Silicio amorfo
Silicio no cristalino

Silicio amorfo:

El silicio amorfo ( a-Si ) es la forma no cristalina del silicio que se utiliza para células solares y transistores de película delgada en pantallas LCD .

Se utiliza como material semiconductor para células solares de silicio amorfo o células solares de silicio de película fina y se deposita en películas delgadas sobre una variedad de sustratos flexibles, como vidrio, metal y plástico. Las células de silicio amorfo generalmente presentan una baja eficiencia.

Como tecnología de células solares 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 otras tecnologías de película delgada como CdTe y CIGS . [ cita requerida ] El silicio amorfo es un material preferido para los elementos de transistores de película delgada (TFT) de las pantallas de cristal líquido (LCD) y para los generadores de imágenes de rayos X.

El silicio amorfo se diferencia de otras variaciones alotrópicas , como el silicio monocristalino (un solo cristal) y el silicio policristalino , que consiste en pequeños granos, también conocidos como cristalitos .

Descripción

El silicio es un átomo de cuatro coordinaciones 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. En cambio, los átomos forman una red aleatoria continua. Además, no todos los átomos dentro del silicio amorfo están coordinados cuádruplemente. Debido a la naturaleza desordenada del material, algunos átomos tienen un enlace 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 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 como las células solares fotovoltaicas , particularmente en el régimen de crecimiento protocristalino . [1] Sin embargo, la hidrogenación está asociada con la degradación del material inducida por la luz, denominada efecto Staebler-Wronski . [2]

Esquema de las formas alotrópicas del silicio: silicio monocristalino , policristalino y amorfo

Silicio amorfo y carbono

Las aleaciones amorfas de silicio y carbono ( carburo de silicio amorfo , también hidrogenado, a-Si 1−x C x :H) son una variante interesante. La introducción de átomos de carbono añade grados de libertad adicionales 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 valencia (también llamada "brecha óptica" y " bandgap " ). Esto aumenta la eficiencia lumínica de las células solares fabricadas con capas de carburo de silicio amorfo. Por otro lado, las propiedades electrónicas como semiconductor (principalmente la movilidad de los electrones ), se ven afectadas negativamente por el creciente contenido de carbono en la aleación, presumiblemente debido al mayor desorden en la red atómica. [3]

Se encuentran varios estudios en la literatura científica que investigan principalmente los efectos de los parámetros de deposición en la calidad electrónica, pero aún faltan aplicaciones prácticas del carburo de silicio amorfo en dispositivos comerciales.

Propiedades

La densidad del silicio amorfo implantado con iones se ha calculado en 4,90 × 10 22 átomos/cm 3 (2,285 g/cm 3 ) a 300 K. Esto se realizó utilizando tiras delgadas (5 micrones) de silicio amorfo. Esta densidad es 1,8 ± 0,1 % menos densa que la del silicio cristalino a 300 K. [4] El silicio es uno de los pocos elementos que se expande al enfriarse y tiene una densidad menor como sólido que como líquido.

Silicio amorfo hidrogenado

El silicio amorfo no hidrogenado tiene una densidad de defectos muy alta, lo que da lugar a propiedades semiconductoras indeseables, como una fotoconductividad deficiente, y evita el dopaje, que es fundamental para la ingeniería de las propiedades semiconductoras. Al introducir hidrógeno durante la fabricación de silicio amorfo, se mejora significativamente la fotoconductividad y se hace posible el dopaje. El silicio amorfo hidrogenado, a-Si:H, fue fabricado por primera vez en 1969 por Chittick, Alexander y Sterling mediante deposición utilizando un precursor de gas silano (SiH 4 ). El material resultante mostró una menor densidad de defectos y una mayor conductividad debido a las impurezas. El interés en el a-Si:H surgió cuando (en 1975), LeComber y Spear descubrieron la capacidad de dopar por sustitución del a-Si:H utilizando fosfina (tipo n) o diborano (tipo p). [5] 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 vibración IR, que para enlaces Si-H tiene una frecuencia de aproximadamente 2000 cm −1 . [6] A partir de la década de 1970, David E. Carlson y CR Wronski desarrollaron a-Si:H en células solares en los Laboratorios RCA. [7] La ​​eficiencia de conversión aumentó de manera constante hasta aproximadamente 13,6 % en 2015. [8]

