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Die Solarzellen auf Ihrem Taschenrechner speichern Sonnenenergie und wandeln sie in elektrische Energie um, um die Flüssigkristallanzeige Ihres Taschenrechners mit Strom zu versorgen. Das Material in diesen Solarzellen ist kristallines Silizium. Silizium ist auf der Erde ein weit verbreitetes Element - beispielsweise wird Strandsand aus Siliziumverbindungen hergestellt. Die Reinigung von Silizium ist jedoch schwierig, und deshalb ist es nicht billig, obwohl es in der Erdkruste so häufig vorkommt.
Dotiertes Silizium
Das Silizium in den Solarzellen Ihres Taschenrechners ist nicht rein, da es dotiert oder chemisch behandelt wurde, um bestimmte Verunreinigungen hinzuzufügen. Dotiertes Silizium mit zusätzlichen Elektronen wird als N-Typ bezeichnet, während dotiertes Silizium ohne Elektronen als P-Typ bezeichnet wird. Silicium vom N-Typ enthält typischerweise zugesetztes Antimon, Arsen oder Phosphor, wohingegen Silicium vom P-Typ typischerweise zugesetztes Bor, Aluminium oder Gallium enthält. Die Behandlung von Silicium mit Phosphangas oder PH3 fügt Phosphor hinzu, um Silicium vom N-Typ herzustellen, während Diborangas oder B2H6 Bor hinzufügt, um Silicium vom P-Typ herzustellen.
Betrieb
Ihre Taschenrechnersolarzellen enthalten eine Schicht aus N-Typ-Silizium neben einer Schicht aus P-Typ-Silizium. Einige der zusätzlichen Elektronen in der Schicht vom N-Typ fließen in die Schicht vom P-Typ und hinterlassen in jeder Schicht eine Nettoladung. Diese Nettoladung in beiden Schichten erzeugt ein elektrisches Feld. Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, verschiebt es ein Elektron und stört das Gleichgewicht an der P-Typ-N-Typ-Grenze. Dank des elektrischen Feldes an der Grenze kann der Strom nur in eine Richtung fließen, und so wandert das freigesetzte Elektron auf dem Weg um einen Drahtkreis in Ihrem Taschenrechner und führt Arbeiten aus.
Reinigung
Silizium auf der Erde wird normalerweise in Kombination mit Sauerstoff gefunden, und die Entfernung des Sauerstoffs ist schwierig. Die Hersteller nehmen in der Regel ein Mineral namens Quarzit und backen es zusammen mit reinem Kohlenstoff in einem Ofen. Als nächstes setzen sie das Produkt mit Chlor um, um Siliciumtetrachlorid herzustellen. Wenn dies mit Wasserstoff kombiniert wird, entsteht unreines Silicium mit Salzsäure als Nebenprodukt. Die verbleibenden Verunreinigungen werden durch einen Schmelzprozess entfernt, der als Zonenveredelung bezeichnet wird.
Ein alternatives Verfahren zappt Silangas oder SiH4 mit einem elektrischen Funken und liefert sowohl Silizium als auch Wasserstoffgas. Mit diesem Verfahren wird sogenanntes amorphes Silizium hergestellt, das eine andere Struktur als die kristalline Form aufweist.
Überlegungen
Normalerweise liegt der Wirkungsgrad für Solarzellen wie die in Ihrem Taschenrechner bei etwa 15 Prozent. Ein Großteil des Lichts, das auf die Zelle trifft, hat entweder zu wenig oder zu viel Energie, um Elektronen abzulösen und einen Stromfluss zu erzeugen. Manchmal, selbst wenn das Licht die richtige Energiemenge hat, rekombiniert das Elektron, das es verschiebt, mit einem "Loch" und die Energie wird als Wärme verschwendet. Schließlich wird ein Teil des Lichts von der Oberfläche des Siliziums reflektiert, weshalb die Zellen ein wenig glänzend aussehen, wenn Sie sie im rechten Winkel zum Licht halten.