¿Por qué se utiliza el silicio para fabricar células solares?

El silicio tiene una banda prohibida de 1,1 eV, mientras que el germanio tiene 0,65 eV. El silicio tiene una banda prohibida indirecta, mientras que el arseniuro de galio tiene una banda prohibida directa. Aún así, el silicio se utiliza principalmente para fabricar células solares. ¿Por qué?

Mi asesor de tesis, que era profesor de ciencia e ingeniería de materiales, me dijo una vez que el silicio en realidad no es un semiconductor muy bueno en comparación con el germanio y algunos otros semiconductores. Por ejemplo, el silicio no tiene una movilidad portadora particularmente alta. Como indican las respuestas a continuación, la razón por la cual el silicio se ha mantenido popular en la industria de los semiconductores durante tanto tiempo se debe a otros factores además de sus propiedades electrónicas.
¿Cuáles son esos otros factores?
El arseniuro de galio es seguramente algo que todos quieren en sus techos
@ShaonaBose: las respuestas a continuación ya enumeran varias razones. Otra es que es relativamente fácil hacer una capa aislante encima del silicio exponiéndolo al oxígeno mientras lo calienta para formar una capa de SiO2, que es un material aislante bueno y resistente. No creo que nada comparable a eso sea posible con germanio.
Por cierto, una respuesta muy relevante aquí: physics.stackexchange.com/a/162348/94257

Respuestas (7)

Si se encuentra entre los materiales más abundantes en la Tierra y también se usa ampliamente para los procesadores. Hay muy pocos otros materiales que puedan competir teóricamente con eso. Germanio y GaAs nunca podrán. Las células solares orgánicas eran prometedoras debido al bajo costo de fabricación (simplemente pídale a las bacterias o lo que sea que fabriquen sus células solares), pero fallaron. Ahora las perovskitas y especialmente los tándems de perovskita-silicio son el tema candente en la investigación.

En el pasado, las tecnologías de película delgada como CdTe, CIGS, etc. también parecían prometedoras y comenzaron a ganar una participación de mercado significativa: la más alta fue de aproximadamente el 13 %, y muchos creían que alcanzarían el 20 % o más del mercado, ya que casi alcanzaron la eficiencia del silicio. . Pero luego los chinos ingresaron al mercado y mataron a otras tecnologías al reducir drásticamente los precios del Si.

GaAs y otras tecnologías III-V estrechamente relacionadas se utilizan donde la eficiencia de masa o área es lo más importante, ya que esta tecnología ofrece la mayor eficiencia; por lo tanto, se utiliza para satélites y otras naves espaciales. Sin embargo, ISS todavía usa silicio (a pesar de que GaAs tenía una mayor eficiencia incluso en ese entonces). Según el comentario de Tristan, muy pronto se actualizarán a los tándems GaAs de última generación: los tándems aquí serán GaInP/GaAs/Ge. Este tándem es el más típico, pero son posibles otras configuraciones. Dichos tándems son generalmente (pero no siempre) emparejados en celosía y combinan Ga/In con N/P/As en varias proporciones para lograr una banda prohibida variable.

Ahora más específicamente para las tecnologías mencionadas en la pregunta:

