Sličnosti solarnih ćelija i fotosinteze

I solarne ćelije i biljke energiju prikupljaju iz sunčeve svjetlosti. Fotonaponske solarne ćelije sakupljaju sunčevu svjetlost i pretvaraju je u električnu. Listovi biljaka skupljaju sunčevu svjetlost i pretvaraju je u uskladištenu kemijsku energiju. I solarne ćelije i biljke rade isti posao, ali ga rade na različite načine. Ipak postoje sličnosti između ova dva pristupa. Jedna vrsta solarnih ćelija čak je dizajnirana da bude što sličnija fotosintezi.

Energija na sunčevoj svjetlosti dolazi kao male paketiće zvane fotoni. Svaki od fotona nosi malo energije. Energija plavog fotona veća je od energije crvenog fotona. To je važno jer i solarne ćelije i biljke mogu apsorbirati sunčevu svjetlost samo ako je energija u pravu. Kad materijal upije sunčevu svjetlost, fotoni u svjetlosti prenose svoju energiju na elektrone u materijalu. Elektroni mogu apsorbirati energiju samo u uskom rasponu, tako da će dati elektron moći prihvatiti energiju samo iz fotona određenih boja u spektru svjetlosti.

I fotonaponski i fotosintetski uređaji postavljeni su tako da apsorbiraju fotone. U fotosintezi, evolucija je proizvela klorofil, molekulu koja će apsorbirati najsjajniju sunčevu svjetlost. Za fotovoltaiku inženjeri su dizajnirali kristale u kojima elektroni mogu koristiti samo onu količinu energije sadržane u fotonima sunčeve svjetlosti. U oba slučaja fotoni apsorbiraju elektroni koji uzimaju dodatnu energiju. Elektron s dodatnom energijom naziva se pobuđeni elektron ili elektron u pobuđenom stanju.

I biljne i solarne stanice moraju brzo rukovati pobuđenim elektronima, prije nego što se odreknu svoje energije i vrate tamo gdje su bile prije nego što su upile svoje fotone. U fotosintezi se problem rješava premještanjem elektrona iz jedne molekule u drugu dok se ne smiri u molekuli koja može dugo skladištiti energiju. U fotonaponskim sustavima pobuđeni elektroni odvode se u krug, gdje ili odmah pokreću nešto ili se usmjeravaju u bateriju za pohranu.

Postoji nestandardni tip fotonaponskih ćelija koji pokušava kopirati način na koji djeluje fotosinteza. Umjesto da što brže pokrene elektron kroz kristal identičnih atoma, solarna ćelija osjetljiva na boju apsorbira energiju u molekuli boje, a zatim prenosi pobuđeni elektron u drugi materijal koji se nalazi uz boju molekula. To sprečava elektron da može beskorisno izgubiti energiju. Kad je povezan s krugom, elektron se probija kroz drugi materijal bez previše opasnosti da izgubi energiju.