El silicio amorfo (a-Si) es la forma no cristalina del silicio utilizado para las células solares y los transistores de película delgada en las pantallas LCD.
Utilizado como material semiconductor para las células solares a-Si, o células solares de silicio de capa fina, se deposita en películas delgadas sobre una variedad de sustratos flexibles, como vidrio, metal y plástico. Las células de silicio amorfo generalmente tienen una baja eficiencia, pero son una de las tecnologías fotovoltaicas más respetuosas con el medio ambiente, ya que no usan metales pesados tóxicos como el cadmio o el plomo.
Como tecnología de celda solar de película delgada de segunda generación, se esperaba que el silicio amorfo se convirtiera en un contribuyente importante en el 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 otros tecnologías cinematográficas como CdTe y CIGS.
El silicio amorfo difiere de otras variaciones alotrópicas, como el silicio monocristalino, un cristal único y el silicio policristalino, que consiste en granos pequeños, también conocidos como cristalitos.
Descripción
El silicio es un átomo coordinado cuádruple que normalmente está unido tetraédricamente 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. Por el contrario, los átomos forman una red aleatoria continua. Además, no todos los átomos dentro del silicio amorfo se coordinan cuatro veces. Debido a la naturaleza desordenada del material, algunos átomos tienen un vínculo 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 tales como células solares fotovoltaicas, particularmente en el régimen de crecimiento cristalino. Sin embargo, la hidrogenación está asociada con la degradación inducida por la luz del material, denominado efecto Staebler-Wronski.
Silicio amorfo y carbono
Las aleaciones amorfas de silicio y carbono (carburo de silicio amorfo, también hidrogenado, a-Si1-xCx: 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 de valencia (también llamado «gap óptico» y bandgap). Esto puede potencialmente aumentar la eficiencia de la luz de las células solares hechas con capas de carburo de silicio amorfo. Por otro lado, las propiedades electrónicas como un semiconductor (principalmente la movilidad de electrones) se ven afectadas adversamente por el contenido creciente de carbono en la aleación, debido al aumento del desorden en la red atómica.
Varios estudios se encuentran en la literatura científica, principalmente investigando los efectos de los parámetros de deposición en la calidad electrónica, pero aún faltan aplicaciones prácticas de carburo de silicio amorfo en dispositivos comerciales.
Propiedades
La densidad del Si amorfo se calculó como 4,90 x 1022 átomos / cm3 (2,285 g / cm3) a 300 K. Esto se hizo usando tiras finas (5 micrómetros) de silicio amorfo. Esta densidad es 1.8 ± 0.1% menos densa que el Si cristalino a 300 K. El silicio es uno de los pocos elementos que se expande al enfriar y tiene una menor densidad como sólido que como líquido.
Silicio amorfo hidrogenado
El a-Si no hidrogenado tiene una densidad de defectos muy alta que conduce a propiedades semiconductoras indeseables tales como mala fotoconductividad y evita el dopaje que es crítico para las propiedades de ingeniería de los semiconductores. Al introducir hidrógeno durante la fabricación del silicio amorfo, la fotoconductividad mejora significativamente y se posibilita el dopaje.El silicio amorfo hidrogenado, a-Si: H, fue fabricado por primera vez en 1969 por Chittick, Alexander y Sterling mediante deposición usando un precursor de gas silano (SiH4). El material resultante mostró una menor densidad de defectos y una mayor conductividad debido a las impurezas. El interés en a-Si: H llegó cuando (en 1975), LeComber y Spear descubrieron la capacidad de dopaje sustitutivo de a-Si: H usando fosfina (tipo n) o diborano (tipo p). El papel del hidrógeno en la reducción de defectos fue verificado por el grupo de Paul en Harvard que encontró una concentración de hidrógeno de aproximadamente 10% atómico a través de la vibración IR, que para los enlaces Si-H tiene una frecuencia de aproximadamente 2000 cm-1. Comenzando en la década de 1970, a-Si: H se desarrolló en células solares por RCA por lo que subió de manera constante en la eficiencia a alrededor del 13,6% en 2015.
