El silicio amorfo ( a-Si ) es la forma no cristalina de silicio que se utiliza para las células solares y los transistores de película delgada en las pantallas LCD .
Utilizado como material semiconductor para células solares a-Si , o células solares de silicio de película delgada , se deposita en películas delgadas sobre una variedad de sustratos flexibles, como vidrio, metal y plástico. Las células de silicio amorfo generalmente presentan una baja eficiencia.
Como tecnología de células solares de película delgada de segunda generación , alguna vez se esperó que el silicio amorfo se convirtiera en un importante contribuyente al mercado fotovoltaico mundial de rápido crecimiento , pero desde entonces ha perdido su importancia debido a la fuerte competencia de las células de silicio cristalino convencionales y otras células solares de película delgada. tecnologías cinematográficas como CdTe y CIGS . [ cita necesaria ] El silicio amorfo es un material preferido para los elementos de transistores de película delgada (TFT) de las pantallas de cristal líquido (LCD) y para los generadores de imágenes de rayos X.
El silicio amorfo se diferencia de otras variaciones alotrópicas , como el silicio monocristalino , un monocristal, y el silicio policristalino , que consta de pequeños granos, también conocidos como cristalitos .
El silicio es un átomo cuádruple coordinado que normalmente está unido de forma tetraédrica a cuatro átomos de silicio vecinos. En el silicio cristalino (c-Si), esta estructura tetraédrica continúa en un amplio rango, formando así una red cristalina bien ordenada.
En el silicio amorfo este orden de largo alcance no está presente. Más bien, los átomos forman una red aleatoria continua. Además, no todos los átomos del silicio amorfo están coordinados cuatro veces. Debido a la naturaleza desordenada del material, algunos átomos tienen un enlace colgante . Físicamente, estos enlaces colgantes representan defectos en la red aleatoria continua y pueden causar un comportamiento eléctrico anómalo.
El material puede pasivarse con hidrógeno, que se une a los enlaces colgantes y puede reducir la densidad de los enlaces colgantes en varios órdenes de magnitud. El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) tiene una cantidad suficientemente baja de defectos para ser utilizado en dispositivos como células solares fotovoltaicas , particularmente en el régimen de crecimiento protocristalino . [1] Sin embargo, la hidrogenación está asociada con la degradación del material inducida por la luz, denominada efecto Staebler-Wronski . [2]
Las aleaciones amorfas de silicio y carbono ( carburo de silicio amorfo , también hidrogenado, a-Si 1−x C x :H) son una variante interesante. La introducción de átomos de carbono agrega grados adicionales de libertad para el control de las propiedades del material. La película también podría hacerse transparente a la luz visible.
El aumento de la concentración de carbono en la aleación amplía la brecha electrónica entre las bandas de conducción y valencia (también llamada "brecha óptica" y banda prohibida ). Esto aumenta la eficiencia lumínica de las células solares fabricadas con capas de carburo de silicio amorfo. Por otro lado, las propiedades electrónicas como semiconductor (principalmente la movilidad de los electrones ) se ven perjudicadas por el creciente contenido de carbono en la aleación, probablemente debido al mayor desorden en la red atómica. [3]
Se encuentran varios estudios en la literatura científica, que investigan principalmente los efectos de los parámetros de deposición en la calidad electrónica, pero aún faltan aplicaciones prácticas del carburo de silicio amorfo en dispositivos comerciales.
La densidad del Si amorfo implantado con iones se ha calculado como 4,90 x 10 22 átomos/cm 3 (2,285 g/cm 3 ) a 300 K. Esto se hizo utilizando tiras delgadas (5 micras) de silicio amorfo. Esta densidad es 1,8 ± 0,1% menos densa que el Si cristalino a 300 K. [4] El silicio es uno de los pocos elementos que se expande al enfriarse y tiene una densidad menor como sólido que como líquido.
