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Las células solares de silicio cristalino están hechas de poli-Si (izquierda) o mono-Si (derecha)

El silicio cristalino ( c-Si ) son las formas cristalinas del silicio , ya sea silicio policristalino (poli-Si, que consta de pequeños cristales) o silicio monocristalino (mono-Si, un cristal continuo ). El silicio cristalino es el material semiconductor dominante utilizado en la tecnología fotovoltaica para la producción de células solares . Estas células se ensamblan en paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico para generar energía solar a partir de la luz solar.

En electrónica, el silicio cristalino es típicamente la forma monocristalina del silicio y se utiliza para producir microchips . Este silicio contiene niveles de impurezas mucho más bajos que los requeridos para las células solares. La producción de silicio de grado semiconductor implica una purificación química para producir polisilicio hiperpuro seguido de un proceso de recristalización para hacer crecer silicio monocristalino. A continuación, las bolas cilíndricas se cortan en obleas para su posterior procesamiento.

Las células solares hechas de silicio cristalino a menudo se denominan células solares convencionales , tradicionales o de primera generación , ya que se desarrollaron en la década de 1950 y siguen siendo el tipo más común hasta la actualidad. [1] [2] Debido a que se producen a partir de obleas solares de 160-190  μm de espesor, rebanadas de grandes cantidades de silicio de grado solar, a veces se las llama células solares basadas en obleas .

Las células solares hechas de c-Si son células de unión única y generalmente son más eficientes que sus tecnologías rivales, que son las células solares de película delgada de segunda generación , las más importantes son CdTe , CIGS y silicio amorfo (a-Si). . El silicio amorfo es una variante alotrópica del silicio, y amorfo significa "sin forma" para describir su forma no cristalina. [3] : 29

Resumen [ editar ]

Cuota de mercado global en términos de producción anual de tecnología fotovoltaica desde 1990

Clasificación [ editar ]

Las formas alotrópicas de silicio varían desde una estructura monocristalina hasta una estructura amorfa completamente desordenada con varias variedades intermedias. Además, cada una de estas formas diferentes puede poseer varios nombres e incluso más abreviaturas, y a menudo causan confusión a los no expertos, especialmente porque algunos materiales y su aplicación como tecnología fotovoltaica tienen una importancia menor, mientras que otros materiales tienen una importancia excepcional.

Industria fotovoltaica [ editar ]

La industria fotovoltaica, sin embargo, los agrupa en dos categorías distintas:

  • Silicio cristalino (c-Si), utilizado en células solares tradicionales, convencionales, basadas en obleas :
    • silicio monocristalino (mono-Si)
    • silicio policristalino (multi-Si)
    • cinta de silicona (cinta-Si), actualmente no tiene mercado [3] : 17,18
  • no clasificado como silicio cristalino, utilizado en películas delgadas y otras tecnologías de células solares:
    • silicio amorfo (a-Si)
    • silicio nanocristalino (nc-Si)
    • silicio protocristalino (pc-Si)
    • otros materiales que no sean de silicona, como CdTe , CIGS
    • fotovoltaica emergente
    • Células solares de unión múltiple (MJ) comúnmente utilizadas para paneles solares en naves espaciales para energía solar basada en el espacio . También se utilizan en concentradores fotovoltaicos (CPV, HCPV), una tecnología emergente más adecuada para ubicaciones que reciben mucha luz solar.

Generaciones [ editar ]

Alternativamente, los diferentes tipos de células solares y / o sus materiales semiconductores se pueden clasificar por generaciones:

  • Las células solares de primera generación están hechas de silicio cristalino, también llamadas células solares convencionales, tradicionales, basadas en obleas e incluyen materiales semiconductores monocristalinos (mono-Si) y policristalinos (multi-Si).
  • Las células o paneles solares de segunda generación se basan en tecnología de película delgada y tienen una importancia comercial significativa. Estos incluyen CdTe, CIGS y silicio amorfo.
  • Las células solares de tercera generación a menudo se etiquetan como tecnologías emergentes con poca o ninguna importancia en el mercado e incluyen una amplia gama de sustancias, en su mayoría orgánicas, que a menudo utilizan compuestos organometálicos.

