Ne glede na to, ali gre za kalkulator na sončno energijo ali mednarodno vesoljsko postajo, sončni paneli proizvajajo električno energijo po enakih principih elektronike kot kemične baterije ali standardne električne vtičnice. Pri solarnih panelih gre za prosti pretok elektronov skozi vezje.
Če želite razumeti, kako te plošče proizvajajo električno energijo, bi lahko pomagalo, da se na hitro vrnete v srednji šolski pouk kemije. Osnovni element sončnih kolektorjev je isti element, ki je pomagal ustvariti računalniško revolucijo – čisti silicij. Ko je silicij očiščen vseh nečistoč, je idealna nevtralna platforma za prenos elektronov. Silicij ima tudi nekaj lastnosti na atomski ravni, zaradi česar je še bolj privlačen za ustvarjanje sončnih kolektorjev.
Atomi silicija imajo v svojih zunanjih pasovih prostor za osem elektronov, v naravnem stanju pa nosijo le štiri. To pomeni, da je prostor za še štiri elektrone. Če en atom silicija pride v stik z drugim atomom silicija, vsak prejme štiri elektrone drugega atoma. To ustvari močno vez, vendar ni pozitivnega ali negativnega naboja, ker osem elektronov zadovoljuje potrebe atomov. Atomi silicija se lahko več let združujejo, da nastane velik kos čistega silicija. Ta material se uporablja za oblikovanje plošč plošč.
Tukaj znanost vstopi v sliko. Dve plošči iz čistega silicija ne bi proizvajali električne energije v sončnih kolektorjih, ker nimata pozitivnega ali negativnega naboja. Sončne plošče so ustvarjene s kombiniranjem silicija z drugimi elementi, ki imajo pozitivne ali negativne naboje.
Fosfor ima na primer pet elektronov, ki jih lahko ponudi drugim atomom. Če se silicij in fosfor kemično združita, je rezultat stabilnih osem elektronov z dodatnim prostim elektronom za vožnjo. Ne more oditi, ker je vezan na druge atome fosforja, vendar ga silicij ne potrebuje. Zato velja, da je ta nova silicijeva/fosforjeva plošča negativno nabita.
Za pretok električne energije je treba ustvariti tudi pozitiven naboj. To dosežemo s kombinacijo silicija z elementom, kot je bor, ki ima na voljo le tri elektrone. Silicijeva/borova plošča ima še eno mesto za drugega elektrona. To pomeni, da ima plošča pozitiven naboj. Obe plošči sta stisnjeni skupaj v plošče, med njimi pa potekajo prevodne žice.
Ko sta plošči nameščeni, je zdaj čas, da vnesemo “sončni” vidik sončnih kolektorjev. Naravna sončna svetloba oddaja veliko različnih delcev energije, a tisti, ki nas najbolj zanima, se imenuje foton. Foton v bistvu deluje kot premikajoče se kladivo. Ko so negativne plošče sončnih celic usmerjene pod ustreznim kotom proti soncu, fotoni bombardirajo atome silicija/fosforja.
Sčasoma se 9. elektron, ki tako ali tako želi biti prost, zbije z zunanjega obroča. Ta elektron ne ostane dolgo prost, saj ga pozitivna silicijeva/borova plošča potegne v odprto mesto na svojem zunanjem pasu. Ko sončni fotoni odtrgajo več elektronov, nastane elektrika. Električna energija, ki jo ustvari ena sončna celica, ni zelo impresivna, a ko vse prevodne žice odvlečejo proste elektrone stran od plošč, je elektrike dovolj za napajanje motorjev z nizko amperažo ali druge elektronike. Ne glede na to, kateri elektroni se ne uporabijo ali izgubijo v zraku, se vrnejo na negativno ploščo in celoten proces se začne znova.
Ena glavnih težav pri uporabi sončnih kolektorjev je majhna količina električne energije, ki jo proizvedejo v primerjavi z njihovo velikostjo. Kalkulator bi morda zahteval samo eno sončno celico, toda avto na sončni pogon bi potreboval več tisoč. Če se naklon plošč še nekoliko spremeni, lahko izkoristek pade za 50 odstotkov.
Nekaj energije iz sončnih kolektorjev je mogoče shraniti v kemičnih baterijah, vendar običajno ni veliko presežne energije. Ista sončna svetloba, ki zagotavlja fotone, zagotavlja tudi bolj uničujoče ultravijolične in infrardeče valove, ki sčasoma povzročijo, da se plošče fizično razgradijo. Plošče morajo biti izpostavljene tudi uničujočim vremenskim vplivom, ki lahko tudi resno vplivajo na učinkovitost.
Številni viri omenjajo sončne celice tudi kot fotonapetostne celice, kar navaja pomen svetlobe (fotografije) pri ustvarjanju električne napetosti. Izziv za bodoče znanstvenike bo ustvariti učinkovitejše plošče, ki so dovolj majhne za praktično uporabo in dovolj zmogljive, da ustvarijo odvečno energijo v času, ko sončna svetloba ni na voljo.