Hình ảnh các tấm pin trên mái nhà và các trang trại điện mặt trời đang rất phổ biến trên toàn cầu, nhưng có bao giờ bạn thắc mắc, tự hỏi tấm pin mặt trời đầu tiên trên thế giới có từ khi nào?
Hiệu ứng quang điện (1839)
Tất cả bắt đầu với nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel. Năm 1839, trong khi thí nghiệm, Edmond Becquerel quan sát và phát hiện một vài vật liệu nhất định có thể tạo ra dòng điện nhỏ khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc năng lượng bức xạ. Becquerel gọi hiện tượng này là hiệu ứng quang điện.
Các tiến bộ hơn nữa diễn ra cuối thế kỷ 19. Năm 1873, kỹ sư người Anh Willoughby Smith quan sát thấy khả năng dẫn điện của selenium khi tiếp xúc với ánh sáng. Ba năm sau, các nhà khoa học William Grylls Adams và Richard Evans Day chứng minh selenium có thể tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Điều này chứng minh hiệu ứng quang điện của Becquerel có thể được tạo ra bằng vật liệu rắn, đặt nền móng cho công nghệ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, dù khám phá của Becquerel mang tính đổi mới, nhưng phải rất lâu sau đó, năng lượng mặt trời mới được khai thác hiệu quả cho mục đích thực tiễn.
Nguyên mẫu pin mặt trời đầu tiên (1883)
Nếu xem quá trình phát triển năng lượng mặt trời là bộ sách nhiều chương thì phát minh tấm pin mặt trời của Charles Fritts là một chương quan trọng. Nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts (1850 - 1903) được ghi nhận là cha đẻ của năng lượng mặt trời. Ông là người có tầm nhìn xa trông rộng, nhận ra tiềm năng khai thác ánh sáng mặt trời để tạo ra điện.
Năm 1883, Fritts chế tạo pin mặt trời đầu tiên bằng cách phủ lớp vàng cực mỏng lên selenium. Thiết bị đơn giản này đánh dấu sự ra đời ý tưởng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Mặc dù “pin selenium” của Fritts chỉ chuyển đổi khoảng 1% ánh sáng mặt trời thành điện năng, nhưng nó chứng minh nguyên tắc cơ bản của việc tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.
Tấm pin của Fritts dựa trên hiệu ứng quang điện, hiện tượng mà trong đó vật liệu tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Sự kết hợp giữa selenium và vàng đóng vai trò là bề mặt nhạy sáng, tạo ra dòng điện nhỏ khi được chiếu sáng. Phát minh của Fritts là bước tiến đột phá trong việc khám phá tiềm năng của năng lượng mặt trời.
Mặc dù pin mặt trời của Fritts có hiệu suất còn thấp và ứng dụng hạn chế vào thời đó, nhưng đóng góp của Charles Fritts cho sự phát triển công nghệ năng lượng mặt trời là không thể phủ nhận. Sự ra đời của nó đã mở đường cho những tiến bộ trong công nghệ năng lượng mặt trời hiện đại sau này.
Nguyên mẫu ban đầu còn hạn chế do hiệu suất thấp và chi phí cao. Thế nên, điện mặt trời mới chỉ là khám phá khoa học hơn là giải pháp thực tiễn. Dẫu sao, thí nghiệm ban đầu đã đặt nền móng cho những đột phá quan trọng ở các thập kỷ tiếp theo. Công trình của Fritts đã truyền cảm hứng cho các thế hệ sau này, tìm cách cải thiện tính khả thi của pin mặt trời.
Sự bùng nổ của công nghệ năng lượng mặt trời hiện đại
Công nghệ năng lượng mặt trời liên tục được khám phá vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20. Một số bằng sáng chế ở Hoa Kỳ được cấp cho các nhà khoa học về việc chế tạo pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện. Các tiến bộ đáng kể về vật liệu và kỹ thuật đã biến năng lượng mặt trời thành nguồn năng lượng tái tạo thiết thực.
Một trong những cột mốc quan trọng nhất diễn ra năm 1954, do các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Bell, Hoa Kỳ thực hiện. Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson nhận ra, vật liệu bán dẫn như silicon hiệu quả hơn selenium. Họ đã phát triển pin mặt trời silicon đầu tiên, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với hiệu suất khoảng 6%.
Sự ra đời pin mặt trời đầu tiên dựa trên silicon, cho thấy silicon là vật liệu lý tưởng, mang lại hiệu suất và độ ổn định cải thiện so với pin mặt trời dựa trên selenium trước đó. Bước đột phá tại Phòng thí nghiệm Bell, mở đường cho các tấm pin mặt trời hiện đại. Các tấm pin mặt trời ngày nay vẫn sử dụng các thiết kế khác nhau dựa trên silicon.
Hơn một thế kỷ trôi qua kể từ phát minh đột phá của Fritts, lĩnh vực công nghệ năng lượng mặt trời đã chứng kiến những tiến bộ đáng kể. Các tấm pin mặt trời ngày nay, được làm từ các vật liệu tiên tiến như silicon, có mức hiệu suất cao hơn đáng kể, khiến chúng trở thành nguồn năng lượng tái tạo khả thi và phổ biến.
