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As células solares da calculadora capturam a energia solar e a convertem em energia elétrica para alimentar a tela de cristal líquido da calculadora. O material nessas células solares é silício cristalino. O silício é um elemento bastante comum na Terra - a areia da praia, por exemplo, é feita a partir de compostos de silício. Purificar o silício, no entanto, é difícil e é por isso que não é barato, embora seja tão abundante na crosta terrestre.
Silicone Dopado
O silício nas células solares das calculadoras não é puro, porque foi dopado ou tratado quimicamente para adicionar impurezas específicas. O silício dopado que possui elétrons extras é chamado de tipo N, enquanto o silício dopado que possui elétrons ausentes é chamado de tipo P. O silício do tipo N normalmente contém antimônio, arsênico ou fósforo, enquanto o silício do tipo P normalmente contém boro, alumínio ou gálio. O tratamento do silício com gás fosfina ou PH3 adiciona fósforo para produzir silício do tipo N, enquanto o gás diborano ou B2H6 adiciona boro para produzir silício do tipo P.
Operação
As células solares das calculadoras contêm uma camada de silício do tipo N adjacente a uma camada de silício do tipo P. Alguns elétrons extras na camada do tipo N fluem para a camada do tipo P, deixando cada camada com uma carga líquida. Essa carga líquida em ambas as camadas cria um campo elétrico. Quando a luz atinge a célula solar, ela desloca um elétron, perturbando o equilíbrio na borda do tipo N do tipo P. Graças ao campo elétrico na fronteira, a corrente pode fluir apenas de uma maneira e, portanto, o elétron liberado acaba viajando ao redor de um circuito de fio da sua calculadora, realizando trabalhos no caminho.
Purificação
O silício na Terra geralmente é encontrado combinado com o oxigênio, e a remoção do oxigênio é difícil. Os fabricantes geralmente pegam um mineral chamado quartzito e assam em um forno junto com carbono puro. Em seguida, eles reagem com o cloro para produzir tetracloreto de silício. Combinar isso com hidrogênio resulta em silício impuro com ácido clorídrico como subproduto. As impurezas restantes são removidas através de um processo de fusão chamado refino de zona.
Um processo alternativo retira o gás silano ou o SiH4 com uma faísca elétrica, produzindo gás silício e hidrogênio. Este processo é usado para fazer o chamado silício amorfo, que tem uma estrutura diferente da forma cristalina.
Considerações
Normalmente, a eficiência para células solares como as da calculadora é de cerca de 15%. Grande parte da luz que atinge a célula tem pouca ou muita energia para desalojar elétrons e criar fluxo de corrente. Às vezes, mesmo quando a luz tem a quantidade certa de energia, o elétron que ela desloca é recombinado com um "buraco" e a energia é desperdiçada como calor. Finalmente, parte da luz é refletida na superfície do silício, e é por isso que as células ficam um pouco brilhantes quando você as mantém no ângulo reto da luz.