Reklamowane jako obiecujące alternatywne źródło energii od dziesięcioleci, panele słoneczne zwieńczają dachy i znaki drogowe oraz pomagają w zasilaniu statków kosmicznych. Ale jak działają panele słoneczne?
Mówiąc najprościej, panel słoneczny działa w taki sposób, że pozwala fotonom (inaczej cząstkom światła) stuknąć elektrony wolne od atomów, generując przepływ energii elektrycznej. Panele słoneczne w rzeczywistości składają się z wielu mniejszych jednostek zwanych ogniwami fotowoltaicznymi. (Fotowoltaika oznacza po prostu przekształcanie światła słonecznego w energię elektryczną.) Wiele połączonych ze sobą ogniw tworzy panel słoneczny.
Każde ogniwo fotowoltaiczne jest w zasadzie kanapką składającą się z dwóch kawałków materiału półprzewodnikowego, zwykle krzemu – tego samego materiału używanego w mikroelektronice.
Aby działać, ogniwa fotowoltaiczne muszą ustanowić pole elektryczne. Podobnie jak pole magnetyczne, które występuje z powodu przeciwnych biegunów, pole elektryczne występuje, gdy przeciwne ładunki są rozdzielone. Aby uzyskać to pole, producenci „dopingują” krzem innymi materiałami, dając każdemu kawałkowi kanapki dodatni lub ujemny ładunek elektryczny.
W szczególności, wysiewają fosfor do górnej warstwy krzemu, która dodaje dodatkowe elektrony, z ładunkiem ujemnym, do tej warstwy. W międzyczasie dolna warstwa otrzymuje dawkę boru, co skutkuje mniejszą liczbą elektronów lub ładunkiem dodatnim. Wszystko to składa się na pole elektryczne na połączeniu między warstwami krzemu. Następnie, gdy foton światła słonecznego uderzy w elektron, pole elektryczne wypchnie ten elektron z połączenia krzemowego.
Kilka innych składników komórki zamienia te elektrony w użyteczną moc. Metalowe płytki przewodzące po bokach komórki zbierają elektrony i przenoszą je na przewody. W tym momencie elektrony mogą płynąć jak każde inne źródło energii elektrycznej.
Niedawno naukowcy wyprodukowali ultracienkie, elastyczne ogniwa słoneczne o grubości zaledwie 1,3 mikrona – około 1/100 szerokości ludzkiego włosa – i są 20 razy lżejsze niż arkusz papieru biurowego. W rzeczywistości komórki są tak lekkie, że mogą siedzieć na szczycie bańki mydlanej, a mimo to wytwarzają energię z mniej więcej taką samą wydajnością, jak ogniwa słoneczne na bazie szkła, poinformowali naukowcy w badaniu opublikowanym w 2016 roku w czasopiśmie Organic Electronics. Lżejsze, bardziej elastyczne ogniwa słoneczne, takie jak te, mogą być zintegrowane z architekturą, technologią kosmiczną lub nawet elektroniką do noszenia.
Istnieją inne rodzaje technologii energii słonecznej – w tym słoneczna energia cieplna i skoncentrowana energia słoneczna (CSP) – które działają w inny sposób niż fotowoltaiczne panele słoneczne, ale wszystkie wykorzystują moc światła słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej lub do ogrzewania wody lub powietrza.