El silicio amorfo ( a-Si ) es la forma no cristalina de silicio que se utiliza para las células solares y los transistores de película fina en las pantallas LCD .
Silicio amorfo:
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Utilizado como material semiconductor para células solares a-Si , o células solares de silicio de película delgada , 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, pero son una de las tecnologías fotovoltaicas más respetuosas con el medio ambiente , ya que no utilizan metales pesados tóxicos como el cadmio o el plomo. [ cita requerida ]
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 delgadas. tecnologías cinematográficas como CdTe y CIGS . [ cita requerida ] El silicio amorfo es un material preferido para los elementos de transistores de película delgada de las pantallas de cristal líquido y para los lectores de imágenes de rayos X.
El silicio amorfo se diferencia de otras variaciones alotrópicas , como el silicio monocristalino, un monocristal, y el silicio policristalino , que consta de pequeños granos, 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. Más bien, los átomos forman una red aleatoria continua. Además, no todos los átomos dentro del silicio amorfo están cuatro veces coordinados. 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 del enlace colgante 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 protocristalino . [1] Sin embargo, la hidrogenación está asociada con la degradación del material inducida por la luz, denominada efecto Staebler-Wronski . [2]
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 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 llamada "brecha óptica" y bandgap ). Esto puede aumentar potencialmente la eficiencia lumínica de las células solares fabricadas con capas de carburo de silicio amorfo. Por otro lado, las propiedades electrónicas como semiconductor (principalmente movilidad de electrones ), se ven afectadas negativamente por el creciente contenido de carbono en la aleación, debido al mayor desorden en la red atómica.
Se encuentran varios estudios en la literatura científica, principalmente investigando los efectos de los parámetros de deposición sobre la calidad electrónica, pero aún faltan aplicaciones prácticas del carburo de silicio amorfo en dispositivos comerciales.
Propiedades
La densidad del Si amorfo se ha calculado como 4,90 x 10 22 átomos / cm 3 (2,285 g / cm 3 ) a 300 K. Esto se hizo usando tiras delgadas (5 micrómetros) de silicio amorfo. Esta densidad es 1,8 ± 0,1% menos densa que el Si cristalino a 300 K. [3] El silicio es uno de los pocos elementos que se expande al enfriarse y tiene una densidad más baja 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 una fotoconductividad deficiente y previene el dopaje que es crítico para las propiedades de los semiconductores de ingeniería. 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 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 surgió cuando (en 1975), LeComber y Spear descubrieron la capacidad de dopaje sustitutivo de a-Si: H usando fosfina (tipo n) o diborano (tipo p). [4] 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 . [5] A partir de la década de 1970, RCA desarrolló a-Si: H en células solares, por lo que aumentó de manera constante la eficiencia hasta aproximadamente el 13,6% en 2015. [6]
Procesos de deposición
CVD | PECVD | CVD catalítico | Pulverización | |
---|---|---|---|---|
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 la fuente de Si |
Facilitadores | W / Ta cables calentados | argón cationes | ||
Voltaje de unidad típico | RF 13,56 MHz; 0,01-1 W / cm 2 | |||
Fuente de Si | SiH 4 gas | SiH 4 gas | SiH 4 gas | Objetivo |
Temperatura del sustrato | controlable | controlable | controlable | controlable |
Aplicaciones
Si bien el a-Si tiene un rendimiento electrónico más bajo en comparación con el c-Si, es mucho más flexible en sus aplicaciones. Por ejemplo, las capas de a-Si se pueden hacer más delgadas que las de c-Si, lo que puede producir ahorros en el costo del material de silicio.
Una ventaja adicional es que el a-Si se puede depositar a temperaturas muy bajas, por ejemplo, tan bajas como 75 grados Celsius. Esto permite la deposición no solo sobre vidrio, sino también sobre plástico , 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 una manera similar al c-Si, para formar capas de tipo p o tipo ny, en última instancia, para formar dispositivos electrónicos.