Procesos de deposición

ECVPrueba de detección de virus de la enfermedad de ParkinsonCVD catalíticoChisporroteo
Tipo de películaa-Si:Ha-Si:Ha-Si:Ha-Si
Aplicación únicaElectrónica de gran superficieDeposición libre de hidrógeno
Temperatura de la cámara600 °C30–300 °C30–1000 °C
Temperatura del elemento activoAño 2000C
Presión de la cámara0,1–10 Torr0,1–10 Torr0,001–0,1 Torr
Principio físicoTermólisisDisociación inducida por plasmaTermólisisIonización de la fuente de Si
FacilitadoresCables calentados W / TaCationes de argón
Voltaje de accionamiento típicoRF 13,56 MHz; 0,01-1 W/ cm2
Si fuenteGas SiH4​Gas SiH4​Gas SiH4​Objetivo
Temperatura del sustratocontrolablecontrolablecontrolablecontrolable

Aplicaciones

Si bien el silicio amorfo tiene un rendimiento electrónico menor en comparación con el silicio cónico, es mucho más flexible en sus aplicaciones. Por ejemplo, las capas de silicio amorfo se pueden hacer más delgadas que las de silicio cónico, lo que puede generar ahorros en el costo del material de silicio.

Otra ventaja es que el a-Si se puede depositar a temperaturas muy bajas, por ejemplo, de hasta 75 grados Celsius. Esto permite la deposición no solo sobre vidrio, sino también sobre sustratos de plástico o incluso papel [9] [10] , lo que lo convierte en un candidato para una técnica de procesamiento de rollo a rollo . Una vez depositado, el a-Si se puede dopar de manera similar al c-Si, para formar capas de tipo p o tipo n y, en última instancia, para formar dispositivos electrónicos.

Otra ventaja es que el a-Si se puede depositar sobre grandes áreas mediante PECVD . El diseño del sistema PECVD tiene un gran impacto en el costo de producción de dicho panel, por lo tanto, la mayoría de los proveedores de equipos se centran en el diseño de PECVD para un mayor rendimiento, lo que conduce a un menor costo de fabricación [11], particularmente cuando el silano se recicla . [12]

Se utilizan conjuntos de fotodiodos a-Si pequeños (de menos de 1 mm por 1 mm) sobre vidrio como sensores de imágenes de luz visible en algunos detectores de panel plano para fluoroscopia y radiografía .

Fotovoltaica

La calculadora alimentada por energía solar "Teal Photon" , producida a finales de la década de 1970

El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se ha utilizado como material para células solares fotovoltaicas en dispositivos que requieren muy poca energía, como las calculadoras de bolsillo , porque su menor rendimiento en comparación con las células solares de silicio cristalino (c-Si) convencionales se compensa con creces con su simplificación y menor coste de deposición sobre un sustrato. Además, la resistencia de derivación mucho mayor del dispositivo de clavija significa que se logra un rendimiento aceptable incluso con niveles de luz muy bajos. Las primeras calculadoras alimentadas con energía solar ya estaban disponibles a finales de la década de 1970, como la Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 y Teal Photon .

Más recientemente, las mejoras en las técnicas de construcción de a-Si:H las han hecho más atractivas también para su uso en células solares de gran superficie. En este caso, su menor eficiencia inherente se compensa, al menos en parte, por su delgadez: se pueden alcanzar mayores eficiencias apilando varias células de película fina unas sobre otras, cada una de ellas 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 de una pila.

La baja eficiencia de los fotovoltaicos de silicio amorfo se debe en gran medida a la baja movilidad de huecos del material. [13] Esta baja movilidad de huecos se ha atribuido a muchos aspectos físicos del material, incluida la presencia de enlaces colgantes (silicio con 3 enlaces), [14] enlaces flotantes (silicio con 5 enlaces), [15] así como reconfiguraciones de enlaces. [16] Si bien se ha trabajado mucho para controlar estas fuentes de baja movilidad, la evidencia sugiere que la multitud de defectos que interactúan puede hacer que la movilidad sea inherentemente limitada, ya que la reducción de un tipo de defecto conduce a la formación de otros. [17]

La principal ventaja del a-Si:H en la producción a gran escala no es la eficiencia, sino el costo. Las células a-Si:H utilizan 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. [18] Sin embargo, los mayores costos de fabricación debido a la construcción multicapa han hecho que, hasta la fecha, el a-Si:H sea poco atractivo, excepto en funciones donde su delgadez o flexibilidad son una ventaja. [19]

Por lo general, las células de película delgada de silicio amorfo utilizan una estructura de pasador . La colocación de la capa de tipo p en la parte superior también se debe a la menor movilidad de los orificios, lo que permite que los orificios atraviesen una distancia promedio más corta para la recolección hasta el contacto superior. La estructura típica del panel incluye vidrio en el lado frontal, TCO , silicio de película delgada, contacto posterior, polivinil butiral (PVB) y vidrio en el lado posterior. Uni-Solar, una división de Energy Conversion Devices, produjo una versión de respaldos flexibles, utilizados en productos para techos enrollables. Sin embargo, el mayor fabricante mundial de fotovoltaicos de silicio amorfo tuvo que declararse en quiebra en 2012, ya que no podía competir con los precios en rápida disminución de los paneles solares convencionales . [20] [21]

