polisilicio

El polisilicio es silicio refinado a alta pureza, típicamente 99.9999% (seis nueves) o mejor, luego solidificado en un lingote policristalino. Se diferencia del silicio monocristalino por contener muchos pequeños granos cristalinos con orientaciones aleatorias en lugar de una red continua. El material es la materia prima fundamental para casi todas las células fotovoltaicas y la mayoría de la fabricación de semiconductores, donde la pureza química y la estructura de grano controlada importan más que la alineación atómica perfecta.

La producción comienza con silicio de grado metalúrgico, que tiene solo un 98% de pureza y no es adecuado para la electrónica. Los productores utilizan el proceso Siemens o el método de reactor de lecho fluidizado (FBR). La ruta Siemens reduce el tetracloruro de silicio con hidrógeno a alta temperatura, depositando silicio ultrapuro sobre filamentos calentados; el FBR suspende partículas finas de silicio en una corriente de gas reactivo, construyendo la carga en un lecho fluido. Ambos métodos producen un núcleo de silicio que luego se funde, se moldea en lingotes y se enfría. El lingote resultante muestra límites de grano visibles bajo la luz y se rompe a lo largo de esos planos más fácilmente que las obleas monocristalinas.

Para aplicaciones solares, el polisilicio se funde y se moldea en lingotes cuadrados o casi cuadrados, luego se corta en obleas. Los límites de grano dispersan la luz y atrapan los portadores de carga, reduciendo la eficiencia de la celda en comparación con los competidores monocristalinos en 2 a 4 puntos porcentuales en pruebas de laboratorio estándar. Sin embargo, el menor costo por vatio ha mantenido a las células solares de polisilicio dominantes en la implementación global, especialmente en instalaciones a escala de servicios públicos. Para la fabricación de dispositivos semiconductores, la materia prima de polisilicio se procesa adicionalmente en lingotes monocristalinos mediante el método Czochralski o de zona flotante, lo cual es un paso separado y mucho más costoso.

Defectos y rendimiento

Las impurezas de oxígeno, carbono y hierro degradan la vida útil de los portadores minoritarios y aumentan las pérdidas por recombinación en las células solares. La concentración de dopantes y la segregación durante la solidificación crean variaciones de resistividad dentro de un lingote; el último material en congelarse atrapa los elementos disueltos en concentraciones más altas. La tensión residual de la fundición y los gradientes térmicos durante el enfriamiento introducen redes de dislocación que se propagan a través de los límites de grano. El control de calidad se basa en la medición de la resistividad eléctrica, el mapeo de la vida útil de los portadores minoritarios (fotoluminiscencia o decaimiento de la fotoconductancia) y la inspección óptica metalúrgica.

El nombre refleja la estructura cristalina: muchos cristales pequeños (poli) de silicio en lugar de un solo cristal (mono). El polisilicio entró en producción masiva en la década de 1980 a medida que la energía solar fotovoltaica se expandía; la demanda explotó después del año 2000 con programas de subsidios gubernamentales e instalaciones conectadas a la red. China ahora suministra aproximadamente el 75% de la capacidad global de polisilicio, con los principales productores operando plantas en las provincias de Xinjiang y Sichuan. Los tamaños típicos de los lingotes varían de 480 a 530 milímetros de lado y pesan de 150 a 200 kilogramos; los ciclos de fundición tardan de 48 a 72 horas.