Podría decirse que las células fotovoltaicas de unión múltiple no se pueden clasificar en ninguna de estas generaciones. Un semiconductor típico de triple unión está hecho de InGaP / (In) GaAs / Ge . [4] [5]

Comparación de especificaciones técnicas [ editar ]

Cuota de mercado [ editar ]

Global mercado fotovoltaico por la tecnología en 2013. [3] : 18,19

  Multi-Si (54,9%)
  Mono-Si (36,0%)
  CdTe (5,1%)
  a-Si (2,0%)
  CIGS (2,0%)

En 2013, la tecnología de silicio cristalino convencional dominó la producción fotovoltaica mundial, con el multi-Si liderando el mercado por delante del mono-Si, representando el 54 por ciento y el 36 por ciento, respectivamente. Durante los últimos diez años, la cuota de mercado mundial de tecnologías de película fina se estancó por debajo del 18 por ciento y actualmente es del 9 por ciento. En el mercado de películas delgadas, CdTe lidera con una producción anual de 2  GW p o 5 por ciento, seguido por a-Si y CIGS, ambos alrededor del 2 por ciento. [3] : 4,18 La capacidad fotovoltaica desplegada en todo momento de 139 gigavatios ( acumulada a 2013 ) se divide en 121 GW de silicio cristalino (87%) y tecnología de película delgada de 18 GW (13%). [3] : 41

Eficiencia [ editar ]

La eficiencia de conversión de los dispositivos fotovoltaicos describe la relación de energía de la energía eléctrica saliente en comparación con la luz radiada entrante. Una sola célula solar tiene generalmente una eficiencia mejor o más alta que un módulo solar completo. Además, la eficiencia del laboratorio siempre está significativamente por delante de los productos disponibles comercialmente en el mercado.

Celdas de laboratorio

En 2013, la eficiencia récord de las células de laboratorio fue la más alta para el silicio cristalino. Sin embargo, al multi-silicio le siguen de cerca las células solares de telururo de cadmio y seleniuro de cobre, indio, galio.

  1. 25,6% - celda mono-Si
  2. 20,4% - celda multi-Si
  3. 21,7% - celda CIGS
  4. 21,5% - celda CdTe

Todas estas son células solares de unión única. Para las células de alta concentración y múltiples uniones, el récord a partir de 2014 se situó en 44,7 por ciento. [3] : 6

Módulos

El módulo de silicio cristalino comercial promedio aumentó su eficiencia de aproximadamente un 12 a un 16 por ciento durante los últimos diez años. En el mismo período, los módulos CdTe mejoraron su eficiencia del 9 al 16 por ciento. Los módulos que funcionaron mejor en condiciones de laboratorio en 2014 estaban hechos de silicio monocristalino. Estaban 7 puntos porcentuales por encima de la eficiencia de los módulos producidos comercialmente (23% frente a 16%), lo que indicaba que la tecnología de silicio convencional todavía tenía potencial para mejorar y, por lo tanto, mantener su posición de liderazgo. [3] : 6

Las mejores eficiencias de módulo de laboratorio para módulos de conexiones múltiples con tecnología de concentrador en 2014 alcanzaron una eficiencia del 36,7 por ciento. [3] : 6

Tiempo de recuperación de la energía [ editar ]

0,86
0,86
1,28
1,15
0,97
0,48
0,61
0,40
0,89
0,69
Tiempo de recuperación de energía de los sistemas fotovoltaicos para tejados con paneles monocristalinos fabricados en la UE en años por ubicación (datos de 2019). [6]

El tiempo de recuperación de energía (EPBT) describe el lapso de tiempo que un sistema fotovoltaico necesita para funcionar para generar la misma cantidad de energía que se utilizó para su fabricación e instalación. Esta amortización de energía, expresada en años, también se denomina tiempo de recuperación de la energía de equilibrio . [7] El EPBT depende en gran medida de la ubicación donde se instala el sistema fotovoltaico (por ejemplo, la cantidad de luz solar disponible) y de la eficiencia del sistema, es decir, el tipo de tecnología fotovoltaica y los componentes del sistema.

