Silicio cristalino o ( c-Si ) Son las formas cristalinas del silicio , ya sea silicio policristalino (poli-Si, formado por pequeños cristales), o silicio monocristalino (mono-Si, un cristal continuo ). El silicio cristalino es el material semiconductor predominante utilizado en la tecnología fotovoltaica para la producción de células solares . Estas células se ensamblan en paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico para generar energía solar a partir de la luz solar.
En electrónica, el silicio cristalino suele ser la forma monocristalina del silicio y se utiliza para producir microchips . Este silicio contiene niveles de impurezas mucho más bajos que los necesarios para las células solares. La producción de silicio de grado semiconductor implica una purificación química para producir polisilicio hiperpuro, seguida de un proceso de recristalización para cultivar silicio monocristalino. Luego, las bolas cilíndricas se cortan en obleas para su posterior procesamiento.
Las células solares hechas de silicio cristalino a menudo se denominan células solares convencionales , tradicionales o de primera generación , ya que se desarrollaron en la década de 1950 y siguen siendo el tipo más común hasta la actualidad. [1] [2] Debido a que se producen a partir de obleas solares de 160 a 190 μm de espesor (rebanadas de grandes cantidades de silicio de grado solar ), a veces se les llama células solares basadas en obleas .
Las células solares fabricadas a partir de c-Si son células de unión simple y generalmente son más eficientes que sus tecnologías rivales, que son las células solares de película delgada de segunda generación , siendo las más importantes el CdTe , el CIGS y el silicio amorfo (a-Si). . El silicio amorfo es una variante alotrópica del silicio y amorfo significa "sin forma" para describir su forma no cristalina. [3] : 29
Las formas alotrópicas del silicio varían desde una estructura cristalina única hasta una estructura amorfa completamente desordenada con varias variedades intermedias. Además, cada una de estas diferentes formas puede tener varios nombres e incluso más abreviaturas, y a menudo causa confusión a los no expertos, especialmente porque algunos materiales y su aplicación como tecnología fotovoltaica tienen una importancia menor, mientras que otros materiales tienen una importancia excepcional.
En la industria fotovoltaica, los materiales se suelen agrupar en las dos categorías siguientes:
Alternativamente, se pueden clasificar por generaciones diferentes tipos de células solares y/o sus materiales semiconductores:
Podría decirse que las células fotovoltaicas de uniones múltiples no pueden clasificarse en ninguna de estas generaciones. Un semiconductor de triple unión típico está hecho de InGaP / (In)GaAs / Ge . [5] [6]
En 2013, la tecnología convencional de silicio cristalino dominó la producción fotovoltaica mundial, con el multi-Si liderando el mercado por delante del mono-Si, representando el 54% y el 36%, respectivamente. Durante los últimos diez años, la cuota de mercado mundial de las tecnologías de película fina se ha estancado por debajo del 18% y actualmente se sitúa en el 9%. En el mercado de película delgada, el CdTe lidera con una producción anual de 2 GW p o el 5%, seguido por el a-Si y el CIGS, ambos con alrededor del 2%. [3] : 4, 18 La capacidad fotovoltaica desplegada en todo momento de 139 gigavatios ( acumulados a 2013 ) se divide en 121 GW de silicio cristalino (87%) y 18 GW de tecnología de película delgada (13%). [3] : 41
La eficiencia de conversión de los dispositivos fotovoltaicos describe la relación energética entre la energía eléctrica saliente en comparación con la luz irradiada entrante. Una sola célula solar tiene generalmente una eficiencia mejor o mayor que un módulo solar completo. Además, la eficiencia del laboratorio es siempre muy superior a la de los productos que se venden comercialmente.
En 2013, la eficiencia récord de las células de laboratorio fue la más alta para el silicio cristalino. Sin embargo, al multisilicio le siguen de cerca las células solares de telururo de cadmio y seleniuro de cobre, indio y galio.
