Silício cristalino - Crystalline silicon

As células solares de silício cristalino são feitas de poli-Si (esquerda) ou mono-Si (direita)

O silício cristalino ( c-Si ) são as formas cristalinas do silício , seja silício policristalino (poli-Si, consistindo em pequenos cristais) ou silício monocristalino (mono-Si, um cristal contínuo ). O silício cristalino é o material semicondutor dominante usado na tecnologia fotovoltaica para a produção de células solares . Essas células são montadas em painéis solares como parte de um sistema fotovoltaico para gerar energia solar a partir da luz solar.

Na eletrônica, o silício cristalino é normalmente a forma monocristalina do silício e é usado para a produção de microchips . Este silício contém níveis de impureza muito mais baixos do que os necessários para células solares. A produção de silício de grau semicondutor envolve uma purificação química para produzir polissilício hiperpuro seguida por um processo de recristalização para cultivar silício monocristalino. Os bocais cilíndricos são então cortados em wafers para processamento posterior.

As células solares feitas de silício cristalino são freqüentemente chamadas de células solares convencionais , tradicionais ou de primeira geração , pois foram desenvolvidas na década de 1950 e permaneceram como o tipo mais comum até os dias de hoje. Como são produzidas a partir de wafers solares de 160–190  µm de espessura - pedaços de granéis de silício de grau solar - às vezes são chamadas de células solares baseadas em wafer .

As células solares feitas de c-Si são células de junção única e geralmente são mais eficientes do que suas tecnologias rivais, que são as células solares de película fina de segunda geração , sendo as mais importantes CdTe , CIGS e silício amorfo (a-Si) . O silício amorfo é uma variante alotrópica do silício e amorfo significa "sem forma" para descrever sua forma não cristalina.

Visão geral

Participação de mercado global em termos de produção anual por tecnologia fotovoltaica desde 1990

Classificação

As formas alotrópicas do silício variam de uma única estrutura cristalina a uma estrutura amorfa completamente desordenada com várias variedades intermediárias. Além disso, cada uma dessas formas diferentes pode possuir vários nomes e ainda mais abreviações e, muitas vezes, causar confusão para não especialistas, especialmente porque alguns materiais e sua aplicação como tecnologia fotovoltaica são de menor importância, enquanto outros materiais são de grande importância.

Indústria fotovoltaica

A indústria fotovoltaica, no entanto, os agrupa em duas categorias distintas:

Gerações

Alternativamente, diferentes tipos de células solares e / ou seus materiais semicondutores podem ser classificados por gerações:

  • As células solares de primeira geração são feitas de silício cristalino, também chamadas de células solares convencionais, tradicionais e baseadas em wafer e incluem materiais semicondutores monocristalinos (mono-Si) e policristalinos (multi-Si).
  • As células ou painéis solares de segunda geração são baseados na tecnologia de película fina e são de importância comercialmente significativa. Estes incluem CdTe, CIGS e silício amorfo.
  • As células solares de terceira geração são frequentemente rotuladas como tecnologias emergentes com pouca ou nenhuma importância no mercado e incluem uma grande variedade de substâncias, principalmente orgânicas, muitas vezes usando compostos organometálicos.

Indiscutivelmente, as células fotovoltaicas com múltiplas junções não podem ser classificadas em nenhuma dessas gerações. Um semicondutor de junção tripla típico é feito de InGaP / (In) GaAs / Ge .

Comparação de especificações técnicas

Categorias Tecnologia η (%) V OC (V) I SC (A) W / m 2 t ( μm )
Células solares de filme fino
 a-Si 11,1 6,3 0,0089 33 1
CdTe 16,5 0,86 0,029 - 5
CIGS 20,5 - - -

Quota de mercado

Mercado fotovoltaico global por tecnologia em 2013.

