Fotovoltaik bir güneş paneli ilk kez 1884 yılında Charles Fritts tarafından New York'ta bir çatıya ahşap bir çerçeve üzerine bilardo masası büyüklüğünde bir dizi monte edildi. Fritts, ince bir altın filmle kaplanmış selenyum kullanarak güneş ışığını elektriğe dönüştürmede %1'den daha az verim elde etti ve "sürekli, sabit ve kayda değer güçte" olarak tanımladığı bir akım yarattı.
Fritts'in projesi çok fazla ilerlemedi — altın ve selenyum, ticari olarak rekabetçi ürünlere yol açma eğiliminde olan ucuz, bol malzemeler değildi.
20 yıl ileri gidersek, Kanadalı "seri mucit" George Cove, pervane tasarımı, gelgit enerjisi toplama, AC jeneratörleri, elektrikli saatler ve saatlerle ilgili çok sayıda patent başvurusunda bulunmuş bir polimattır. Cove, Fritts'in çalışmalarını temel alarak, günümüzün kitlesel güneş panellerinde kullanılan birincil malzeme olan silikonunkine son derece yakın bir bant aralığına sahip yarı iletken bir malzeme ve enerji depolama ve serbest bırakma için bir pil kullanarak bir "güneş enerjisi jeneratörü" geliştirdi.
O zamanki gazeteler, bu jeneratörün yapımının yaklaşık 20 ABD dolarına mal olduğunu (bugünün parasıyla yaklaşık 660 ABD dolarının 1909'daki karşılığı) ve 1900'lerin başlarındaki bir evin tüm enerji ihtiyacını yaklaşık 10 yıl boyunca karşılayabileceğini ve ev sahiplerinin hızla gelişen elektrik şebekesine bağlanma ihtiyacını ortadan kaldıracağını bildirdi. 1909 yılında Halifax, Nova Scotia'da yaptığı gösteri yatırımcıların büyük ilgisini çekti. O zamana kadar Cove New York'ta bir atölye kurmuş ve 5 milyon dolar toplamıştı.
Ancak, kaçırıldığını ve işini bırakması için 25.000 dolar artı bir ev teklif edildiğini iddia ettiğinde hikayesi tuhaf bir hal aldı — Oxford araştırmacısı Dr. Sugandha Srivastav'a göre, o zamanlar için çirkin bir iddia değil, "O dönemde Thomas Edison (Edison Electric'in sahibi) ve J.D. Rockefeller'ın (Standard Oil'in kurucusu) rakiplerini işten çıkarmak için çeşitli zararlı taktikler uyguladıkları biliniyordu."
Cove teklifi reddettiğini iddia etti ve daha sonra Bronx Hayvanat Bahçesi'nde serbest bırakıldı. Ancak eleştirmenler onu bu olayı bir aldatmacanın parçası olarak sahnelemekle ya da işine medyanın ilgisini çekmekle suçladı. Durum ne olursa olsun, Cove'un işleri hızla dibe vurdu ve bir daha asla toparlanamadı. 1911'de kömür ve petrolün yükselişi kısa sürede güneş teknolojisini gölgede bıraktı ve güneş enerjisi inovasyonunu 40 yılın en iyi kısmı boyunca etkili bir şekilde durdurdu.
Srivastav, "Engelleme," diye yazıyor, "geçmişte yenilenebilir enerjinin geliştirilmesi ve yaygınlaştırılması önünde önemli bir engel olmuştur ve bugün de olmaya devam etmektedir."
Takip eden on yıllarda güneş enerjisinin kendisiyle ilgili çok az şey olurken, daha sonra yeniden dirilişini destekleyecek olan diğer kilit teknolojiler geliştiriliyordu. 1918 yılında Polonyalı bir kimyager olan Jan Czochralski, yarı iletken gofretlerde kullanılan ve günümüzde Czochralski yöntemi olarak bilinen tek kristallerin (monokristal) büyütülmesine yönelik bir yöntemi yanlışlıkla keşfetti. Bu yöntem bugün hala tüm elektronik cihazların %90'ının belkemiğini oluşturmaktadır.
Keşif, Czochralski'nin kalemini yanlışlıkla mürekkep hokkası yerine erimiş kalay potasına daldırmasıyla gerçekleşti (makul bir hata gibi görünüyor) ve kaleminden sarkan katılaşan bir kalay ipliğini gözlemlediğinde "eureka!" anına yol açtı ve daha sonra bunun tek kristal bir yapı olduğunu doğruladı.
Güneş enerjisi, kelime oyununu mazur görün, 1954'e kadar gölgede kaldı; ta ki Bell Laboratuvarları'nda — Bell Telefon Şirketi'nde olduğu gibi — bilim insanları Gerald Pearson, Calvin Fuller ve Daryl Chapin, %6'lık bir dönüşüm verimliliğine sahip ilk pratik silikon güneş pilini geliştirene kadar – bir önceki yüzyılın %1'in altındaki verimli hücrelerinden büyük ölçüde iyileştirildi. Bu buluşta Czochralski'nin öncülüğünü yaptığı kristal silikon yöntemi kullanıldı.
İlginç bir yan not olarak, Bell Laboratuvarları da tam o sıralarda maseri icat etti. Bell Labs zamanında, bugünün Google X Labs'ına çok benziyordu; dünyayı değiştiren yeniliklerin ve icatların yuvasıydı.
Güneş pillerinin ilk büyük uygulaması 1958 yılında Vanguard I uydusunun fırlatılmasıyla gerçekleşti ve bu uydu uzayda güneş enerjisiyle çalışan ilk nesne oldu. Bir bowling topundan biraz daha küçük olan Vanguard I, altı yıllık sağlam bir çalışmanın ardından 1964 yılında son veri baytlarını iletmiş olsa da bugün hala Dünya'nın yörüngesinde dönmektedir. Bataryalar tek başına bu kadar uzun süre çalışmasını sağlayamayacağı için gemideki güneş pilleri çok önemliydi.