  1. GaAs es increíblemente caro. Una sola oblea cuesta varios cientos de euros, mientras que incluso la oblea de silicio floatzone cuesta decenas, y las células solares típicas están hechas de silicio muy barato, con un costo muy por debajo de 1 € por oblea (costos de oblea sin procesar). Agregue toneladas de tecnología Si de la industria de CPU. Obtener herramientas que pueden hacer magia en el silicio es fácil y barato, las herramientas para III-V son caras y mucho más problemáticas, por lo que el procesamiento nuevamente favorece a Si.
  2. El germanio por sí solo no es un buen material para las células solares: una banda prohibida demasiado baja. Pero genial para tándems. Claro, recolectará toneladas de fotones, pero toda la energía de fotones más allá de la banda prohibida se desperdiciará y no terminará con mucha energía. A menos que intente (y finalmente falle) hacer convertidores descendentes viables para dividir los fotones de alta energía en 2, cada uno con la mitad de la energía. Si es bastante bueno con respecto a la banda prohibida, solo ~1% (absoluto) por debajo del máximo.
  3. La banda prohibida indirecta solo significa que su coeficiente de absorción cae severamente cerca de la banda prohibida. Esto tiene una única consecuencia óptica: necesita una capa más gruesa de absorbente para obtener la misma absorción. Pero, como el silicio es barato, no es un gran problema. Como resultado, se pospuso el movimiento para decir que las obleas de 100 μm se pospusieron debido al manejo de las obleas más que a la eficiencia: resulta que puede romperlas fácilmente a diferencia de las robustas de 180 μm. Además, incluso con un grosor de 1 μm de silicio, aún absorbería una cantidad sorprendentemente grande de luz si se dispersa mucho en cada interfaz.
Pequeña liendre (ya que esto es realmente en mi línea de trabajo): ISS actualmente usa celdas de silicio porque fueron construidas hace más de 20 años. Las celdas solares de la ISS que tengo en mi escritorio se fabricaron en octubre de 1993. El estado actual de la técnica de la energía solar en el espacio (que la ISS agregará como una actualización muy pronto) se basa en celdas de unión triple que utilizan tres materiales de unión separados: galio-indio -Fosfuro, Indio-Galio-Arseniuro y Germanio, construidos sobre un sustrato de Germanio. Consulte spectrolab.com/photovoltaics.html
@Tristán Gracias por el comentario. He editado ese bit, espero que esté menos equivocado ahora. Sin embargo, GaAs tuvo una eficiencia superior a Si desde el principio. ¿Quizás sabe por qué ISS no comenzó con GaAs? ¿No era TAN mucho mejor en ese entonces, o había otros problemas?
El hardware basado en el espacio tiende a retrasarse con respecto al estado del arte terrestre. Si bien las celdas de GaAs se usaron algunas en los años 60, no se usaron ampliamente en órbita hasta los años 90. Las celdas que tengo se construyeron en 1993, pero se especificaron y seleccionaron en 1986. En ese momento, no había realmente ninguna celda de GaAs comercialmente viable para usar, y la ISS necesitaba más de un cuarto de millón de ellas para volar.
Buena respuesta. -- Otro factor importante es la fragilidad del GaAs en comparación con las obleas de Si. Si es bastante frágil pero nada comparado con GaAs. -- También es mucho más difícil trabajar con GaAs (que es una de las razones por las que es, como usted dice, "locamente caro"). -- GaAs es aproximadamente un 50 % de arsénico puro, y el arsénico es un importante biocida. Si es un poco afilado cuando se rompe, pero por lo demás es inerte para la mayoría de la vida. El Si está dopado con boro para la energía solar y el Si dopado con boro no es más tóxico que solo el Si. -- Espero que esto ayude a mejorar tu respuesta.
Una queja: la tecnología de película delgada (usted menciona CdTe y CIGS, específicamente) no está "muerta" de ninguna manera. First Solar serie 4 tiene 10 GW instalados solos, y eso es cad-tel.
Sin embargo, la investigación sobre células solares orgánicas no está muerta. Todavía se están batiendo nuevos récords de eficiencia. Sin embargo, es cierto que las perovskitas se convirtieron en el tema candente de las publicaciones.

Sobre el tema del germanio versus el silicio, una brecha de banda más pequeña no es algo bueno en una celda solar.

La eficiencia teórica máxima de una celda solar de unión única en la luz solar natural no enfocada se denomina límite de Shockley-Queisser y es una función de la brecha de banda. Resulta que este límite tiene un máximo en una banda prohibida de 1.34   mi V , que produce arseniuro de galio ( 1.42   mi V ) excelente y silicona ( 1.1   mi V ) sigue siendo bastante bueno. El germanio está lo suficientemente lejos como para que su eficiencia sea mucho menor.

