پنل های خورشیدی که با نام های "تراشه های خورشیدی" یا "فوتوسل ها" و "سلول های خورشیدی" نیز شناخته می شوند، صفحات نیمه هادی فوتوالکتریک هستند که از نور خورشید برای تولید مستقیم برق استفاده می کنند. دستگاهی که مستقیماً انرژی نور خورشید را از طریق اثر فوتوالکتریک یا اثر فتوشیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در فیزیک به آن فتوولتائیک (Photovoltaic، به اختصار PV) یا به اختصار فتوولتائیک می گویند. از سلول های خورشیدی منفرد نمی توان به طور مستقیم به عنوان منبع انرژی استفاده کرد. برای استفاده به عنوان منبع تغذیه، چندین سلول خورشیدی منفرد باید به صورت سری و موازی به هم متصل شده و به قطعات محکم مهر و موم شوند. اصل کار آن به سادگی این است که پنل های خورشیدی انرژی نور خورشید را در طول روز جذب می کنند و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و در باتری ذخیره می کنند و باتری انرژی خورشیدی نور خیابانی را در شب تامین می کند. پس چرا پنل های خورشیدی در شرایط آفتابی برق تولید می کنند؟
پنل های خورشیدی معمولاً از دستگاه هایی استفاده می کنند که به نور پاسخ می دهند و می توانند انرژی نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند. رایج ترین ماده سیلیکون است که یکی از فراوان ترین مواد روی زمین است. دارای ویژگی های نیمه هادی است که پایه و اساس فرآیند تبدیل فوتوالکتریک پانل های خورشیدی را می گذارد.
اما اولین چیزی که باید درک کرد این است که رسانایی سیلیکون خالص بسیار ضعیف است و هیچ الکترونی وجود ندارد که بتواند آزادانه در ساختار کریستالی حرکت کند. برای افزایش رسانایی، سیلیکون خالص معمولاً با ناخالصی های کمیاب دوپ می شود تا رسانایی آن افزایش یابد. با توجه به این ویژگی می توان وسایل رسانای مختلفی ساخت.
برای سیلیکون مورد استفاده برای ساخت پنل های خورشیدی از نور خیابانی انرژی خورشیدی، معمولاً فسفر یا بور اضافه می شود. هنگامی که بور اضافه می شود، کریستال سیلیکون یک سوراخ ایجاد می کند. از آنجا که اتم سیلیکون اصلی توسط 4 الکترون احاطه شده است، و اتم بور تنها با 3 الکترون احاطه شده است، هنگامی که به ساختار بلوری اصلی دوپ می شود، سوراخ هایی نیز ایجاد می شود. بدون الکترون، این حفره بسیار ناپایدار است و به راحتی الکترون های دیگر را جذب می کند و نیمه هادی نوع P را تشکیل می دهد.
هنگامی که ناخالصیهای فسفر به کریستالهای سیلیکونی دوپ میشوند، زیرا 5 الکترون در اطراف اتمهای فسفر وجود دارد، الکترون اضافی بسیار فعال خواهد بود و یک نیمهرسانای نوع N را تشکیل میدهد. سوراخ های زیادی در نیمه هادی های نوع P و تعداد زیادی الکترون آزاد فعال در نیمه هادی های نوع N وجود دارد. هنگامی که این دو با هم تماس پیدا می کنند، این الکترون های آزاد حفره هایی را پیدا کرده و آنها را پر می کنند. سطح تماس بین این دو یک اختلاف پتانسیل ایجاد می کند، یعنی یک اتصال PN. سمت نوع P دارای بار مثبت و منفی و سمت نوع N دارای بار مثبت است.
هنگامی که نور دریافت می شود، انرژی موجود در نور به نیمه هادی منتقل می شود. این انرژی ساختار الکترون ها را شل می کند و آزادانه حرکت می کند. این به این دلیل است که انرژی نور خورشید الکترون ها و حفره ها را از هم جدا می کند. در شرایط عادی، یک فوتون با انرژی معین، یک الکترون آزاد میکند که اتفاقاً یک حفره آزاد تشکیل میدهد. اگر این درست در نزدیکی سطح تماس اتفاق بیفتد، و هنگامی که توسط میدان الکتریکی داخلی جذب شود، الکترونها به ناحیه n و حفرهها به ناحیه P سرازیر میشوند و جریانی را از ناحیه نوع N به P- تشکیل میدهند. منطقه نوع نیروگاه باتری تشکیل شده است. الکتریسیته توسط ولتاژ تشکیل می شود که برای شارژ استفاده می شود.
البته باید توجه داشت که نیمه هادی ها رسانای خوبی برای الکتریسیته نیستند و الکترون ها از محل اتصال PN و سپس در نیمه هادی جریان می یابند که باعث تلفات زیادی خواهد شد. بنابراین، لایه بالایی معمولاً با فلز پوشانده می شود. اما اگر کاملاً رنگ آمیزی شود باعث می شود نور خورشید عبور نکند. در شرایط عادی از یک شبکه فلزی برای پوشش محل اتصال PN استفاده می شود. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که سطح سیلیکون بسیار بازتابنده است. اگر درمان نشود، مقدار زیادی نور خورشید منعکس می شود. برای حل این مشکل، تولید کننده چراغ خیابانی انرژی خورشیدی معمولاً یک لایه لایه محافظ با ضریب انعکاس کم بر روی پنل خورشیدی اضافه می کند. ضرر ناشی از بازتاب در 5 درصد کنترل می شود.