Células solares de silicio en contacto por ambos lados a partir de 2021: 26% y posiblemente más. [7] [8]
El módulo comercial promedio de silicio cristalino aumentó su eficiencia de alrededor del 12% al 16% en los últimos diez años. En el mismo período, los módulos CdTe mejoraron su eficiencia del 9 al 16%. Los módulos que obtuvieron mejores resultados en condiciones de laboratorio en 2014 fueron los de silicio monocristalino. Estaban un 7% por encima de la eficiencia de los módulos producidos comercialmente (23% sobre 16%), lo que indicaba que la tecnología de silicio convencional todavía tenía potencial para mejorar y, por tanto, mantener su posición de liderazgo. [3] : 6
El silicio cristalino tiene un alto coste energético porque el silicio se produce mediante la reducción de arena de cuarzo de alta calidad en un horno eléctrico . La electricidad generada para este proceso puede producir emisiones de gases de efecto invernadero . Este proceso de fundición con coque se produce a altas temperaturas de más de 1.000 °C y consume mucha energía, ya que utiliza alrededor de 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo de silicio. [9]
Los requisitos energéticos de este proceso por unidad de silicio metálico producido pueden ser relativamente inelásticos. Pero se han logrado importantes reducciones en los costos de energía por producto (fotovoltaico) a medida que las células de silicio se han vuelto más eficientes en la conversión de la luz solar, los lingotes de metal de silicio más grandes se cortan con menos desperdicio en obleas más delgadas, los desechos de silicio de la fabricación se reciclan y los costos de materiales se han reducido. [3] : 29
Con la excepción del silicio amorfo , la mayoría de las tecnologías fotovoltaicas establecidas comercialmente utilizan metales pesados tóxicos . CIGS a menudo utiliza una capa tampón de CdS , y el material semiconductor de la tecnología CdTe contiene el tóxico cadmio (Cd). En el caso de los módulos de silicio cristalino, el material de soldadura que une las cuerdas de cobre de las celdas, contiene alrededor de un 36% de plomo (Pb). Además, la pasta utilizada para serigrafiar los contactos delanteros y traseros contiene trazas de Pb y, a veces, también de Cd. Se estima que se han utilizado unas 1.000 toneladas métricas de Pb para 100 gigavatios de módulos solares de c-Si. Sin embargo, no existe una necesidad fundamental de plomo en la aleación de soldadura. [10]
Las células solares de contacto trasero con emisor pasivado (PERC) [11] consisten en la adición de una capa adicional en la parte posterior de una célula solar. Esta capa pasiva dieléctrica actúa para reflejar la luz no absorbida de regreso a la célula solar para un segundo intento de absorción, aumentando la eficiencia de la célula solar. [12]
Un PERC se crea mediante un proceso adicional de deposición de película y grabado. El grabado se puede realizar mediante procesamiento químico o láser. Aproximadamente el 80% de los paneles solares en todo el mundo utilizan el diseño PERC. [13] Martin Green, Andrew Blakers, Jianhua Zhao y Aihua Wang ganaron el Premio Reina Isabel de Ingeniería en 2023 por el desarrollo de la célula solar PERC. [14]
Una célula solar HIT está compuesta por una oblea de silicio cristalino monofina rodeada por capas de silicio amorfo ultrafinas . [15] El acrónimo HIT significa " heterounión con capa fina intrínseca". Las células HIT son producidas por la multinacional japonesa de electrónica Panasonic (ver también Sanyo § Células y plantas solares ). [16] Panasonic y varios otros grupos han informado varias ventajas del diseño HIT sobre su contraparte tradicional c-Si:
1. Una capa intrínseca de a-Si puede actuar como una capa de pasivación superficial eficaz para oblea de c-Si.
2. El a-Si dopado con p+/n+ funciona como un emisor/BSF eficaz para la célula.
3. Las capas de a-Si se depositan a una temperatura mucho más baja, en comparación con las temperaturas de procesamiento para la tecnología tradicional de c-Si difundido.