GaAs tiene una banda prohibida de 1,42 eV, lo que, por supuesto, no invalida su argumento
Sin embargo, esto es específico de la luz solar y la Tierra, ¿no es así? ¿Podría el germanio tener sentido para algunas aplicaciones espaciales?
@leftaroundabout Potencialmente. La idea general es que un intervalo de banda más bajo corresponde a una mayor eficiencia para longitudes de onda más altas. El espectro de frecuencia de la luz solar no es tan diferente en el espacio para que el germanio sea útil con la luz solar. En principio, podría ser útil en algún lugar más opaco a longitudes de onda bajas, o con una fuente de luz además del sol.
Una combinación de ambos probablemente sería mejor en el espacio, para capturar la luz en un ancho de banda más amplio en general. En la Tierra, nuestra atmósfera nos protege de mucha luz de longitud de onda más corta, pero esas longitudes de onda se pueden recolectar en el espacio...
@DrunkenCodeMonkey Silicon es mejor para longitudes de onda más cortas. Una combinación de varios semiconductores puede ser más eficaz en cualquier lugar, pero normalmente no es rentable si se tiene en cuenta la mejora marginal que supone el uso de una sola tecnología.

La materia prima de germanio es de 100 a 1000 veces más cara que el silicio.

Además, la ciencia y la ingeniería del silicio están bien establecidas.

Además, en realidad no usa silicio para hacer las células solares, uno usa uniones pn de silicio dopado para hacer la célula, y si desea usar un panel solar para encender las cosas, necesita alguna diferencia de voltaje.

El silicio dopado sigue siendo silicio. Y las uniones NP son solo una capa muy delgada de dopaje adicional.
Parte de la razón por la que el silicio de alta pureza es tan barato es porque se fabrica en grandes volúmenes y lo ha sido durante aproximadamente medio siglo. Si se usara germanio o galio en ese tipo de volumen, también serían un poco más baratos de lo que son actualmente.
@Mark: una mayor demanda no negaría el hecho de que la abundancia de galio en la corteza terrestre es solo alrededor de 1/10,000 de silicio, y el germanio y el arsénico son aún más raros en un orden de magnitud. Debe buscarlo y extraerlo, luego aislarlo de cantidades exiguas de minerales. El silicio, por el contrario, está en todas partes.

Dado que el silicio existe en abundancia (creo que alrededor del 25 % de la corteza terrestre está hecha de silicio), la industria ha llegado a aceptarlo como un estándar. International Technology Roadmap for Semiconductors dice que muchos materiales nuevos cambiarán la industria, pero también creen que el silicio será el material dominante en el campo.

Se acaba de desarrollar un gran número de métodos para el silicio. El proceso Czochralski, el dopaje con implantación de iones, las técnicas de troceado de obleas, etc. son procesos y métodos complicados que se utilizan en la industria. Muchos de los dispositivos utilizados para la fabricación de semiconductores cuestan miles de millones de dólares y, por lo general, están optimizados para trabajar con silicio. Por supuesto, es posible el procesamiento de otros materiales, pero debido al conocimiento restringido y los costos económicos, estos métodos generalmente se limitan a la investigación académica.

Entonces, para concluir: el silicio podría no ser el mejor material para las células solares, pero debido a las restricciones económicas y tecnológicas, es el preferido por la industria.

No soy un experto en física de semiconductores, pero a partir de una investigación en Internet descubrí que el dinero no siempre es el factor decisivo. El germanio también se usa a veces en semiconductores y se ha usado como tal incluso antes que el silicio. Aparentemente, el germanio es menos estable a altas temperaturas y no maneja los altos niveles de potencia tan bien como lo hace el silicio. Además, el germanio es menos abundante en la corteza terrestre que el silicio.

considere agregar referencias y enlaces para que su respuesta sea más útil
Esto es interesante y relevante: ethw.org/w/index.php?oldid=104526

Infraestructura

Perdón. Pero la respuesta es realmente aburrida y no tiene nada que ver con la física.

