Солнечные элементы на вашем калькуляторе улавливают солнечную энергию и преобразуют ее в электрическую для питания жидкокристаллического дисплея вашего калькулятора. Материалом этих солнечных элементов является кристаллический кремний. Кремний - довольно распространенный элемент на Земле - например, пляжный песок состоит из соединений кремния. Однако очистить кремний сложно, и поэтому это не дешево, даже несмотря на то, что его так много в земной коре.
Легированный кремний
Кремний в солнечных элементах вашего калькулятора не чистый, потому что он был легирован или химически обработан для добавления определенных примесей. Легированный кремний, у которого есть дополнительные электроны, называется N-типом, тогда как легированный кремний, в котором отсутствуют электроны, называется P-типом. Кремний N-типа обычно содержит добавленную сурьму, мышьяк или фосфор, тогда как кремний P-типа обычно содержит добавленный бор, алюминий или галлий. При обработке кремния газообразным фосфином или PH3 добавляется фосфор для получения кремния N-типа, тогда как в газообразном диборане или B2H6 добавляется бор для получения кремния P-типа.
Операция
Солнечные элементы вашего калькулятора содержат слой кремния N-типа, смежный со слоем кремния P-типа. Некоторые из дополнительных электронов в слое N-типа перетекают в слой P-типа, оставляя каждый слой с чистым зарядом. Этот чистый заряд в обоих слоях создает электрическое поле. Когда свет попадает на солнечный элемент, он вытесняет электрон, нарушая баланс на границе P-типа N. Благодаря электрическому полю на границе, ток может течь только в одном направлении, и, таким образом, освобожденный электрон в конечном итоге перемещается по цепи провода в вашем калькуляторе, выполняя работу в пути.
Очищение
Кремний на Земле обычно встречается в сочетании с кислородом, и удалить кислород сложно. Производители обычно берут минерал, называемый кварцитом, и обжигают его в печи вместе с чистым углеродом. Затем они реагируют с хлором с образованием тетрахлорида кремния. Объединение этого с водородом приводит к загрязнению кремния с соляной кислотой в качестве побочного продукта. Оставшиеся примеси удаляются путем плавления, называемого зонным рафинированием.
В альтернативном процессе газообразный силан или SiH4 уничтожается с помощью электрической искры, в результате чего получают как кремний, так и водород. Этот процесс используется для получения так называемого аморфного кремния, который имеет структуру, отличную от кристаллической формы.
Соображения
Обычно КПД солнечных элементов, подобных тем, что указаны в вашем калькуляторе, составляет около 15 процентов. Большая часть света, падающего на ячейку, имеет либо слишком мало, либо слишком много энергии, чтобы вытеснить электроны и создать ток. Иногда, даже когда свет имеет нужное количество энергии, вытесняемый им электрон рекомбинирует с «дырой», и энергия тратится в виде тепла. Наконец, часть света отражается от поверхности кремния, поэтому клетки выглядят немного блестящими, когда вы держите их под прямым углом к свету.