Τόσο τα ηλιακά κύτταρα όσο και τα φυτά συλλέγουν ενέργεια από το φως του ήλιου. Τα φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα συλλέγουν το ηλιακό φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρισμό. Τα φυτικά φύλλα συλλέγουν το φως του ήλιου και το μετατρέπουν σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια. Και τα ηλιακά κύτταρα και τα εργοστάσια κάνουν την ίδια δουλειά, αλλά το κάνουν με διαφορετικούς τρόπους. Ωστόσο, υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ των δύο προσεγγίσεων. Ένας τύπος ηλιακής κυψέλης έχει σχεδιαστεί ακόμη και για να είναι όσο το δυνατόν πιο παρόμοιος με τη φωτοσύνθεση.
Ενέργεια από το φως
Η ενέργεια στο φως του ήλιου έρχεται ως μικρά δέματα που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια φέρουν το καθένα λίγο ενέργεια. Η ενέργεια ενός μπλε φωτονίου είναι υψηλότερη από την ενέργεια ενός κόκκινου φωτονίου. Αυτό είναι σημαντικό γιατί τόσο τα ηλιακά κύτταρα όσο και τα φυτά μπορούν να απορροφήσουν το ηλιακό φως μόνο εάν η ενέργεια είναι σωστή. Όταν ένα υλικό απορροφά το φως του ήλιου, τα φωτόνια στο φως μεταφέρουν την ενέργειά τους σε ηλεκτρόνια στο υλικό. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια μόνο σε στενό εύρος, επομένως ένα δεδομένο ηλεκτρόνιο θα μπορεί να δέχεται ενέργεια μόνο από φωτόνια συγκεκριμένων χρωμάτων στο φάσμα φωτός.
Η σωστή ενέργεια φωτονίων
Τόσο τα φωτοβολταϊκά όσο και τα φωτοσυνθετικά φυτά έχουν δημιουργηθεί για να απορροφούν φωτόνια. Στη φωτοσύνθεση, η εξέλιξη παρήγαγε χλωροφύλλη, ένα μόριο που θα απορροφήσει το λαμπρότερο φως του ήλιου. Για τα φωτοβολταϊκά, οι μηχανικοί έχουν σχεδιάσει κρυστάλλους όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο την ποσότητα ενέργειας που περιέχεται στα φωτόνια του φωτός του ήλιου. Και στις δύο περιπτώσεις, τα φωτόνια απορροφώνται από ηλεκτρόνια, τα οποία καταλαμβάνουν την επιπλέον ενέργεια. Ένα ηλεκτρόνιο με επιπλέον ενέργεια ονομάζεται διεγερμένο ηλεκτρόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο σε διεγερμένη κατάσταση.
Χειρισμός ενθουσιασμένων ηλεκτρονίων
Τόσο τα φυτικά όσο και τα ηλιακά κύτταρα πρέπει να χειρίζονται γρήγορα τα διεγερμένα ηλεκτρόνια, προτού εγκαταλείψουν την ενέργειά τους και επιστρέψουν εκεί που ήταν πριν απορροφήσουν τα φωτόνια τους. Στη φωτοσύνθεση, το πρόβλημα επιλύεται μετακινώντας το ηλεκτρόνιο από το ένα μόριο στο άλλο έως ότου εγκατασταθεί σε ένα μόριο που μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια για μεγάλο χρονικό διάστημα. Στα φωτοβολταϊκά, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια μεταφέρονται σε ένα κύκλωμα, όπου είτε τρέχουν κάτι αμέσως ή οδηγούνται σε μια μπαταρία για αποθήκευση.
Κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφή
Υπάρχει ένας μη τυπικός τύπος φωτοβολταϊκού κελιού που προσπαθεί να αντιγράψει τον τρόπο λειτουργίας της φωτοσύνθεσης. Αντί να μετακινεί ένα ηλεκτρόνιο όσο το δυνατόν γρηγορότερα μέσω ενός κρυστάλλου πανομοιότυπων ατόμων, το ηλιακό κύτταρο με ευαισθησία στη βαφή απορροφά ενέργεια σε ένα μόριο βαφής και μετά μεταφέρει το διεγερμένο ηλεκτρόνιο σε ένα άλλο υλικό που βρίσκεται δίπλα στη βαφή μόριο. Αυτό εμποδίζει το ηλεκτρόνιο να μην μπορεί να χάσει την ενέργειά του άχρηστα. Όταν συνδέεται σε ένα κύκλωμα, το ηλεκτρόνιο περνά μέσα από το δεύτερο υλικό χωρίς να υπάρχει κίνδυνος απώλειας της ενέργειας του.