Oavsett om det är på en soldriven kalkylator eller en internationell rymdstation, genererar solpaneler elektricitet med samma principer för elektronik som kemiska batterier eller vanliga eluttag. Med solpaneler handlar det om det fria flödet av elektroner genom en krets.
För att förstå hur dessa paneler genererar elektrisk kraft kan det hjälpa att ta en snabb resa tillbaka till gymnasiets kemiklass. Grundelementet i solpaneler är samma element som hjälpte till att skapa datorrevolutionen – rent kisel. När kisel avlägsnas från alla föroreningar, är det en idealisk neutral plattform för överföring av elektroner. Kisel har också vissa egenskaper på atomnivå som gör det ännu mer attraktivt för att skapa solpaneler.
Kiselatomer har plats för åtta elektroner i sina yttre band, men bär bara fyra i sitt naturliga tillstånd. Det betyder att det finns plats för ytterligare fyra elektroner. Om en kiselatom kommer i kontakt med en annan kiselatom, får var och en den andra atomens fyra elektroner. Detta skapar en stark bindning, men det finns ingen positiv eller negativ laddning eftersom de åtta elektronerna tillfredsställer atomernas behov. Kiselatomer kan kombineras i flera år för att resultera i en stor bit rent kisel. Detta material används för att bilda panelernas plattor.
Här kommer vetenskapen in i bilden. Två plattor av rent kisel skulle inte generera elektricitet i solpaneler, eftersom de inte har någon positiv eller negativ laddning. Solpaneler skapas genom att kombinera kisel med andra element som har positiva eller negativa laddningar.
Fosfor, till exempel, har fem elektroner att erbjuda andra atomer. Om kisel och fosfor kombineras kemiskt blir resultatet stabila åtta elektroner med en extra fri elektron med på resan. Den kan inte lämna, eftersom den är bunden till de andra fosforatomerna, men den behövs inte av kislet. Därför anses denna nya kisel/fosforplatta vara negativt laddad.
För att elektriciteten ska flöda måste också en positiv laddning skapas. Detta uppnås genom att kombinera kisel med ett grundämne som bor, som bara har tre elektroner att erbjuda. En kisel/borplatta har fortfarande en plats kvar för en annan elektron. Detta betyder att plattan har en positiv laddning. De två plattorna är inklämda i panelerna, med ledande ledningar som löper mellan dem.
Med de två plattorna på plats är det nu dags att ta in ”solenergi”-aspekten av solpaneler. Naturligt solljus skickar ut många olika energipartiklar, men den vi är mest intresserade av kallas en foton. En foton fungerar i princip som en rörlig hammare. När solcellernas negativa plattor pekar i rätt vinkel mot solen, bombarderar fotoner kisel-/fosforatomerna.
Så småningom slås den 9:e elektronen, som vill vara fri ändå, av den yttre ringen. Denna elektron förblir inte fri länge, eftersom den positiva kisel/borplattan drar in den i den öppna platsen på sitt eget yttre band. När solens fotoner bryter av fler elektroner genereras elektricitet. Elektriciteten som genereras av en solcell är inte särskilt imponerande, men när alla ledande ledningar drar de fria elektronerna bort från plattorna, finns det tillräckligt med elektricitet för att driva motorer med låg strömstyrka eller annan elektronik. Alla elektroner som inte används eller förloras till luften återförs till den negativa plattan och hela processen börjar igen.
Ett av de största problemen med att använda solpaneler är den lilla mängd el de genererar jämfört med sin storlek. En miniräknare kräver kanske bara en solcell, men en soldriven bil skulle kräva flera tusen. Om vinkeln på panelerna ändras ens något kan effektiviteten sjunka med 50 procent.
En del ström från solpaneler kan lagras i kemiska batterier, men det finns vanligtvis inte mycket överskottskraft i första hand. Samma solljus som ger fotoner ger också mer destruktiva ultravioletta och infraröda vågor, som så småningom gör att panelerna försämras fysiskt. Panelerna ska också utsättas för destruktiva väderelement, vilket också kan påverka effektiviteten allvarligt.
Många källor hänvisar också till solpaneler som fotovoltaiska celler, vilket hänvisar till vikten av ljus (foton) vid generering av elektrisk spänning. Utmaningen för framtida forskare blir att skapa mer effektiva paneler som är tillräckligt små för praktiska tillämpningar och tillräckligt kraftfulla för att skapa överskottsenergi för tillfällen då solljus inte är tillgängligt.