| CVD | PECVD | CVD catalítica | Sputtering | |
|---|---|---|---|---|
| Tipo de película | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | a-Si |
| Aplicación única | Electrónica de gran superficie | Deposición libre de hidrógeno | ||
| Temperatura de la cámara | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| Temperatura del elemento activo | 2000C | |||
| Presión de la cámara | 0.1-10 Torr | 0.1-10 Torr | 0.001-0.1 Torr | |
| Principio físico | Termólisis | Disociación inducida por plasma | Termólisis | Ionización de fuente de Si |
| Facilitadores | W / Ta cables calentados | Cationes de argon | ||
| Tensión de accionamiento típica | RF 13.56 MHz; 0.01-1W / cm 2 | |||
| Si fuente | SiH 4gas | SiH 4 gas | SiH 4 gas | crisol |
| Temperatura del sustrato | controlable | controlable | controlable | controlable |
Aplicaciones
Mientras que a-Si sufre un menor rendimiento electrónico en comparación con c-Si, es mucho más flexible en sus aplicaciones. Por ejemplo, las capas de a-Si pueden hacerse más delgadas que c-Si, lo que puede producir un ahorro en el costo del material de silicio.
Una ventaja adicional es que a-Si se puede depositar a temperaturas muy bajas, por ejemplo, tan bajas como 75 grados Celsius. Esto permite la deposición no solo de vidrio, sino también de plástico, lo que lo convierte en candidato para una técnica de procesamiento de rollo a rollo. Una vez depositado, a-Si se puede dopar de una manera similar a c-Si, para formar capas tipo p o tipo n y finalmente para formar dispositivos electrónicos.
Otra ventaja es que a-Si puede depositarse en áreas extensas por PECVD. El diseño del sistema PECVD tiene un gran impacto en el costo de producción de dicho panel, por lo que la mayoría de los proveedores de equipos se centran en el diseño de PECVD para un mayor rendimiento, lo que reduce los costos de fabricación, especialmente cuando se recicla el silano.
Las matrices de fotodiodos de a-Si pequeños (menos de 1 mm por 1 mm) sobre vidrio se utilizan como sensores de imagen de luz visible en algunos detectores de panel plano para fluoroscopia y radiografía.
Fotovoltaica
El silicio amorfo (a-Si) se ha utilizado como material de célula solar fotovoltaica para dispositivos que requieren muy poca energía, como calculadoras de bolsillo, porque su menor rendimiento en comparación con las células solares de silicio cristalino (c-Si) convencionales se compensa con creces su costo simplificado y menor de deposición en un sustrato. Las primeras calculadoras con energía solar ya estaban disponibles a fines de la década de 1970, como Royal Solar 1, Sharp EL-8026 y Teal Photon.
Más recientemente, las mejoras en las técnicas de construcción de a-Si también las han hecho más atractivas para el uso de celdas solares en áreas extensas. Aquí su menor eficiencia inherente está compuesta, al menos parcialmente, por su delgadez: se pueden alcanzar mayores eficiencias apilando varias células de película delgada una sobre otra, cada una ajustada para funcionar bien a una frecuencia específica de luz. Este enfoque no es aplicable a las células c-Si, que son gruesas como resultado de su banda prohibida indirecta y, por lo tanto, son en gran parte opacas, lo que impide que la luz llegue a otras capas en una pila.
La fuente de la baja eficiencia de la energía fotovoltaica de silicio amorfo se debe en gran medida a la baja movilidad del material. Esta baja movilidad del agujero se ha atribuido a muchos aspectos físicos del material, incluida la presencia de enlaces colgantes (silicio con 3 enlaces), enlaces flotantes (silicio con 5 enlaces), así como reconfiguraciones de enlaces. 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 intrínsecamente limitada, ya que la reducción de un tipo de defecto lleva a la formación de otros.
