بیست و یکم و افزایش نگرانی‌ها درمورد تغییرات اقلیمی و گرمایش زمین، تقاضا برای انرژی‌های تجدیدپذیر به شکل نمایی رشد کرد. کشورهای پیشرو همانند آلمان با اراعه یارانه‌های دولتی، بازار بزرگی برای پنل‌های خورشیدی تشکیل کردند و بعد از آن، ورود چین به عرصه تشکیل زیاد، معادلات را برای همیشه تحول داد.

امروزه به لطف مقیاس‌پذیری تشکیل در چین و پیشرفت‌های مداوم در مهندسی مواد، قیمت سلول‌های خورشیدی بیشتر از ۹۹% نسبت به دهه ۱۹۷۰ افت یافته است. بازدهی پنل‌های تجاری از ۶% در آزمایشگاه‌های بل، اکنون به بالای ۲۲% رسیده و مثالهای آزمایشگاهی مرز ۴۰% را نیز رد کرده‌اند. تکنولوژی خورشیدی که روزی تنها برای روشن نگه‌داشتن تجهیزات گران‌قیمت ماهواره‌ها منفعت گیری می‌شد، اکنون روی سقف خانه‌ها نصب می‌شود تا خودروهای الکتریکی را شارژ کند و مزارع عظیمی در بیابان‌ها ساخته شده‌اند که برق میلیون‌ها نفر را تامین می‌کنند.

جمع‌بندی: آینده‌ای به درخشندگی خورشید

مسیر تکامل سلول‌های خورشیدی، از کشف اتفاقی یک نوجوان نوزده ساله در آزمایشگاه پدری تا تبدیل شدن به یکی از ارکان مهم مقابله با بحران اقلیمی، داستانی از صبر، نبوغ و اندوخته‌گذاری انسان بر روی آینده است. اثری که وقتی تنها یک کنجکاوی علمی در قرن نوزدهم می بود، در قرن بیستم به تسخیر فضا پشتیبانی کرد و اکنون در قرن بیست‌ویکم، کلید بقای تمدن ما روی کره زمین است. هر بار که پرتو خورشید روی سقف یک خانه به جریان الکتریسیته تبدیل می‌شود، در واقع پژواکی از یک قرن و نیم تلاش خستگی‌ناپذیر علمی است که به ما یادآوری می‌کند جواب بزرگ‌ترین چالش‌های بشر، بعضی اوقات دقیقاً در بالای سر ما می‌درخشد.