En el análisis del ciclo de vida (ACV) de la década de 1990, a menudo se había citado que el tiempo de recuperación de la energía era tan alto como 10 años. [8] Aunque el lapso de tiempo ya disminuyó a menos de 3 años a principios de la década de 2000, [9] el mito de que "la energía solar fotovoltaica no devuelve la energía utilizada para crearla" parece persistir hasta el día de hoy. [10]

El EPBT se relaciona estrechamente con los conceptos de ganancia neta de energía (NEG) y energía devuelta sobre la energía invertida (EROI). Ambos se utilizan en la economía de la energía y se refieren a la diferencia entre la energía gastada para cosechar una fuente de energía y la cantidad de energía obtenida de esa cosecha. NEG y EROI también tienen en cuenta la vida útil de funcionamiento de un sistema fotovoltaico y, por lo general, se asume una vida útil de producción de 25 a 30 años, ya que muchos fabricantes ofrecen ahora una garantía de 25 años para sus productos. A partir de estas métricas, el tiempo de recuperación de energía se puede derivar mediante cálculo. [11] [12]

Mejoras de EPBT [ editar ]

El EPBT siempre ha sido más largo para los sistemas fotovoltaicos que utilizan silicio cristalino que la tecnología de película fina. Esto se debe al hecho de que el silicio se produce mediante la reducción de arena de cuarzo de alto grado en hornos eléctricos . Este proceso de fundición carbo-térmica se produce a altas temperaturas de más de 1000 ° C y consume mucha energía, utilizando aproximadamente 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo de silicio producido. [13]Sin embargo, el tiempo de recuperación de la energía se ha acortado significativamente en los últimos años, ya que las células de silicio cristalino se volvieron cada vez más eficientes para convertir la luz solar, mientras que el grosor del material de la oblea se redujo constantemente y, por lo tanto, requirió menos silicio para su fabricación. En los últimos diez años, la cantidad de silicio utilizada para las células solares disminuyó de 16 a 6 gramos por vatio-pico . En el mismo período, el grosor de una oblea de c-Si se redujo de 300 μm, o micrones , a aproximadamente 160-190 μm. Las obleas de silicio cristalino son hoy en día solo un 40 por ciento más gruesas que en 1990, cuando tenían alrededor de 400 μm. [3] : 29 Las técnicas de aserradoque cortar lingotes de silicio cristalino en obleas también ha mejorado al reducir la pérdida de corte y facilitar el reciclaje del aserrín de silicio. [14] [15]

Toxicidad [ editar ]

Con la excepción del silicio amorfo , la mayoría de las tecnologías fotovoltaicas establecidas comercialmente utilizan metales pesados ​​tóxicos . CIGS a menudo utiliza una capa de amortiguación de CdS , y el material semiconductor de la tecnología CdTe contiene el cadmio tóxico (Cd). En el caso de los módulos de silicio cristalino, el material de soldadura que une las cuerdas de cobre de las celdas, contiene alrededor del 36 por ciento de plomo.(Pb). Además, la pasta utilizada para la serigrafía de los contactos delanteros y traseros contiene rastros de Pb y, a veces, también de Cd. Se estima que se han utilizado alrededor de 1.000 toneladas métricas de Pb para 100 gigavatios de módulos solares de c-Si. Sin embargo, no hay una necesidad fundamental de plomo en la aleación de soldadura. [17]

Tecnologías celulares [ editar ]

Célula solar PERC [ editar ]

Las células solares de contacto posterior de emisor pasivado (PERC) [18] consisten en la adición de una capa adicional a la parte trasera de una célula solar. Esta capa pasiva dieléctrica actúa para reflejar la luz no absorbida hacia la célula solar para un segundo intento de absorción aumentando la eficiencia de la célula solar. [19]

Un PERC se crea mediante un proceso adicional de deposición y grabado de película. El grabado se puede realizar mediante procesamiento químico o láser.

HIT célula solar [ editar ]

Esquemas de una celda HIT

Una célula solar HIT está compuesta por una oblea de silicio cristalino mono fina rodeada de capas de silicio amorfo ultrafinas . [20] El acrónimo HIT significa " heterounión con capa delgada intrínseca". Las células HIT son producidas por la corporación electrónica multinacional japonesa Panasonic (ver también Sanyo § Células y plantas solares ). [21] Panasonic y varios otros grupos han reportado varias ventajas del diseño HIT sobre su contraparte tradicional c-Si:

1. Una capa intrínseca de a-Si puede actuar como una capa de pasivación superficial eficaz para la oblea de c-Si.

2. El a-Si dopado con p + / n + funciona como un emisor / BSF efectivo para la celda.

3. Las capas de a-Si se depositan a una temperatura mucho más baja, en comparación con las temperaturas de procesamiento de la tecnología tradicional de c-Si difuso.

