O silício monocristalino é o material base dos chips de silício usados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos atualmente. No campo da energia solar, o silício monocristalino também é utilizado na fabricação de células fotovoltaicas devido à sua capacidade de absorver radiação.
O silício monocristalino consiste em silício no qual a rede cristalina de todo o sólido é contínua. Esta estrutura cristalina não quebra nas bordas e está livre de quaisquer limites de grão.
O silício monocristalino pode ser preparado como:
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Um semicondutor intrínseco composto apenas de silício muito puro
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Também pode ser dopado adicionando outros elementos como boro ou fósforo.
Silício monocristalino em painéis solares
O silício monocristalino é usado para fabricar painéis fotovoltaicos de alto desempenho.
Os requisitos de qualidade para painéis solares monocristalinos não são muito exigentes. Neste tipo de placas as exigências de imperfeições estruturais são menos elevadas em comparação com aplicações microeletrônicas. Por esse motivo, utiliza-se silício de qualidade inferior.
Apesar disso, a indústria solar fotovoltaica de silício monocristalino melhorou consideravelmente.
Fabricação de painéis fotovoltaicos de silício monocristalino
Além do baixo índice de produção, também existem preocupações com o desperdício de material no processo de fabricação.
A criação de painéis solares que economizam espaço requer o corte de wafers circulares em células octogonais que podem ser compactadas juntas. Os wafers circulares são um produto de lingotes cilíndricos formados através do processo Czochralski.
O material restante não é usado para criar células fotovoltaicas e é descartado ou reciclado na produção de lingotes para fusão.
As células de silício monocristalino podem absorver a maioria dos fótons dentro de 20 μm da superfície incidente. No entanto, as limitações no processo de serragem de lingotes significam que a espessura do wafer comercial é geralmente em torno de 200 μm.
Eficiência em painéis fotovoltaicos
Este tipo de silício tem uma eficiência laboratorial de célula única registrada de 26,7%. Isto significa que possui a mais alta eficiência de conversão confirmada de todas as tecnologias fotovoltaicas comerciais.
A alta eficiência é atribuída a:
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Falta de locais de recombinação no cristal único
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Melhor absorção de fótons devido à sua cor preta, em comparação com o tom azul característico do poli-silício.
As células monocristalinas são mais caras que as células policristalinas. Por esta razão, as células mono-Si são úteis para aplicações onde as principais considerações são limitações de peso ou área disponível.
Este tipo de painéis são utilizados, por exemplo, em naves espaciais ou satélites alimentados por energia solar. Além disso, nestes casos, a eficiência pode ser melhorada através da combinação de outras tecnologias, tais como células solares multicamadas.
Manufatura e produção
O silício monocristalino é normalmente criado por um dos vários métodos que envolvem a fusão do silício de grau semicondutor de alta pureza e o uso de uma semente para iniciar a formação de um único cristal contínuo.
Este processo é normalmente realizado em uma atmosfera inerte, como o argônio, e em um cadinho inerte, como o quartzo. Desta forma, evitam-se impurezas que afetariam a uniformidade do vidro.
Em comparação com a moldagem de lingotes policristalinos, a produção de silício monocristalino é muito lenta e cara. No entanto, a procura por silício monocristalino continua a aumentar devido às propriedades electrónicas superiores.
Processo Czochralski
O método de produção mais comum de silício monocristalino é o processo Czochralski. Este processo envolve a imersão de um cristal semente montado em hastes precisamente em silício fundido.
A barra é então puxada lentamente para cima e girada simultaneamente. Isto permite que o material esticado se solidifique em um lingote cilíndrico monocristalino de até 2 metros de comprimento e pesando várias centenas de quilogramas.
Os campos magnéticos também podem ser aplicados para controlar e suprimir o fluxo turbulento, melhorando ainda mais a uniformidade da cristalização.
Outros métodos de fabricação
Outros métodos são:
O crescimento da zona flutuante, que passa uma haste de silício policristalino através de uma bobina de aquecimento por radiofrequência. Esta bobina cria uma zona fundida localizada, a partir da qual cresce um lingote de cristal semente.
As técnicas de Bridgman movem o cadinho através de um gradiente de temperatura para resfriá-lo a partir da extremidade do recipiente que contém a semente. Os lingotes solidificados são cortados em folhas finas para processamento posterior.
