O silício amorfo (a-Si) é a forma não cristalina de silício usada para células solares e transistores de filme fino em LCDs.
Usado como material semicondutor para células solares a-Si, ou células solares de silício de filme fino, é depositado em filmes finos sobre uma variedade de substratos flexíveis, como vidro, metal e plástico. Células de silício amorfo geralmente apresentam baixa eficiência, mas são uma das tecnologias fotovoltaicas mais amigáveis ao meio ambiente, uma vez que não usam metais pesados tóxicos, como cádmio ou chumbo.
Como uma segunda geração de tecnologia de células solares de película fina, esperava-se que o silício amorfo se tornasse um dos principais contribuintes no mercado fotovoltaico mundial em rápido crescimento, mas desde então perdeu sua importância devido à forte competição das células de silício cristalino convencionais e outras tecnologias de filmes como CdTe e CIGS.
O silício amorfo difere de outras variações alotrópicas, como o silício monocristalino – um cristal único, e o silício policristalino, que consiste de pequenos grãos, também conhecidos como cristalites.
Descrição
O silício é um átomo coordenado quádruplo que é normalmente ligado em tetraedro a quatro átomos de silício vizinhos. No silício cristalino (c-Si), esta estrutura tetraédrica continua em grande escala, formando assim uma rede cristalina bem ordenada.
Em silício amorfo, essa ordem de longo alcance não está presente. Em vez disso, os átomos formam uma rede aleatória contínua. Além disso, nem todos os átomos dentro do silício amorfo são quatro vezes coordenados. Devido à natureza desordenada do material, alguns átomos têm uma ligação pendente. Fisicamente, essas ligações pendentes representam defeitos na rede aleatória contínua e podem causar comportamento elétrico anômalo.
O material pode ser passivado pelo hidrogênio, que se liga às ligações oscilantes e pode reduzir a densidade das ligações pendentes em várias ordens de grandeza. O silício amorfo hidrogenado (a-Si: H) tem uma quantidade suficientemente baixa de defeitos para ser usado em dispositivos como células solares fotovoltaicas, particularmente no regime de crescimento protocristalino. No entanto, a hidrogenação está associada à degradação induzida pela luz do material, denominado efeito Staebler-Wronski.
Silício amorfo e carbono
Ligas amorfas de silício e carbono (carbeto de silício amorfo, também hidrogenado, a-Si1-xCx: H) são uma variante interessante. A introdução de átomos de carbono adiciona graus extras de liberdade para o controle das propriedades do material. O filme também pode ser transparente para a luz visível.
O aumento da concentração de carbono na liga amplia o espaço eletrônico entre as bandas de condução e de valência (também chamado de “gap óptico” e bandgap). Isso pode aumentar potencialmente a eficiência luminosa das células solares feitas com camadas de carboneto de silício amorfo. Por outro lado, as propriedades eletrônicas como um semicondutor (principalmente a mobilidade eletrônica) são adversamente afetadas pelo aumento do teor de carbono na liga, devido ao aumento da desordem na rede atômica.
Vários estudos são encontrados na literatura científica, investigando principalmente os efeitos dos parâmetros de deposição na qualidade eletrônica, mas ainda faltam aplicações práticas do carbeto de silício amorfo em dispositivos comerciais.
Propriedades
A densidade do Si amorfo foi calculada como 4,90 x 1022 atomo / cm3 (2,285 g / cm3) a 300 K. Isto foi feito utilizando tiras delgadas (5 mcron) de silio amorfo. Essa densidade é 1,8 ± 0,1% menos densa que o Si cristalino a 300 K. O silício é um dos poucos elementos que se expande após o resfriamento e tem uma densidade menor como um sólido do que como um líquido.
Silício amorfo hidrogenado
O a-Si não hidrogenado possui uma densidade de defeitos muito alta, o que leva a propriedades semicondutoras indesejáveis, como baixa fotocondutividade, e impede o doping, que é crítico para as propriedades semicondutoras de engenharia. Ao introduzir hidrogênio durante a fabricação de silício amorfo, a fotocondutividade é significativamente melhorada e o doping é possível. O silício amorfo hidrogenado, a-Si: H, foi fabricado pela primeira vez em 1969 por Chittick, Alexander e Sterling por deposição usando um precursor de gás de silano (SiH4). O material resultante mostrou uma menor densidade de defeitos e aumentou a condutividade devido a impurezas. Interesse em a-Si: H surgiu quando (em 1975), LeComber e Spear descobriram a capacidade de dopagem substitucional de a-Si: H usando fosfina (tipo n) ou diborano (tipo p). O papel do hidrogênio na redução de defeitos foi verificado pelo grupo de Paul em Harvard, que encontrou uma concentração de hidrogênio de cerca de 10% atômica através da vibração IR, que para as ligações Si-H tem uma freqüência de cerca de 2000 cm-1. A partir da década de 1970, o a-Si: H foi desenvolvido em células solares pela RCA, aumentando a eficiência para cerca de 13,6% em 2015.