4. La celda HIT tiene un coeficiente de temperatura más bajo en comparación con la tecnología de celda c-Si.

Debido a todas estas ventajas, esta nueva celda solar de heterounión se considera una alternativa prometedora de bajo costo a las celdas solares tradicionales basadas en c-Si.

Fabricación de células HIT

Los detalles de la secuencia de fabricación varían de un grupo a otro. Normalmente, se utilizan obleas de c-Si cultivadas en CZ / FZ de buena calidad (con una vida útil de ~ 1 ms) como capa absorbente de las células HIT. Usando grabadores alcalinos, como NaOH o (CH 3 ) 4 NOH, la superficie (100) de la oblea se texturiza para formar las pirámides de 5-10 μm de altura. A continuación, la oblea se limpia con soluciones de peróxido y HF. A esto le sigue la deposición de la capa de pasivación de a-Si intrínseca, normalmente a través de PECVD o CVD de hilo caliente. [22] [23] El silano gas (SiH4) diluido con H 2 se utiliza como un precursor. La temperatura y la presión de deposición se mantienen a 200 oC y 0,1-1 Torr. El control preciso de este paso es esencial para evitar la formación de Si epitaxial defectuoso. [24] Los ciclos de deposición y de recocido y H 2 se muestran tratamiento con plasma para haber proporcionado excelente pasivación de la superficie. [25] [26] Se usa gas diborano o trimetilboro mezclado con SiH 4 para depositar una capa de a-Si de tipo p, mientras que se usa gas fosfina mezclado con SiH 4 para depositar una capa de a-Si de tipo n. Se muestra que la deposición directa de capas de a-Si dopadas sobre obleas de c-Si tiene propiedades de pasivación muy malas. [27] Lo más probable es que esto se deba a la generación de defectos inducidos por el dopante en las capas de a-Si. [28]El óxido de indio y estaño pulverizado (ITO) se usa comúnmente como una capa de óxido conductor transparente (TCO) en la parte superior de la capa de a-Si frontal y posterior en diseño bifacial, ya que el a-Si tiene una alta resistencia lateral. Generalmente se deposita en la parte posterior, así como en la celda totalmente metalizada para evitar la difusión del metal posterior y también para igualar la impedancia de la luz reflejada. [29] La rejilla de plata / aluminio de 50-100μm de grosor se deposita a través de la impresión de estarcido para el contacto frontal y el contacto posterior para el diseño bifacial. La descripción detallada del proceso de fabricación se puede encontrar en. [30]

Modelado y caracterización optoeléctrica de células HIT

La literatura analiza varios estudios para interpretar los cuellos de botella del transporte de portadores en estas células. La IV clara y oscura tradicional se estudia extensamente [31] [32] [33] y se observa que tiene varias características no triviales, que no se pueden explicar usando la teoría tradicional de diodos de células solares . [34] Esto se debe a la presencia de heterounión entre la capa intrínseca de a-Si y la oblea de c-Si que introduce complejidades adicionales al flujo de corriente. [31] [35] Además, se han realizado esfuerzos significativos para caracterizar esta celda solar usando CV, [36] [37] espectroscopía de impedancia, [36] [38] [39]fotovoltaje superficial, [40] soles-Voc [41] [42] para producir información complementaria.

Además, una serie de mejoras de diseño, como el uso de nuevos emisores, [43] configuración bifacial, configuración de contacto trasero interdigitado (IBC) [44] configuración bifacial-tándem [45] se están persiguiendo activamente.

Mono-silicio [ editar ]

Esquema de formas alotrópicas de silicio.

