Šiame tinklaraščio įraše nagrinėjama, ar saulės elementai gali būti alternatyvus sprendimas per didelio išteklių vartojimo ir energijos išeikvojimo problemoms.
Įsivaizduokite Žemę be saulės. Žemė taptų nederlinga planeta, kurioje negalėtų egzistuoti jokia gyvybė. Nuo pat Žemės atsiradimo saulė nuolat siunčia milžiniškus šviesos energijos kiekius į mūsų planetą. Beveik visa gyvybė Žemėje klesti energija, sukaupta augalų fotosintezės metu. Net nafta, plačiausiai žmonijos naudojamas energijos šaltinis, yra seniai negyvų organizmų, per amžius transformavusiųsi Žemės gelmėse, rezultatas. Šiuolaikinė civilizacija pernelyg eikvoja ir eikvoja išteklius, kurie yra sukaupta saulės energija. Jei visi energijos šaltiniai išeikvotų, iš kur žmonija gautų energijos? Ar negalėtume tiesiogiai panaudoti šviesos energijos, sklindančios iš Saulės net ir šią akimirką? Atsakymas slypi saulės elementuose.
Saulės elementai yra įrenginiai, kurie Saulės šviesos energiją paverčia elektra. Tarp jų silicio saulės elementai šiuo metu yra plačiausiai naudojami dėl didelio efektyvumo, santykinai mažos kainos ir paprastos gamybos. Silicio saulės elemento struktūra yra gana paprasta, ją sudaro tik dviejų tipų sujungti silicio puslaidininkiai. Taigi, kaip silicio puslaidininkis paverčia šviesą elektra? Paslaptis slypi silicio elektronuose. Stabilioje būsenoje elektronai yra susieti su atomo branduoliu ir negali laisvai judėti. Tačiau kai elektronas sugeria energiją ir susijaudina, jis įgyja gebėjimą laisvai judėti. Šie įkrauti elektronai vadinami laisvaisiais elektronais. Šviesa perneša energiją. Kai šviesa susiduria su elektronais medžiagos viduje, elektronai sugeria šią energiją ir tampa laisvaisiais elektronais. Šie laisvieji elektronai tada keliauja elektros grandine, tiekdami energiją ten, kur jos reikia. Todėl saulės elementą galima laikyti savotišku siurbliu. Saulės šviesa veikia kaip siurblys, pakeldama elektronus ir sukurdama srovę, kuri atlieka darbą.
Tai kelia klausimą: kadangi elektronai egzistuoja visuose atomuose, ar kokia nors medžiaga gali gaminti elektrą tiesiog prijungdama elektrodus ir palikdama juos saulės šviesoje? Deja, ne. Problema ta, kad energijos skirtumas tarp stabilių elektronų ir sužadintų elektronų skiriasi priklausomai nuo medžiagos, o tai reiškia, kad šviesos energija, kurią jie gali sugerti, skiriasi. Kitaip tariant, siurblio aukštis skiriasi priklausomai nuo medžiagos. Šviesą galima suskirstyti į įvairius tipus pagal jos energiją. Tarp jų infraraudonoji ir matoma šviesa sudaro didelę saulės šviesos dalį. Todėl saulės elementai turi efektyviai sugerti infraraudonąją ir matomą šviesą. Tačiau siurblio aukštis izoliatoriuose yra per didelis, todėl saulė negali visiškai pakelti elektronų į viršų. Ir atvirkščiai, laidininkų siurblio aukštis yra per mažas, todėl jie sugeria mažesnės energijos šviesą, o ne infraraudonąją ir matomą šviesą, todėl jie yra labai neefektyvūs. Tačiau silicis, būdamas puslaidininkis, turi energijos poreikį elektronų kaupinimui, kuris yra tarp laidininkų ir izoliatorių. Tai leidžia jam efektyviai sugerti ir infraraudonąją, ir matomą šviesą. Silicį galima laikyti siurbliu, kurio aukštis yra tinkamas ir idealiai atitinka saulės šviesos energiją.