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

Em 2013, a tecnologia de silício cristalino convencional dominou a produção fotovoltaica mundial, com o multi-Si liderando o mercado à frente do mono-Si, respondendo por 54% e 36%, respectivamente. Nos últimos dez anos, a participação no mercado mundial de tecnologias de filme fino estagnou abaixo de 18% e atualmente está em 9%. No mercado de filmes finos, o CdTe lidera com uma produção anual de 2  GW p ou 5 por cento, seguido por a-Si e CIGS, ambos em torno de 2 por cento. A capacidade fotovoltaica implantada em todos os tempos de 139 gigawatts ( acumulada em 2013 ) se divide em 121 GW de silício cristalino (87%) e tecnologia de filme fino de 18 GW (13%).

Eficiência

A eficiência de conversão de dispositivos fotovoltaicos descreve a relação de energia da potência elétrica de saída em comparação com a luz irradiada de entrada. Uma única célula solar tem geralmente uma eficiência melhor ou mais alta do que um módulo solar inteiro. Além disso, a eficiência do laboratório está sempre significativamente à frente dos produtos comercialmente disponíveis no mercado.

Células de laboratório

Em 2013, a eficiência recorde da célula de laboratório foi mais alta para o silício cristalino. No entanto, o multi-silício é seguido de perto por telureto de cádmio e células solares de seleneto de cobre, índio e gálio

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

Células solares de silício com contato de ambos os lados em 2021: 26% e possivelmente acima.

Módulos

O módulo de silício cristalino comercial médio aumentou sua eficiência de cerca de 12 para 16 por cento nos últimos dez anos. No mesmo período, os módulos CdTe melhoraram sua eficiência de 9 para 16 por cento. Os módulos com melhor desempenho em condições de laboratório em 2014 foram feitos de silício monocristalino. Eles estavam 7 pontos percentuais acima da eficiência dos módulos produzidos comercialmente (23% vs 16%), o que indicava que a tecnologia de silício convencional ainda tinha potencial para melhorar e, portanto, manter sua posição de liderança.

Custos de energia de fabricação

O silício cristalino tem um alto custo em energia e emissões de gases de efeito estufa porque o silício é produzido pela redução de areia de quartzo de alta qualidade em fornos elétricos . Este processo de fundição a coque ocorre a altas temperaturas de mais de 1000 ° C e consome muita energia, usando cerca de 11 quilowatts-hora (kWh) por quilograma de silício produzido. As necessidades de energia deste processo tornam o custo de energia por unidade de silício produzido relativamente inelástico, o que significa que o próprio processo de produção não se tornará muito mais eficiente no futuro, embora reduções de custo de energia por produto (fotovoltaico) tenham sido possíveis como células de silício tornou-se cada vez mais eficiente na conversão da luz solar, a reciclagem de resíduos de silício da fabricação tornou-se possível e os custos de material foram reduzidos.

Toxicidade

Com exceção do silício amorfo , a maioria das tecnologias PV comercialmente estabelecidas usa metais pesados ​​tóxicos . CIGS geralmente usa uma camada de buffer de CdS , e o material semicondutor da própria tecnologia de CdTe contém o cádmio tóxico (Cd). No caso dos módulos de silício cristalino, o material de solda que une os fios de cobre das células, ele contém cerca de 36 por cento de chumbo (Pb). Além disso, a pasta usada para a impressão da tela dos contatos frontais e traseiros contém vestígios de Pb e, às vezes, de Cd também. Estima-se que cerca de 1.000 toneladas métricas de Pb foram usadas para 100 gigawatts de módulos solares c-Si. No entanto, não há necessidade fundamental de chumbo na liga de solda.

Tecnologias celulares

Célula solar PERC

As células solares de contato traseiro do emissor passivado (PERC) consistem na adição de uma camada extra na parte traseira de uma célula solar. Esta camada dielétrica passiva atua para refletir a luz não absorvida de volta para a célula solar para uma segunda tentativa de absorção, aumentando a eficiência da célula solar.

Um PERC é criado por meio de um processo adicional de deposição de filme e gravação. A corrosão pode ser feita por processamento químico ou a laser.

