Mitől működnek ezek az alternatív energiaforrások?
A napelemek megkoronázzák a háztetőket és az út menti táblákat, és segítenek megőrizni az űrhajók áramellátását. De hogyan működnek a napelemek?
Egyszerűen fogalmazva: a Minnesota Duluth Egyetem szerint a napelemek úgy működnek, hogy lehetővé teszik a fotonok vagy fényrészecskék számára, hogy az elektronokat kiszabadítsák az atomokból, elektromos áramot generálva. A napelemek valójában sok kisebb egységből állnak, úgynevezett fotovoltaikus cellákból – ez azt jelenti, hogy a napfényt elektromos árammá alakítják. Sok egymáshoz kapcsolódó cella alkot egy napelemet.
Mindegyik fotovoltaikus cella alapvetően egy szendvics, amely két szelet félvezető anyagból áll. A Proceedings National Graduate Conference 2012 szerint, a fotovoltaikus cellák általában szilíciumból készülnek – ugyanaz, mint a mikroelektronikában.
A fotovoltaikus cellák működéséhez elektromos mezőt kell létrehozniuk. Hasonlóan a mágneses térhez, amely ellentétes pólusok miatt jön létre, elektromos tér akkor jön létre, amikor az ellentétes töltéseket elválasztják. Ennek a mezőnek a megszerzése érdekében a gyártók a szilíciumot más anyagokkal „doptatják”, így a szendvics minden szeletének pozitív vagy negatív elektromos töltése van.
Az American Chemical Society szerint konkrétan a szilícium felső rétegébe juttatják a foszfort, amely negatív töltésű extra elektronokat ad ehhez a réteghez. Eközben az alsó réteg egy adag bórt kap, ami kevesebb elektront vagy pozitív töltést eredményez. Mindez elektromos mezőt ad a szilíciumrétegek találkozásánál. Majd, amikor a napfény fotonja kiszabadít egy elektront, az elektromos tér kiszorítja azt a szilícium-csatlakozásból.
A cella néhány másik összetevője ezeket az elektronokat hasznosítható energiává alakítja. Az Energiahatékonysági és Megújuló Energia Hivatal (EERE) szerint a cella oldalain található fém vezetőképes lemezek összegyűjtik az elektronokat, és vezetékekre továbbítják. Ezen a ponton az elektronok úgy áramolhatnak, mint bármely más elektromos áramforrás.
A kutatók ultravékony, rugalmas napelemeket állítottak elő, amelyek mindössze 1,3 mikron vastagok – az emberi hajszál szélességének körülbelül 1/100-a –, és húszszor könnyebbek, mint egy irodai papírlap. Valójában a cellák olyan könnyűek, hogy képesek megülni egy szappanbuborék tetején, mégis körülbelül olyan hatékonysággal termelnek energiát, mint az üvegalapú napelemek – számoltak be a tudósok az Organic Electronics folyóiratban 2016-ban megjelent tanulmányukból. Az ehhez hasonló könnyebb, rugalmasabb napelemek integrálhatók az építészetbe, az űrtechnológiába vagy akár a hordható elektronikába.
Léteznek más típusú napenergia-technológiák is – beleértve a szoláris hőenergiát és a koncentrált napenergiát (CSP) –, amelyek más módon működnek, mint a fotovoltaikus napelemek, de mindegyik a napfény erejét áramtermelésre, víz vagy levegő melegítésére használja fel.
