И солнечные батареи, и растения получают энергию из солнечного света. Фотоэлектрические солнечные элементы собирают солнечный свет и превращают его в электричество. Листья растений собирают солнечный свет и превращают его в запасенную химическую энергию. И солнечные элементы, и растения выполняют одну и ту же работу, но по-разному. Однако между этими двумя подходами есть сходство. Один тип солнечных элементов даже разработан так, чтобы быть максимально похожим на фотосинтез.
Энергия света
Энергия солнечного света поступает в виде маленьких частиц, называемых фотонами. Каждый фотон несет в себе крошечный бит энергии. Энергия синего фотона выше, чем энергия красного фотона. Это важно, потому что и солнечные элементы, и растения могут поглощать солнечный свет только при правильном подаче энергии. Когда материал поглощает солнечный свет, фотоны света передают свою энергию электронам в материале. Электроны могут поглощать энергию только в узком диапазоне, поэтому данный электрон сможет принимать энергию только от фотонов определенных цветов в световом спектре.
Правильная энергия фотона
И фотоэлектрические, и фотосинтетические растения настроены на поглощение фотонов. В процессе фотосинтеза эволюция произвела хлорофилл - молекулу, которая поглощает самый яркий солнечный свет. Для фотогальваники инженеры разработали кристаллы, в которых электроны могут использовать ровно столько энергии, сколько содержится в фотонах солнечного света. В обоих случаях фотоны поглощаются электронами, которые забирают дополнительную энергию. Электрон с дополнительной энергией называется возбужденным электроном или электроном в возбужденном состоянии.
Работа с возбужденными электронами
И растения, и солнечные элементы должны быстро обрабатывать возбужденные электроны, прежде чем они откажутся от своей энергии и вернутся туда, где они были до того, как поглотили свои фотоны. В фотосинтезе проблема решается путем перемещения электрона от одной молекулы к другой до тех пор, пока он не осядет в молекуле, способной сохранять энергию в течение длительного времени. В фотовольтаике возбужденные электроны уносятся в цепь, где они либо запускают что-то сразу, либо направляются в батарею для хранения.
Клетки, сенсибилизированные красителем
Существует нестандартный тип фотоэлементов, который пытается скопировать способ фотосинтеза. Вместо того, чтобы как можно быстрее перемещать электрон через кристалл из идентичных атомов, сенсибилизированный красителем солнечный элемент поглощает энергию в молекуле красителя, а затем передает возбужденный электрон в другой материал, расположенный рядом с красителем молекула. Это предохраняет электрон от бесполезной потери энергии. При подключении к цепи электрон проходит через второй материал без особой опасности потерять свою энергию.