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 de módulos de silicio micromorfo combina dos tipos diferentes de silicio, silicio amorfo y microcristalino, en una célula fotovoltaica superior y otra inferior . Sharp produce células que utilizan este sistema para capturar de forma más eficiente la luz azul, lo que aumenta la eficiencia de las células durante el tiempo en el que no les llega la luz solar directa. El silicio protocristalino se utiliza a menudo para optimizar el voltaje de circuito abierto de la energía fotovoltaica de silicio amorfo.

Producción a gran escala

Línea de producción solar fotovoltaica roll-to-roll Ovonic de United Solar con una capacidad anual de 30 MW

Xunlight Corporation , que ha recibido más de 40 millones de dólares de inversiones institucionales, [ cita requerida ] ha completado la instalación de su primer equipo de fabricación fotovoltaica de banda ancha, rollo a rollo, de 25 MW para la producción de módulos fotovoltaicos de silicio de película fina. [22] Anwell Technologies también ha completado la instalación de su primera planta de fabricación de paneles solares de película fina de silicio a-Si de 40 MW en Henan con su equipo PECVD multisustrato-multicámara diseñado internamente. [23]

Colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos

Producto aeroespacial con energía solar fotovoltaica de película fina flexible de United Solar Ovonic

Los colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos (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 solar fotovoltaico. Las células solares sufren una caída de la eficiencia con el aumento de la temperatura debido al aumento de la resistencia . La mayoría de estos sistemas pueden diseñarse para alejar el calor de las células solares, enfriando así las células y mejorando así su eficiencia al reducir la resistencia. Aunque este es un método eficaz, hace que el componente térmico tenga un rendimiento inferior en comparación con un colector solar térmico . Investigaciones recientes mostraron que los PV a-Si:H con coeficientes de temperatura bajos permiten que el PVT funcione a altas temperaturas, creando un sistema PVT más simbiótico y mejorando el rendimiento del PV a-Si:H en aproximadamente un 10%.

Pantalla de cristal líquido con transistor de película fina

El silicio amorfo se ha convertido en el material preferido para la capa activa de los transistores de película delgada (TFT), que son los más utilizados en aplicaciones electrónicas de gran superficie , principalmente para pantallas de cristal líquido (LCD).

Las pantallas de cristal líquido con transistores de película fina (TFT-LCD) presentan un proceso de diseño de circuito similar al de los productos semiconductores. Sin embargo, en lugar de fabricar los transistores a partir de silicio, que se forma en una oblea de silicio cristalino , se fabrican a partir de una película fina de silicio amorfo que se deposita sobre un panel de vidrio . La capa de silicio para las TFT-LCD se deposita normalmente mediante el proceso PECVD . [24] Los transistores ocupan 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 ella.

El silicio policristalino se utiliza a veces en pantallas que requieren un mayor rendimiento de TFT. Algunos ejemplos incluyen pequeñas pantallas de alta resolución como las que se encuentran en proyectores o visores. Las TFT basadas en silicio amorfo son, con diferencia, las más comunes, debido a su menor coste de producción, mientras que las TFT de silicio policristalino son más costosas y mucho más difíciles de producir. [25]

Véase también

Referencias

  1. ^ Collins, RW; Ferlauto, AS; Ferreira, GM; Chen, Chi; Koh, Joohyun; Koval, RJ; Lee, Yeeheng; Pearce, JM; Wronski, CR (2003). "Evolución de la microestructura y fase en silicio amorfo, protocristalino y microcristalino estudiado mediante elipsometría espectroscópica en tiempo real". Materiales de energía solar y células solares . 78 (1–4): 143–180. doi :10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  2. ^ Wronski, CR; Pearce, JM; Deng, J.; Vlahos, V.; Collins, RW (2004). "Estados de brecha intrínsecos e inducidos por la luz en materiales a-Si:H y células solares: efectos de la microestructura" (PDF) . Películas sólidas delgadas . 451–452: 470–475. Código Bibliográfico :2004TSF...451..470W. doi :10.1016/j.tsf.2003.10.129.
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  • Grupo de dispositivos de silicio amorfo de la Universidad de Waterloo, Ontario, Canadá
  • Teoría y simulación en la Universidad de Ohio, Athens (Ohio)
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