Ogniwa słoneczne w kalkulatorze zatrzymują energię słoneczną i przekształcają ją w energię elektryczną, aby zasilać wyświetlacz ciekłokrystaliczny kalkulatora. Materiałem w tych ogniwach słonecznych jest krystaliczny krzem. Krzem jest dość powszechnym pierwiastkiem na Ziemi – na przykład piasek na plaży jest zrobiony ze związków krzemu. Oczyszczanie krzemu jest jednak trudne i dlatego nie jest tani, mimo że jest tak obficie w skorupie ziemskiej.
Domieszkowany krzem
Krzem w ogniwach słonecznych twojego kalkulatora nie jest czysty, ponieważ został domieszkowany lub poddany obróbce chemicznej w celu dodania określonych zanieczyszczeń. Domieszkowany krzem, który ma dodatkowe elektrony, nazywa się typu N, podczas gdy domieszkowany krzem, w którym brakuje elektronów, nazywa się typu P. Krzem typu N zazwyczaj zawiera dodatek antymonu, arsenu lub fosforu, podczas gdy krzem typu P zazwyczaj zawiera dodatek boru, glinu lub galu. Obróbka krzemu gazową fosfiną lub PH3 dodaje fosfor do krzemu typu N, podczas gdy gaz diboran lub B2H6 dodaje boru do krzemu typu P.
Operacja
Ogniwa słoneczne twojego kalkulatora zawierają warstwę krzemu typu N przylegającą do warstwy krzemu typu P. Część dodatkowych elektronów w warstwie typu N wpływa do warstwy typu P, pozostawiając każdej warstwie ładunek netto. Ten ładunek netto w obu warstwach tworzy pole elektryczne. Kiedy światło uderza w ogniwo słoneczne, wypycha elektron, zaburzając równowagę na granicy typu P typu N. Dzięki polu elektrycznemu na granicy prąd może płynąć tylko w jedną stronę, a uwolniony elektron przemieszcza się po obwodzie drutu w twoim kalkulatorze, wykonując pracę po drodze.
Oczyszczenie
Krzem na Ziemi zwykle występuje w połączeniu z tlenem, a usuwanie tlenu jest trudne. Producenci zazwyczaj biorą minerał zwany kwarcytem i wypalają go w piecu razem z czystym węglem. Następnie produkt reagują z chlorem, tworząc czterochlorek krzemu. W połączeniu z wodorem powstaje zanieczyszczony krzem z kwasem solnym jako produktem ubocznym. Pozostałe zanieczyszczenia są usuwane w procesie topienia zwanym rafinacją strefową.
Alternatywny proces wyłącza gaz silanowy lub SiH4 za pomocą iskry elektrycznej, w wyniku czego powstaje zarówno krzem, jak i wodór. Proces ten służy do wytwarzania tzw. krzemu amorficznego, który ma inną strukturę niż postać krystaliczna.
Rozważania
Zazwyczaj wydajność ogniw słonecznych, takich jak te w twoim kalkulatorze, wynosi około 15 procent. Duża część światła, które uderza w ogniwo, ma za mało lub za dużo energii, aby usunąć elektrony i wytworzyć przepływ prądu. Czasami, nawet gdy światło ma odpowiednią ilość energii, elektron, który wyrzuca, łączy się z „dziurą”, a energia jest marnowana w postaci ciepła. Wreszcie część światła odbija się od powierzchni krzemu, dlatego komórki wyglądają trochę lśniąco, gdy trzyma się je pod odpowiednim kątem do światła.