El silicio monocristalino es el material base para los chips de silicio utilizados en prácticamente todos los equipos electrónicos actuales. El el ámbito de la energía solar, el silicio monocristalino también se utiliza para fabricar células fotovoltaicas debido a su capacidad para absorber la radiación.
El silicio monocristalino consiste en silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es continua. Estya estructura cristalina no se rompe en sus bordes y está libre de cualquier límite de grano.
El silicio monocristalino se puede preparar como:
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Un semiconductor intrínseco que se compone sólo de silicio muy puro
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También puede ser dopado mediante la adición de otros elementos tales como boro o fósforo.
El silicio monocristalino en las placas solares
El silicio monocristalino se utiliza para la fabricación de paneles fotovoltaicos de alto rendimiento.
Los requisitos de calidad de los paneles solares monocristalinos no sen muy exigentes. En este tipo de placas las exigencias sobre las imperfecciones estructurales son menos elevadas en comparación con las aplicaciones de microelectrónica. Por esta razón, se utiliza el silicio de menor calidad.
A pesar de esto, la industria de la energía solar fotovoltaica de silicio monocristalino ha mejorado considerablemente.
Fabricación de placas fotovoltaicas de silicio monocristalino
Además de la baja tasa de producción, también existen preocupaciones sobre el material desperdiciado en el proceso de fabricación.
La creación de paneles solares que ahorran espacio requiere cortar las obleas circulares en celdas octogonales que se pueda empaquetar juntas. Las obleas circulares son un producto de los lingotes cilíndricos formados a través del proceso Czochralski.
El material sobrante no se usa para crear células fotovoltaicas y se descarta o recicla volviendo a la producción de lingotes para su fusión.
Las células de silicio monocristalino pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de 20 μm de la superficie incidente. Sin embargo, las limitaciones en el proceso de aserrado del lingote significan que el grosor comercial de la oblea es generalmente de alrededor de 200 μm.
Eficiencia en placas fotovoltaicas
Este tipo de silicio tiene una eficiencia de laboratorio de celda única registrada del 26.7%. Esto significa que tiene la eficiencia de conversión confirmada más alta de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales.
La alta eficiencia se atribuye a:
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Una falta de sitios de recombinación en el cristal único
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Una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el tono azul característico del poli-silicio.
Las células monocristalinas son más caras que las policristalinas. Por esta razon, las células mono-Si son útiles para aplicaciones donde las principales consideraciones son limitaciones de peso o área disponible.
Este tipo de paneles se utilizan por ejemplo en naves espaciales o satélites alimentados por energía solar. En estos casos, además, la eficiencia puede mejorarse aún más combinando otras tecnologías, como las células solares multicapa.
Fabricación y producción
El silicio monocristalino generalmente se crea mediante uno de varios métodos que implican la fusión de silicio de grado semiconductor de alta pureza y el uso de una semilla para iniciar la formación de un cristal único continuo.
Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte, como el argón, y en un crisol inerte, como el cuarzo. De esta forma se evitan las impurezas que afectarían la uniformidad del cristal.
En comparación con el moldeado de lingotes policristalinos, la producción de silicio monocristalino es muy lenta y costosa. Sin embargo, la demanda de silicio monocristalino continúa aumentando debido a las propiedades electrónicas superiores.
Proceso Czochralski
El método de producción más común del silicio monocristalino es el proceso Czochralski. Este proceso consiste en sumergir sumerge un cristal de siembra montado en varillas con precisión en el silicio fundido.
A continuación, la barra se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente. De este modo se permite que el material estirado se solidifique en un lingote cilíndrico monocristalino de hasta 2 metros de longitud y un peso de varios cientos de kilogramos.
Los campos magnéticos también se pueden aplicar para controlar y suprimir el flujo turbulento, mejorando aún más la uniformidad de la cristalización.
Otros métodos de fabricación
Otros métodos son:
El crecimiento de la zona flotante, que pasa una varilla de silicio policristalino a través de una bobina de calentamiento de radiofrecuencia. Esta bobina crea una zona fundida localizada, desde la cual crece un lingote de cristal de semilla.
Las técnicas de Bridgman mueven el crisol a través de un gradiente de temperatura para enfriarlo desde el extremo del contenedor que contiene la semilla. Los lingotes solidificados se cortan en láminas finas para su posterior procesamiento.