El silici monocristal·lí és el material base per als xips de silici utilitzats en pràcticament tots els equips electrònics actuals. L'àmbit de l'energia solar, el silici monocristal·lí també s'utilitza per fabricar cèl·lules fotovoltaiques a causa de la seva capacitat per absorbir la radiació.
El silici monocristal·lí consisteix en silici en què la xarxa cristal·lina de tot el sòlid és contínua. Aquesta estructura cristal·lina no es trenca a les vores i està lliure de qualsevol límit de gra.
El silici monocristal·lí es pot preparar com:
-
Un semiconductor intrínsec que es compon només de silici molt pur
-
També pot ser dopat mitjançant l'addició d'altres elements com ara bor o fòsfor.
El silici monocristal·lí a les plaques solars
El silici monocristal·lí s'utilitza per a la fabricació de panells fotovoltaics d'alt rendiment.
Els requisits de qualitat dels panells solars monocristal·lins no són gaire exigents. En aquest tipus de plaques, les exigències sobre les imperfeccions estructurals són menys elevades en comparació amb les aplicacions de microelectrònica. Per això, s'utilitza el silici de menor qualitat.
Tot i això, la indústria de l'energia solar fotovoltaica de silici monocristal·lí ha millorat considerablement.
Fabricació de plaques fotovoltaiques de silici monocristal·lí
A més de la baixa taxa de producció, també hi ha preocupacions sobre el material desaprofitat en el procés de fabricació.
La creació de panells solars que estalvien espai requereix tallar les hòsties circulars a cel·les octogonals que es pugui empaquetar juntes. Les hòsties circulars són un producte dels lingots cilíndrics formats a través del procés Czochralski.
El material sobrant no es fa servir per crear cèl·lules fotovoltaiques i es descarta o recicla tornant a la producció de lingots per a la seva fusió.
Les cèl·lules de silici monocristal·lí poden absorbir la majoria dels fotons dins de 20 μm de la superfície incident. No obstant això, les limitacions en el procés de serrada del lingot signifiquen que el gruix comercial de l'hòstia és generalment d'uns 200 μm.
Eficiència en plaques fotovoltaiques
Aquest tipus de silici té una eficiència de laboratori de cel·la única registrada del 26,7%. Això vol dir que té l'eficiència de conversió confirmada més alta de totes les tecnologies fotovoltaiques comercials.
L'alta eficiència s'atribueix a:
-
Una manca de llocs de recombinació al vidre únic
-
Una millor absorció de fotons a causa del seu color negre, en comparació del to blau característic del polisilici.
Les cèl·lules monocristal·lines són més cares que les policristal·lines. Per aquesta raó, les cèl·lules mono-Si són útils per a aplicacions on les principals consideracions són limitacions de pes o àrea disponible.
Aquest tipus de panells es fan servir per exemple en naus espacials o satèl·lits alimentats per energia solar. En aquests casos, a més, l'eficiència es pot millorar encara més combinant altres tecnologies, com ara les cèl·lules solars multicapa.
Fabricació i producció
El silici monocristal·lí es crea generalment mitjançant un de diversos mètodes que impliquen la fusió de silici de grau semiconductor d'alta puresa i l'ús d'una llavor per iniciar la formació d'un cristall únic continu.
Aquest procés normalment es realitza en una atmosfera inert, com l'argó, i en un gresol inert, com el quars. D'aquesta manera, s'eviten les impureses que afectarien la uniformitat del vidre.
En comparació amb l'emmotllament de lingots policristal·lins, la producció de silici monocristal·lí és molt lenta i costosa. No obstant això, la demanda de silici monocristal·lí continua augmentant a causa de les propietats electròniques superiors.
Procés Czochralski
El mètode de producció més comú del silici monocristal·lí és el procés Czochralski. Aquest procés consisteix a submergir submergeix un vidre de sembra muntat en varetes amb precisió en el silici fos.
A continuació, la barra es llença lentament cap amunt i es gira simultàniament. D'aquesta manera es permet que el material estirat se solidifiqui en un lingot cilíndric monocristal·lí de fins a 2 metres de longitud i un pes de diversos centenars de quilograms.
Els camps magnètics també es poden aplicar per controlar i suprimir el flux turbulent, millorant encara més la uniformitat de la cristal·lització.
Altres mètodes de fabricació
Altres mètodes són:
El creixement de la zona flotant, que passa una vareta de silici policristal·lí a través d'una bobina d'escalfament de radiofreqüència. Aquesta bobina crea una zona fosa localitzada, des de la qual creix un lingot de vidre de llavor.
Les tècniques de Bridgman mouen el gresol a través d'un gradient de temperatura per refredar-lo des de l'extrem del contenidor que conté la llavor. Els lingots solidificats es tallen en làmines fines per al posterior processament.