Il silicio amorfo (a-Si) è la forma non cristallina del silicio utilizzato per le celle solari e i transistor a film sottile negli LCD.
Utilizzato come materiale semiconduttore per celle solari a-Si o celle solari in silicio a film sottile, viene depositato in film sottili su una varietà di substrati flessibili, come vetro, metallo e plastica. Le celle al silicio amorfo generalmente presentano una bassa efficienza, ma sono una delle tecnologie fotovoltaiche più rispettose dell’ambiente, dal momento che non utilizzano metalli pesanti tossici come cadmio o piombo.
Come tecnologia di celle solari a film sottile di seconda generazione, un tempo il silicio amorfo doveva diventare un importante contributo nel mercato mondiale del fotovoltaico in rapida crescita, ma da allora ha perso significato a causa della forte concorrenza delle celle di silicio cristallino convenzionali e di altri tecnologie cinematografiche come CdTe e CIGS.
Il silicio amorfo differisce dalle altre variazioni allotropiche, come il silicio monocristallino, un singolo cristallo e il silicio policristallino, che consiste in piccoli grani, noti anche come cristalliti.
Descrizione
Il silicio è un atomo quadruplicemente coordinato che è normalmente legato al tetraedro a quattro atomi di silicio vicini. Nel silicio cristallino (c-Si) questa struttura tetraedrica continua su un ampio intervallo, formando così un reticolo cristallino ben ordinato.
Nel silicio amorfo questo ordine a lungo raggio non è presente. Piuttosto, gli atomi formano una rete casuale continua. Inoltre, non tutti gli atomi all’interno del silicio amorfo sono quadruplicemente coordinati. A causa della natura disordinata del materiale alcuni atomi hanno un legame penzolante.Fisicamente, questi legami penzolanti rappresentano difetti nella rete casuale continua e possono causare un comportamento elettrico anomalo.
Il materiale può essere passivato dall’idrogeno, che si lega ai legami penzolanti e può ridurre la densità del legame penzolante di diversi ordini di grandezza. Il silicio amorfo idrogenato (a-Si: H) ha una quantità sufficientemente bassa di difetti da utilizzare all’interno di dispositivi come le celle solari fotovoltaiche, in particolare nel regime di crescita protocristallino. Tuttavia, l’idrogenazione è associata alla degradazione del materiale indotta dalla luce, chiamata effetto Staebler-Wronski.
Silicio amorfo e carbonio
Leghe amorfe di silicio e carbonio (carburo di silicio amorfo, anche idrogenato, a-Si1-xCx: H) sono una variante interessante. L’introduzione di atomi di carbonio aggiunge ulteriori gradi di libertà per il controllo delle proprietà del materiale. Il film potrebbe anche essere reso trasparente alla luce visibile.
Aumentando la concentrazione di carbonio nella lega si allarga il divario elettronico tra le bande di conduzione e di valenza (chiamate anche “gap ottico” e bandgap). Ciò può potenzialmente aumentare l’efficienza luminosa delle celle solari realizzate con strati di carburo di silicio amorfo.D’altra parte, le proprietà elettroniche come un semiconduttore (principalmente la mobilità degli elettroni), sono influenzate negativamente dall’aumento del contenuto di carbonio nella lega, a causa del maggiore disordine nella rete atomica.
Diversi studi sono stati trovati nella letteratura scientifica, principalmente studiando gli effetti dei parametri di deposizione sulla qualità elettronica, ma mancano ancora applicazioni pratiche del carburo di silicio amorfo in dispositivi commerciali.
Proprietà
La densità di Si amorfo è stata calcolata come 4.90 × 1022 atomi / cm3 (2.285 g / cm3) a 300 K. Ciò è avvenuto usando strisce sottili (5 micron) di silicio amorfo. Questa densità è 1,8 ± 0,1% meno densa del Si cristallino a 300 K. Il silicio è uno dei pochi elementi che si espande al raffreddamento e ha una densità inferiore come solido rispetto a un liquido.
Silicio amorfo idrogenato
A-Si non idrogenato ha una densità di difetti molto elevata che porta a proprietà semiconduttive indesiderate come una scarsa fotoconducibilità e impedisce il drogaggio che è fondamentale per progettare le proprietà dei semiconduttori. Introducendo idrogeno durante la fabbricazione del silicio amorfo, la fotoconduttività è notevolmente migliorata e il doping è reso possibile. Il silicio amorfo idrogenato, a-Si: H, fu fabbricato per la prima volta nel 1969 da Chittick, Alexander e Sterling per deposizione utilizzando un precursore di gas silano (SiH4). Il materiale risultante ha mostrato una minore densità di difetti e una maggiore conduttività a causa delle impurità. L’interesse per a-Si: H arrivò quando (nel 1975), LeComber e Spear scoprirono la capacità di drogaggio sostitutivo di a-Si: H usando fosfina (tipo n) o diborano (tipo p). Il ruolo dell’idrogeno nella riduzione dei difetti è stato verificato dal gruppo di Paul ad Harvard che ha trovato una concentrazione di idrogeno di circa il 10% atomico attraverso la vibrazione IR, che per i legami Si-H ha una frequenza di circa 2000 cm-1.A partire dagli anni ’70, a-Si: H è stata sviluppata in celle solari da RCA, con una progressione continua in efficienza a circa il 13,6% nel 2015.