4. La celda HIT tiene un coeficiente de temperatura más bajo en comparación con la tecnología de celda c-Si.
Debido a todas estas ventajas, esta nueva célula solar de heterounión se considera una alternativa prometedora de bajo coste a las células solares tradicionales basadas en c-Si.
Los detalles de la secuencia de fabricación varían de un grupo a otro. Por lo general, las obleas de c-Si cultivadas con CZ/FZ (con una vida útil de aproximadamente 1 ms) son de buena calidad y se utilizan como capa absorbente de las células HIT. Utilizando agentes de ataque alcalinos, como NaOH o (CH 3 ) 4 NOH, se texturiza la superficie (100) de la oblea para formar pirámides de 5-10 μm de altura. A continuación, se limpia la oblea con soluciones de peróxido y HF. A esto le sigue la deposición de una capa de pasivación de a-Si intrínseca, normalmente a través de PECVD o CVD de alambre caliente. [17] [18] El gas silano (SiH4) diluido con H 2 se utiliza como precursor. La temperatura y presión de deposición se mantienen a 200 o C y 0,1-1 Torr. Un control preciso de este paso es esencial para evitar la formación de Si epitaxial defectuoso. [19]
Se ha demostrado que los ciclos de deposición y recocido y el tratamiento con plasma de H2 han proporcionado una excelente pasivación de la superficie. [20] [21] El gas diborano o trimetilboro mezclado con SiH 4 se usa para depositar la capa de a-Si tipo p, mientras que el gas fosfina mezclado con SiH 4 se usa para depositar la capa de a-Si tipo n. Se ha demostrado que la deposición directa de capas de a-Si dopadas sobre oblea de c-Si tiene propiedades de pasivación muy pobres. [22] Esto se debe muy probablemente a la generación de defectos inducidos por dopantes en las capas de a-Si. [23] El óxido de indio y estaño pulverizado (ITO) se usa comúnmente como una capa de óxido conductor transparente (TCO) encima de la capa frontal y posterior de a-Si en el diseño bifacial, ya que el a-Si tiene una alta resistencia lateral.
Generalmente se deposita en la parte posterior y en la celda completamente metalizada para evitar la difusión del metal posterior y también para igualar la impedancia de la luz reflejada. [24] La rejilla de plata/aluminio de 50-100 μm de espesor se deposita mediante impresión con plantilla para el contacto frontal y posterior para el diseño bifacial. La descripción detallada del proceso de fabricación se puede encontrar en [25]
La literatura analiza varios estudios para interpretar los cuellos de botella del transporte de portadores en estas células. Los IV tradicionales claros y oscuros se estudian ampliamente [26] [27] [28] y se observa que tienen varias características no triviales, que no pueden explicarse utilizando la teoría tradicional de diodos de células solares . [29] Esto se debe a la presencia de una heterounión entre la capa intrínseca de a-Si y la oblea de c-Si, que introduce complejidades adicionales al flujo de corriente. [26] [30] Además, se han realizado importantes esfuerzos para caracterizar esta célula solar mediante CV, [31] [32] espectroscopia de impedancia, [31] [33] [34] fotovoltaje de superficie, [35] soles- Voc [36] [37] para producir información complementaria.
Además, se están buscando activamente una serie de mejoras de diseño, como el uso de nuevos emisores, [38] configuración bifacial, configuración de contacto posterior interdigitado (IBC) [39] y configuración bifacial-tándem [40] .
