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 in queste celle solari è il silicio cristallino. Il silicio è un elemento abbastanza comune sulla Terra: la sabbia della spiaggia, ad esempio, è composta da composti di silicio. Il silicio purificante, tuttavia, è difficile ed è per questo che non è economico anche se è così abbondante nella crosta terrestre.

Doped Silicon

Il silicio nelle celle solari della calcolatrice non è puro, perché è è stato drogato o trattato chimicamente per aggiungere impurità specifiche. Il silicio drogato con elettroni in più è chiamato tipo N, mentre il silicio drogato che manca elettroni è chiamato P-type. Il silicio di tipo N tipicamente contiene antimonio, arsenico o fosforo aggiunti, mentre il silicio di tipo P tipicamente contiene boro aggiunto, alluminio o gallio. Trattare il silicio con fosforo o PH3 aggiunge fosforo per produrre silicio di tipo N, mentre diborano o B2H6 aggiungono 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 in più 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, essa sloggia un elettrone, sconvolgendo la bilancia al bordo 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 calcolatrice, eseguendo il 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 un forno insieme al carbonio puro. Quindi reagiscono il prodotto con cloro per produrre tetracloruro di silicio. Combinando questo con l'idrogeno si ottiene un impuro silicio con acido cloridrico come sottoprodotto. Le impurità rimanenti vengono rimosse attraverso un processo di fusione chiamato raffinazione delle zone.

Un processo alternativo zappa gas silano o SiH4 con una scintilla elettrica, producendo sia gas di silicio che idrogeno. Questo processo viene utilizzato per creare il cosiddetto silicio amorfo che ha una struttura diversa dalla forma cristallina.

Considerazioni

In genere l'efficienza per le celle solari come quelle della calcolatrice è pari a circa il 15 percento. Gran parte della luce che colpisce la cella ha troppa o troppa energia per spostare gli elettroni e creare corrente. A volte anche quando la luce ha la giusta quantità di energia, l'elettrone che disfa 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 celle sembrano un po 'lucide quando le si tiene alla giusta angolazione rispetto alla luce.