| CVD | PECVD | CVD catalitico | sputtering | |
|---|---|---|---|---|
| Tipo di film | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | a-Si |
| Applicazione unica | Elettronica di grandi dimensioni | Deposizione priva di idrogeno | ||
| Temperatura della camera | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| Temperatura elemento attivo | 2000C | |||
| Pressione della camera | 0.1-10 Torr | 0.1-10 Torr | 0,001-0,1 Torr | |
| Principio fisico | termolisi | Dissociazione al plasma | termolisi | Ionizzazione della sorgente Si |
| facilitatori | W / Ta fili riscaldati | Cationi di argon | ||
| Tipica tensione di pilotaggio | RF 13,56 MHz; 0,01-1 W / cm 2 | |||
| Fonte di Si | SiH 4 gas | SiH 4 gas | SiH 4 gas | crogiuolo |
| Temperatura del substrato | controllabile | controllabile | controllabile | controllabile |
applicazioni
Mentre a-Si soffre di prestazioni elettroniche inferiori rispetto a c-Si, è molto più flessibile nelle sue applicazioni. Ad esempio, gli strati a-Si possono essere resi più sottili di c-Si, il che può produrre risparmi sul costo del materiale siliconico.
Un ulteriore vantaggio è che a-Si può essere depositato a temperature molto basse, ad esempio fino a 75 gradi Celsius. Ciò consente di depositare non solo il vetro, ma anche la plastica, rendendolo un candidato per una tecnica di lavorazione roll-to-roll. Una volta depositato, a-Si può essere drogato in modo simile al c-Si, per formare strati di tipo p o di tipo n e infine per formare dispositivi elettronici.
Un altro vantaggio è che a-Si può essere depositato su vaste aree da PECVD. La progettazione del sistema PECVD ha un grande impatto sul costo di produzione di tale pannello, pertanto la maggior parte dei fornitori di attrezzature si focalizza sulla progettazione di PECVD per una maggiore produttività, che porta a costi di produzione inferiori in particolare quando il silano viene riciclato.
Le matrici di piccoli fotodiodi a-Si su vetro (meno di 1 mm per 1 mm) vengono utilizzate come sensori di immagini a luce visibile in alcuni rivelatori a pannello piatto per la fluoroscopia e la radiografia.
fotovoltaico
Il silicio amorfo (a-Si) è stato utilizzato come materiale per celle solari fotovoltaici per dispositivi che richiedono pochissima energia, come i calcolatori tascabili, perché le loro prestazioni inferiori rispetto alle celle solari convenzionali al silicio cristallino (c-Si) sono più che compensate da il loro costo semplificato e più basso di deposizione su un substrato. I primi calcolatori a energia solare erano già disponibili alla fine degli anni ’70, come Royal Solar 1, Sharp EL-8026 e Teal Photon.
Più recentemente, i miglioramenti delle tecniche di costruzione a-Si li hanno resi più attraenti anche per l’uso di celle solari di grandi dimensioni. Qui la loro efficienza intrinseca inferiore è costituita, almeno in parte, dalla loro sottigliezza: è possibile raggiungere efficienze più elevate impilando diverse celle a film sottile l’una sull’altra, ciascuna sintonizzata per funzionare bene a una specifica frequenza di luce. Questo approccio non è applicabile alle celle c-Si, che sono spesse come risultato del suo bandwap indiretto e sono quindi in gran parte opache, bloccando la luce dal raggiungere altri strati in una pila.
La fonte della bassa efficienza del fotovoltaico in silicio amorfo è dovuta in gran parte alla bassa mobilità del foro del materiale. Questa mobilità a buco basso è stata attribuita a molti aspetti fisici del materiale, tra cui la presenza di legami penzolanti (silicio con 3 legami), legami fluttuanti (silicio con 5 legami), nonché riconfigurazioni di legami. Sebbene sia stato fatto molto lavoro per controllare queste fonti di bassa mobilità, le prove suggeriscono che la moltitudine di difetti interagenti può portare a una mobilità intrinsecamente limitata, poiché ridurre un tipo di difetto porta alla formazione di altri.