El silicio monocristalino (mono c-Si) es una forma en la que la estructura cristalina es homogénea en todo el material; la orientación, el parámetro de la red y las propiedades electrónicas son constantes en todo el material. [41] A menudo se incorporan átomos dopantes como fósforo y boro a la película para formar silicio de tipo n o de tipo p, respectivamente. El silicio monocristalino se fabrica en forma de obleas de silicio, normalmente mediante el método de crecimiento de Czochralski , y puede ser bastante caro dependiendo del tamaño radial de la oblea monocristalina deseada (alrededor de 200 dólares por una oblea de Si de 300 mm). [41] Este material monocristalino, si bien es útil, es uno de los principales gastos asociados con la producción de energía fotovoltaica, donde aproximadamente el 40% del precio final del producto es atribuible al costo de la oblea de silicio inicial utilizada en la fabricación de células. [42]
El silicio policristalino se compone de muchos granos de silicio más pequeños de orientación cristalográfica variada, típicamente de tamaño >1 mm. Este material se puede sintetizar fácilmente permitiendo que el silicio líquido se enfríe utilizando un cristal semilla de la estructura cristalina deseada. Además, existen otros métodos para formar silicio policristalino (poli-Si) de grano más pequeño, como la deposición química de vapor (CVD) a alta temperatura.
Estas formas alotrópicas de silicio no se clasifican como silicio cristalino. Pertenecen al grupo de las células solares de película delgada .
El silicio amorfo (a-Si) no tiene un orden periódico de largo alcance. La aplicación del silicio amorfo a la energía fotovoltaica como material independiente está algo limitada por sus propiedades electrónicas inferiores. [43] Sin embargo, cuando se combina con silicio microcristalino en células solares en tándem y de triple unión, se puede lograr una mayor eficiencia que con las células solares de unión simple. [44] Este conjunto en tándem de células solares permite obtener un material de película delgada con una banda prohibida de alrededor de 1,12 eV (la misma que la del silicio monocristalino) en comparación con la banda prohibida del silicio amorfo de 1,7-1,8 eV. Las células solares en tándem son entonces atractivas porque pueden fabricarse con una banda prohibida similar al silicio monocristalino pero con la facilidad del silicio amorfo.
El silicio nanocristalino (nc-Si), a veces también conocido como silicio microcristalino (μc-Si), es una forma de silicio poroso . [45] Es una forma alotrópica de silicio con estructura paracristalina ; es similar al silicio amorfo (a-Si), en el sentido de que tiene una fase amorfa . Sin embargo, en lo que difieren es en que el nc-Si tiene pequeños granos de silicio cristalino dentro de la fase amorfa. Esto contrasta con el silicio policristalino (poli-Si), que se compone únicamente de granos de silicio cristalino, separados por límites de grano. La diferencia proviene únicamente del tamaño de los granos cristalinos. La mayoría de los materiales con granos en el rango micrométrico son en realidad polisilicio de grano fino, por lo que silicio nanocristalino es un término mejor. El término silicio nanocristalino se refiere a una variedad de materiales alrededor de la región de transición de la fase amorfa a la microcristalina en la película delgada de silicio.
El silicio protocristalino tiene una mayor eficiencia que el silicio amorfo (a-Si) y también se ha demostrado que mejora la estabilidad, pero no la elimina. [46] [47] Una fase protocristalina es una fase distinta que se produce durante el crecimiento del cristal y que evoluciona a una forma microcristalina .
El Si protocristalino también tiene una absorción relativamente baja cerca de la banda prohibida debido a su estructura cristalina más ordenada. Por lo tanto, el silicio protocristalino y amorfo se pueden combinar en una célula solar en tándem donde la capa superior de silicio protocristalino delgado absorbe luz de longitud de onda corta, mientras que las longitudes de onda más largas son absorbidas por el sustrato a-Si subyacente.
El silicio amorfo se puede transformar en silicio cristalino mediante procesos de recocido a alta temperatura bien comprendidos y ampliamente implementados. El método típico utilizado en la industria requiere materiales compatibles con las altas temperaturas, como el vidrio especial para altas temperaturas, que es costoso de producir. Sin embargo, hay muchas aplicaciones para las que este es un método de producción inherentemente poco atractivo.
