El silicio monocristalino , más a menudo llamado silicio monocristalino , en abreviatura mono c-Si o mono-Si , es el material base para los componentes discretos y circuitos integrados basados en silicio que se utilizan en prácticamente todos los equipos electrónicos modernos. El mono-Si también sirve como material fotovoltaico que absorbe la luz en la fabricación de células solares .
Consiste en silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es continua, ininterrumpida en sus bordes y sin límites de grano . El mono-Si se puede preparar como un semiconductor intrínseco que consiste solo en silicio extremadamente puro, o se puede dopar mediante la adición de otros elementos como boro o fósforo para producir silicio de tipo p o tipo n . [1] Debido a sus propiedades semiconductoras , el silicio monocristalino es quizás el material tecnológico más importante de las últimas décadas, la "era del silicio", [2]porque su disponibilidad a un coste asequible ha sido fundamental para el desarrollo de los dispositivos electrónicos en los que se basa la actual revolución de la electrónica y las tecnologías de la información .
El silicio monocristalino se diferencia de otras formas alotrópicas , como el silicio amorfo no cristalino —usado en células solares de capa fina— y el silicio policristalino , que consta de pequeños cristales conocidos como cristalitos .
Producción [ editar ]
El silicio monocristalino generalmente se crea mediante uno de varios métodos que implican la fusión de silicio de grado semiconductor de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) y el uso de una semilla para iniciar la formación de un monocristal continuo. Este proceso se realiza normalmente en una atmósfera inerte, como el argón, y en un crisol inerte, como el cuarzo , para evitar impurezas que afectarían la uniformidad del cristal.
La técnica de producción más común es el método Czochralski , que sumerge un cristal semilla montado en una varilla orientado con precisión en el silicio fundido. Luego, la varilla se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente, lo que permite que el material extraído se solidifique en un lingote cilíndrico monocristalino de hasta 2 metros de longitud y que pese varios cientos de kilogramos. También se pueden aplicar campos magnéticos para controlar y suprimir el flujo turbulento, mejorando aún más la uniformidad de la cristalización. [3] Otros métodos son la fusión por zonas , que pasa una varilla de silicio policristalino a través de una bobina de calentamiento por radiofrecuencia que crea una zona de fusión localizada, a partir de la cual crece un lingote de cristal semilla, y las técnicas de Bridgman., que mueven el crisol a través de un gradiente de temperatura para enfriarlo desde el extremo del recipiente que contiene la semilla. [4] Los lingotes solidificados luego se cortan en finas obleas durante un proceso llamado oblea . Después del procesamiento posterior a la oblea, las obleas están listas para su uso en la fabricación.
En comparación con la fundición de lingotes policristalinos, la producción de silicio monocristalino es muy lenta y cara. Sin embargo, la demanda de mono-Si continúa aumentando debido a las propiedades electrónicas superiores (la falta de límites de grano permite un mejor flujo del portador de carga y evita la recombinación de electrones [5]), lo que permite un mejor rendimiento de los circuitos integrados y la energía fotovoltaica.
En electrónica [ editar ]
La aplicación principal del silicio monocristalino es la producción de componentes discretos y circuitos integrados . Los lingotes fabricados con el método Czochralski se cortan en obleas de aproximadamente 0,75 mm de grosor y se pulen para obtener un sustrato regular y plano, sobre el cual se construyen los dispositivos microelectrónicos mediante varios procesos de microfabricación , como el dopaje o la implantación de iones , el grabado , la deposición de diversos materiales y Patrones fotolitográficos .
Un solo cristal continuo es fundamental para la electrónica, ya que los límites de grano, las impurezas y los defectos cristalográficos pueden afectar significativamente las propiedades electrónicas locales del material, lo que a su vez afecta la funcionalidad, el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos semiconductores al interferir con su correcto funcionamiento. Por ejemplo, sin la perfección cristalina, sería prácticamente imposible construir dispositivos de integración a gran escala (VLSI), en los que miles de millones [6]de los circuitos basados en transistores, todos los cuales deben funcionar de manera confiable, se combinan en un solo chip para formar un microprocesador. Como tal, la industria electrónica ha invertido mucho en instalaciones para producir grandes monocristales de silicio.
En células solares [ editar ]
El silicio monocristalino también se utiliza para dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento . Dado que existen demandas menos estrictas sobre las imperfecciones estructurales en comparación con las aplicaciones de microelectrónica, a menudo se usa silicio de grado solar de menor calidad (Sog-Si) para las células solares. A pesar de esto, la industria fotovoltaica de silicio monocristalino se ha beneficiado enormemente del desarrollo de métodos de producción de mono-Si más rápidos para la industria electrónica.
