Hvordan fungerer solpaneler?

Uanset om det er en solcelledrevet lommeregner eller en international rumstation, producerer solcellepaneler elektricitet ved hjælp af de samme principper for elektronik som kemiske batterier eller almindelige stikkontakter. Med solcellepaneler handler det om den frie strøm af elektroner gennem et kredsløb.

For at forstå, hvordan solcellepaneler genererer elektrisk strøm, kan det hjælpe med at tage en hurtig tur tilbage til gymnasiekemi. Det grundlæggende element i solcellepaneler er det samme element, der var med til at skabe computerrevolutionen - rent silicium. Når silicium fratages alle urenheder, er det en ideel neutral platform til transmission af elektroner. Silicium har også nogle egenskaber på atomniveau, der gør det endnu mere attraktivt til oprettelse af solcellepaneler.

Siliciumatomer har plads til otte elektroner i deres ydre bånd, men bærer kun fire i deres naturlige tilstand. Dette betyder, at der er plads til yderligere fire elektroner. Hvis et siliciumatom kommer i kontakt med et andet siliciumatom, modtager hvert andet det andet atoms fire elektroner. Dette skaber en stærk binding, men der er ingen positiv eller negativ ladning, fordi de otte elektroner tilfredsstiller atomernes behov. Siliciumatomer kan kombineres i årevis og resulterer i et stort stykke rent silicium. Dette materiale bruges til at danne plader af solcellepaneler.

Her er videnskab ind i billedet. To plader af rent silicium ville ikke generere elektricitet i solcellepaneler, fordi de ikke har nogen positiv eller negativ ladning. Solpaneler oprettes ved at kombinere silicium med andre elementer, der har positive eller negative ladninger.

Fosfor har for eksempel fem elektroner at tilbyde andre atomer. Hvis silicium og fosfor kombineres kemisk, er resultatet stabile otte elektroner med et ekstra gratis elektron med på turen. Det kan ikke gå, fordi det er bundet til de andre fosforatomer, men det er ikke nødvendigt af silicium. Derfor betragtes denne nye silicium / fosforplade som negativt ladet.

For at strømmen skal strømme, skal der også oprettes en positiv ladning. Dette opnås i solcellepaneler ved at kombinere silicium med et element som bor, som kun har tre elektroner at byde på. En silicium / borplade har stadig et sted tilbage til en anden elektron. Dette betyder, at pladen har en positiv ladning. De to plader er klemt sammen i solcellepaneler med ledende ledninger, der løber mellem dem.

Med de to plader på plads er det nu tid til at bringe det 'sol' aspekt af solcellepaneler. Naturligt sollys udsender mange forskellige energipartikler, men den vi er mest interesseret i kaldes en foton. En foton fungerer i det væsentlige som en bevægende hammer. Når de negative plader af solceller peges i en passende vinkel på solen, bombarderer fotoner silicium / fosforatomer.

Til sidst bliver den 9. elektron, der alligevel ønsker at være fri, slået den ydre ring af. Denne elektron forbliver ikke fri længe, ​​da den positive silicium / borplade trækker den ind i det åbne sted på sit eget ydre bånd. Når solens fotoner bryder flere elektroner, genereres der elektricitet. Elektriciteten, der genereres af en solcelle, er ikke særlig imponerende, men når alle de ledende ledninger trækker de frie elektroner væk fra pladerne, er der nok elektricitet til at drive motorer med lav strømstyrke eller anden elektronik. Uanset hvilken elektron, der ikke bruges eller mistes i luften, returneres til den negative plade, og hele processen begynder igen.

Et af de største problemer med brug af solcellepaneler er den lille mængde elektricitet, de genererer sammenlignet med deres størrelse. En lommeregner kræver muligvis kun en enkelt solcelle, men en solenergidrevet bil ville kræve flere tusinde. Hvis solpanelens vinkel ændres endda lidt, kan effektiviteten falde 50 procent.

Nogle strøm fra solcellepaneler kan opbevares i kemiske batterier, men der er normalt ikke meget overskydende energi i første omgang. Det samme sollys, der giver fotoner, giver også mere destruktive ultraviolette og infrarøde bølger, som til sidst får panelerne til at nedbrydes fysisk. Panelerne skal også udsættes for destruktive vejrelementer, som også alvorligt kan påvirke effektiviteten.

Mange kilder omtaler også solcellepaneler som fotovoltaiske celler, der henviser til lysets (fotos) vigtighed i genereringen af ​​elektrisk spænding. Udfordringen for fremtidige forskere vil være at skabe mere effektive solcellepaneler er små nok til praktiske anvendelser og kraftige nok til at skabe overskydende energi til tider, hvor sollys ikke er tilgængeligt.