Olipa aurinkokäyttöinen laskin tai kansainvälinen avaruusasema, aurinkopaneelit tuottavat sähköä käyttäen samoja elektroniikan periaatteita kuin kemialliset paristot tai tavalliset pistorasiat. Aurinkopaneeleilla kyse on elektronien vapaasta virtauksesta piirin läpi.
Jos haluat ymmärtää, miten nämä paneelit tuottavat sähköä, se voi auttaa nopealla matkalla takaisin lukion kemian luokalle. Aurinkopaneelien peruselementti on sama elementti, joka auttoi luomaan tietokoneen vallankumouksen – puhdas pii. Kun piistä poistetaan kaikki epäpuhtaudet, se muodostaa ihanteellisen neutraalin alustan elektronien siirtämiseen. Piillä on myös joitain atomitason ominaisuuksia, jotka tekevät siitä entistä houkuttelevamman aurinkopaneelien luomisessa.
Piiatomien ulkokaistoilla on tilaa kahdeksalle elektronille, mutta ne kantavat vain neljää luonnollisessa tilassaan. Tämä tarkoittaa, että tilaa on vielä neljälle elektronille. Jos yksi piiatomi koskettaa toista piiatomia, jokainen vastaanottaa toisen atomin neljä elektronia. Tämä luo vahvan sidoksen, mutta positiivista tai negatiivista varausta ei ole, koska kahdeksan elektronia täyttävät atomien tarpeet. Piiatomit voivat yhdistyä vuosia, jolloin saadaan suuri pala puhdasta piitä. Tätä materiaalia käytetään levyjen levyjen muodostamiseen.
Tässä tiede tulee kuvaan. Kaksi puhdasta piitä sisältävää levyä ei tuottaisi sähköä aurinkopaneeleihin, koska niissä ei ole positiivista tai negatiivista varausta. Aurinkopaneelit luodaan yhdistämällä pii muihin elementteihin, joilla on positiivisia tai negatiivisia varauksia.
Esimerkiksi fosforilla on viisi elektronia tarjottavana muille atomeille. Jos pii ja fosfori yhdistetään kemiallisesti, tuloksena on vakaa kahdeksan elektronia ja lisäksi vapaa elektroni pitkin ajoa. Se ei voi poistua, koska se on sitoutunut muihin fosforiatomeihin, mutta pii ei sitä tarvitse. Siksi tämän uuden pii/fosforilevyn katsotaan olevan negatiivisesti varautunut.
Jotta sähkö voisi virrata, on myös luotava positiivinen varaus. Tämä saavutetaan yhdistämällä pii ja elementti, kuten boori, jossa on vain kolme elektronia. Pii/boorilevyllä on vielä yksi paikka toiselle elektronille. Tämä tarkoittaa, että levyllä on positiivinen varaus. Nämä kaksi levyä on kerrostettu yhteen paneeleissa, ja niiden välissä kulkevat johtavat johdot.
Kaksi levyä paikallaan on nyt aika ottaa aurinkopaneelien “aurinko” -ominaisuus käyttöön. Luonnollinen auringonvalo lähettää monia erilaisia energiahiukkasia, mutta eniten kiinnostunut on nimeltään fotoni. Fotoni toimii olennaisesti liikkuvan vasaran tavoin. Kun aurinkokennojen negatiivilevyt on suunnattu oikeaan kulmaan aurinkoon nähden, fotonit pommittavat pii-/fosforiatomeja.
Lopulta yhdeksäs elektroni, joka haluaa olla joka tapauksessa vapaa, irrotetaan ulkorenkaasta. Tämä elektroni ei pysy pitkään vapaana, koska positiivinen pii/boorilevy vetää sen avoimeen kohtaan omalla ulkokaistallaan. Kun auringon fotonit hajottavat enemmän elektroneja, syntyy sähköä. Yhden aurinkokennon tuottama sähkö ei ole kovin vaikuttavaa, mutta kun kaikki johtavat johtimet vetävät vapaita elektroneja pois levyiltä, sähköä riittää pienitehoisille moottoreille tai muulle elektroniikalle. Kaikki elektronit, joita ei käytetä tai jotka menetetään ilmaan, palautetaan negatiiviselle levylle ja koko prosessi alkaa uudelleen.
Yksi aurinkopaneelien käytön suurimmista ongelmista on niiden tuottama pieni määrä sähköä verrattuna niiden kokoon. Laskin saattaa vaatia vain yhden aurinkokennon, mutta aurinkokäyttöinen auto vaatii useita tuhansia. Jos paneelien kulmaa muutetaan edes vähän, hyötysuhde voi laskea 50 prosenttia.
Osa aurinkopaneelien energiasta voidaan tallentaa kemiallisiin paristoihin, mutta yleensä ylimääräistä virtaa ei yleensä ole paljon. Sama auringonvalo, joka tuottaa fotoneja, tarjoaa myös tuhoisampia ultravioletti- ja infrapuna -aaltoja, jotka lopulta aiheuttavat paneelien hajoamisen fyysisesti. Paneelit on myös altistettava tuhoisille sääolosuhteille, jotka voivat myös vaikuttaa vakavasti tehokkuuteen.
Monet lähteet viittaavat myös aurinkopaneeleihin aurinkokennoina, mikä viittaa valon (valokuvien) merkitykseen sähköjännitteen muodostamisessa. Tulevien tutkijoiden haasteena on luoda tehokkaampia paneeleja, jotka ovat riittävän pieniä käytännön sovelluksiin ja riittävän tehokkaita tuottamaan ylimääräistä energiaa silloin, kun auringonvaloa ei ole saatavilla.