Otra ventaja es que el PECVD puede depositar a-Si en grandes áreas . 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 conduce a un menor costo de fabricación [7], especialmente cuando se recicla el silano . [8]
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 células solares fotovoltaicas para 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 está más que compensado por su costo simplificado y más bajo de deposición sobre 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 células solares en áreas grandes. Aquí, su menor eficiencia inherente se compensa, al menos parcialmente, por su delgadez: se pueden alcanzar mayores eficiencias apilando varias celdas de película delgada una encima de la otra, cada una sintonizada para funcionar bien a una frecuencia de luz específica. 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 fuente de la baja eficiencia de la energía fotovoltaica de silicio amorfo se debe en gran parte a la baja movilidad de los orificios del material. [9] Esta baja movilidad del agujero se ha atribuido a muchos aspectos físicos del material, incluida la presencia de enlaces colgantes (silicio con 3 enlaces), [10] enlaces flotantes (silicio con 5 enlaces), [11] así como enlaces reconfiguraciones. [12] 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 inherentemente limitada, ya que la reducción de un tipo de defecto conduce a la formación de otros. [13]
La principal ventaja del a-Si en la producción a gran escala no es la eficiencia, sino el costo. Las celdas a-Si usan solo una fracción del silicio necesario para las celdas c-Si típicas, y el costo del silicio históricamente ha contribuido significativamente al costo de la celda. Sin embargo, los mayores costos de fabricación debido a la construcción multicapa, hasta la fecha, han hecho que el a-Si sea poco atractivo, excepto en papeles donde su delgadez o flexibilidad son una ventaja. [14]
Normalmente, las células de película fina de silicio amorfo utilizan una estructura de clavija . La colocación de la capa tipo p en la parte superior también se debe a la movilidad del orificio inferior, lo que permite que los orificios atraviesen una distancia media más corta para la recogida hasta el contacto superior. La estructura típica del panel incluye vidrio del lado frontal, TCO , silicona de película delgada, contacto posterior, butiral de polivinilo (PVB) y vidrio del lado posterior. Uni-Solar, una división de Energy Conversion Devices, produjo una versión de soportes flexibles que se utilizan en productos para techos enrollables. Sin embargo, el mayor fabricante mundial de energía fotovoltaica de silicio amorfo tuvo que declararse en quiebra en 2012, ya que no podía competir con la rápida caída de los precios de los paneles solares convencionales . [15] [16]
Silicio microcristalino y micromorfo
El silicio microcristalino (también llamado silicio nanocristalino) es silicio amorfo, pero también contiene pequeños cristales. Absorbe un espectro de luz más amplio y es flexible . La tecnología de módulos de silicio micromorfo combina dos tipos diferentes de silicio, silicio amorfo y microcristalino, en una celda fotovoltaica superior e inferior . Sharp produce células utilizando este sistema para capturar la luz azul de manera más eficiente, aumentando la eficiencia de las células durante el tiempo en el que no hay luz solar directa sobre ellas. El silicio protocol cristalino se utiliza a menudo para optimizar el voltaje de circuito abierto de los fotovoltaicos a-Si.
Producción a gran escala
Xunlight Corporation , que ha recibido más de $ 40 millones de inversiones institucionales, [ cita requerida ] ha completado la instalación de su primer equipo de fabricación fotovoltaica rollo a rollo de banda ancha de 25 MW para la producción de módulos fotovoltaicos de película delgada de silicio. [17] Anwell Technologies también ha completado la instalación de su primera planta de fabricación de paneles solares de película delgada de a-Si de 40 MW en Henan con su equipo PECVD de múltiples sustratos y cámaras múltiples diseñado internamente. [18]
Colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos
Los colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos (PVT), son sistemas que convierten la radiación solar en energía eléctrica y energía térmica . Estos sistemas combinan una celda 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 fotovoltaico solar. Las células solares sufren una caída en la eficiencia con el aumento de temperatura debido al aumento de la resistencia . La mayoría de estos sistemas pueden diseñarse para llevar el calor lejos 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 al de un colector solar térmico . Investigaciones recientes mostraron que a-Si: H PV con coeficientes de temperatura bajos 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 de transistor de película delgada
El silicio amorfo se ha convertido en el material de elección para la capa activa en los transistores de película fina (TFT), que se utilizan más ampliamente en aplicaciones de electrónica de gran superficie , principalmente para pantallas de cristal líquido (LCD).
La pantalla de cristal líquido de transistor de película delgada (TFT-LCD) muestra un proceso de diseño de circuito similar al de los productos semiconductores. Sin embargo, en lugar de fabricar los transistores 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 TFT-LCD se deposita normalmente mediante el proceso PECVD . [19] 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. Los ejemplos incluyen pequeñas pantallas de alta resolución como las que se encuentran en los proyectores o visores. Los TFT basados en silicio amorfo son, con mucho, los más comunes, debido a su menor costo de producción, mientras que los TFT de silicio policristalino son más costosos y mucho más difíciles de producir. [20]
Ver también
- Deposición de capa atómica (ALD)
- Planarización químico-mecánica (CMP)
- Deposición química de vapor (CVD)
- Silicio cristalino
- Implantación de iones
- Nanopartícula
- Deposición física de vapor (PVD)
- Protocolos cristalinos
- Procesamiento térmico rápido (RTP)
Referencias
- ^ 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 por 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 .
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enlaces externos
- Grupo de dispositivos de silicio amorfo de la Universidad de Waterloo, Ontario, Canadá
- Teoría y simulación en la Universidad de Ohio, Athens Ohio