Fie pe un calculator alimentat cu energie solară, fie pe o stație spațială internațională, panourile solare generează electricitate folosind aceleași principii de electronică ca și bateriile chimice sau prizele electrice standard. Cu panourile solare, totul este despre fluxul liber al electronilor printr-un circuit.
Pentru a înțelege modul în care aceste panouri generează energie electrică, ar putea ajuta să faceți o călătorie rapidă înapoi la ora de chimie de la liceu. Elementul de bază al panourilor solare este același element care a contribuit la crearea revoluției computerelor – siliciul pur. Când siliciul este îndepărtat de toate impuritățile, acesta reprezintă o platformă neutră ideală pentru transmiterea electronilor. Siliciul are, de asemenea, unele proprietăți la nivel atomic care îl fac și mai atractiv pentru crearea de panouri solare.
Atomii de siliciu au loc pentru opt electroni în benzile lor exterioare, dar poartă doar patru în starea lor naturală. Aceasta înseamnă că mai este loc pentru încă patru electroni. Dacă un atom de siliciu intră în contact cu un alt atom de siliciu, fiecare primește cei patru electroni ai celuilalt atom. Acest lucru creează o legătură puternică, dar nu există nicio sarcină pozitivă sau negativă, deoarece cei opt electroni satisfac nevoile atomilor. Atomii de siliciu se pot combina ani de zile pentru a rezulta o bucată mare de siliciu pur. Acest material este folosit pentru a forma plăcile panourilor.
Aici intră știința în imagine. Două plăci de siliciu pur nu ar genera electricitate în panourile solare, deoarece nu au sarcină pozitivă sau negativă. Panourile solare sunt create prin combinarea siliciului cu alte elemente care au sarcini pozitive sau negative.
Fosforul, de exemplu, are cinci electroni de oferit altor atomi. Dacă siliciul și fosforul sunt combinate chimic, rezultatul este o stabilitate de opt electroni cu un electron suplimentar liber de-a lungul călătoriei. Nu poate pleca, deoarece este legat de ceilalți atomi de fosfor, dar siliciul nu are nevoie de el. Prin urmare, această nouă placă de siliciu/fosfor este considerată a fi încărcată negativ.
Pentru ca electricitatea să circule, trebuie creată și o sarcină pozitivă. Acest lucru se realizează prin combinarea siliciului cu un element precum borul, care are doar trei electroni de oferit. O placă de siliciu/bor mai are un loc rămas pentru un alt electron. Aceasta înseamnă că placa are o sarcină pozitivă. Cele două plăci sunt prinse împreună în panouri, cu fire conductoare care trec între ele.
Cu cele două plăci la locul lor, acum este timpul să aducem aspectul „solar” al panourilor solare. Lumina naturală a soarelui trimite multe particule diferite de energie, dar cea care ne interesează cel mai mult se numește foton. Un foton acționează în esență ca un ciocan în mișcare. Când plăcile negative ale celulelor solare sunt îndreptate într-un unghi adecvat față de soare, fotonii bombardează atomii de siliciu/fosfor.
În cele din urmă, al 9-lea electron, care vrea să fie oricum liber, este doborât de pe inelul exterior. Acest electron nu rămâne liber mult timp, deoarece placa pozitivă de siliciu/bor îl atrage în locul deschis de pe propria sa bandă exterioară. Pe măsură ce fotonii soarelui despart mai mulți electroni, se generează electricitate. Electricitatea generată de o celulă solară nu este foarte impresionantă, dar atunci când toate firele conductoare atrag electronii liberi de pe plăci, există suficientă electricitate pentru a alimenta motoare cu amperaj scăzut sau alte componente electronice. Orice electroni nu sunt folosiți sau pierduți în aer sunt returnați pe placa negativă și întregul proces începe din nou.
Una dintre principalele probleme legate de utilizarea panourilor solare este cantitatea mică de energie electrică pe care o generează în comparație cu dimensiunea lor. Un calculator poate necesita doar o singură celulă solară, dar o mașină alimentată cu energie solară ar necesita câteva mii. Dacă unghiul panourilor este schimbat chiar și ușor, eficiența poate scădea cu 50 la sută.
O parte din energie de la panourile solare poate fi stocată în baterii chimice, dar de obicei nu există prea multă putere în exces în primul rând. Aceeași lumină solară care furnizează fotoni oferă, de asemenea, unde ultraviolete și infraroșii mai distructive, care în cele din urmă provoacă degradarea fizică a panourilor. De asemenea, panourile trebuie expuse la elemente meteorologice distructive, care pot afecta serios eficiența.
Multe surse se referă la panourile solare și ca celule fotovoltaice, ceea ce face referire la importanța luminii (fotografii) în generarea tensiunii electrice. Provocarea pentru viitorii oameni de știință va fi aceea de a crea panouri mai eficiente, care să fie suficient de mici pentru aplicații practice și suficient de puternice pentru a crea exces de energie pentru momentele în care lumina soarelui nu este disponibilă.