El silicio monocristalino (mono c-Si) es una forma en la que la estructura cristalina es homogénea en todo el material; la orientación, el parámetro de celosía y las propiedades electrónicas son constantes en todo el material. [46] Los átomos dopantes como el fósforo y el boro a menudo se incorporan a la película para hacer el silicio de tipo n o p, respectivamente. El silicio monocristalino se fabrica en forma de obleas de silicio, generalmente mediante el método de crecimiento de Czochralski , y puede ser bastante caro según el tamaño radial de la oblea monocristalina deseada (alrededor de $ 200 por una oblea de Si de 300 mm). [46]Este material monocristalino, aunque útil, es uno de los principales gastos asociados con la producción de energía fotovoltaica, donde aproximadamente el 40% del precio final del producto es atribuible al costo de la oblea de silicio inicial utilizada en la fabricación de células. [47]

Silicio policristalino [ editar ]

El silicio policristalino se compone de muchos granos de silicio más pequeños de orientación cristalográfica variada, típicamente> 1 mm de tamaño. Este material se puede sintetizar fácilmente permitiendo que el silicio líquido se enfríe usando un cristal semilla de la estructura cristalina deseada. Además, existen otros métodos para formar silicio policristalino de grano más pequeño (poli-Si), como la deposición química en fase de vapor (CVD) a alta temperatura.

No clasificado como silicio cristalino [ editar ]

Estas formas alotrópicas de silicio no se clasifican como silicio cristalino. Pertenecen al grupo de las células solares de película fina .

Silicio amorfo [ editar ]

El silicio amorfo (a-Si) no tiene un orden periódico de largo alcance. La aplicación de silicio amorfo a la energía fotovoltaica como material independiente está algo limitada por sus propiedades electrónicas inferiores. [48] Sin embargo, cuando se combina con silicio microcristalino en células solares en tándem y de triple unión, se puede lograr una mayor eficiencia que con las células solares de unión simple. [49] Este ensamblaje en tándem de células solares permite obtener un material de película delgada con un intervalo de banda de alrededor de 1,12 eV (el mismo que el silicio monocristalino) en comparación con el intervalo de banda del silicio amorfo de 1,7-1,8 eV de intervalo de banda. Las células solares en tándem resultan atractivas, ya que pueden fabricarse con una banda prohibida similar al silicio monocristalino pero con la facilidad del silicio amorfo.

Silicio nanocristalino [ editar ]

El silicio nanocristalino (nc-Si), a veces también conocido como silicio microcristalino (μc-Si), es una forma de silicio poroso . [50] Es una forma alotrópica de silicio con estructura paracristalina ; es similar al silicio amorfo (a-Si), ya que tiene una fase amorfa . Sin embargo, donde difieren es que nc-Si tiene pequeños granos de silicio cristalino dentro de la fase amorfa. Esto contrasta con el silicio policristalino.(poli-Si) que consiste únicamente en granos de silicio cristalino, separados por límites de grano. La diferencia proviene únicamente del tamaño de grano de los granos cristalinos. La mayoría de los materiales con granos en el rango micrométrico son en realidad polisilicio de grano fino, por lo que silicio nanocristalino es un término mejor. El término silicio nanocristalino se refiere a una variedad de materiales alrededor de la región de transición de la fase amorfa a la microcristalina en la película delgada de silicio.

Protocolo de silicio cristalino [ editar ]

El silicio Protocristalino tiene una mayor eficiencia que el silicio amorfo (a-Si) y también se ha demostrado que mejora la estabilidad, pero no la elimina. [51] [52] Una fase protocristalina es una fase distinta que ocurre durante el crecimiento del cristal y que evoluciona a una forma microcristalina .

El Si Protocristalino también tiene una absorción relativamente baja cerca de la banda prohibida debido a su estructura cristalina más ordenada. Por lo tanto, el silicio protocristalino y amorfo se pueden combinar en una célula solar en tándem donde la capa superior de silicio protocristalino delgado absorbe luz de longitud de onda corta mientras que las longitudes de onda más largas son absorbidas por el sustrato de a-Si subyacente.

Transformación de silicio amorfo en cristalino [ editar ]

El silicio amorfo se puede transformar en silicio cristalino utilizando procesos de recocido de alta temperatura bien entendidos y ampliamente implementados. El método típico utilizado en la industria requiere materiales compatibles con altas temperaturas, como vidrio especial de alta temperatura que es costoso de producir. Sin embargo, hay muchas aplicaciones para las que este es un método de producción intrínsecamente poco atractivo.