El a-Si no hidrogenado tiene una densidad de defectos muy alta que conduce a propiedades semiconductoras indeseables, como una fotoconductividad deficiente, y evita el dopaje, que es fundamental para diseñar las propiedades de los semiconductores. Al introducir hidrógeno durante la fabricación de silicio amorfo, se mejora significativamente la fotoconductividad y se hace posible el dopaje. El silicio amorfo hidrogenado, a-Si:H, fue fabricado por primera vez en 1969 por Chittick, Alexander y Sterling mediante deposición utilizando un precursor de gas silano (SiH 4 ). El material resultante mostró una menor densidad de defectos y una mayor conductividad debido a las impurezas. El interés en a-Si:H surgió cuando (en 1975), LeComber y Spear descubrieron la capacidad de dopaje sustitucional de a-Si:H usando fosfina (tipo n) o diborano (tipo p). [5] El papel del hidrógeno en la reducción de defectos fue verificado por el grupo de Paul en Harvard, quien encontró una concentración de hidrógeno de aproximadamente el 10% atómico a través de vibración IR, que para los enlaces Si-H tiene una frecuencia de aproximadamente 2000 cm -1 . [6] A partir de la década de 1970, David E. Carlson y CR Wronski desarrollaron a-Si:H en células solares en RCA Laboratories. [7] La eficiencia de conversión aumentó constantemente hasta aproximadamente el 13,6% en 2015. [8]
Si bien el a-Si tiene un rendimiento electrónico más bajo en comparación con el c-Si, es mucho más flexible en sus aplicaciones. Por ejemplo, las capas de a-Si pueden hacerse más delgadas que las de c-Si, lo que puede producir ahorros en el costo del material de silicio.
Una ventaja adicional es que el a-Si puede depositarse a temperaturas muy bajas, por ejemplo tan bajas como 75 grados Celsius. Esto permite la deposición no solo sobre vidrio, sino también sobre sustratos de plástico o incluso de papel [9] [10] , lo que lo convierte en un candidato para una técnica de procesamiento de rollo a rollo . Una vez depositado, el a-Si se puede dopar de forma similar al c-Si, para formar capas de tipo p o de tipo n y, en última instancia, para formar dispositivos electrónicos.
Otra ventaja es que el PECVD puede depositar a-Si en grandes áreas . El diseño del sistema PECVD tiene un gran impacto en el costo de producción de dicho panel, por lo tanto, la mayoría de los proveedores de equipos se centran en el diseño de PECVD para un mayor rendimiento, lo que conduce a un menor costo de fabricación [11], particularmente cuando se recicla el silano . [12]
Se utilizan conjuntos de fotodiodos a-Si pequeños (menos de 1 mm por 1 mm) sobre vidrio como sensores de imagen de luz visible en algunos detectores de panel plano para fluoroscopia y radiografía .
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El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se ha utilizado como material de células solares fotovoltaicas para dispositivos que requieren muy poca energía, como calculadoras de bolsillo , porque su menor rendimiento en comparación con las células solares convencionales de silicio cristalino (c-Si) es mayor. que compensado por su costo simplificado y menor de deposición sobre un sustrato. Además, la resistencia de derivación mucho mayor del dispositivo de clavija significa que se logra un rendimiento aceptable incluso con niveles de luz muy bajos. Las primeras calculadoras alimentadas por energía solar ya estaban disponibles a finales de los años 1970, como la Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 y Teal Photon .
Más recientemente, las mejoras en las técnicas de construcción de a-Si:H las han hecho también más atractivas para el uso de células solares en grandes superficies. En este caso, su menor eficiencia inherente se compensa, al menos parcialmente, por su delgadez: se pueden alcanzar eficiencias más altas apilando varias células de película delgada una encima de otra, cada una de ellas sintonizada para funcionar bien con una frecuencia de luz específica. Este enfoque no es aplicable a las células de c-Si, que son gruesas como resultado de su banda prohibida indirecta y, por lo tanto, son en gran medida opacas, lo que impide que la luz llegue a otras capas de una pila.
