Baik pada kalkulator bertenaga surya atau stasiun luar angkasa internasional, panel surya menghasilkan listrik menggunakan prinsip elektronik yang sama seperti baterai kimia atau outlet listrik standar. Dengan panel surya, ini semua tentang aliran elektron bebas melalui sirkuit.
Untuk memahami bagaimana panel ini menghasilkan tenaga listrik, mungkin membantu untuk melakukan perjalanan singkat kembali ke kelas kimia sekolah menengah. Elemen dasar panel surya adalah elemen yang sama yang membantu menciptakan revolusi komputer — silikon murni. Ketika silikon dilucuti dari semua kotoran, itu membuat platform netral yang ideal untuk transmisi elektron. Silikon juga memiliki beberapa sifat tingkat atom yang membuatnya lebih menarik untuk pembuatan panel surya.
Atom silikon memiliki ruang untuk delapan elektron di pita terluarnya, tetapi hanya membawa empat elektron dalam keadaan alaminya. Ini berarti ada ruang untuk empat elektron lagi. Jika satu atom silikon kontak dengan atom silikon lain, masing-masing menerima empat elektron atom lainnya. Ini menciptakan ikatan yang kuat, tetapi tidak ada muatan positif atau negatif karena delapan elektron memenuhi kebutuhan atom. Atom silikon dapat bergabung selama bertahun-tahun untuk menghasilkan sepotong besar silikon murni. Bahan ini digunakan untuk membentuk pelat panel.
Di sinilah ilmu memasuki gambar. Dua pelat silikon murni tidak akan menghasilkan listrik di panel surya, karena tidak memiliki muatan positif atau negatif. Panel surya dibuat dengan menggabungkan silikon dengan elemen lain yang memang memiliki muatan positif atau negatif.
Fosfor, misalnya, memiliki lima elektron untuk ditawarkan ke atom lain. Jika silikon dan fosfor digabungkan secara kimia, hasilnya adalah delapan elektron yang stabil dengan tambahan elektron bebas sepanjang perjalanan. Itu tidak bisa pergi, karena terikat pada atom fosfor lainnya, tetapi tidak dibutuhkan oleh silikon. Oleh karena itu, pelat silikon/fosfor baru ini dianggap bermuatan negatif.
Agar listrik dapat mengalir, muatan positif juga harus dibuat. Ini dicapai dengan menggabungkan silikon dengan elemen seperti boron, yang hanya memiliki tiga elektron untuk ditawarkan. Pelat silikon/boron masih memiliki satu tempat tersisa untuk elektron lain. Ini berarti pelat memiliki muatan positif. Kedua pelat diapit bersama di panel, dengan kabel konduktif di antaranya.
Dengan dua pelat di tempatnya, sekarang saatnya untuk memasukkan aspek ‘solar’ dari panel surya. Sinar matahari alami mengirimkan banyak partikel energi yang berbeda, tetapi yang paling kita minati disebut foton. Sebuah foton pada dasarnya bertindak seperti palu yang bergerak. Ketika pelat negatif sel surya diarahkan pada sudut yang tepat terhadap matahari, foton membombardir atom silikon/fosfor.
Akhirnya, elektron ke-9, yang bagaimanapun juga ingin bebas, terlempar dari cincin terluar. Elektron ini tidak bertahan lama, karena pelat silikon/boron positif menariknya ke tempat terbuka pada pita luarnya sendiri. Saat foton matahari melepaskan lebih banyak elektron, listrik dihasilkan. Listrik yang dihasilkan oleh satu sel surya tidak terlalu mengesankan, tetapi ketika semua kabel konduktif menarik elektron bebas dari pelat, ada listrik yang cukup untuk menyalakan motor ampere rendah atau elektronik lainnya. Elektron apa pun yang tidak digunakan atau hilang ke udara dikembalikan ke pelat negatif dan seluruh proses dimulai lagi.
Salah satu masalah utama dengan menggunakan panel surya adalah kecilnya jumlah listrik yang dihasilkan dibandingkan dengan ukurannya. Kalkulator mungkin hanya membutuhkan satu sel surya, tetapi mobil bertenaga surya akan membutuhkan beberapa ribu. Jika sudut panel diubah sedikit saja, efisiensinya bisa turun 50 persen.
Beberapa daya dari panel surya dapat disimpan dalam baterai kimia, tetapi biasanya tidak terlalu banyak kelebihan daya. Sinar matahari yang sama yang menyediakan foton juga memberikan gelombang ultraviolet dan inframerah yang lebih merusak, yang akhirnya menyebabkan panel terdegradasi secara fisik. Panel juga harus terkena elemen cuaca yang merusak, yang juga dapat mempengaruhi efisiensi secara serius.
Banyak sumber juga menyebut panel surya sebagai sel fotovoltaik, yang merujuk pada pentingnya cahaya (foto) dalam pembangkitan tegangan listrik. Tantangan bagi ilmuwan masa depan adalah menciptakan panel yang lebih efisien yang cukup kecil untuk aplikasi praktis dan cukup kuat untuk menciptakan energi berlebih untuk saat-saat ketika sinar matahari tidak tersedia.