Hvordan fungerer solcellepaneler?

Enten på en solcelledrevet kalkulator eller en internasjonal romstasjon, produserer solcellepaneler strøm ved å bruke de samme prinsippene for elektronikk som kjemiske batterier eller standard stikkontakter. Med solcellepaneler handler det om den frie strømmen av elektroner gjennom en krets.

For å forstå hvordan solcellepaneler genererer elektrisk kraft, kan det hjelpe å ta en rask tur tilbake til gymnasiekjemi. Det grunnleggende elementet i solcellepaneler er det samme elementet som bidro til å skape datamaskinrevolusjonen - rent silisium. Når silisium blir strippet for alle urenheter, er det en ideell nøytral plattform for overføring av elektroner. Silisium har også noen egenskaper på atomnivå som gjør det enda mer attraktivt for opprettelse av solcellepaneler.

Silisiumatomer har plass til åtte elektroner i sine ytre bånd, men har bare fire i sin naturlige tilstand. Dette betyr at det er plass til fire elektroner til. Hvis ett silisiumatom kommer i kontakt med et annet silisiumatom, mottar hvert det andre atomets fire elektroner. Dette skaper en sterk binding, men det er ingen positiv eller negativ ladning fordi de åtte elektronene tilfredsstiller atomenes behov. Silisiumatomer kan kombineres i flere år og resultere i et stort stykke rent silisium. Dette materialet brukes til å danne platene til solcellepaneler.

Her er vitenskapen inn i bildet. To plater av rent silisium ville ikke produsere strøm i solcellepaneler, fordi de ikke har noen positiv eller negativ ladning. Solcellepaneler lages ved å kombinere silisium med andre elementer som har positive eller negative ladninger.

Fosfor har for eksempel fem elektroner å tilby til andre atomer. Hvis silisium og fosfor kombineres kjemisk, er resultatet stabile åtte elektroner med et ekstra gratis elektron med på turen. Det kan ikke gå, fordi det er bundet til de andre fosforatomene, men det er ikke nødvendig med silisiumet. Derfor anses denne nye silisium / fosforplaten å være negativt ladet.

For at strøm skal strømme, må det også opprettes en positiv ladning. Dette oppnås i solcellepaneler ved å kombinere silisium med et element som bor, som bare har tre elektroner å tilby. En silisium / borplate har fremdeles ett sted igjen for et annet elektron. Dette betyr at platen har en positiv ladning. De to platene er klemt sammen i solcellepaneler, med ledende ledninger mellom dem.

Med de to platene på plass, er det nå på tide å få inn det 'sol' aspektet av solcellepaneler. Naturlig sollys sender ut mange forskjellige energipartikler, men den vi er mest interessert i kalles et foton. Et foton fungerer i hovedsak som en bevegelig hammer. Når de negative platene til solceller peker i riktig vinkel mot solen, bombarderer fotoner silisium- / fosforatomene.

Etter hvert blir det 9. elektron, som uansett vil være gratis, slått av den ytre ringen. Dette elektronet forblir ikke fritt lenge, siden den positive silisium / borplaten trekker den inn i det åpne stedet på sitt eget ytre bånd. Når solens fotoner bryter av flere elektroner, genereres det strøm. Elektrisiteten som genereres av en solcelle er ikke veldig imponerende, men når alle ledende ledninger trekker de frie elektronene bort fra platene, er det nok strøm til å drive motorer med lav strømstyrke eller annen elektronikk. Uansett hva elektroner som ikke brukes eller går tapt i luften, føres tilbake til den negative platen, og hele prosessen begynner igjen.

Et av hovedproblemene med bruk av solcellepaneler er den lille mengden strøm de genererer sammenlignet med størrelsen. En kalkulator krever kanskje bare en enkelt solcelle, men en solcelledrevet bil vil kreve flere tusen. Hvis vinkelen på solcellepanelene endres litt, kan effektiviteten synke 50 prosent.

Noe strøm fra solcellepaneler kan lagres i kjemiske batterier, men det er vanligvis ikke mye overflødig kraft i utgangspunktet. Det samme sollyset som gir fotoner, gir også mer destruktive ultrafiolette og infrarøde bølger, som til slutt får panelene til å nedbrytes fysisk. Panelene må også utsettes for ødeleggende værelementer, som også kan påvirke effektiviteten alvorlig.

Mange kilder omtaler også solcellepaneler som fotovoltaiske celler, som refererer til viktigheten av lys (bilder) i generering av elektrisk spenning. Utfordringen for fremtidige forskere vil være å lage mer effektive solcellepaneler som er små nok til praktiske bruksområder og kraftige nok til å skape overflødig energi til tider når sollys ikke er tilgjengelig.