25 APRILE 1954 : La prima cella solare al silicio

La storia delle  celle solari, che convertono la luce solare in corrente elettrica, ha avuto inizio più di 100 anni fa, anche se le prime celle solari erano troppo inefficiente per essere di qualche utilità. Nel mese di aprile del 1954, i ricercatori dei Bell Laboratories hanno realizzato la prima cella solare al silicio di uso pratico.

La storia di celle solari risale a un'osservazione dell'effetto fotovoltaico nel 1839. Il fisico francese Alexandre - Edmond Becquerel, figlio del fisico Antoine Cesar Becquerel e padre del fisico Henri Becquerel, stava lavorando con elettrodi di metallo in una soluzione elettrolitica quando notò che piccole correnti elettriche erano prodotte quando i metalli erano esposti alla luce, ma non riuscì a spiegare l'effetto.

Alcuni decenni più tardi, nel 1873, Willoughby Smith, un ingegnere inglese, scoprì la fotoconducibilità del selenio provando materiali per i cavi telegrafici sottomarini. Nel 1883, l'inventore americano Charles Fritts costruì le prime celle solari al selenio. Anche se Fritts aveva sperato che le sue cellule solari potessero competere con le centrali a carbone di Edison, in effetti la loro efficienza era pari a meno dell'uno per cento e quindi dal difficile uso pratico. Le ricerche sul fotovoltaico al selenio continuarono per decenni, e furono trovate alcune applicazioni, ma non furono oggetto di un uso diffuso.

Il successivo grande progresso nella tecnologia delle celle solari fu realizzato nel 1940 da Russell Shoemaker Ohl , ricercatore sui semiconduttori presso i Bell Labs. Egli stava indagando su alcuni campioni di silicio, uno dei quali aveva una crepa nel mezzo. Il ricercatore notò che in questo esempio particolare, fluiva corrente elettrico quando era esposto alla luce. Quella fessura in realtà segnava il confine tra regioni contenenti diversi livelli di impurità. Ohl aveva inavvertitamente fatto una giunzione pn , la base di una cella solare. Carica positiva in eccesso si accumula su un lato della barriera pn, ed eccesso di carica negativa si accumula sull'altro lato della barriera, creando un campo elettrico . Quando la cella è collegato in un circuito, un fotone incidente che colpisce la cella può quindi dare a un elettrone una "spinta" e inizia a fluire corrente. Ohl brevettò la sua cella solare, che aveva un'efficienza di circa l'uno per cento.

La prima cella solare al silicio di uso pratico fu creata tredici anni più tardi da un team di scienziati che lavoravano insieme presso i Bell Labs.

Nel 1953, l'ingegnere Daryl Chapin, che aveva precedentemente lavorato su materiali magnetici presso i Bell Labs, stava cercando di sviluppare una fonte di energia per i sistemi telefonici in luoghi umidi, dove le batterie a secco si degradavano troppo in fretta . Chapin studiò diverse fonti energetiche alternative, e ne concluse che l'energia solare era una delle più promettenti. Provò celle solari al selenio, ma li trovò troppo inefficiente.

Nel frattempo, Calvin Fuller, un chimico, e Gerald Pearson, un fisico, stavano lavorando sul controllo delle proprietà dei semiconduttori introducendo impurità. Fuller diede a Pearson un pezzo di silicio contenente impurità Gallio . Pearson l'immerse nel litio , creando una giunzione pn. Pearson quindi collegò un amperometro al pezzo di silicio e fece brillare una luce sopra di esso. L' amperometro si mosse in modo significativo, con loro grande sorpresa .

Pearson, che era a conoscenza del lavoro di Chapin, andò e disse al suo amico di non perdere altro tempo su celle solari selenio, e Chapin passò immediatamente al silicio.

I tre poi lavorarono per diversi mesi sul miglioramento delle proprietà delle loro celle solari al silicio. Un problema era la difficoltà nel fare buoni contatti elettrici con le celle di silicio. Un altro problema è che a temperatura ambiente, il litio migra attraverso il silicio nel tempo, spostando la giunzione pn lontano dalla luce solare entrante. Per risolvere questo problema, provarono con diverse impurità fino a creare una giunzione pn che rimase vicino alla superficie. Dopo aver fatto alcuni altri miglioramenti al design, collegarono tra loro diverse celle solari per creare quello che loro chiamarono una "batteria solare".

Bell Labs annunciò l'invenzione il 25 aprile 1954. Il pannello solare fu utilizzato per alimentare un piccolo giocattolo e un trasmettitore radio.

Quelle celle solari al silicio avevano un'efficienza di circa il 6 per cento efficienti nel convertire l'energia solare in energia elettrica, un enorme miglioramento rispetto a tutte le celle solari precedenti.

Il New York Times scrisse che la cella solare al silicio "potrebbe segnare l'inizio di una nuova era , che porta infine alla realizzazione di uno dei sogni più cari dell'umanità: lo sfruttamento dell'energia quasi illimitata del sole per gli usi della civiltà. "

Le prime celle solari al silicio erano costose da produrre, e primi tentativi di commercializzazione non ebbero un enorme successo. Ma nel giro di pochi anni le celle solari erano comunemente usate per l'alimentazione dei satelliti, e altre applicazioni seguirono .

Chapin semplificò il processo di creazione di celle solari al silicio e sviluppò anche un esperimento scientifico di cella solare per gli studenti delle scuole superiori. 

Le celle solari sono oggi utilizzate in tutti i tipi di dispositivi, dalle calcolatrici palmari ai pannelli solari sul tetto. Il miglioramento dei progetti e l'uso di materiali avanzati hanno reso possibile la costruzione di celle solari che raggiungono oltre il 40 per cento di efficienza. Ricerca e sviluppo continuano con l'obiettivo di abbassare il costo basso e aumentare l'efficienza per rendere l'energia solare più competitiva rispetto ai combustibili fossili .