Od dziesięcioleci reklamowane jako obiecujące alternatywne źródło energii, panele słoneczne zdobią dachy i znaki drogowe oraz pomagają utrzymać zasilanie statków kosmicznych. Ale jak działają panele słoneczne?
Mówiąc najprościej, panel słoneczny działa, umożliwiając fotonom lub cząsteczkom światła wybijanie elektronów z atomów, generując przepływ energii elektrycznej. Panele słoneczne faktycznie składają się z wielu mniejszych jednostek zwanych ogniwami fotowoltaicznymi. (Fotowoltaika oznacza po prostu, że przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną.) Wiele połączonych ze sobą ogniw tworzy panel słoneczny.
Każde ogniwo fotowoltaiczne to w zasadzie kanapka składająca się z dwóch kawałków materiału półprzewodnikowego, zwykle krzemu – tego samego materiału, który stosuje się w mikroelektronice.
Aby działać, ogniwa fotowoltaiczne muszą wytworzyć pole elektryczne. Podobnie jak pole magnetyczne, które powstaje z powodu przeciwnych biegunów, pole elektryczne powstaje, gdy przeciwne ładunki są rozdzielone. Aby uzyskać to pole, producenci „domieszkują” krzem innymi materiałami, nadając każdemu kawałkowi kanapki dodatni lub ujemny ładunek elektryczny.
W szczególności umieszczają fosfor w górnej warstwie krzemu, co dodaje do tej warstwy dodatkowe elektrony o ładunku ujemnym. Tymczasem dolna warstwa otrzymuje dawkę boru, co skutkuje mniejszą liczbą elektronów lub ładunkiem dodatnim. To wszystko składa się na pole elektryczne na styku warstw krzemu. Następnie, gdy foton światła słonecznego wybije wolny elektron, pole elektryczne wypchnie go ze złącza krzemowego.
Kilka innych elementów ogniwa zamienia te elektrony w użyteczną moc. Metalowe płytki przewodzące po bokach ogniwa zbierają elektrony i przenoszą je na przewody. W tym momencie elektrony mogą płynąć jak każde inne źródło elektryczności.
Kilka lat temu naukowcy wyprodukowali ultracienkie, elastyczne ogniwa słoneczne, które mają grubość zaledwie 1,3 mikrona – około 1/100 szerokości ludzkiego włosa – i są 20 razy lżejsze niż kartka papieru biurowego. W rzeczywistości ogniwa są tak lekkie, że mogą usiąść na bańce mydlanej, a mimo to wytwarzają energię z mniej więcej taką samą wydajnością, jak ogniwa słoneczne na bazie szkła, poinformowali naukowcy w badaniu opublikowanym w 2016 roku w czasopiśmie Organic Electronics. Lżejsze, bardziej elastyczne ogniwa słoneczne, takie jak te, można by zintegrować z architekturą, technologią lotniczą, a nawet elektroniką do noszenia.
Istnieją inne rodzaje technologii energii słonecznej – w tym energia słoneczna i skoncentrowana energia słoneczna (CSP) – które działają w inny sposób niż fotowoltaiczne panele słoneczne, ale wszystkie wykorzystują moc światła słonecznego do wytwarzania elektryczności lub podgrzewania wody lub powietrza.