Come funzionano i pannelli solari?
Che si tratti di un calcolatore a energia solare o di una stazione spaziale internazionale, i pannelli solari generano elettricità utilizzando gli stessi principi dell'elettronica delle batterie chimiche o delle prese elettriche standard. Con i pannelli solari, tutto ruota intorno al flusso libero di elettroni attraverso un circuito.
Per capire come i pannelli solari generano energia elettrica, potrebbe essere utile fare un rapido viaggio di ritorno alla classe di chimica delle scuole superiori. L'elemento base dei pannelli solari è lo stesso elemento che ha contribuito a creare la rivoluzione del computer: il silicio puro. Quando il silicio viene privato di tutte le impurità, diventa una piattaforma neutra ideale per la trasmissione di elettroni. Il silicio ha anche alcune proprietà a livello atomico che lo rendono ancora più attraente per la creazione di pannelli solari.
Gli atomi di silicio hanno spazio per otto elettroni nelle loro bande esterne, ma ne trasportano solo quattro nel loro stato naturale. Ciò significa che c'è spazio per altri quattro elettroni. Se un atomo di silicio contatta un altro atomo di silicio, ciascuno riceve i quattro elettroni dell'altro atomo. Questo crea un forte legame, ma non vi è alcuna carica positiva o negativa perché gli otto elettroni soddisfano i bisogni degli atomi. Gli atomi di silicio possono combinarsi per anni per creare un grande pezzo di silicio puro. Questo materiale viene utilizzato per formare le piastre dei pannelli solari.
Ecco dove la scienza entra in scena. Due lastre di silicio puro non genererebbero elettricità nei pannelli solari, poiché non hanno carica positiva o negativa. I pannelli solari vengono creati combinando il silicio con altri elementi che hanno cariche positive o negative.
Il fosforo, ad esempio, ha cinque elettroni da offrire ad altri atomi. Se il silicio e il fosforo vengono combinati chimicamente, il risultato sono otto elettroni stabili con un elettrone libero aggiuntivo lungo la corsa. Non può andarsene, perché è legato agli altri atomi di fosforo, ma non è necessario per il silicio. Pertanto, questa nuova piastra di silicio / fosforo è considerata carica negativamente.
Affinché l'energia elettrica scorra, è necessario creare anche una carica positiva. Ciò si ottiene nei pannelli solari combinando il silicio con un elemento come il boro, che ha solo tre elettroni da offrire. Una piastra di silicio / boro ha ancora un punto rimasto per un altro elettrone. Ciò significa che la piastra ha una carica positiva. Le due piastre sono inserite insieme in pannelli solari, con fili conduttivi che corrono tra di loro.
Con le due piastre in posizione, ora è il momento di introdurre l'aspetto "solare" dei pannelli solari. La luce solare naturale emette molte diverse particelle di energia, ma quella a cui siamo maggiormente interessati si chiama fotone. Un fotone si comporta essenzialmente come un martello in movimento. Quando le piastre negative delle celle solari sono puntate con un angolo adeguato rispetto al sole, i fotoni bombardano gli atomi di silicio / fosforo.
Alla fine, il nono elettrone, che vuole essere libero comunque, viene eliminato dall'anello esterno. Questo elettrone non rimane libero a lungo, poiché la piastra di silicio / boro positiva lo attira nel punto aperto sulla sua stessa banda esterna. Man mano che i fotoni del sole interrompono più elettroni, viene generata elettricità. L'elettricità generata da una cella solare non è molto impressionante, ma quando tutti i fili conduttivi allontanano gli elettroni liberi dalle piastre, c'è abbastanza elettricità per alimentare motori a basso amperaggio o altri dispositivi elettronici. Qualunque elettrone non venga usato o perso nell'aria, viene riportato sulla piastra negativa e l'intero processo ricomincia.
Uno dei problemi principali nell'uso dei pannelli solari è la piccola quantità di elettricità che generano rispetto alle loro dimensioni. Un calcolatore potrebbe richiedere solo una singola cella solare, ma un'auto a energia solare richiederebbe diverse migliaia. Se l'angolazione dei pannelli solari viene modificata anche leggermente, l'efficienza può diminuire del 50 percento.
Parte dell'energia dai pannelli solari può essere immagazzinata in batterie chimiche, ma di solito non c'è molta energia in eccesso in primo luogo. La stessa luce solare che fornisce i fotoni fornisce anche onde ultraviolette e infrarosse più distruttive, che alla fine causano il degrado fisico dei pannelli. I pannelli devono inoltre essere esposti a elementi meteorologici distruttivi, che possono anche compromettere seriamente l'efficienza.
Molte fonti si riferiscono anche ai pannelli solari come celle fotovoltaiche, che fa riferimento all'importanza della luce (foto) nella generazione della tensione elettrica. La sfida per i futuri scienziati sarà quella di creare pannelli solari più efficienti, abbastanza piccoli per applicazioni pratiche e abbastanza potenti da creare energia in eccesso per i periodi in cui la luce solare non è disponibile.