Hoe werken zonnepanelen?
Of het nu op een rekenmachine op zonne-energie of een internationaal ruimtestation is, zonnepanelen genereren elektriciteit met dezelfde elektronische principes als chemische batterijen of standaard stopcontacten. Bij zonnepanelen draait het allemaal om de vrije stroom van elektronen door een circuit.
Om te begrijpen hoe zonnepanelen elektriciteit opwekken, kan het helpen om een snelle reis terug te maken naar de middelbare school scheikunde. Het basiselement van zonnepanelen is hetzelfde element dat heeft bijgedragen tot de computerrevolutie - puur silicium. Wanneer silicium ontdaan is van alle onzuiverheden, is het een ideaal neutraal platform voor de transmissie van elektronen. Silicium heeft ook enkele atomaire eigenschappen die het nog aantrekkelijker maken voor het maken van zonnepanelen.
Siliciumatomen hebben ruimte voor acht elektronen in hun buitenbanden, maar dragen er slechts vier in hun natuurlijke staat. Dit betekent dat er ruimte is voor nog vier elektronen. Als het ene siliciumatoom contact maakt met een ander siliciumatoom, ontvangt elk van de vier elektronen van het andere atoom. Dit creëert een sterke binding, maar er is geen positieve of negatieve lading omdat de acht elektronen voldoen aan de behoeften van de atomen. Siliciumatomen kunnen jaren combineren tot een groot stuk puur silicium. Dit materiaal wordt gebruikt om de platen van zonnepanelen te vormen.
Hier komt de wetenschap in beeld. Twee platen zuiver silicium zouden geen elektriciteit in zonnepanelen opwekken, omdat ze geen positieve of negatieve lading hebben. Zonnepanelen worden gemaakt door silicium te combineren met andere elementen die wel positieve of negatieve ladingen hebben.
Fosfor heeft bijvoorbeeld vijf elektronen te bieden aan andere atomen. Als silicium en fosfor chemisch worden gecombineerd, is het resultaat een stabiele acht elektronen met een extra vrij elektron voor de rit. Het kan niet vertrekken, omdat het is gebonden aan de andere fosforatomen, maar het is niet nodig voor het silicium. Daarom wordt deze nieuwe silicium / fosforplaat als negatief geladen beschouwd.
Om elektriciteit te laten stromen, moet ook een positieve lading worden gecreëerd. Dit wordt bereikt in zonnepanelen door silicium te combineren met een element zoals boor, dat slechts drie elektronen te bieden heeft. Een silicium / boorplaat heeft nog steeds één plek over voor een ander elektron. Dit betekent dat de plaat een positieve lading heeft. De twee platen zijn samengeklemd in zonnepanelen met daartussen geleidende draden.
Met de twee platen op hun plaats, is het nu tijd om het 'zonne'-aspect van zonnepanelen te introduceren. Natuurlijk zonlicht zendt veel verschillende energiedeeltjes uit, maar degene waar we het meest in geïnteresseerd zijn, wordt een foton genoemd. Een foton werkt in wezen als een bewegende hamer. Wanneer de negatieve platen van zonnecellen in een juiste hoek ten opzichte van de zon worden gericht, bombarderen fotonen de silicium / fosforatomen.
Uiteindelijk wordt het 9e elektron, dat toch vrij wil zijn, van de buitenring geslagen. Dit elektron blijft niet lang vrij, omdat de positieve silicium / boorplaat het in de open plek op zijn eigen buitenband trekt. Terwijl de fotonen van de zon meer elektronen afbreken, wordt elektriciteit opgewekt. De elektriciteit die wordt opgewekt door één zonnecel is niet erg indrukwekkend, maar wanneer alle geleidende draden de vrije elektronen wegtrekken van de platen, is er voldoende elektriciteit om motoren met lage stroomsterkte of andere elektronica te voeden. Welke elektronen niet worden gebruikt of verloren gaan in de lucht worden teruggevoerd naar de negatieve plaat en het hele proces begint opnieuw.
Een van de grootste problemen bij het gebruik van zonnepanelen is de kleine hoeveelheid elektriciteit die ze opwekken in vergelijking met hun grootte. Voor een rekenmachine is misschien maar één zonnecel nodig, maar voor een auto op zonne-energie zijn er duizenden nodig. Als de hoek van de zonnepanelen zelfs maar enigszins wordt gewijzigd, kan de efficiëntie 50 procent dalen.
Sommige energie van zonnepanelen kan worden opgeslagen in chemische batterijen, maar er is meestal niet veel overtollige energie in de eerste plaats. Hetzelfde zonlicht dat fotonen levert, zorgt ook voor meer destructieve ultraviolette en infraroodgolven, waardoor de panelen uiteindelijk fysiek achteruitgaan. De panelen moeten ook worden blootgesteld aan destructieve weerselementen, die ook de efficiëntie ernstig kunnen beïnvloeden.
Veel bronnen verwijzen ook naar zonnepanelen als fotovoltaïsche cellen, wat verwijst naar het belang van licht (foto's) bij het genereren van elektrische spanning. De uitdaging voor toekomstige wetenschappers zal zijn om efficiëntere zonnepanelen te maken die klein genoeg zijn voor praktische toepassingen en krachtig genoeg om overtollige energie te creëren voor momenten dat zonlicht niet beschikbaar is.