Как работает солнечная батарея в калькуляторе

Откуда в тёмной полоске берётся электричество

Тёмная полоска над экраном калькулятора называется фотоэлементом. Основной материал в ней — очищенный кремний. В обычном состоянии атомы кремния крепко держат свои электроны в кристаллической решётке, поэтому ток сам по себе не течёт. Чтобы заставить заряды двигаться, нужна внешняя энергия.

Свет состоит из крошечных порций энергии, которые физики называют фотонами. Когда фотон падает на пластинку, он сталкивается с электроном кремния и передаёт ему свою энергию. Получив такой толчок, электрон отрывается от родного атома и становится свободным. Это явление называют внутренним фотоэффектом.

Одного освобождения электронов мало для работы калькулятора. Если заряды будут хаотично метаться в разные стороны, электрический ток не возникнет. Ток появляется только тогда, когда заряженные частицы движутся стройным потоком в одном направлении. Чтобы направить электроны по проводам, кремниевую пластинку делают из двух разных слоёв.

Устройство кремниевого сэндвича

Фотоэлемент состоит из двух тончайших слоёв кремния с особыми химическими добавками. Верхний слой насыщают фосфором, создавая избыток свободных электронов. Нижний слой обрабатывают бором, отчего там возникает нехватка электронов, то есть образуются свободные места для них — так называемые дырки.

На границе между слоями возникает зона контакта, которую физики называют p-n переходом. В этой пограничной зоне электроны фосфорного слоя занимают пустые места в борном слое, создавая мощное внутреннее электрическое поле. Это поле работает словно ниппель в велосипедном колесе или уличный турникет. Оно пропускает свободные отрицательные электроны только в одну сторону — вверх, к наружному слою, и категорически мешает им вернуться напрямик.

Как замыкается электрическая цепь

К обоим слоям кремния прикреплены тончайшие металлические дорожки. Когда солнечный свет беспрерывно выбивает электроны, на верхнем контакте собирается огромный отрицательный заряд, а на нижнем остаётся положительный. Между ними появляется электрическое напряжение.

Скопившиеся электроны стремятся вернуться к нижнему слою с дырками. Пограничное поле внутри кристалла их назад не пускает, поэтому им остаётся двигаться по единственному внешнему пути — через провода калькулятора. Электроны пробегают по схеме, заставляют микропроцессор выполнять вычисления, поворачивают молекулы жидких кристаллов на дисплее, чтобы высветились цифры, и благополучно возвращаются в нижний кремниевый слой.

Почему калькулятору хватает даже тусклой лампочки

Обычный настольный или школьный калькулятор потребляет ничтожно мало энергии. Простой жидкокристаллический экран без подсветки и примитивный вычислительный чип требуют электрический ток силой всего около 5–15 микроампер при напряжении около 1,5–2 вольт. Для сравнения, обычному смартфону для работы требуется ток в сотни тысяч раз мощнее.

В калькуляторах почти всегда используют пластинки из аморфного кремния. У такого кремния нет упорядоченной кристаллической структуры, атомы расположены хаотично, а сам слой напыляют прямо на стекло или пластик тончайшей плёнкой тёмно-коричневого оттенка. Аморфный кремний хуже работает под прямым ярким солнцем, зато прекрасно улавливает рассеянный свет комнатных люминесцентных ламп и светодиодов.

Кто и когда всё это открыл

Способность света создавать электрический ток впервые заметил девятнадцатилетний французский физик Александр Эдмон Беккерель в 1839 году, когда проводил опыты с металлическими электродами в банке с раствором электролита. Полноценное теоретическое объяснение фотоэффекта дал Альберт Эйнштейн в 1905 году, за что позже получил Нобелевскую премию.

Первый кремниевый солнечный элемент современного типа собрали физики американской исследовательской лаборатории Bell Labs в 1954 году. Та пластинка обладала коэффициентом полезного действия около 6 процентов. В калькуляторах фотоэлементы стали массово появляться в конце 1970-х годов с развитием микроэлектроники с низким энергопотреблением, избавив людей от необходимости регулярно покупать батарейки.