Somiglianze tra cella solare e fotosintesi

Sia le celle solari che le piante raccolgono energia dalla luce solare. Le celle solari fotovoltaiche raccolgono la luce solare e la trasformano in elettricità. Le foglie delle piante raccolgono la luce solare e la convertono in energia chimica immagazzinata. Sia le celle solari che le piante stanno facendo lo stesso lavoro, ma lo fanno in modi diversi. Tuttavia, ci sono somiglianze tra i due approcci. Un tipo di cella solare è persino progettato per essere il più simile possibile alla fotosintesi.

L'energia alla luce del sole arriva sotto forma di piccoli pacchi chiamati fotoni. I fotoni trasportano ciascuno una piccola quantità di energia. L'energia di un fotone blu è maggiore dell'energia di un fotone rosso. Questo è importante perché sia ​​le celle solari che le piante possono assorbire la luce solare solo se l'energia è giusta. Quando un materiale assorbe la luce solare, i fotoni nella luce stanno trasferendo la loro energia agli elettroni nel materiale. Gli elettroni possono assorbire energia solo in un intervallo ristretto, quindi un dato elettrone sarà in grado di accettare energia solo da fotoni di colori specifici nello spettro luminoso.

Sia gli impianti fotovoltaici che quelli fotosintetici sono predisposti per assorbire i fotoni. Nella fotosintesi, l'evoluzione ha prodotto la clorofilla, una molecola che assorbirà la luce solare più brillante. Per il fotovoltaico, gli ingegneri hanno progettato cristalli in cui gli elettroni possono utilizzare solo la quantità di energia contenuta nei fotoni della luce solare. In entrambi i casi, i fotoni vengono assorbiti dagli elettroni, che assorbono l'energia extra. Un elettrone con energia extra è chiamato un elettrone eccitato o un elettrone in uno stato eccitato.

Sia le cellule vegetali che quelle solari devono gestire rapidamente gli elettroni eccitati, prima che cedano la loro energia e tornino dove erano prima di assorbire i loro fotoni. Nella fotosintesi il problema si risolve spostando l'elettrone da una molecola all'altra finché non si deposita in una molecola in grado di immagazzinare energia per lungo tempo. Nel fotovoltaico gli elettroni eccitati vengono trasportati in un circuito, dove eseguono immediatamente qualcosa o vengono instradati in una batteria per l'accumulo.

C'è un tipo non standard di cella fotovoltaica che cerca di copiare il modo in cui funziona la fotosintesi. Invece di spostare un elettrone il più rapidamente possibile attraverso un cristallo di atomi identici, la cella solare sensibile al colorante assorbe energia in una molecola colorante, quindi trasferisce l'elettrone eccitato in un altro materiale situato adiacente al colorante molecola. Ciò impedisce all'elettrone di perdere la sua energia inutilmente. Quando è collegato a un circuito, l'elettrone si fa strada attraverso il secondo materiale senza troppo pericolo di perdere la sua energia.