Bilo da se radi o kalkulatoru na solarni pogon ili međunarodnoj svemirskoj stanici, solarni paneli generiraju električnu energiju koristeći iste principe elektronike kao kemijske baterije ili standardne električne utičnice. Kod solarnih panela sve se radi o slobodnom protoku elektrona kroz strujni krug.
Da biste razumjeli kako ovi paneli generiraju električnu energiju, moglo bi vam pomoći da se brzo vratite na satu kemije u srednjoj školi. Osnovni element solarnih panela je isti element koji je pomogao u stvaranju računalne revolucije – čisti silicij. Kada je silicij očišćen od svih nečistoća, on čini idealnu neutralnu platformu za prijenos elektrona. Silicij također ima svojstva atomske razine koja ga čine još privlačnijim za stvaranje solarnih panela.
Atomi silicija imaju mjesta za osam elektrona u svojim vanjskim vrpcama, ali nose samo četiri u svom prirodnom stanju. To znači da ima mjesta za još četiri elektrona. Ako jedan atom silicija kontaktira drugi atom silicija, svaki prima četiri elektrona drugog atoma. To stvara jaku vezu, ali nema pozitivnog ili negativnog naboja jer osam elektrona zadovoljava potrebe atoma. Atomi silicija mogu se kombinirati godinama kako bi se dobio veliki komad čistog silicija. Ovaj materijal se koristi za oblikovanje ploča ploča.
Ovdje znanost ulazi u sliku. Dvije ploče od čistog silicija ne bi proizvele električnu energiju u solarnim panelima, jer nemaju pozitivan ili negativan naboj. Solarni paneli nastaju kombiniranjem silicija s drugim elementima koji imaju pozitivne ili negativne naboje.
Fosfor, na primjer, ima pet elektrona koje može ponuditi drugim atomima. Ako se silicij i fosfor spoje kemijski, rezultat je stabilnih osam elektrona s dodatnim slobodnim elektronom za vožnju. Ne može otići, jer je vezan za druge atome fosfora, ali nije potreban siliciju. Stoga se ova nova ploča silicij/fosfor smatra negativno nabijenom.
Da bi struja mogla teći, mora se stvoriti i pozitivan naboj. To se postiže kombiniranjem silicija s elementom kao što je bor, koji ima samo tri elektrona za ponuditi. Silicij/borova ploča još uvijek ima jedno mjesto za drugi elektron. To znači da ploča ima pozitivan naboj. Dvije ploče su spojene zajedno u panele, a između njih prolaze vodljive žice.
S dvije ploče na mjestu, sada je vrijeme da unesemo ‘solarni’ aspekt solarnih panela. Prirodna sunčeva svjetlost šalje mnogo različitih čestica energije, ali ona koja nas najviše zanima zove se foton. Foton se u biti ponaša kao pokretni čekić. Kada su negativne ploče solarnih ćelija usmjerene pod odgovarajućim kutom prema Suncu, fotoni bombardiraju atome silicija/fosfora.
Na kraju, 9. elektron, koji ionako želi biti slobodan, biva izbačen s vanjskog prstena. Ovaj elektron ne ostaje dugo slobodan, budući da ga pozitivna silicij/borova ploča uvlači u otvoreno mjesto na vlastitom vanjskom pojasu. Kako sunčevi fotoni odvajaju više elektrona, nastaje električna energija. Električna energija koju proizvodi jedna solarna ćelija nije baš impresivna, ali kada sve vodljive žice povuku slobodne elektrone s ploča, ima dovoljno struje za napajanje motora niske amperaže ili druge elektronike. Svi elektroni koji se ne koriste ili izgube u zraku vraćaju se na negativnu ploču i cijeli proces počinje iznova.
Jedan od glavnih problema s korištenjem solarnih panela je mala količina električne energije koju generiraju u usporedbi s njihovom veličinom. Kalkulator bi mogao zahtijevati samo jednu solarnu ćeliju, ali automobil na solarni pogon zahtijevao bi nekoliko tisuća. Ako se čak i neznatno promijeni kut panela, učinkovitost može pasti za 50 posto.
Dio energije iz solarnih panela može se pohraniti u kemijske baterije, ali obično uopće nema puno viška energije. Ista sunčeva svjetlost koja daje fotone također pruža razornije ultraljubičaste i infracrvene valove, koji na kraju uzrokuju fizički degradaciju panela. Ploče također moraju biti izložene destruktivnim vremenskim elementima, koji također mogu ozbiljno utjecati na učinkovitost.
Mnogi izvori također spominju solarne panele kao fotonaponske ćelije, što upućuje na važnost svjetlosti (fotografije) u stvaranju električnog napona. Izazov za buduće znanstvenike bit će stvoriti učinkovitije ploče koje su dovoljno male za praktičnu primjenu i dovoljno moćne da stvore višak energije u vrijeme kada sunčeva svjetlost nije dostupna.