Päikesepaneelid, tuntud ka kui "päikeselaastud" või "fotoelemendid" ja "päikesepatareid", on fotoelektrilised pooljuhid, mis kasutavad päikeseenergiat otse elektri tootmiseks. Seade, mis muundab päikeseenergia otse elektrienergiaks fotoelektrilise efekti või fotokeemilise efekti kaudu. Füüsikas nimetatakse seda fotogalvaaniliseks (fotogalvaaniliseks, lühendatult PV-ks) või lühidalt fotogalvaaniliseks. Üksikuid päikeseelemente ei saa kasutada otse toiteallikatena. Toiteallikana kasutamiseks peavad mitmed üksikud päikesepatareid olema ühendatud seeriatena ja paralleelselt ning tihedalt suletud komponentideks. Selle tööpõhimõte on lihtsalt see, et päikesepaneelid neelavad päeva jooksul päikeseenergiat ja muudavad selle elektrienergiaks ja salvestavad selle akusse ning aku toidab päikeseenergia tänavavalgustust öösel. Miks päikesepaneelid toodavad elektrit päikesepaistelistes tingimustes?
Päikesepaneelid kasutavad tavaliselt seadmeid, mis reageerivad valgusele ja võivad muuta päikeseenergia elektrienergiaks. Kõige tavalisem materjal on räni, mis on üks kõige rikkalikumaid materjale maa peal. Sellel on pooljuhtide omadused, mis panevad aluse päikesepaneelide fotoelektrilisele muundamisprotsessile.
Kuid esimene asi, mida mõista, on see, et puhta räni juhtivus on väga halb ja puuduvad elektronid, mis võivad kristallstruktuuris vabalt liikuda. Selle juhtivuse suurendamiseks on puhas räni tavaliselt dopeeritud jälgede lisanditega, et suurendada selle juhtivust. Selle omaduse kohaselt saab teha erinevaid juhtivaid seadmeid.
Päikeseenergia tänavavalgustuse päikesepaneelide valmistamiseks kasutatava räni puhul lisatakse tavaliselt fosforit või boori. Boori lisamisel moodustab ränikristall augu. Kuna algset räniaatomit ümbritseb 4 elektroni ja booriaatomit ümbritseb ainult 3 elektroni, tekivad augud ka siis, kui see on dopeeritud algsesse kristallstruktuuri. Ilma elektronideta on see auk väga ebastabiilne ja neelab kergesti teisi elektrone, et moodustada P-tüüpi pooljuht.
Kui fosfori lisandid dopeeritakse ränikristallideks, sest fosforiaatomite ümber on 5 elektroni, on lisaelektron väga aktiivne, moodustades N-tüüpi pooljuhi. P-tüüpi pooljuhtides on palju auke ja N-tüüpi pooljuhtides on palju aktiivseid vabu elektrone. Kui need kaks kontakti, leiavad need vabad elektronid augud ja täidavad need. Nende kahe vaheline kontaktpind moodustab potentsiaalse erinevuse, st PN-ristmiku. P-tüüpi pool on positiivselt ja negatiivselt laetud ning N-tüüpi pool on positiivselt laetud.
Valguse vastuvõtmisel kantakse valguses sisalduv energia pooljuhti. See energia lõdvendab elektronide struktuuri ja liigub vabalt. Seda seetõttu, et päikeseenergia võtab ära elektronid ja augud. Tavaolukorras vabastab teatud energiaga footon elektroni, mis lihtsalt juhtub moodustama vaba augu. Kui see juhtub just kontaktpinna lähedal ja sisseehitatud elektrivälja meelitamisel voolavad elektronid n-tsooni ja augud voolavad P-tsooni, moodustades voolu N-tüüpi tsoonist P-tüüpi tsooni. Moodustub aku elektrijaam. Elektrit moodustab pinge, mida kasutatakse laadimiseks.
Siiski tuleb märkida, et pooljuhid ei ole head elektrijuhid ja elektronid voolavad läbi P-N ristmiku ja seejärel voolavad pooljuhis, mis põhjustab palju kadu. Seetõttu on ülemine kiht tavaliselt kaetud metalliga. Siiski, kui see on täielikult värvitud, põhjustab see päikesevalguse läbikukkumist. Tavaolukorras kasutatakse P-N ristmiku katmiseks metallvõrku. Teine asi, mida tuleb märkida, on see, et räni pind on väga peegeldav. Kui seda ei töödelda, peegeldub suur hulk päikesevalgust. Selle probleemi lahendamiseks lisab päikeseenergia tänavavalgustuse tootja päikesepaneelile tavaliselt madala peegelduskoefitsiendiga kaitsekile kihi. Peegeldusest põhjustatud kahju kontrollitakse 5% piires.