Las células solares flexibles han sido un tema de interés para una generación de energía integrada menos llamativa que las granjas de energía solar. Estos módulos pueden colocarse en áreas donde las celdas tradicionales no serían factibles, como alrededor de un poste telefónico o una torre de telefonía celular. En esta aplicación, se puede aplicar un material fotovoltaico a un sustrato flexible, a menudo un polímero. Estos sustratos no pueden sobrevivir a las altas temperaturas experimentadas durante el recocido tradicional. En cambio, se han estudiado exhaustivamente nuevos métodos para cristalizar el silicio sin alterar el sustrato subyacente. La cristalización inducida por aluminio (AIC) y la cristalización láser local son comunes en la literatura, sin embargo, no se utilizan ampliamente en la industria.
En ambos métodos, el silicio amorfo se cultiva utilizando técnicas tradicionales como la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Los métodos de cristalización divergen durante el procesamiento posterior a la deposición. En la cristalización inducida por aluminio, se deposita una fina capa de aluminio (50 nm o menos) mediante deposición física de vapor sobre la superficie del silicio amorfo. Luego, esta pila de material se recoce a una temperatura relativamente baja, entre 140 °C y 200 °C, en vacío. Se cree que el aluminio que se difunde en el silicio amorfo debilita los enlaces de hidrógeno presentes, permitiendo la nucleación y el crecimiento de los cristales. [48] Los experimentos han demostrado que el silicio policristalino con granos del orden de 0,2 – 0,3 μm se puede producir a temperaturas tan bajas como 150 °C. La fracción de volumen de la película que se cristaliza depende de la duración del proceso de recocido. [48]
La cristalización inducida por aluminio produce silicio policristalino con propiedades cristalográficas y electrónicas adecuadas que lo convierten en un candidato para producir películas delgadas policristalinas para energía fotovoltaica. [48] El AIC se puede utilizar para generar nanocables de silicio cristalino y otras estructuras a nanoescala.
Otro método para lograr el mismo resultado es el uso de un láser para calentar el silicio localmente sin calentar el sustrato subyacente más allá de algún límite superior de temperatura. Se utiliza un láser excimer o, alternativamente, láseres verdes, como un láser Nd:YAG de frecuencia duplicada, para calentar el silicio amorfo, suministrando la energía necesaria para nuclear el crecimiento del grano. La fluencia del láser debe controlarse cuidadosamente para inducir la cristalización sin provocar una fusión generalizada. La cristalización de la película se produce cuando una porción muy pequeña de la película de silicio se funde y se deja enfriar. Idealmente, el láser debería fundir la película de silicio en todo su espesor, pero sin dañar el sustrato. Con este fin, a veces se añade una capa de dióxido de silicio para que actúe como barrera térmica. [49] Esto permite el uso de sustratos que no pueden exponerse a las altas temperaturas del recocido estándar, polímeros por ejemplo. Las células solares respaldadas por polímeros son interesantes para esquemas de producción de energía perfectamente integrados que implican colocar energía fotovoltaica en superficies cotidianas.
Un tercer método para cristalizar silicio amorfo es el uso de un chorro de plasma térmico. Esta estrategia es un intento de aliviar algunos de los problemas asociados con el procesamiento láser, a saber, la pequeña región de cristalización y el alto costo del proceso a escala de producción. La antorcha de plasma es un equipo simple que se utiliza para recocer térmicamente el silicio amorfo. En comparación con el método láser, esta técnica es más sencilla y rentable. [50] El recocido con antorcha de plasma es atractivo porque los parámetros del proceso y las dimensiones del equipo se pueden cambiar fácilmente para producir diferentes niveles de rendimiento. Con este método se puede obtener un alto nivel de cristalización (~90%). Las desventajas incluyen la dificultad para lograr uniformidad en la cristalización de la película. Si bien este método se aplica con frecuencia al silicio sobre un sustrato de vidrio, las temperaturas de procesamiento pueden ser demasiado altas para los polímeros.
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