La principal ventaja de a-Si en la producción a gran escala no es la eficiencia, sino el costo. Las células a-Si usan solo una fracción del silicio necesario para las células c-Si típicas, y el costo del silicio ha sido históricamente un contribuyente significativo al costo de la célula. Sin embargo, los mayores costos de fabricación debido a la construcción multicapa han hecho que, hasta la fecha, a-Si no sea atractivo, excepto en los roles en los que su delgadez o flexibilidad son una ventaja.
Típicamente, las células de película delgada de silicio amorfo usan una estructura de clavija. La colocación de la capa de tipo p en la parte superior también se debe a la menor movilidad del orificio, lo que permite que los orificios atraviesen una distancia promedio más corta para la recolección al contacto superior. La estructura típica del panel incluye vidrio del lado frontal, TCO, silicio de capa delgada, contacto posterior, butiral de polivinilo (PVB) y vidrio del lado posterior. Uni-Solar, una división de Energy Conversion Devices, produjo una versión de respaldos flexibles, que se utiliza en productos de techado enrollable. Sin embargo, el mayor fabricante mundial de silicio fotovoltaico amorfo tuvo que declararse en bancarrota en 2012, ya que no podía competir con los precios en rápido descenso de los paneles solares convencionales.
Silicio microcristalino y micromorfo
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 del módulo de silicio micromorfo combina dos tipos diferentes de silicio, silicio amorfo y microcristalino, en una celda fotovoltaica superior e inferior. Sharp produce células usando este sistema para capturar de manera más eficiente la luz azul, aumentando la eficiencia de las células durante el tiempo en que no hay luz solar directa cayendo sobre ellas. El silicio policristalino se usa a menudo para optimizar el voltaje de circuito abierto de la energía fotovoltaica a-Si.
Producción a gran escala
Xunlight Corporation, que ha recibido más de $ 40 millones en inversiones institucionales, ha completado la instalación de su primer equipo de fabricación fotovoltaica de rollo a rollo de banda ancha de 25 MW para la producción de módulos fotovoltaicos de capa fina de silicio. Anwell Technologies también completó la instalación de su primera planta de fabricación de paneles solares de película fina a-Si de 40 MW en Henan con su equipo PECVD multi-sustrato-multicámara diseñado en la empresa.
Colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos
Los colectores solares híbridos fotovoltaicos térmicos (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 FV solar. Las células solares sufren una caída en la eficiencia con el aumento de la temperatura debido a una mayor resistencia.La mayoría de estos sistemas pueden diseñarse para alejar el calor de las células solares, enfriando así las células y mejorando así su eficacia al disminuir la resistencia. Aunque este es un método efectivo, causa que el componente térmico tenga un rendimiento inferior en comparación con un colector solar térmico. Investigaciones recientes mostraron que a-Si: H PV con bajos coeficientes de temperatura 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%.
Pantalla de cristal líquido con transistores de película fina
El silicio amorfo se ha convertido en el material de elección para la capa activa en transistores de película delgada (TFT), que son los más ampliamente utilizados en aplicaciones de electrónica de área extensa, principalmente para pantallas de cristal líquido (LCD).
La pantalla de cristal líquido con transistores de película delgada (TFT-LCD) muestra un proceso de disposición de circuitos similar al de los productos de semiconductores. Sin embargo, en lugar de fabricar los transistores a partir de silicio, que se forma en una oblea de silicio cristalino, están hechos de una película delgada de silicio amorfo que se deposita sobre un panel de vidrio. La capa de silicio para pantallas TFT-LCD generalmente se deposita utilizando el proceso PECVD. Los transistores toman solo una pequeña fracción del área de cada píxel y el resto de la película de silicio se graba para permitir que la luz pase fácilmente a través de él.
El silicio policristalino a veces se usa en pantallas que requieren un mayor rendimiento de TFT. Los ejemplos incluyen pantallas pequeñas de alta resolución, como las que se encuentran en proyectores o visores. Las TFT amorfas a base de silicio son de lejos las más comunes, debido a su menor costo de producción, mientras que las TFT de silicio policristalino son más costosas y mucho más difíciles de producir.