Aurinkopaneelit ovat olleet merkittävässä roolissa uusiutuvan energian vallankumouksessa. Ne tarjoavat ekologisen ja kestävän ratkaisun maailman kasvavaan energiantarpeeseen.
Mutta miten ihmeessä auringonvalo muutetaan sähköksi?
Tässä kattava selitys aurinkopaneelien toiminnalle.
Aurinkopaneelien toiminta
Aurinkopaneelit koostuvat pienistä yksiköistä, joita kutsutaan aurinkokennoiksi.
Aurinkokennot ovat yleensä valmistettu piistä, joka on puolijohdemateriaali.
Puolijohdemateriaali on puolestaan sellainen, missä auringon valo muuntuu sähköksi. Kun näitä kennoja on useita, saadaan aurinkoisella säällä luotua sähkövirtaa.
Vaikka tämä selitys riittää varmasti monelle, on aurinkokennojen toiminta fysikaalisesti paljon monimutkaisempi kuin mitä kerroin.
Otetaan siis askel syvemmälle teoriaan.
Valosähköilmiö aiheuttaa sähkövirran
Auringosta tulevat “säteet” ovat fotoneja, jotka kulkevat valonnopeudella. Niiden mukana kulkee paljon energiaa.
Kun fotoni osuu aurinkopaneelissa olevan aurinkokennon pintaan, se irroittaa elektroneja. Tämä ilmiö on nimeltään valosähköilmiö, joka aiheuttaa sähkövirran (eli elektronien liikkeen) aurinkokennossa.
Tässä havainnollistava kuva:
Mutta tämäkään ei vielä ihan täysin selitä koko ilmiötä. Tarkastellaan tilannetta vielä hieman tarkemmin käytetyn materiaalin näkökulmasta.
Puolijohteet sähkökennoissa
Aurinkokennossa käytetty materiaali ei ole mitä tahansa materiaalia, vaan kyseessä on puolijohde.
Aurinkokennoissa käytetään itse asiassa kahta puolijohdemateriaalia: n-tyyppiä ja p-tyyppiä.
- N-tyypin (negative) puolijohteet ovat materiaalia, jossa elektronit on “löysästi kiinni”.
- P-tyypin (positive) puolijohteet puolestaan sisältävät “elektroninmentäviä aukkoja”, joihin irrotetut elektronit “haluavat” kulkea.
Kun n-tyypin ja p-tyypin puolijohteet liitetään yhteen, niiden rajapinnassa kehittyy varausjakauma. Tämä alue tunnetaan nimellä pn-liitos.
N-tyypin puolelle liitoskohtaan syntyy irronneiden elektronien takia positiivinen varaus. P-tyypin liitoskohtaan syntyy samaan tapaan negatiivinen varaus.
Nämä varaukset vetävät elektroneja n-puolelta p-puolelle. Mutta koska pn-liitos on vahva, elektronit eivät suoraan hypi n-tyypistä p-tyyppiin, vaan helpoin reitti on kulkea sähköjohdon kautta.
Tässä tarkempi havainnollistava kuva:
Toisin sanoen, p-tyypin materiaali “imee” auringon irroittamat elektronit sähköjohtojen kautta. Tämä elektronien virta on sähköä, jolla voidaan vaikka valaista kotia.
Tämä on jo aika hyvä selitys aurinkokennojen toiminnalle.
Toki vielä voisi ottaa useita askelia syvemmälle fysiikan ihmeelliseen maailmaan.
Esimerkiksi aurinkokennon n-tyypin materiaalissa elektronit eivät ole varsinaisesti “löysästi kiinni”. Elektronit ovat oikeastaan virittyneitä valenssivyölle, ja auringosta tuleva fotoni virittää johtavuusvyölle.
Mutta tämä rupeaa menemään jo materiaalifysiikan ja kvanttimekaniikan puolelle, joten lienee järkevintä jättää tarina tähän.
Aurinkopaneelien käyttökohteet
Aurinkopaneelit ovat monipuolisia ja niitä voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa:
- Kotitaloudet: Yksityiset taloudet voivat asentaa aurinkopaneeleja katolle tai maahan, vähentäen sähkölaskuja ja hiilijalanjälkeä.
- Teollisuus: Suuremmassa mittakaavassa aurinkopaneeleita käytetään teollisuuden tarpeisiin, esimerkiksi tehdasalueilla tai suurissa aurinkoenergiapuistoissa.
- Kaukoalueet: Alueilla, joille sähköverkon rakentaminen on haastavaa, aurinkopaneelit tarjoavat kestävän ja riippumattoman energiaratkaisun.
Tulevaisuuden näkymät
Aurinkopaneelien teknologia kehittyy jatkuvasti, ja tulevaisuudessa voimme odottaa entistä tehokkaampia ja edullisempia ratkaisuja.
Innovatiiviset tutkimukset, kuten orgaaniset aurinkokennot ja perovskiittikennot, lupaavat mullistaa alaa entisestään.
Yhteenveto
Aurinkopaneelit toimivat valosähköilmiöllä. Auringosta tulevat fotonit irroittavat elektroneja, jotka kulkeutuvat kennossa puolijohteiden välillä sähköjohtoja pitkin muodostaen sähkövirran.
