Crie os Seus Próprios Cristais de “Silício”

Todos sabemos que todos os equipamentos electrónicos e, para o que nos interessa aqui, as células fotovoltaicas produtoras de energia eléctrica a partir da luz solar, são baseadas em junções PN, construídas a partir de cristais de silício.
O que talvez alguns não saibam é que podemos construir em nossa casa ou na nossa escola, com intuitos meramente didácticos, os nossos próprios cristais de silício.
Vejamos como.
Nota importante: Reparem que no título do post aparece silício entre aspas ;-)

Material:

Caneca de café de plástico
Espeto
Ovo cozido
Açúcar
Corante alimentar

Ferramentas:

Compasso
Cortador de ovos às fatias

Como vimos na teoria, o silício alinha-se a si próprio (i.e. os seus átomos) num array cristalino regular.
Nesta experiência vamos tentar replicar a forma como esses cristais “crescem”, ou seja, são gerados e criados.

Na indústria, os cristais de silício são gerados de forma a formar um cilindro uniforme de silício, que é usado como material de base para as células solares de cristais de silício.

Na Terra o silício é um material abundante. Basta dizer que a areia contém silício.
O problema com a areia é que também contém oxigénio, na forma de dióxido de silício, e esse oxigénio tem de ser retirado para podermos usar o silício nas nossas células solares.

O processo industrial para isso usa temperaturas à volta dos 1800º C, pelo que não podemos replicar esse processo no nosso laboratório.

Há na Internet quem venda já kits educacionais de rochas-em-crescimento:
- http://scientificsonline.com/product.asp?pn=3039234&bhcd2=1151614245
- www.sciencekit.com/category.asp_Q_c_E737919
- www.scienceartandmore.com/browserproducts/Rock-Candy-Growing-Experiment-kot.html

Para podermos, em certa medida, replicar o processo de crescimento dos cristais de silício, vamos usar outros materiais.

Vai precisar de uma solução saturada de açúcar, que ficará assente no fundo da sua caneca de café.
Agora pegue num grande cristal de açúcar, frequentemente vendido como “pedra de açúcar” e “cole-o” no fim do espeto.
A seguir faça um buraco, com uma broca, com o mesmo diâmetro do espeto, e empurre o espeto até ao fundo da caneca de café.
Ponha-o num parapeito de uma janela e faça descer o cristal na solução saturada de açúcar.
Ao fim de algum tempo, os cristais devem começar a formar-se e a crescer – puxe o espeto devagarinho para cima, aos pouquinhos, com muito cuidado, de forma a que o cristal em crescimento mantenha sempre o contacto com a solução de açúcar.


Criação de cristais de açúcar

É exactamente desta forma que o cristal de silício é “fabricado”:
O silício é trazido para cima, lentamente, de uma calda de silício em fusão (que é análoga à solução saturada de açúcar)


Criação de cristais de silício

Depois de um bocado grande de silício ter sido fabricado, é então cortado às fatias, para fabricar as células solares.
Isso é feito através de um processo similar àquele que usamos quando cortamos um ovo cozido às fatias, num dispositivo próprio, para fazer uma sandes.


Cortador de ovos cozidos


Corte do silício em fatias (“bolachas”)

Cada fatia de silício é chamada de “bolacha”.

A seguir vamos criar a junção p-n na bolacha.
Para isso é difundido fósforo na superfície da bolacha.
Passe o seu ovo por bocado de corante alimentar ou mergulhe-o num sumo de beterraba, e verá que o sumo cobre um lado da fatia de ovo.
Agora imagine que essa fatia de ovo era uma célula solar, com a face mergulhada no sumo de beterraba virado para cima, para a luz solar.
Imagine ainda um contacto eléctrico em cada um dos lados da fatia, e que são ligados ao circuito.
Os fotões batem no lado colorido, que está “dopado” com fósforo, o que faz produzir alguns electrões extra.
Dando a esses electrões livres energia adicional dos fotões, eles serão capazes de saltar a junção, atravessar o lado dopado com boro (todo o resto da fatia de ovo, tirando a superfície colorida) onde preenchem os “buracos” onde faltam electrões na estrutura atómica.
Com um fluxo regular de fotões a bater na célula, uma grande corrente de electrões é encorajada a migrar através da junção p-n, viajando então através de todo o circuito e produzindo trabalho útil.


Dopagem com fósforo