Neatkarīgi no tā, vai tie ir uzstādīti ar saules enerģiju darbināmā kalkulatorā vai starptautiskā kosmosa stacijā, saules paneļi ražo elektroenerģiju, izmantojot tādus pašus elektronikas principus kā ķīmiskās baterijas vai standarta elektrības kontaktligzdas. Izmantojot saules paneļus, tas viss ir saistīts ar elektronu brīvu plūsmu caur ķēdi.
Lai saprastu, kā šie paneļi ražo elektroenerģiju, varētu palīdzēt ātri atgriezties vidusskolas ķīmijas klasē. Saules paneļu pamatelements ir tas pats elements, kas palīdzēja radīt datora revolūciju — tīrs silīcijs. Kad silīcijs ir attīrīts no visiem piemaisījumiem, tas veido ideālu neitrālu platformu elektronu pārraidei. Silīcijam ir arī dažas atomu līmeņa īpašības, kas padara to vēl pievilcīgāku saules paneļu izveidei.
Silīcija atomu ārējās joslās ir vieta astoņiem elektroniem, bet dabiskajā stāvoklī tie pārvadā tikai četrus. Tas nozīmē, ka ir vieta vēl četriem elektroniem. Ja viens silīcija atoms saskaras ar citu silīcija atomu, katrs saņem otra atoma četrus elektronus. Tas rada spēcīgu saiti, bet nav pozitīva vai negatīva lādiņa, jo astoņi elektroni apmierina atomu vajadzības. Silīcija atomi var apvienoties gadiem ilgi, veidojot lielu tīra silīcija gabalu. Šo materiālu izmanto paneļu plākšņu veidošanai.
Lūk, kur zinātne ienāk attēlā. Divas tīra silīcija plāksnes neradotu elektrību saules paneļos, jo tām nav pozitīva vai negatīva lādiņa. Saules paneļi tiek radīti, apvienojot silīciju ar citiem elementiem, kuriem ir pozitīvi vai negatīvi lādiņi.
Piemēram, fosforam ir pieci elektroni, ko piedāvāt citiem atomiem. Ja silīcijs un fosfors tiek ķīmiski apvienoti, rezultāts ir stabili astoņi elektroni ar papildu brīvu elektronu līdzi braucienam. Tas nevar iziet, jo ir saistīts ar citiem fosfora atomiem, bet silīcijam tas nav vajadzīgs. Tāpēc šī jaunā silīcija/fosfora plāksne tiek uzskatīta par negatīvi lādētu.
Lai elektrība plūstu, jārada arī pozitīvs lādiņš. Tas tiek panākts, apvienojot silīciju ar tādu elementu kā bors, kuram ir tikai trīs elektroni. Silīcija/bora plāksnē joprojām ir viena vieta citam elektronam. Tas nozīmē, ka plāksnei ir pozitīvs lādiņš. Abas plāksnes ir iestiprinātas kopā paneļos, un starp tām atrodas vadoši vadi.
Kad abas plāksnes ir novietotas vietā, tagad ir pienācis laiks ieviest saules paneļu “saules” aspektu. Dabiskā saules gaisma izdala daudzas dažādas enerģijas daļiņas, bet to, kas mūs visvairāk interesē, sauc par fotonu. Fotons būtībā darbojas kā kustīgs āmurs. Kad saules bateriju negatīvās plāksnes ir vērstas pareizā leņķī pret sauli, fotoni bombardē silīcija/fosfora atomus.
Galu galā 9. elektrons, kurš tik un tā vēlas būt brīvs, tiek notriekts no ārējā gredzena. Šis elektrons ilgi nepaliek brīvs, jo pozitīvā silīcija/bora plāksne to ievelk savas ārējās joslas atvērtajā vietā. Saules fotoniem atdalot vairāk elektronu, rodas elektrība. Viena saules baterijas saražotā elektrība nav īpaši iespaidīga, taču, kad visi vadošie vadi izvelk brīvos elektronus no plāksnēm, elektrības pietiek, lai darbinātu zema strāvas stipruma motorus vai citu elektroniku. Neatkarīgi no elektroniem, kas netiek izmantoti vai pazaudēti gaisā, tiek atgriezti negatīvajā plāksnē, un viss process sākas no jauna.
Viena no galvenajām problēmām, lietojot saules paneļus, ir nelielais elektroenerģijas daudzums, ko tie saražo salīdzinājumā ar to izmēru. Kalkulatoram varētu būt nepieciešama tikai viena saules baterija, bet ar saules enerģiju darbināmai automašīnai būtu nepieciešami vairāki tūkstoši. Ja paneļu leņķi kaut nedaudz maina, efektivitāte var samazināties par 50 procentiem.
Daļu enerģijas no saules paneļiem var uzglabāt ķīmiskajās baterijās, taču parasti jaudas pārpalikums nav daudz. Tā pati saules gaisma, kas nodrošina fotonus, nodrošina arī destruktīvākus ultravioletos un infrasarkanos viļņus, kas galu galā izraisa paneļu fizisku noārdīšanos. Paneļi ir jāpakļauj arī postošiem laikapstākļiem, kas arī var nopietni ietekmēt efektivitāti.
Daudzi avoti saules paneļus dēvē arī par fotoelementiem, kas norāda uz gaismas (fotoattēlu) nozīmi elektriskā sprieguma radīšanā. Nākamo zinātnieku izaicinājums būs izveidot efektīvākus paneļus, kas ir pietiekami mazi praktiskiem lietojumiem un pietiekami jaudīgi, lai radītu lieko enerģiju brīžos, kad saules gaisma nav pieejama.