Il principale vantaggio di a-Si nella produzione su larga scala non è l’efficienza, ma il costo. Le celle a-Si utilizzano solo una frazione del silicio necessario per le tipiche cellule C-Si, e il costo del silicio ha storicamente contribuito in modo significativo al costo delle cellule. Tuttavia, i maggiori costi di produzione dovuti alla costruzione multistrato hanno, fino ad oggi, reso poco attraente, tranne nei ruoli in cui la loro magrezza o flessibilità rappresentano un vantaggio.
Tipicamente, le celle a film sottile di silicio amorfo utilizzano una struttura a perno. Il posizionamento dello strato di tipo p sulla parte superiore è anche dovuto alla mobilità del foro inferiore, consentendo ai fori di attraversare una distanza media più breve per la raccolta al contatto superiore. La tipica struttura del pannello comprende vetro frontale, TCO, silicio a film sottile, contatto posteriore, polivinilbutirrale (PVB) e vetro sul lato posteriore. Uni-Solar, una divisione di dispositivi di conversione dell’energia, ha prodotto una versione di supporti flessibili, utilizzata nei prodotti per coperture roll-on. Tuttavia, il più grande produttore mondiale di fotovoltaico al silicio amorfo ha dovuto presentare istanza di fallimento nel 2012, in quanto non poteva competere con i prezzi in rapido declino dei pannelli solari convenzionali.
Silicio microcristallino e micromorfo
Il silicio microcristallino (chiamato anche silicio nanocristallino) è silicio amorfo, ma contiene anche piccoli cristalli. Assorbe uno spettro più ampio di luce ed è flessibile. La tecnologia dei moduli al silicio micromorfo combina due diversi tipi di silicio, amorfo e silicio microcristallino, in una cella fotovoltaica superiore e inferiore. Sharp produce celle usando questo sistema per catturare in modo più efficiente la luce blu, aumentando l’efficienza delle celle durante il tempo in cui non vi è luce solare diretta che le ricopre. Il silicio protocristallino viene spesso utilizzato per ottimizzare la tensione a circuito aperto del fotovoltaico a-Si.
Produzione su larga scala
Xunlight Corporation, che ha ricevuto oltre $ 40 milioni di investimenti istituzionali, ha completato l’installazione dei suoi primi impianti di produzione fotovoltaica da bobina e bobina da 25 MW per la produzione di moduli fotovoltaici in silicio a film sottile. Anwell Technologies ha anche completato l’installazione del suo primo impianto di produzione di pannelli solari a film sottile a-Si da 40 MW ad Henan con la sua apparecchiatura PECVD multi-substrato multi-camera progettata internamente.
Collettori solari ibridi termici fotovoltaici
I collettori solari ibridi termici fotovoltaici (PVT) sono sistemi che convertono la radiazione solare in energia elettrica ed energia termica. Questi sistemi combinano una cella solare, che converte la radiazione elettromagnetica (fotoni) in elettricità, con un collettore solare termico, che cattura l’energia residua e rimuove il calore disperso dal modulo solare fotovoltaico. Le celle solari soffrono di un calo di efficienza con l’aumento della temperatura a causa di una maggiore resistenza. La maggior parte di questi sistemi può essere progettata per trasportare il calore lontano dalle celle solari, raffreddando le celle e migliorando così la loro efficienza riducendo la resistenza. Sebbene questo sia un metodo efficace, causa un sottotipo del componente termico rispetto a un collettore solare termico. Recenti ricerche hanno dimostrato che a-Si: H PV con coefficienti di bassa temperatura consentono di operare il PVT a temperature elevate, creando un sistema PVT più simbiotico e migliorando le prestazioni dell’A-Si: H PV di circa il 10%.
Display a cristalli liquidi a transistor a film sottile
Il silicio amorfo è diventato il materiale di scelta per lo strato attivo nei transistor a film sottile (TFT), che sono i più usati nelle applicazioni elettroniche di grandi dimensioni, principalmente per i display a cristalli liquidi (LCD).
Il display a cristalli liquidi a transistor a pellicola sottile (TFT-LCD) mostra un processo di layout del circuito simile a quello dei prodotti a semiconduttore. Tuttavia, piuttosto che fabbricare i transistor dal silicio, che è formato in un wafer di silicio cristallino, essi sono costituiti da un sottile film di silicio amorfo che viene depositato su un pannello di vetro. Lo strato di silicio per TFT-LCD viene generalmente depositato usando il processo PECVD. I transistor occupano solo una piccola parte dell’area di ciascun pixel e il resto del film di silicio viene inciso per consentire alla luce di attraversarlo facilmente.
Il silicio policristallino è talvolta utilizzato in display che richiedono prestazioni TFT più elevate. Gli esempi includono piccoli display ad alta risoluzione come quelli che si trovano nei proiettori o nei mirini. I TFT al silicio amorfo sono di gran lunga i più comuni, a causa del loro basso costo di produzione, mentre i TFT in silicio policristallino sono più costosi e molto più difficili da produrre.