1960'lardan 1980'lere kadar bu büyüklükteki teknolojik atılımlar seyrek olsa da, özellikle elektrik hatlarının pratik olmadığı veya çok maliyetli olduğu uzak yerlerde güneş panellerinin kullanımı yavaş yavaş yayıldı. Örneğin radyo ve TV kuleleri, meteoroloji istasyonları, uydu yer istasyonları, sulama pompaları, açık deniz petrol platformları, deniz fenerleri ve şamandıraların hepsi güneş enerjisine dayanmaya başladı. Gelişmekte olan ülkelerde ise güneş enerjisi teknolojisi uzak köylere elektrik götürerek ışıklandırma ve aşı soğutma gibi temel hizmetlere olanak sağladı.
1989 yılında çoklu bağlantı hücreleri geliştirildi. Bu hücreler, güneşten daha fazla enerji yakalamak için farklı malzemelerin çok ince katmanlarını bir araya getirerek onları bugüne kadarki en verimli paneller haline getirdi. 2006 yılına gelindiğinde araştırmacılar çoklu bağlantı hücreleriyle %46 verimlilik elde ederek en iyi geleneksel kristal silikon hücrelerin neredeyse iki katına ulaştılar. Bununla birlikte, bu hücreler hala çok pahalı ve çoğunlukla güneş dizileriyle şaşırtıcı bir şekilde 120 kW'a kadar enerji üretebilen Uluslararası Uzay İstasyonu gibi özel havacılık uygulamalarında kullanılıyor.
Fotovoltaik potansiyeli nedeniyle son zamanlarda manşetlere çıkan bir malzeme olan perovskit, daha fazla verimlilik artışına yol açmıştır. Eşsiz kristal yapısıyla perovskit, tandem hücrelerin (silikon ve perovskit katmanlarını birleştiren) %30'un üzerinde verimlilik elde etmesini sağlamıştır.
İki yüzeyli güneş panelleri de son on yılda popülerlik kazanmıştır. Güneş ışığını her iki taraftan da yakalayabilen bu paneller, öncelikle şebeke ölçekli güneş enerjisi santrallerinde (şebekeye güç sağlamak üzere tasarlanmış büyük güneş enerjisi santralleri) kullanılmakta ve maksimum emilim için yansıtıcı yüzeylerin üzerine asılmaktadır. Kişisel bir not olarak, verimlilikleri nedeniyle hem evime hem de karavanıma çift yüzeyli paneller kurdum.
Günümüzün güneş panelleri, performansları düşmeye başlamadan önce 25-30 yıl dayanacak şekilde tasarlanmıştır – ancak o zaman bile, belirtilen ömürlerinin ötesinde yılda üretim kapasitelerinin yalnızca yüzde birini kaybederler.
Taşınabilir ve esnek güneş enerjisi teknolojisi artık bu ucuz, güvenilir enerji kaynağını her türlü yeni uygulamaya taşıyor.
Bununla birlikte, güneş enerjisi teknolojisine ilişkin en büyük atılımlardan biri akü depolama alanında olmuştur.
Güneş enerjisinin sadece günün bir kısmında enerji üretme gibi sinir bozucu bir doğal sınırlaması nedeniyle, fazla enerjinin depolanması, güneş enerjisini güvenilir, günün her saati enerji kaynağı haline getirmek için çok önemli olmuştur — özellikle de belediye elektrik şebekesi ölçeğinde.
Bir dizi farklı batarya teknolojisi geliştikçe ve maliyetler düştükçe, güneş enerjisi, güneş tarafından şarj edilen batarya bankalarını kullanarak geceleri bile tutarlı ve güvenilir enerji sağlamak için giderek daha uygun hale geldi. Lityum-iyon bataryalar bunun yolunu açtı ve lityum-demir-fosfat (LiFePO4), demir-hava ve daha egzotik mekanik enerji depolama biçimleri gibi yeni teknolojiler enerji yoğunluğu ve maliyet etkinliği açısından gelişmeye devam ediyor.
Bu teknolojilerin gelişmesini ve gelecekteki temiz enerji karışımındaki yerlerini bulmalarını izlemek büyüleyici – bazıları kısa süreli, yüksek hızlı güç talebi artışlarıyla başa çıkmak için, diğerleri ise ortalama günlük güneş enerjisi üretimi kış boyunca düşüp yaz boyunca yükselirken şebekelerin istikrarlı kalmasını sağlamak için uzun vadeli, yavaş salınımlı şebeke sıkılaştırmaya odaklanıyor.
1900'lü yıllara tuhaf bir başlangıç yapmasına rağmen, güneş enerjisi artık bir juggernaut ve dünya 2050 yılına kadar sıfır karbon emisyonu yarışına odaklanırken en sıcak enerji türlerinden biri. Kullanıma uygun güneş enerjisi şu anda piyasadaki en ucuz ikinci elektrik türüdür ve yalnızca karadaki rüzgar enerjisini takip etmektedir – ve Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti (LCoE) açısından, kömürle çalışan enerjinin yaklaşık yarısı kadardır.
Charles Fritts'in ilk çatı mekanizmasından, tartışmasız insanlığın en önemli yeniliklerinden biri haline geldi — insanlığın sürekli artan elektrik iştahına ayak uyduracak kadar hızlı ölçeklenebilen, yasal olarak güvenilir, ekonomik olarak uygulanabilir bir temiz enerji biçimi. Bu olağanüstü bir hikaye ve gerçek zamanlı olarak geliştiğini görmeye devam ettiğimiz bir hikaye.