Τα ηλιακά πάνελ, γνωστά και ως "ηλιακά τσιπ" ή "φωτοκύτταρα" και "ηλιακά κύτταρα", είναι φωτοηλεκτρικά φύλλα ημιαγωγών που χρησιμοποιούν ηλιακό φως για να παράγουν απευθείας ηλεκτρική ενέργεια. Μια συσκευή που μετατρέπει απευθείας την ηλιακή φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοηλεκτρικού ή φωτοχημικού φαινομένου. Στη φυσική, ονομάζεται φωτοβολταϊκό (Photovoltaic, συντομογραφία PV) ή φωτοβολταϊκό για συντομία. Τα μεμονωμένα ηλιακά κύτταρα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως πηγές ενέργειας. Για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας, πολλά μεμονωμένα ηλιακά κύτταρα πρέπει να είναι συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα και ερμητικά σφραγισμένα σε εξαρτήματα. Η αρχή λειτουργίας του είναι απλώς ότι τα ηλιακά πάνελ απορροφούν την ηλιακή ενέργεια φωτός κατά τη διάρκεια της ημέρας και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια και την αποθηκεύουν στην μπαταρία, και η μπαταρία τροφοδοτεί το φως του δρόμου τη νύχτα. Γιατί λοιπόν τα ηλιακά πάνελ παράγουν ηλεκτρισμό σε ηλιόλουστες συνθήκες;
Τα ηλιακά πάνελ γενικά χρησιμοποιούν συσκευές που ανταποκρίνονται στο φως και μπορούν να μετατρέψουν την ηλιακή φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική. Το πιο κοινό υλικό είναι το πυρίτιο, το οποίο είναι ένα από τα πιο άφθονα υλικά στη γη. Διαθέτει ημιαγωγικά χαρακτηριστικά, που θέτει τις βάσεις για τη διαδικασία φωτοηλεκτρικής μετατροπής των ηλιακών συλλεκτών.
Αλλά το πρώτο πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι η αγωγιμότητα του καθαρού πυριτίου είναι πολύ φτωχή και δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια που να μπορούν να κινούνται ελεύθερα στην κρυσταλλική δομή. Για να ενισχυθεί η αγωγιμότητά του, το καθαρό πυρίτιο συνήθως εμποτίζεται με ίχνη ακαθαρσιών για να ενισχυθεί η αγωγιμότητά του. Σύμφωνα με αυτό το χαρακτηριστικό, μπορούν να κατασκευαστούν διαφορετικές αγώγιμες συσκευές.
Για το πυρίτιο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλιακών πλαισίων ηλιακής ενέργειας φως του δρόμου, συνήθως προστίθεται φώσφορος ή βόριο. Όταν προστεθεί βόριο, ο κρύσταλλος του πυριτίου θα σχηματίσει μια τρύπα. Επειδή το αρχικό άτομο πυριτίου περιβάλλεται από 4 ηλεκτρόνια και το άτομο βορίου περιβάλλεται από μόνο 3 ηλεκτρόνια, θα δημιουργηθούν επίσης οπές όταν προστεθεί στην αρχική κρυσταλλική δομή. Χωρίς ηλεκτρόνια, αυτή η οπή είναι πολύ ασταθής και απορροφά εύκολα άλλα ηλεκτρόνια για να σχηματίσει έναν ημιαγωγό τύπου Ρ.
Όταν οι ακαθαρσίες του φωσφόρου προστίθενται σε κρυστάλλους πυριτίου, επειδή υπάρχουν 5 ηλεκτρόνια γύρω από τα άτομα του φωσφόρου, το επιπλέον ηλεκτρόνιο θα είναι πολύ ενεργό, σχηματίζοντας έναν ημιαγωγό τύπου Ν. Υπάρχουν πολλές οπές σε ημιαγωγούς τύπου P και υπάρχουν πολλά ενεργά ελεύθερα ηλεκτρόνια σε ημιαγωγούς τύπου Ν. Όταν οι δύο έρχονται σε επαφή, αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα βρουν τρύπες και θα τις γεμίσουν. Η επιφάνεια επαφής μεταξύ των δύο θα σχηματίσει μια διαφορά δυναμικού, δηλαδή μια διασταύρωση PN. Η πλευρά τύπου Ρ είναι θετικά και αρνητικά φορτισμένη και η πλευρά τύπου Ν είναι θετικά φορτισμένη.
Όταν ληφθεί φως, η ενέργεια που περιέχεται στο φως θα μεταφερθεί στον ημιαγωγό. Αυτή η ενέργεια θα χαλαρώσει τη δομή των ηλεκτρονίων και θα κινηθεί ελεύθερα. Αυτό συμβαίνει επειδή η ηλιακή ενέργεια φωτός θα διαλύσει ηλεκτρόνια και τρύπες. Υπό κανονικές συνθήκες, ένα φωτόνιο με μια συγκεκριμένη ενέργεια θα απελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο τυχαίνει να σχηματίζει μια ελεύθερη οπή. Εάν αυτό συμβεί ακριβώς κοντά στην επιφάνεια επαφής, και όταν έλκονται από το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν στη ζώνη n και οι οπές θα ρέουν στη ζώνη P, σχηματίζοντας ένα ρεύμα από τη ζώνη τύπου N στη ζώνη P- ζώνη τύπου. Το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας της μπαταρίας σχηματίζεται. Η ηλεκτρική ενέργεια σχηματίζεται από την τάση, η οποία χρησιμοποιείται για φόρτιση.
Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι οι ημιαγωγοί δεν είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω της διασταύρωσης PN και στη συνέχεια ρέουν στον ημιαγωγό, γεγονός που θα προκαλέσει πολλές απώλειες. Ως εκ τούτου, το ανώτερο στρώμα είναι συνήθως επικαλυμμένο με μέταλλο. Ωστόσο, εάν είναι πλήρως βαμμένο, θα κάνει το φως του ήλιου να μην περάσει. Υπό κανονικές συνθήκες, χρησιμοποιείται ένα μεταλλικό πλέγμα για την κάλυψη της διασταύρωσης PN. Ένα άλλο πράγμα που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι η επιφάνεια του πυριτίου είναι εξαιρετικά ανακλαστική. Εάν δεν αντιμετωπιστεί, θα αντανακλάται μεγάλη ποσότητα ηλιακού φωτός. Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, ο κατασκευαστής ηλιακών φωτιστικών δρόμου συνήθως προσθέτει ένα στρώμα προστατευτικής μεμβράνης χαμηλού συντελεστή ανάκλασης στο ηλιακό πάνελ. Η απώλεια που προκαλείται από την αντανάκλαση θα ελέγχεται εντός 5 τοις εκατό.