Cristalización inducida a baja temperatura [ editar ]

Las células solares flexibles han sido un tema de interés para la generación de energía integrada menos visible que las granjas de energía solar. Estos módulos pueden colocarse en áreas donde las celdas tradicionales no serían factibles, como envueltas alrededor de un poste telefónico o una torre de telefonía celular. En esta aplicación, se puede aplicar un material fotovoltaico a un sustrato flexible, a menudo un polímero. Dichos sustratos no pueden sobrevivir a las altas temperaturas experimentadas durante el recocido tradicional. En cambio, se han estudiado ampliamente métodos novedosos para cristalizar el silicio sin alterar el sustrato subyacente. La cristalización inducida por aluminio (AIC) y la cristalización local con láser son comunes en la literatura, sin embargo, no se usan ampliamente en la industria.

En ambos métodos, el silicio amorfo se cultiva utilizando técnicas tradicionales como la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Los métodos de cristalización divergen durante el procesamiento posterior a la deposición.

En la cristalización inducida por aluminio, se deposita una capa delgada de aluminio (50 nm o menos) por deposición física de vapor sobre la superficie del silicio amorfo. Esta pila de material se recuece luego a una temperatura relativamente baja entre 140 ° C y 200 ° C en vacío. Se cree que el aluminio que se difunde en el silicio amorfo debilita los enlaces de hidrógeno presentes, lo que permite la nucleación y el crecimiento de los cristales. [53] Los experimentos han demostrado que se puede producir silicio policristalino con granos del orden de 0,2 - 0,3 μm a temperaturas tan bajas como 150 ° C. La fracción de volumen de la película que se cristaliza depende de la duración del proceso de recocido. [53]

La cristalización inducida por aluminio produce silicio policristalino con propiedades cristalográficas y electrónicas adecuadas que lo convierten en un candidato para producir películas delgadas policristalinas para energía fotovoltaica. [53] AIC se puede utilizar para generar nanocables de silicio cristalino y otras estructuras a nanoescala.

Otro método para lograr el mismo resultado es el uso de un láser para calentar el silicio localmente sin calentar el sustrato subyacente más allá de algún límite superior de temperatura. Se usa un láser excímero o, alternativamente, láseres verdes, como un láser Nd: YAG de frecuencia duplicada, para calentar el silicio amorfo, suministrando la energía necesaria para el crecimiento del grano nucleado. La fluencia del láser debe controlarse cuidadosamente para inducir la cristalización sin causar una fusión generalizada. La cristalización de la película se produce cuando una porción muy pequeña de la película de silicio se funde y se deja enfriar. Idealmente, el láser debería derretir la película de silicio en todo su espesor, pero sin dañar el sustrato. Con este fin, a veces se agrega una capa de dióxido de silicio para que actúe como barrera térmica. [54]Esto permite el uso de sustratos que no pueden exponerse a las altas temperaturas del recocido estándar, polímeros por ejemplo. Las células solares con respaldo de polímero son de interés para esquemas de producción de energía perfectamente integrados que implican colocar energía fotovoltaica en las superficies cotidianas.

Un tercer método para cristalizar silicio amorfo es el uso de chorro de plasma térmico. Esta estrategia es un intento de aliviar algunos de los problemas asociados con el procesamiento láser, a saber, la pequeña región de cristalización y el alto costo del proceso a escala de producción. La antorcha de plasma es un equipo simple que se utiliza para templar térmicamente el silicio amorfo. En comparación con el método láser, esta técnica es más simple y rentable. [55]

El recocido con soplete de plasma es atractivo porque los parámetros del proceso y la dimensión del equipo se pueden cambiar fácilmente para producir diferentes niveles de rendimiento. Se puede obtener un alto nivel de cristalización (~ 90%) con este método. Las desventajas incluyen la dificultad para lograr uniformidad en la cristalización de la película. Si bien este método se aplica con frecuencia al silicio sobre un sustrato de vidrio, las temperaturas de procesamiento pueden ser demasiado altas para los polímeros.

Ver también [ editar ]

  • Lista de tipos de células solares

Referencias [ editar ]

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