Célula solar HIT

Esquema de uma célula HIT

Uma célula solar HIT é composta de um wafer de silício cristalino mono fino rodeado por camadas de silício amorfo ultrafinas . A sigla HIT significa " heterojunção com camada fina intrínseca". As células HIT são produzidas pela multinacional japonesa de eletrônicos Panasonic (ver também Sanyo § Solar cells and plants ). Panasonic e vários outros grupos relataram várias vantagens do design HIT em relação a sua contraparte c-Si tradicional:

1. Uma camada intrínseca de a-Si pode atuar como uma camada de passivação de superfície eficaz para o wafer de c-Si.

2. O a-Si dopado com p + / n + funciona como um emissor / BSF efetivo para a célula.

3. As camadas de a-Si são depositadas a uma temperatura muito mais baixa, em comparação com as temperaturas de processamento da tecnologia c-Si difusa tradicional.

4. A célula HIT tem um coeficiente de temperatura mais baixo em comparação com a tecnologia de célula c-Si.

Devido a todas essas vantagens, esta nova célula solar de hetero-junção é considerada uma alternativa promissora de baixo custo às células solares tradicionais baseadas em c-Si.

Fabricação de células HIT

Os detalhes da sequência de fabricação variam de grupo para grupo. Normalmente, a bolacha de c-Si cultivada em CZ / FZ de boa qualidade (com vida útil de ~ 1 ms) é usada como camada absorvente de células HIT. Usando agentes de ataque alcalino, como NaOH ou (CH 3 ) 4 NOH, a superfície (100) do wafer é texturizada para formar as pirâmides de 5-10μm de altura. Em seguida, o wafer é limpo com soluções de peróxido e HF. Isso é seguido pela deposição de camada de passivação de a-Si intrínseca, normalmente por meio de PECVD ou CVD de fio quente. O gás silano (SiH4) diluído com H 2 é usado como um precursor. A temperatura e a pressão de deposição são mantidas a 200 o C e 0,1-1 Torr. O controle preciso sobre esta etapa é essencial para evitar a formação de Si epitaxial defeituoso. Ciclos de deposição e recozimento e tratamento com plasma H 2 mostraram ter proporcionado excelente passivação de superfície. O gás diborano ou trimetilboron misturado com SiH 4 é usado para depositar a camada a-Si do tipo p, enquanto o gás Fosfina misturado com SiH 4 é usado para depositar a camada a-Si do tipo n. A deposição direta de camadas dopadas de a-Si em wafer de c-Si tem propriedades de passivação muito pobres. Isso é provavelmente devido à geração de defeitos induzida por dopante em camadas de a-Si. O óxido de índio e estanho pulverizado (ITO) é comumente usado como uma camada de óxido condutor transparente (TCO) na parte superior da camada de a-Si frontal e posterior no design bi-facial, pois o a-Si tem alta resistência lateral. Geralmente é depositado no lado posterior da célula totalmente metalizada para evitar a difusão do metal posterior e também para o casamento de impedância para a luz refletida. A grade de prata / alumínio de 50-100μm de espessura é depositada por meio de impressão de estêncil para o contato frontal e contato posterior para design bi-facial. A descrição detalhada do processo de fabricação pode ser encontrada em.

Modelagem optoelétrica e caracterização de células HIT

A literatura discute diversos estudos para interpretar os gargalos do transporte de portadores nessas células. Luz e escuridão IV tradicionais são extensivamente estudadas e são observadas várias características não triviais, que não podem ser explicadas usando a teoria tradicional de diodo de célula solar . Isso ocorre devido à presença de hetero-junção entre a camada intrínseca de a-Si e o wafer de c-Si, que introduz complexidades adicionais ao fluxo de corrente. Além disso, houve esforços significativos para caracterizar esta célula solar usando CV, espectroscopia de impedância, fotovoltagem de superfície, suns-Voc para produzir informações complementares.

Além disso, uma série de melhorias de design, como o uso de novos emissores, configuração bifacial, configuração de contato traseiro interdigitado (IBC), configuração bifacial-tandem, estão sendo ativamente buscados.