[ editar ]
Siendo la segunda forma más común de tecnología fotovoltaica, el silicio monocristalino se ubica solo detrás de su hermano, el silicio policristalino . Debido a la tasa de producción significativamente más alta y a los costos en constante disminución del polisilicio, la participación de mercado del mono-Si ha ido disminuyendo: en 2013, las células solares monocristalinas tenían una participación de mercado del 36%, lo que se tradujo en la producción de 12,6 GW de capacidad fotovoltaica, [7] pero la cuota de mercado había caído por debajo del 25% en 2016. A pesar de la reducción de la cuota de mercado, la capacidad fotovoltaica mono-Si equivalente producida en 2016 fue de 20,2 GW, lo que indica un aumento significativo en la producción global de tecnologías fotovoltaicas. [8]
Eficiencia [ editar ]
Con una eficiencia de laboratorio de celda de unión única registrada del 26,7%, el silicio monocristalino tiene la mayor eficiencia de conversión confirmada de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, por delante del poli-Si (22,3%) y las tecnologías de película delgada establecidas , como las células CIGS (21,7 %). %), Células CdTe (21,0%) y células a-Si (10,2%). Las eficiencias de los módulos solares para mono-Si, que siempre son más bajas que las de sus células correspondientes, finalmente cruzaron la marca del 20% en 2012 y alcanzaron el 24,4% en 2016. [9]La alta eficiencia se atribuye en gran parte a la falta de sitios de recombinación en el monocristal y una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el característico tono azul del polisilicio. Dado que son más caras que sus homólogas policristalinas, las células mono-Si son útiles para aplicaciones donde las principales consideraciones son limitaciones de peso o área disponible, como en naves espaciales o satélites alimentados por energía solar, donde la eficiencia se puede mejorar aún más mediante la combinación con otras tecnologías, como las células solares multicapa .
Fabricación [ editar ]
Además de la baja tasa de producción, también existen preocupaciones sobre el material desperdiciado en el proceso de fabricación. La creación de paneles solares de uso eficiente del espacio requiere cortar las obleas circulares (un producto de los lingotes cilíndricos formados mediante el proceso de Czochralski) en celdas octagonales que se pueden empaquetar muy juntas. El material sobrante no se utiliza para crear células fotovoltaicas y se desecha o recicla volviendo a la producción de lingotes para su fusión. Además, aunque las células de mono-Si pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de los 20 μm de la superficie incidente, las limitaciones en el proceso de aserrado de lingotes significan que el grosor de la oblea comercial es generalmente de alrededor de 200 μm. Sin embargo, se espera que los avances en la tecnología reduzcan el grosor de las obleas a 140 μm para 2026. [10]
Se están investigando otros métodos de fabricación, como el crecimiento epitaxial directo de obleas , que implica el crecimiento de capas gaseosas sobre sustratos de silicio reutilizables. Los procesos más nuevos pueden permitir el crecimiento de cristales cuadrados que luego pueden procesarse en obleas más delgadas sin comprometer la calidad o la eficiencia, eliminando así el desperdicio de los métodos tradicionales de corte y aserrado de lingotes. [11]
Apariencia [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las células solares de silicio monocristalino . |
La estructura cristalina del silicio forma un diamante cúbico.
Dispositivos VLSI fabricados por Intel en una oblea de silicio monocristalino
Panel solar de células de silicio monocristalino octogonal
Comparación de células solares : poli-Si (izquierda) y mono-Si (derecha)
Referencias [ editar ]
- ^ Monkowski, JR; Bloem, J .; Giling, LJ; Graef, MWM (1979). "Comparación de la incorporación de dopantes en silicio policristalino y monocristalino". Apl. Phys. Lett . 35 (5): 410–412. doi : 10.1063 / 1.91143 .
- ^ W.Heywang, KHZaininger, Silicio: el material semiconductor , en Silicio: evolución y futuro de una tecnología , P. Siffert, EFKrimmel eds., Springer Verlag, 2004.
- ^ Wang, C .; Zhang, H .; Wang, TH; Ciszek, TF (2003). "Un sistema de crecimiento continuo de cristales de silicio Czochralski". Diario de crecimiento cristalino . 250 (1–2): 209–214. doi : 10.1016 / s0022-0248 (02) 02241-8 .
- ^ Capper, Peter; Rudolph, Peter (2010). Tecnología de crecimiento de cristales: semiconductores y dieléctricos . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 9783527325931. OCLC 663434790 .
- ^ Wenham, SR; Green, MA; Watt, ME; Corkish R. (2007). Fotovoltaica aplicada (2ª ed.). Londres: Earthscan. ISBN 9781844074013. OCLC 122927906 .
- ^ Peter Clarke, Intel entra en la era del procesador de mil millones de transistores , EE Times, 14 de octubre de 2005.
- ^ Informe de energía fotovoltaica , Fraunhofer ISE, 28 de julio de 2014.
- ^ Informe de energía fotovoltaica , Fraunhofer ISE, 26 de febrero de 2018.
- ↑ Green, Martin A .; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D .; Levi, Dean H .; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita WY (1 de enero de 2018). "Tablas de eficiencia de células solares (versión 51)" . Avances en Fotovoltaica: Investigación y Aplicaciones . 26 (1): 3–12. doi : 10.1002 / pip.2978 . ISSN 1099-159X .
- ^ Informe de tecnología de la industria solar 2015-2016 , Canadian Solar, octubre de 2016.
- ^ Scanlon, Bill (27 de agosto de 2014). "Crystal Solar y NREL se unen para reducir costos" . NREL . Consultado el 1 de marzo de 2018 .