| CVD | PECVD | CVD catalítico | Sputtering | |
|---|---|---|---|---|
| Tipo de filme | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | a-Si |
| Aplicação única | Eletrônica de área grande | Deposição livre de hidrogênio | ||
| Temperatura da câmara | 600C | 30–300C | 30–1000C | |
| Temperatura do elemento ativo | 2000C | |||
| Pressão da câmara | 0,1-10 Torr | 0,1-10 Torr | 0,001–0,1 Torr | |
| Princípio físico | Termólise | Dissociação induzida por plasma | Termólise | Ionização da fonte de Si |
| Facilitadores | Fios aquecidos W / Ta | Cátions de argônio | ||
| Tensão de acionamento típica | RF 13,56 MHz; 0,01-1 W / cm 2 | |||
| Fonte de Si | Gás SiH 4 | Gás SiH 4 | Gás SiH 4 | cadinho |
| Temperatura do substrato | controlável | controlável | controlável | controlável |
Aplicações
Enquanto o a-Si sofre de menor desempenho eletrônico comparado ao c-Si, ele é muito mais flexível em suas aplicações. Por exemplo, as camadas a-Si podem ser mais finas que c-Si, o que pode gerar economia no custo do material de silício.
Uma outra vantagem é que o a-Si pode ser depositado a temperaturas muito baixas, por exemplo, tão baixas quanto 75 graus Celsius. Isso permite a deposição não apenas do vidro, mas também do plástico, tornando-o um candidato a uma técnica de processamento rolo a rolo. Uma vez depositado, o a-Si pode ser dopado de maneira semelhante ao c-Si, para formar camadas do tipo p ou do tipo n e, finalmente, formar dispositivos eletrônicos.
Outra vantagem é que o a-Si pode ser depositado em grandes áreas pelo PECVD. O projeto do sistema PECVD tem grande impacto no custo de produção desse painel, portanto, a maioria dos fornecedores de equipamentos concentra seu foco no design do PECVD para maior rendimento, o que leva a custos de fabricação mais baixos, especialmente quando o silano é reciclado.
Matrizes de fotodiodos a-Si pequenos (menos de 1 mm por 1 mm) em vidro são usados como sensores de imagem de luz visível em alguns detectores de tela plana para fluoroscopia e radiografia.
Fotovoltaica
O silício amorfo (a-Si) tem sido usado como um material de célula solar fotovoltaica para dispositivos que exigem muito pouca energia, como calculadoras de bolso, porque seu desempenho inferior comparado às células solares de silício cristalino convencional (c-Si) é mais do que compensado seu custo simplificado e menor de deposição em um substrato. As primeiras calculadoras movidas a energia solar já estavam disponíveis no final dos anos 70, como o Royal Solar 1, o Sharp EL-8026 e o Teal Photon.
Mais recentemente, melhorias nas técnicas de construção do a-Si também as tornaram mais atraentes para o uso de células solares de grande área. Aqui, sua menor eficiência inerente é composta, pelo menos parcialmente, pela sua magreza – eficiências mais altas podem ser alcançadas empilhando várias células de filme fino em cima umas das outras, cada uma sintonizada para funcionar bem em uma frequência específica de luz. Essa abordagem não é aplicável às células c-Si, que são espessas como resultado de seu intervalo de banda indireto e, portanto, são em grande parte opacas, impedindo que a luz atinja outras camadas em uma pilha.
A fonte da baixa eficiência da energia fotovoltaica de silício amorfo deve-se em grande parte à baixa mobilidade dos furos do material. Essa baixa mobilidade do furo foi atribuída a muitos aspectos físicos do material, incluindo a presença de ligações pendentes (silício com 3 ligações), ligações flutuantes (silício com 5 ligações), bem como reconfigurações de ligações. Embora muito trabalho tenha sido feito para controlar essas fontes de baixa mobilidade, as evidências sugerem que a multiplicidade de defeitos interagentes pode levar a mobilidade a ser inerentemente limitada, já que a redução de um tipo de defeito leva à formação de outros.