Taigi, ar saulės elementus galima pagaminti vien iš silicio? Deja, vien elektronų pumpavimo aukštyn nepakanka. Kaip pumpuojamas vanduo yra nenaudingas, jei jis nuteka žemyn nepasiekęs numatytos paskirties, taip ir energiją sugeriantys bei sužadinti elektronai yra nenaudingi, jei negali patekti į grandinę. Todėl reikalingas tinkamas kelias pumpuojamiems elektronams transportuoti. Būtent todėl yra sujungti dviejų tipų silicio puslaidininkiai – p tipo ir n tipo.
Silicio atomai turi keturis elektronus, dalyvaujančius jungtyje. Du atomai kiekvienas prisideda prie vieno elektrono, kad sudarytų ryšį, taigi vienas atomas sudaro keturis ryšius, kad sukurtų kristalą. Tačiau jei kai kurie silicio atomai pakeičiami tokiais atomais kaip fosforas (P), kurie turi penkis elektronus, dalyvaujančius jungtyje, likęs vienas elektronas tampa laisvu elektronu, kuris gali judėti bet kur. Puslaidininkis su daugeliu tokių laisvųjų elektronų vadinamas n tipo puslaidininkiu. Kita vertus, jei kai kurie silicio atomai pakeičiami tokiais atomais kaip boras (B), kurie prie ryšio prisideda prie trijų elektronų, trūkstamo elektrono vietoje susidaro skylė. Ši skylė gali judėti kaip dalelė; įsivaizduojant stumdomą dėlionę, ją lengviau suprasti. Stumdoma dėlionė turi vieną tuščią angą. Kai dėlionės detalė įslenka į šią angą, jos palikta vieta vėl tampa tuščia. Panašiai, kai šalia skylės esantis elektronas juda, kad ją užpildytų, skylė atrodo pasislenka į vietą, kurią užėmė elektronas. Puslaidininkis su daugeliu tokių skylių vadinamas p tipo puslaidininkiu.
Ir n tipo, ir p tipo puslaidininkiai patys savaime yra elektriškai neutralūs. Tačiau, susijungę sandūroje, laisvieji n tipo puslaidininkio elektronai užpildo p tipo puslaidininkio skyles. Dėl to n tipo puslaidininkio pusė įgyja teigiamą krūvį (+), o p tipo puslaidininkio pusė – neigiamą krūvį (-). Šioje sandūroje, kai elektronai sugeria šviesą ir yra sužadinami, laisvieji elektronai ir skylės atsiskiria. Neigiamai įkrauti laisvieji elektronai juda link n tipo puslaidininkio, o teigiamai įkrautos skylės juda link p tipo puslaidininkio. Elektronai, judantys per n tipo puslaidininkio elektrodą, keliauja į išorinę grandinę atlikti darbo, o tada grįžta per p tipo puslaidininkio teigiamą elektrodą, kad rekombinuotų su skylėmis.
Saulė be perstojo tieks pakankamai šviesos energijos iki pat žmonijos žūties dienos. Saulės elementai, kurie panaudoja šią energiją elektrai gaminti, yra tikras svajonių energijos šaltinis. Saulės elementų gamybos metodas yra paprastesnis, nei galima pamanyti. Viskas, ko reikia, yra silicis, kuris veikia kaip siurblys elektronams pritraukti, ir pn sandūra, kuri tarnauja kaip kanalas elektronams perkelti į grandinę. Ne tik silicio saulės elementams, bet ir visiems kitiems saulės elementams reikia tik tinkamo siurblio ir kanalo. Turėdamas vos šiek tiek medžiagų inžinerijos žinių, kiekvienas galėtų sukurti naują, novatorišką saulės elementą ir prisidėti prie žmonijos išgelbėjimo.
