Efectul fotoelectric

Acesta constă în emisia de electroni în exteriorul unui metal sau a unui semiconductor sub acţiunea radiaţiilor din domeniul vizibil şi ultraviolet. Einstein explica acest fenomen cu ajutorul teoriei cuantice a lui Max Plank, operând cu termeni precum cuante de energie, constanta lui Plank, praguri de energie, fotoelectroni etc., oricum, nişte lucruri despre care a auzit puţină lume, şi mai puţini fiind însă cei care le pricep cu adevărat.

Sunt mai multe fenomene asociate cu denumirea de efect fotoelectric, precum efectul fotoelectric intern care înseamnă punerea în libertate, în masa unui semiconductor, a purtătorilor de sarcini sub acţiunea iluminării, fără ca aceştia să părăsească materialul, sau efectul fotovoltaic, care constă în apariţia unei tensiuni electromotoare la contactul dintre un semiconductor şi un metal sau la contactul dintre doi semiconductori dacă regiunea de contact este iradiată cu un fascicul de lumină. Cu alte cuvinte, dacă este iluminat un anumit tip de material, se obţine curent electric. Este principiul pe baza căruia funcţionează panourile fotovoltaice pe care le întâlnim pe câmpuri, pe acoperişurile caselor, pe faţadele clădirilor etc.

Aşa cum se întâmplă de multe ori, şi efectul fotoelectric a fost observat cu multă vreme înainte de a fi explicat şi înţeles în mod ştiinţific. Astfel, în 1839, fizicianul francez Edmond Becquerel (1820-1891) a sesizat capacitatea unor materiale de a crea o sarcină electrică prin expunerea la lumină, acest fenomen fiind utilizat, la vremea aceea, doar pentru măsurarea intensităţii luminoase.

În 1873, inginerul electric englez Willoughby Smith reia cercetările efectuate de Becquerel, care au fost apoi continuate în 1876 de către William Grylls Adams şi Richard Evans Day. În 1881, inventatorul american Charles Fritts a creat primul panou fotovoltaic comercial, care era descris de Fritts ca fiind continuu, constant şi de o forţă considerabilă nu numai prin expunerea la lumina soarelui, ci şi la lumina slabă şi difuză a zilei. Din păcate, lucrurile nu stăteau deloc aşa, respectivele panouri solare fiind foarte ineficiente, chiar şi în raport cu sistemele de obţinere a energiei electrice de la vremea aceea.

Abia în 1941 americanul Russell Ohl (1898-1987) a inventat prima celulă solară modernă, care a stat la baza realizării, în 1954, de către Bell Telephone Laboratories din New Jersey S.U.A. a primei celule solare din siliciu care putea fi comercializată.

Un panou fotovoltaic este compus din mai multe celule fotovoltaice conectate electric şi laminate între folii de acetat de vinil cu transparenţă înaltă, acoperite cu sticlă cu conţinut redus de fier si rezistentă la intemperii, ca, de ex., la grindină. Elementul esenţial al celulei fotovoltaice îl reprezintă siliciul, care se poate prezenta în formă monocristalină, policristalină sau amorfă. Cele mai utilizate sunt celulele policristaline, care au aprox. acelaşi randament ca şi cele monocristaline, la preţuri apropiate, pe când celulele cu siliciu în stare amorfă au un preţ mai ridicat.

Un sistem fotovoltaic include de obicei o serie de panouri fotovoltaice, un invertor (cel care transformă curentul continuu pe care îl generează celulele – cu care nu prea ai ce face într-o gospodărie, în afară de a alimenta o lanternă sau un aparat de radio portabil – în curent alternativ), un pachet de acumulatoare pentru stocarea energiei, un controler de încărcare, cablaje de interconectare, întrerupătoare de circuit, siguranţe, contoare de tensiune şi, opţional, un mecanism de urmărire solară. Bineînţeles că cele mai eficiente panouri sunt cele care se orientează singure după Soare. Pe Bulevardul Prof. Dr. D. Mangeron, lângă Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică aplicată, pot fi văzute nouă panouri fotovoltaice. Trei sunt fixe, iar şase se pot orienta după Soare, trei dintre acestea având o mobilitate în jurul unei axe, iar alte trei, cele mai performante, au o mobilitate în jurul a două axe. Acestea din urmă au ataşate şi nişte mici elice care se rotesc în bătaia vântului. Sunt, de fapt, nişte anemometre, adică nişte sisteme care măsoară viteza vântului. Când aceasta atinge o valoare limită, atunci panourile sunt orientate paralel cu solul, pentru a nu fi afectate de curenţii de aer.

De ce, totuşi, utilizarea panourilor fotovoltaice a cunoscut aşa o dezvoltare accentuată abia în ultimii ani? Este vorba, printre altele, de costurile de fabricaţie, care au scăzut din 1976 cu 99,6%. Se aplică Legea lui Swanson (un fel de Lege a lui Moore), care spune că la fiecare dublare a producţiei de panouri, costul acestora se reduce cu 20%. Legea este numită după Richard Swanson, fondatorul SunPower Corporation, un producător de panouri fotovoltaice, iar legea cu pricina pare să aibă originea într-un articol din The Economist, publicat la sfârşitul anului 2012.

Faţă de preţul de acum 50 de ani, panourile fotovoltaice mai au un avantaj, acela al reciclării, existând metode care permit recuperarea a până la 90% din sticlă şi 95% din materialele semiconductoare conţinute. Ce se va întâmpla în viitor? Se consideră că randamentul va creşte de la aprox. 20% la 50% într-un timp nu prea îndelungat, apoi se vor generaliza panourile transparente, care vor înlocui geamurile, care astfel vor produce atât curent electric, cât şi curent de aer, care ne dă tot soiul de dureri şi junghiuri mai mult sau mai puţin închipuite.

Oricum, energia solară este o resursă pe care o utilizăm într-o cantitate extrem de redusă, dacă ne gândim că Soarele trimite pe suprafaţa Pământului, într-o oră, cam câtă energie se consumă pe planetă într-un an. Şi aşa ne dăm seama de câtă dreptate avea Goethe atunci când spunea, la 22 martie 1832, înainte de a-şi da ultima suflare: Licht, mehr Licht! (Lumină, mai multă lumină!)

Prof. univ. dr. ing. Neculai Eugen Seghedin, cadru didactic şi prorector responsabil cu activitatea didactică la Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi