חשמל מאור
תא סולרי הוא פרוסה דקה של צורן עם מתכת על שני צדדיו. הניחו אותו באור השמש וחברו את שני הצדדים זה לזה דרך נורה, וזרם יזרום, בלי ששום דבר נשרף, מסתובב או נשחק. האנרגיה מגיעה מהאור עצמו, פוטון אחד בכל פעם.
שני סוגים של צורן
צורן טהור מוליך חשמל בצורה גרועה, כי האלקטרונים החיצוניים של כל אטום כלואים בקשרים עם שכניו. הוסיפו עקבות של זרחן ותקבלו צורן מסוג n, עם כמה אלקטרונים עודפים שחופשיים לשוטט. הוסיפו במקום זאת עקבות של בור ותקבלו צורן מסוג p, עם כמה חסרים בקשרים. החסרים האלה, שנקראים חורים, נעים גם הם, כשאלקטרונים שכנים קופצים פנימה כדי למלא אותם, והם מתנהגים כמו מטענים חיוביים.
תא סולרי הוא שכבה דקה מסוג n על גבי בסיס עבה מסוג p. במקום שבו השתיים נפגשות, אלקטרונים משוטטים ממלאים חורים סמוכים, ומשאירים את צד ה־n טעון מעט בחיוב ואת צד ה־p טעון מעט בשלילה. הגבול הזה, הצומת, מחזיק שדה חשמלי מובנה. כל אלקטרון חופשי שמגיע אליו נסחף למעלה אל צד ה־n; כל חור נסחף למטה אל צד ה־p.
מה עושה פוטון
פוטון של אור שמש שיש לו מספיק אנרגיה יכול לתלוש אלקטרון מהקשר שלו ולהשאיר אחריו חור: זוג אלקטרון–חור. אם לא יפריעו להם, השניים ימצאו זה את זה שוב במהרה, והאנרגיה תהפוך בסוף לקצת חום. אבל זוג שמשתחרר ליד הצומת נמשך לשני צדדים מנוגדים. האלקטרונים מצטברים בשכבת ה־n שלמעלה, והחורים בבסיס. הדרך היחידה של האלקטרונים לחזור אל החורים היא החוצה דרך אצבעות הכסף שבחזית, מסביב למעגל, ופנימה דרך האלומיניום שבגב. המסע הזה הוא הזרם, והנורה לוקחת ממנו אנרגיה בדרך.
יותר אור, יותר זרם
כל פוטון שנבלע משחרר לכל היותר זוג אחד, ולכן הזרם עולה בקצב אחד עם האור. תא אחד בשמש מלאה נותן בערך 9 אמפר; ביום מעונן הוא נותן שישית מזה או פחות.
המתח מתנהג אחרת לגמרי. מקורו בעוצמה שבה טעונים שני צדי הצומת, והיא גדלה רק עם הלוגריתם של האור: הורדת אור השמש בחצי מורידה אותו בכ־20 אלפיות הוולט. לכן תא נותן בערך חצי וולט בין שהשמיים בהירים ובין שהם אפורים, וההספק, המתח כפול הזרם, יורד כמעט באותו קצב כמו האור. בלוחות מחברים עשרות תאים בטור, כדי שחצאי הוולט שלהם יצטברו.
נסו: הזיזו את אור השמש אל 150 W/m², שמיים מעוננים, ואחר כך אל 1000 W/m², שמש מלאה, והשוו את שלושת המספרים על המד. אחר כך קבעו את זווית השמש על 60° וראו כמה פוטונים מחטיאים.
מול השמש
לאלומה של אור שמש יש רוחב קבוע. הפנו את הלוח הרחק מהשמש, ואותה אלומה מתפרשת על שטח גדול יותר של הלוח, כך שכל תא קולט פחות. האור שנופל על כל מטר רבוע פרופורציונלי לקוסינוס של הזווית: ב־60° הוא יורד בחצי, וכשהלוח מקביל לקרניים הוא אפס. זו הסיבה שמטים לוחות לכיוון השמש, ושיש לוחות שמסתובבים כדי לעקוב אחריה במהלך היום.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
החתך הוא פרוסה מוגדלת מתוך תא אחד, ולכן הוא משתרע הרחק מתחת ללוח. תא אמיתי עבה בערך חמישית המילימטר, ושכבת ה־n שלו דקה מזה פי כמה מאות.
התא אידיאלי: אין התחממות, שבקיץ מורידה את המתח של תא אמיתי; אין אור שמוחזר בזוויות תלולות; אין צל מהאצבעות; אין הפסדים בחוטים שלו. התא הופך כחמישית מהאור לחשמל, כמו שעושים תאי צורן טובים. פוטונים שיש להם מעט מדי אנרגיה עוברים דרכו, ואלה שיש להם יותר מדי מוסרים את העודף כחום, וכך רוב השאר הולך לאיבוד. הפוטונים ונושאי המטען מצוירים מעטים, גדולים ואיטיים בהרבה מבמציאות.