La fuente de la baja eficiencia de la energía fotovoltaica de silicio amorfo se debe en gran medida a la baja movilidad de los agujeros del material. [13] Esta baja movilidad del agujero se ha atribuido a muchos aspectos físicos del material, incluida la presencia de enlaces colgantes (silicio con 3 enlaces), [14] enlaces flotantes (silicio con 5 enlaces), [15] así como enlaces reconfiguraciones. [16] Si bien se ha trabajado mucho para controlar estas fuentes de baja movilidad, la evidencia sugiere que la multitud de defectos que interactúan puede llevar a que la movilidad sea inherentemente limitada, ya que la reducción de un tipo de defecto conduce a la formación de otros. [17]
La principal ventaja del a-Si:H en la producción a gran escala no es la eficiencia, sino el coste. Las celdas a-Si:H utilizan solo una fracción del silicio necesario para las celdas c-Si típicas, y el costo del silicio ha contribuido históricamente de manera significativa al costo de la celda. Sin embargo, los mayores costos de fabricación debido a la construcción multicapa han hecho que el a-Si:H sea poco atractivo, excepto en roles donde su delgadez o flexibilidad son una ventaja. [18]
Normalmente, las células de película delgada de silicio amorfo utilizan una estructura de pasador . La colocación de la capa tipo p en la parte superior también se debe a la menor movilidad de los orificios, lo que permite que los orificios atraviesen una distancia promedio más corta para llegar al contacto superior. La estructura típica del panel incluye vidrio frontal, TCO , silicio de película delgada, contacto posterior, polivinilbutiral (PVB) y vidrio posterior. Uni-Solar, una división de Dispositivos de Conversión de Energía , produjo una versión de soportes flexibles, utilizados en productos para techos enrollables. Sin embargo, el mayor fabricante mundial de energía fotovoltaica de silicio amorfo tuvo que declararse en quiebra en 2012, ya que no podía competir con los precios en rápida caída de los paneles solares convencionales . [19] [20]
El silicio microcristalino (también llamado silicio nanocristalino) es silicio amorfo, pero también contiene pequeños cristales. Absorbe un espectro más amplio de luz y es flexible . La tecnología de módulo de silicio micromorfo combina dos tipos diferentes de silicio, silicio amorfo y microcristalino, en una célula fotovoltaica superior e inferior . Sharp produce células utilizando este sistema para capturar de manera más eficiente la luz azul, aumentando la eficiencia de las células durante el tiempo en el que no incide directamente la luz solar sobre ellas. El silicio protocristalino se utiliza a menudo para optimizar el voltaje del circuito abierto de la energía fotovoltaica de a-Si.
Xunlight Corporation , que ha recibido más de 40 millones de dólares en inversiones institucionales, [ cita necesaria ] ha completado la instalación de su primer equipo de fabricación fotovoltaica rollo a rollo de red ancha de 25 MW para la producción de módulos fotovoltaicos de silicio de película delgada. [21] Anwell Technologies también ha completado la instalación de su primera instalación de fabricación de paneles solares de película delgada a-Si de 40 MW en Henan con su equipo PECVD de múltiples sustratos y múltiples cámaras diseñado internamente. [22]
Los colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos (PVT), son sistemas que convierten la radiación solar en energía eléctrica y energía térmica . Estos sistemas combinan una célula solar, que convierte la radiación electromagnética ( fotones ) en electricidad, con un colector solar térmico , que captura la energía restante y elimina el calor residual del módulo solar fotovoltaico. Las células solares sufren una caída en su eficiencia con el aumento de temperatura debido al aumento de la resistencia . La mayoría de estos sistemas pueden diseñarse para alejar el calor de las células solares, enfriando así las células y mejorando así su eficiencia al reducir la resistencia. Aunque se trata de un método eficaz, provoca que el componente térmico tenga un rendimiento inferior al de un colector solar térmico . Investigaciones recientes demostraron que a-Si:H PV con coeficientes de temperatura bajos permiten que el PVT funcione a altas temperaturas, creando un sistema PVT más simbiótico y mejorando el rendimiento del a-Si:H PV en aproximadamente un 10 %.
El silicio amorfo se ha convertido en el material elegido para la capa activa de los transistores de película delgada (TFT), que se utilizan más ampliamente en aplicaciones electrónicas de gran superficie , principalmente para pantallas de cristal líquido (LCD).
Las pantallas de cristal líquido con transistores de película delgada (TFT-LCD) muestran un proceso de diseño de circuitos similar al de los productos semiconductores. Sin embargo, en lugar de fabricar los transistores a partir de silicio, que se forma en una oblea de silicio cristalino , se fabrican a partir de una fina película de silicio amorfo que se deposita sobre un panel de vidrio . La capa de silicio para los TFT-LCD normalmente se deposita mediante el proceso PECVD . [23] Los transistores ocupan sólo una pequeña fracción del área de cada píxel y el resto de la película de silicio se elimina para permitir que la luz pase fácilmente a través de ella.
El silicio policristalino se utiliza a veces en pantallas que requieren un mayor rendimiento TFT. Los ejemplos incluyen pequeñas pantallas de alta resolución, como las que se encuentran en proyectores o visores. Los TFT basados en silicio amorfo son, con diferencia, los más comunes debido a su menor coste de producción, mientras que los TFT de silicio policristalino son más costosos y mucho más difíciles de producir. [24]
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