Mono-silício

Esquema de formas alotrópicas de silício
Artigo principal: silício monocristalino

O silício monocristalino (mono c-Si) é uma forma em que a estrutura cristalina é homogênea em todo o material; a orientação, o parâmetro de rede e as propriedades eletrônicas são constantes em todo o material. Átomos contaminantes, como fósforo e boro, são frequentemente incorporados ao filme para fazer o silício tipo n ou p, respectivamente. O silício monocristalino é fabricado na forma de pastilhas de silício, geralmente pelo método de crescimento de Czochralski , e pode ser bastante caro dependendo do tamanho radial da pastilha de cristal único desejada (cerca de US $ 200 para uma pastilha de Si de 300 mm). Este material monocristalino, embora útil, é uma das principais despesas associadas à produção de energia fotovoltaica, onde aproximadamente 40% do preço final do produto é atribuível ao custo do wafer de silício inicial usado na fabricação de células.

Silício policristalino

O silício policristalino é composto de muitos grãos de silício menores de orientação cristalográfica variada, tipicamente> 1 mm de tamanho. Este material pode ser sintetizado facilmente permitindo que o silício líquido resfrie usando um cristal semente com a estrutura de cristal desejada. Além disso, existem outros métodos para formar silício policristalino de granulação menor (poli-Si), como a deposição de vapor químico de alta temperatura (CVD).

Não classificado como silício cristalino

Essas formas alotrópicas de silício não são classificadas como silício cristalino. Eles pertencem ao grupo das células solares de película fina .

Silício amorfo

O silício amorfo (a-Si) não tem ordem periódica de longo alcance. A aplicação de silício amorfo à energia fotovoltaica como um material autônomo é um tanto limitada por suas propriedades eletrônicas inferiores. Quando emparelhado com silício microcristalino em tandem e células solares de junção tripla, no entanto, uma maior eficiência pode ser alcançada do que com células solares de junção única. Esta montagem em tandem de células solares permite obter um material de película fina com um bandgap de cerca de 1,12 eV (o mesmo que o silício de cristal único) em comparação com o bandgap de silício amorfo de 1,7-1,8 eV. As células solares em tandem são atraentes, pois podem ser fabricadas com um bandgap semelhante ao silício de cristal único, mas com a facilidade do silício amorfo.

Silício nanocristalino

O silício nanocristalino (nc-Si), às vezes também conhecido como silício microcristalino (μc-Si), é uma forma de silício poroso . É uma forma alotrópica de silício com estrutura paracristalina - é semelhante ao silício amorfo (a-Si), por ter uma fase amorfa . Onde eles diferem, no entanto, é que nc-Si tem pequenos grãos de silício cristalino dentro da fase amorfa. Isso está em contraste com o silício policristalino (poli-Si), que consiste apenas em grãos de silício cristalino, separados por contornos de grão. A diferença vem unicamente do tamanho do grão dos grãos cristalinos. A maioria dos materiais com grãos na faixa de micrômetros é, na verdade, polissilício de granulação fina, então silício nanocristalino é um termo melhor. O termo silício nanocristalino refere-se a uma gama de materiais em torno da região de transição da fase amorfa para a fase microcristalina no filme fino de silício.

Silício protocristalino

O silício protocristalino tem uma eficiência mais alta do que o silício amorfo (a-Si) e também demonstrou melhorar a estabilidade, mas não a eliminou. Uma fase protocristalina é uma fase distinta que ocorre durante o crescimento do cristal, que evolui para uma forma microcristalina .

O Si protocristalino também tem uma absorção relativamente baixa perto do gap devido à sua estrutura cristalina mais ordenada. Assim, o silício protocristalino e amorfo podem ser combinados em uma célula solar tandem onde a camada superior de silício protocristalino fino absorve luz de comprimento de onda curto, enquanto os comprimentos de onda mais longos são absorvidos pelo substrato a-Si subjacente.

Transformação de silício amorfo em cristalino

O silício amorfo pode ser transformado em silício cristalino usando processos de recozimento de alta temperatura bem conhecidos e amplamente implementados. O método típico usado na indústria requer materiais compatíveis com alta temperatura, como vidro especial para alta temperatura, cuja produção é cara. No entanto, existem muitas aplicações para as quais este é um método de produção inerentemente pouco atraente.

