Che si tratti di un calcolatore a energia solare o di una stazione spaziale internazionale, i pannelli solari generano elettricità utilizzando gli stessi principi dell’elettronica delle batterie chimiche o delle normali prese elettriche. Con i pannelli solari, si tratta del libero flusso di elettroni attraverso un circuito.
Per capire come questi pannelli generano energia elettrica, potrebbe essere utile fare un breve viaggio di ritorno alla lezione di chimica del liceo. L’elemento base dei pannelli solari è lo stesso elemento che ha contribuito a creare la rivoluzione informatica: silicio puro. Quando il silicio viene privato di tutte le impurità, costituisce una piattaforma neutra ideale per la trasmissione di elettroni. Il silicio ha anche alcune proprietà a livello atomico che lo rendono ancora più attraente per la creazione di pannelli solari.
Gli atomi di silicio hanno spazio per otto elettroni nelle loro bande esterne, ma ne trasportano solo quattro nel loro stato naturale. Ciò significa che c’è spazio per altri quattro elettroni. Se un atomo di silicio entra in contatto con un altro atomo di silicio, ciascuno riceve i quattro elettroni dell’altro atomo. Questo crea un forte legame, ma non c’è carica positiva o negativa perché gli otto elettroni soddisfano le esigenze degli atomi. Gli atomi di silicio possono combinarsi per anni per ottenere un grosso pezzo di puro silicio. Questo materiale viene utilizzato per formare le lastre dei pannelli.
È qui che entra in gioco la scienza. Due piastre di puro silicio non genererebbero elettricità nei pannelli solari, perché non hanno carica positiva o negativa. I pannelli solari vengono creati combinando il silicio con altri elementi che hanno cariche positive o negative.
Il fosforo, per esempio, ha cinque elettroni da offrire ad altri atomi. Se silicio e fosforo vengono combinati chimicamente, il risultato è otto elettroni stabili con un ulteriore elettrone libero lungo il percorso. Non può andarsene, perché è legato agli altri atomi di fosforo, ma non è necessario al silicio. Pertanto, questa nuova piastra di silicio/fosforo è considerata carica negativamente.
Affinché l’elettricità possa fluire, deve essere creata anche una carica positiva. Ciò si ottiene combinando il silicio con un elemento come il boro, che ha solo tre elettroni da offrire. Una piastra di silicio/boro ha ancora un punto rimasto per un altro elettrone. Ciò significa che la piastra ha una carica positiva. Le due piastre sono inserite insieme nei pannelli, con fili conduttori che corrono tra di loro.
Con le due piastre in posizione, è giunto il momento di introdurre l’aspetto “solare” dei pannelli solari. La luce solare naturale emette molte diverse particelle di energia, ma quella che ci interessa di più si chiama fotone. Un fotone si comporta essenzialmente come un martello in movimento. Quando le piastre negative delle celle solari sono puntate con un angolo appropriato rispetto al sole, i fotoni bombardano gli atomi di silicio/fosforo.
Alla fine, il nono elettrone, che comunque vuole essere libero, viene espulso dall’anello esterno. Questo elettrone non rimane libero a lungo, poiché la piastra positiva di silicio/boro lo attira nel punto aperto sulla propria banda esterna. Quando i fotoni del sole rompono più elettroni, viene generata elettricità. L’elettricità generata da una cella solare non è molto impressionante, ma quando tutti i fili conduttivi allontanano gli elettroni liberi dalle piastre, c’è abbastanza elettricità per alimentare motori a basso amperaggio o altri dispositivi elettronici. Gli elettroni non utilizzati o persi nell’aria vengono restituiti alla piastra negativa e l’intero processo ricomincia.
Uno dei problemi principali con l’utilizzo dei pannelli solari è la piccola quantità di elettricità che generano rispetto alle loro dimensioni. Un calcolatore potrebbe richiedere solo una singola cella solare, ma un’auto a energia solare ne richiederebbe diverse migliaia. Se l’angolo dei pannelli viene modificato anche leggermente, l’efficienza può diminuire del 50 percento.
Parte dell’energia dei pannelli solari può essere immagazzinata in batterie chimiche, ma di solito non c’è molta energia in eccesso in primo luogo. La stessa luce solare che fornisce i fotoni fornisce anche onde ultraviolette e infrarosse più distruttive, che alla fine causano il degrado fisico dei pannelli. I pannelli devono inoltre essere esposti agli elementi atmosferici distruttivi, che possono anche compromettere seriamente l’efficienza.
Molte fonti si riferiscono ai pannelli solari anche come celle fotovoltaiche, il che fa riferimento all’importanza della luce (foto) nella generazione di tensione elettrica. La sfida per i futuri scienziati sarà quella di creare pannelli più efficienti, abbastanza piccoli per applicazioni pratiche e abbastanza potenti da creare energia in eccesso per i periodi in cui la luce solare non è disponibile.