A principal vantagem do a-Si na produção em larga escala não é a eficiência, mas o custo. As células a-Si usam apenas uma fração do silício necessário para as células típicas de c-Si, e o custo do silício tem sido historicamente um contribuinte significativo para o custo da célula. No entanto, os custos mais elevados de fabricação devido à construção multicamada têm, até o momento, tornado o a-Si pouco atraente, exceto em papéis em que sua magreza ou flexibilidade são uma vantagem.
Normalmente, as células de película fina de silício amorfo usam uma estrutura de pinos. A colocação da camada tipo-p na parte superior também é devida à menor mobilidade do furo, permitindo que os furos percorram uma distância média menor para a coleta até o contato superior.A estrutura típica do painel inclui vidro frontal, TCO, silício de filme fino, contato traseiro, polivinil butiral (PVB) e vidro traseiro. A Uni-Solar, uma divisão da Energy Conversion Devices, produziu uma versão de backings flexíveis, usados em produtos de cobertura roll-on. No entanto, o maior fabricante mundial de fotovoltaicos de silício amorfo teve que declarar falência em 2012, uma vez que não poderia competir com o rápido declínio dos preços dos painéis solares convencionais.
Silicone microcristalino e micromorfo
O silício microcristalino (também chamado silício nanocristalino) é silício amorfo, mas também contém pequenos cristais. Ele absorve um espectro mais amplo de luz e é flexível. A tecnologia do módulo de silício micromorfo combina dois tipos diferentes de silício, silício amorfo e microcristalino, em uma célula fotovoltaica superior e inferior. A Sharp produz células usando este sistema para capturar mais eficientemente a luz azul, aumentando a eficiência das células durante o tempo em que não há luz solar direta sobre elas. O silício protocristalino é freqüentemente usado para otimizar a tensão de circuito aberto da energia fotovoltaica a-Si.
Produção em larga escala
A Xunlight Corporation, que recebeu mais de US $ 40 milhões em investimentos institucionais, concluiu a instalação de seu primeiro equipamento de produção fotovoltaica roll-to-roll wide-web de 25 MW para a produção de módulos fotovoltaicos de silício de filme fino. A Anwell Technologies também concluiu a instalação de sua primeira instalação de painel solar de filme fino a-Si de 40 MW em Henan com seu equipamento PECVD multi-substrato-multicamada projetado internamente.
Coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos
Os coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos (PVT) são sistemas que convertem a radiação solar em energia elétrica e energia térmica. Esses sistemas combinam uma célula solar, que converte a radiação eletromagnética (fótons) em eletricidade, com um coletor solar térmico, que captura a energia restante e remove o calor residual do módulo fotovoltaico solar. As células solares sofrem uma queda na eficiência com o aumento da temperatura devido ao aumento da resistência.A maioria desses sistemas pode ser projetada para levar o calor para longe das células solares, resfriando as células e, assim, melhorando sua eficiência diminuindo a resistência. Embora este seja um método eficaz, faz com que o componente térmico tenha um desempenho inferior ao de um coletor solar térmico. Pesquisas recentes mostraram que o a-Si: H PV com coeficientes de baixa temperatura permite que o PVT seja operado em altas temperaturas, criando um sistema de PVT mais simbiótico e melhorando o desempenho do a-Si: H PV em cerca de 10%.
Tela de cristal líquido de transistor de filme fino
O silício amorfo tornou-se o material de escolha para a camada ativa em transistores de filme fino (TFTs), que são mais usados em aplicações de eletrônica de grandes áreas, principalmente para telas de cristal líquido (LCDs).
Tela de cristal líquido de transistor de película fina (TFT-LCD) mostra um processo de layout de circuito semelhante ao dos produtos semicondutores. No entanto, ao invés de fabricar os transistores de silício, que é formado em uma bolacha de silício cristalino, eles são feitos de uma fina película de silício amorfo que é depositada em um painel de vidro. A camada de silício para LCDs TFT é tipicamente depositada usando o processo PECVD. Os transistores ocupam apenas uma pequena fração da área de cada pixel e o restante do filme de silício é gravado para permitir que a luz passe facilmente através dele.
O silício policristalino é por vezes utilizado em monitores que exigem um desempenho TFT superior.Exemplos incluem pequenos monitores de alta resolução, como os encontrados em projetores ou visores. Os TFTs à base de silício amorfo são, de longe, os mais comuns, devido ao seu menor custo de produção, enquanto os TFTs de silício policristalino são mais caros e muito mais difíceis de produzir.