Cristalização induzida por baixa temperatura

Células solares flexíveis têm sido um tópico de interesse para geração de energia integrada menos conspícua do que fazendas de energia solar. Esses módulos podem ser colocados em áreas onde as células tradicionais não seriam viáveis, como enrolados em um poste ou torre de telefone celular. Nesta aplicação, um material fotovoltaico pode ser aplicado a um substrato flexível, geralmente um polímero. Esses substratos não podem sobreviver às altas temperaturas experimentadas durante o recozimento tradicional. Em vez disso, novos métodos de cristalizar o silício sem perturbar o substrato subjacente foram estudados extensivamente. A cristalização induzida por alumínio (AIC) e a cristalização a laser local são comuns na literatura, porém não são amplamente utilizadas na indústria.

Em ambos os métodos, o silício amorfo é cultivado usando técnicas tradicionais, como a deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD). Os métodos de cristalização divergem durante o processamento pós-deposição.

Na cristalização induzida por alumínio, uma fina camada de alumínio (50 nm ou menos) é depositada por deposição física de vapor na superfície do silício amorfo. Esta pilha de material é então recozida a uma temperatura relativamente baixa entre 140 ° C e 200 ° C em vácuo. Acredita-se que o alumínio que se difunde no silício amorfo enfraquece as ligações de hidrogênio presentes, permitindo a nucleação e o crescimento do cristal. Experimentos mostraram que silício policristalino com grãos da ordem de 0,2 - 0,3 μm pode ser produzido em temperaturas tão baixas quanto 150 ° C. A fração de volume do filme que é cristalizado depende da duração do processo de recozimento.

A cristalização induzida por alumínio produz silício policristalino com propriedades cristalográficas e eletrônicas adequadas que o tornam um candidato para a produção de filmes finos policristalinos para fotovoltaicos. O AIC pode ser usado para gerar nanofios de silício cristalino e outras estruturas em escala nano.

Outro método para obter o mesmo resultado é o uso de um laser para aquecer o silício localmente sem aquecer o substrato subjacente além de algum limite superior de temperatura. Um excimer laser ou, alternativamente, lasers verdes, como um laser Nd: YAG de frequência dupla, é usado para aquecer o silício amorfo, fornecendo a energia necessária para nuclear o crescimento do grão. A fluência do laser deve ser controlada cuidadosamente para induzir a cristalização sem causar fusão generalizada. A cristalização do filme ocorre quando uma porção muito pequena do filme de silício é derretida e resfriada. Idealmente, o laser deve derreter o filme de silício em toda a sua espessura, mas não danificar o substrato. Para esse fim, às vezes é adicionada uma camada de dióxido de silício para atuar como barreira térmica. Isso permite o uso de substratos que não podem ser expostos às altas temperaturas do recozimento padrão, polímeros por exemplo. As células solares com suporte de polímero são de interesse para esquemas de produção de energia perfeitamente integrados que envolvem a colocação de energia fotovoltaica em superfícies cotidianas.

Um terceiro método para cristalizar silício amorfo é o uso de jato de plasma térmico. Esta estratégia é uma tentativa de aliviar alguns dos problemas associados ao processamento a laser - nomeadamente a pequena região de cristalização e o alto custo do processo à escala de produção. A tocha de plasma é um equipamento simples usado para recozer termicamente o silício amorfo. Em comparação com o método a laser, essa técnica é mais simples e econômica.

O recozimento da tocha de plasma é atraente porque os parâmetros do processo e as dimensões do equipamento podem ser alterados facilmente para produzir níveis variáveis ​​de desempenho. Um alto nível de cristalização (~ 90%) pode ser obtido com este método. As desvantagens incluem dificuldade em obter uniformidade na cristalização do filme. Embora este método seja aplicado com freqüência ao silício em um substrato de vidro, as temperaturas de processamento podem ser muito altas para polímeros.

Veja também

Referências