Le celle solari della calcolatrice intrappolano l'energia solare e la convertono in energia elettrica per alimentare il display a cristalli liquidi della calcolatrice. Il materiale di queste celle solari è silicio cristallino. Il silicio è un elemento abbastanza comune sulla Terra: la sabbia delle spiagge, ad esempio, è composta da composti di silicio. Purificare il silicio, tuttavia, è difficile ed è per questo che non è economico anche se è così abbondante nella crosta terrestre.
Silicio drogato
Il silicio nelle celle solari della tua calcolatrice non è puro, perché è stato drogato o trattato chimicamente per aggiungere impurità specifiche. Il silicio drogato che ha elettroni in più è chiamato tipo N, mentre il silicio drogato che manca di elettroni è chiamato tipo P. Il silicio di tipo N contiene tipicamente antimonio, arsenico o fosforo aggiunti, mentre il silicio di tipo P contiene tipicamente boro, alluminio o gallio aggiunti. Il trattamento del silicio con gas fosfina o PH3 aggiunge fosforo per produrre silicio di tipo N, mentre il gas diborano o B2H6 aggiunge boro per produrre silicio di tipo P.
operazione
Le celle solari della calcolatrice contengono uno strato di silicio di tipo N adiacente a uno strato di silicio di tipo P. Alcuni degli elettroni extra nello strato di tipo N fluiscono nello strato di tipo P, lasciando ogni strato con una carica netta. Questa carica netta in entrambi gli strati crea un campo elettrico. Quando la luce colpisce la cella solare, sposta un elettrone, sconvolgendo l'equilibrio al confine di tipo N di tipo P. Grazie al campo elettrico al confine, la corrente può fluire solo in un modo, e quindi l'elettrone liberato finisce per viaggiare intorno a un circuito di filo nella tua calcolatrice, eseguendo un lavoro lungo il percorso.
Purificazione
Il silicio sulla Terra si trova solitamente combinato con l'ossigeno e la rimozione dell'ossigeno è difficile. I produttori generalmente prendono un minerale chiamato quarzite e lo cuociono in una fornace insieme al carbonio puro. Successivamente reagiscono il prodotto con il cloro per produrre il tetracloruro di silicio. Combinando questo con l'idrogeno si ottiene silicio impuro con acido cloridrico come sottoprodotto. Le impurità rimanenti vengono rimosse attraverso un processo di fusione chiamato raffinamento a zona.
Un processo alternativo elimina il gas silano o SiH4 con una scintilla elettrica, producendo sia silicio che idrogeno. Questo processo viene utilizzato per produrre il cosiddetto silicio amorfo che ha una struttura diversa dalla forma cristallina.
Considerazioni
In genere l'efficienza delle celle solari come quelle della calcolatrice è di circa il 15%. Gran parte della luce che colpisce la cellula ha troppo poca o troppa energia per rimuovere gli elettroni e creare un flusso di corrente. A volte, anche quando la luce ha la giusta quantità di energia, l'elettrone che rimuove si ricombina con un "buco" e l'energia viene sprecata sotto forma di calore. Infine, parte della luce viene riflessa dalla superficie del silicio, motivo per cui le cellule sembrano un po' lucide quando le tieni ad angolo retto rispetto alla luce.