Paneles de energía
solar fotovoltaica

Silicio monocristalino

Silicio monocristalino

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, no se rompe en sus bordes y está libre de cualquier límite de grano. El silicio monocristalino se puede preparar como un semiconductor intrínseco que se compone sólo de silicio muy puro, o puede ser dopado mediante la adición de otros elementos tales como boro o fósforo para hacer de tipo p o de tipo n de silicio.

El silicio monocristalino en células solares

El silicio monocristalino también se utiliza en el campo de la energía solar, concretamente para la fabricación de paneles fotovoltaicos de alto rendimiento. Dado que existen demandas menos estrictas sobre las imperfecciones estructurales en comparación con las aplicaciones de microelectrónica, el silicio de calidad solar de menor calidad (Sog-Si) se utiliza a menudo para las células fotovoltaicas.

A pesar de esto, la industria de la energía solar fotovoltaica de silicio monocristalino ha mejorado considerablemente el desarrollo de métodos más rápidos de producción de silicio monocristalino para la industria electrónica.

Eficiencia del silicio monocristalino

Con una eficiencia de laboratorio de celda única registrada del 26.7%, el silicio monocristalino tiene la eficiencia de conversión confirmada más alta de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales. Las eficiencias del módulo solar para el silicio monocristalino, que son siempre más bajas que las de sus celdas correspondientes.

La alta eficiencia es en gran medida atribuible a la falta de sitios de recombinación en el cristal único y una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el tono azul característico del poli-silicio. Dado que son más caros que sus contrapartes policristalinas, las células mono-Si son útiles para aplicaciones donde las principales consideraciones son limitaciones de peso o área disponible, como en naves espaciales o satélites alimentados por energía solar, donde la eficiencia puede mejorarse aún más combinando otras tecnologías, como las células solares multicapa.

Fabricación del 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 (un producto de los lingotes cilíndricos formados a través del proceso Czochralski) en celdas octogonales que se pueda empaquetar juntas. El material sobrante no se usa para crear células fotovoltaicas y se descarta o recicla volviendo a la producción de lingotes para su fusión. Además, aunque las células de silicio monocristalino pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de 20 μm de la superficie incidente, las limitaciones en el proceso de aserrado del lingote significan que el grosor comercial de la oblea es generalmente de alrededor de 200 μm.

Producción del silicio monocristalino

El silicio monocristalino generalmente se crea mediante uno de varios métodos que implican la fusión de silicio de grado semiconductor de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) 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, para evitar las impurezas que afectarían la uniformidad del cristal.

El método de producción más común del silicio monocristalino es el proceso Czochralski, que 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, permitiendo 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 son el crecimiento de la zona flotante, que pasa una varilla de silicio policristalino a través de una bobina de calentamiento de radiofrecuencia que crea una zona fundida localizada, desde la cual crece un lingote de cristal de semilla, y técnicas de Bridgman, que 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.

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 -la falta de límites de grano permite un mejor flujo de la carga transportadora y evita la recombinación de electrones, lo que permite un mejor rendimiento de los circuitos integrados y la energía fotovoltaica.

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Última revisión: 3 de septiembre de 2018