Зміст
Сонячні батареї на вашому калькуляторі відловлюють сонячну енергію та перетворюють її на електричну енергію для живлення рідкокристалічних дисплеїв калькуляторів. Матеріалом у цих сонячних елементах є кристалічний кремній. Кремній є досить поширеним елементом на Землі - пляжний пісок, наприклад, виготовлений із сполук кремнію. Очистити кремній, однак, важко, і саме тому його недешево, хоча його так багато в земній корі.
Легований кремній
Кремній у сонячних батареях калькуляторів не є чистим, оскільки його легують або хімічно обробляють для додання конкретних домішок. Легований кремній, який має зайві електрони, називається N-типом, тоді як легований кремній, якому не вистачає електронів, називається P-типом. Кремній типу N зазвичай містить додані сурму, миш’як або фосфор, тоді як кремній типу P зазвичай містить доданий бор, алюміній або галій. Обробка кремнію з фосфіновим газом або PH3 додає фосфор для отримання кремнію N типу, тоді як диборан або B2H6 додають бор для отримання кремнію типу P.
Операція
У ваших калькуляторах сонячні батареї містять шар кремнію N типу, що прилягає до шару кремнію типу P. Деякі із зайвих електронів у шарі типу N перетікають у шар типу P, залишаючи кожен шар з чистим зарядом. Цей чистий заряд в обох шарах створює електричне поле. Коли світло вражає сонячну клітинку, він вимикає електрон, порушуючи рівновагу на кордоні типу N типу P. Завдяки електричному полі на кордоні струм може протікати лише в один бік, і, таким чином, звільнений електрон закінчується, обходячи ланцюг дроту у вашому калькуляторі, виконуючи роботу в дорозі.
Очищення
Кремній на Землі зазвичай зустрічається в поєднанні з киснем, а вивести кисень складно. Зазвичай виробники беруть мінерал під назвою кварцит і запікають його в печі разом з чистим вуглецем. Далі вони вступають в реакцію продукту з хлором, щоб отримати чотирихлорид кремнію. Поєднуючи це з воднем, утворюється чистий кремній із соляною кислотою як побічний продукт. Решта домішок видаляються за допомогою процесу плавлення, який називається зональним рафінуванням.
Альтернативний спосіб захвачує силовий газ або SiH4 електричною іскрою, даючи як кремній, так і водень. Цей процес використовується для отримання так званого аморфного кремнію, який має іншу структуру від кристалічної форми.
Міркування
Зазвичай ефективність сонячних батарей, таких як у вашому калькуляторі, становить близько 15 відсотків. Значна частина світла, який вражає клітину, має або занадто мало, або занадто багато енергії, щоб вивести електрони і створити потік струму. Іноді, навіть коли світло має потрібну кількість енергії, електрон, який він відмежовує, рекомбінує з «діркою», і енергія витрачається як тепло. Нарешті, частина світла відбивається від поверхні кремнію, тому клітини виглядають трохи блискучими, коли ви тримаєте їх під прямим кутом до світла.