La respuesta es simplemente porque tenemos toda una industria configurada para fabricar silicio de alta calidad, alta pureza y bajo defecto.

La industria electrónica ha estado produciendo lingotes de silicio puro durante años. Curiosamente, es la misma razón por la que se eligió el silicio para el Proyecto Avogadro.

Cierto, pero los chips de GaAs no siguieron a los chips de silicio con una brecha muy grande, menos de una década. El simple hecho es que incluso en ese entonces, el silicio se consideraba un mejor valor por el costo en usos típicos (ambos tienen sus ventajas y desventajas). Y las células solares no necesitan material de alta calidad/pureza (en comparación con, por ejemplo, las CPU).
Spot on, la tecnología incluye máquinas de procesamiento, la industria manufacturera va más allá de la física de los semiconductores e incluso de la economía de las materias primas. A falta de una palabra mejor, somos mejores en la impresión de estructuras complejas utilizando silicio como sustrato, hay muchos miles de millones invertidos en herramientas para realizar ese proceso de extremo a extremo. Cualquier nueva tecnología tendría que llegar a la mesa con un proceso de producción en masa concebible para ser considerado.
No es tan cierto en mi opinión: Solar no requiere la calidad de Si requerida en la fabricación de chips, y si lo fuera, costaría mucho más: La razón principal es que el silicio es barato, pero el costo de purificar Si para chip la fabricación es extremadamente alta. Las herramientas involucradas en la fabricación de células solares no tienen nada que ver con las herramientas para fabricar chips.
@MrE tiene razón en que la calidad no es crítica, pero la tecnología de procesamiento no se limita a la alta pureza, hay mucha investigación básica en la física del material subyacente fuera de las propiedades eléctricas, solo manipulación básica. Es (ahora) fácil de trabajar y tiene propiedades muy bien caracterizadas. Si bien el equipo no se comparte, en general son los mismos actores involucrados en la producción del equipo y comparten muchos procesos generales.
Es fácil descartar el tipo de investigación de catalogación empírica de fuerza bruta de los científicos de materiales. Sin embargo, hay mucha ciencia y tecnología reales existentes detrás de los minutos del procesamiento de silicio en todas las escalas. Eso es lo que creo que @Aron se refiere a "Infraestructura". que va más allá del precio bruto del silicio
@MrE la alta pureza no es importante, pero la monocristalina es importante.
@Aron monocristalino es solo 1 tipo. Poli/multicristalino se está convirtiendo en la norma hoy en día, moviéndose hacia procesos más baratos. La fabricación de chips y la fabricación solar son totalmente diferentes: los chips son súper limpios, de alta calidad/pureza Si., las obleas se procesan en miles de pasos, lo que requiere herramientas de clúster multimillonarias. En comparación, la energía solar es súper sucia y muy simple. Las empresas de herramientas de chip como AMAT (con AKT), KLA se han centrado en los métodos TF de gama alta, la nanoestructuración y métodos similares. Por lo tanto, mantendría que esta no es realmente la razón por la que Si es el material PV más popular.

Lo más importante

Si es mucho más barato.

Aunque GaAs es mucho mejor que si en términos de eficiencia, es muy costoso, por lo que aumenta el dólar por vatio. Por lo tanto, GaAs se usa solo en ciertas aplicaciones, como proyectos espaciales.

La banda prohibida muy pequeña de Ge da como resultado varios mecanismos de pérdida que reducen la eficiencia de las celdas de Ge.

Lectura adicional https://en.m.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

https://scholar.google.co.in/scholar?q=gaas+on+silicon&hl=en&as_sdt=0&as_vis=1&oi=scholart

¿Por qué se utiliza el silicio para fabricar células solares?
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