Die Solarzellen Ihres Taschenrechners fangen Sonnenenergie ein und wandeln sie in elektrische Energie um, um die Flüssigkristallanzeige Ihres Taschenrechners zu betreiben. Das Material dieser Solarzellen ist kristallines Silizium. Silizium ist ein ziemlich verbreitetes Element auf der Erde – Strandsand zum Beispiel wird aus Siliziumverbindungen hergestellt. Die Reinigung von Silizium ist jedoch schwierig und deshalb nicht billig, obwohl es in der Erdkruste so reichlich vorhanden ist.
Dotiertes Silizium
Das Silizium in den Solarzellen Ihres Taschenrechners ist nicht rein, da es dotiert oder chemisch behandelt wurde, um bestimmte Verunreinigungen hinzuzufügen. Dotiertes Silizium mit zusätzlichen Elektronen wird als N-Typ bezeichnet, während dotiertes Silizium, dem Elektronen fehlen, als P-Typ bezeichnet wird. Silizium vom N-Typ enthält typischerweise zugesetztes Antimon, Arsen oder Phosphor, während Silizium vom P-Typ typischerweise zugesetztes Bor, Aluminium oder Gallium enthält. Die Behandlung von Silizium mit Phosphingas oder PH3 fügt Phosphor hinzu, um Silizium vom N-Typ herzustellen, während Diborangas oder B2H6 Bor hinzufügt, um Silizium vom P-Typ herzustellen.
Operation
Die Solarzellen Ihres Rechners enthalten eine Schicht aus N-Typ-Silizium neben einer Schicht aus P-Typ-Silizium. Einige der zusätzlichen Elektronen in der N-Typ-Schicht fließen in die P-Typ-Schicht, wobei jede Schicht mit einer Nettoladung zurückbleibt. Diese Nettoladung in beiden Schichten erzeugt ein elektrisches Feld. Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, verdrängt es ein Elektron und stört das Gleichgewicht an der P-Typ-N-Typ-Grenze. Dank des elektrischen Feldes an der Grenze kann Strom nur in eine Richtung fließen, und so wandert das freigesetzte Elektron durch einen Drahtkreis in Ihrem Taschenrechner und verrichtet unterwegs seine Arbeit.
Reinigung
Silizium wird auf der Erde normalerweise in Kombination mit Sauerstoff gefunden, und es ist schwierig, den Sauerstoff zu entfernen. Hersteller nehmen im Allgemeinen ein Mineral namens Quarzit und brennen es zusammen mit reinem Kohlenstoff in einem Ofen. Als nächstes setzen sie das Produkt mit Chlor um, um Siliziumtetrachlorid herzustellen. Die Kombination mit Wasserstoff führt zu unreinem Silizium mit Salzsäure als Nebenprodukt. Die verbleibenden Verunreinigungen werden durch einen Schmelzprozess, der als Zonenraffination bezeichnet wird, entfernt.
Ein alternatives Verfahren zapft Silangas oder SiH4 mit einem elektrischen Funken, wodurch sowohl Silizium als auch Wasserstoffgas gewonnen werden. Dieser Prozess wird verwendet, um sogenanntes amorphes Silizium herzustellen, das eine andere Struktur als die kristalline Form hat.
Überlegungen
Normalerweise liegt der Wirkungsgrad für Solarzellen wie die in Ihrem Rechner bei etwa 15 Prozent. Ein Großteil des Lichts, das auf die Zelle trifft, hat entweder zu wenig oder zu viel Energie, um Elektronen zu verdrängen und einen Stromfluss zu erzeugen. Selbst wenn das Licht die richtige Energiemenge hat, rekombiniert manchmal das Elektron, das es verdrängt, mit einem "Loch" und die Energie wird als Wärme verschwendet. Schließlich wird ein Teil des Lichts von der Oberfläche des Siliziums reflektiert, weshalb die Zellen im rechten Winkel zum Licht etwas glänzend erscheinen.
