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

Question

El silicio tiene una banda prohibida de 1.1 eV, mientras que el germanio tiene 0.65 eV. El silicio tiene un intervalo de banda indirecto, mientras que el arseniuro de galio tiene un intervalo de banda directo. Todavía el silicio se utiliza principalmente para fabricar células solares. ¿Por qué?

Answer 1

Si es uno de los materiales más abundantes en la Tierra y ampliamente utilizado para procesadores. Hay muy pocos otros materiales que pueden incluso teóricamente competir con eso. Germanio y Naga no será nunca capaz de. Las células solares orgánicas fueron prometedores debido al bajo costo de fabricación (pregunte por bacterias o lo que sea para hacer que sus células solares), pero no pudo. Ahora perovskitas y especialmente perovskita-silicio tándems son los temas más candentes en la investigación.

De vuelta en el día, tecnologías de película fina como CdTe, CIGS etc también parecía prometedor y comenzó a ganar significativo de la cuota de mercado de la más alta fue de alrededor de 13% o así, y muchos creían que va a alcanzar el 20%+ del mercado ya que casi atrapado silicio eficiencia. Pero entonces entró en el mercado Chino y matado a otros tech reduciendo drásticamente Si los precios.

GaAs y estrechamente relacionado con otros III-V se utiliza la tecnología donde la masa o área de la eficiencia de la mayor importancia ya que esta tecnología ofrece la máxima eficiencia - por lo tanto, es utilizado por los satélites y otras naves espaciales. Sin embargo, la ISS todavía utiliza silicio (aunque GaAs tenían una mayor eficiencia, incluso entonces). A partir de Tristán comentario, que será la actualización del estado del arte de GaAs tándems bastante pronto - los tándems aquí será GaInP/GaAs/Ge. Este tándem es el más típico, pero varias otras configuraciones posibles. Tales equipos son por lo general (pero no siempre) entramado emparejados y combinar Ga/En con N/P/Como en diversas proporciones para lograr la variable bandgap.

Ahora, más específicamente, para el mencionado tecnologías en la pregunta:

1. Naga es una locura caro. Una sola oblea de costos de varios cientos de euros, mientras que incluso floatzone la oblea de silicio de los costos de las decenas, y típico de las células solares están hechas de tierra hoteles de silicio, el cálculo de costes muy por debajo de 1€ para la oblea (sin procesar de la oblea de costos). Añadir toneladas de Si tecnología de la CPU de la industria. Obtener herramientas que pueden hacer magia en silicio es fácil y barato, las herramientas para la III-V es caro y mucho más problemática, por lo que el procesamiento de nuevo favores Si.
2. Germanio por sí sola no es una célula solar de material demasiado bajo bandgap. Pero es genial para tándems. Seguro, va a recoger toneladas de fotones, pero todos los fotones más allá de la energía del gap va a emborrachar y no terminarás con una gran cantidad de energía. A menos que se trate (y fallar) para hacer viable downconverters para dividir los fotones de alta energía en 2, cada uno con la mitad de la energía. Si es bastante buena con respecto a bandgap, sólo alrededor de 1% (absoluto) por debajo del máximo.
3. Indirectos bandgap sólo significa que su coeficiente de absorción severamente cae cerca de la gap. Esto tiene una sola consecuencia ópticamente: necesita una capa más gruesa de amortiguador para obtener el mismo absorción. Pero, como el silicio es barato, no es mucho de un problema. Como resulta, mover a decir de 100 µm de obleas se pospuso debido a la oblea de manipulación más de la eficiencia resulta que se puede romper fácilmente, a diferencia de la robusta 180 µm. Además, incluso tan delgada como 1 µm de silicio seguiría absorber sorprendentemente gran cantidad de luz, si se pone fuertemente dispersos en cada interfaz.

Answer 2

Sobre el tema de germanio frente de silicio, una menor brecha de banda es no una cosa buena en una célula solar.

La eficiencia máxima teórica de una sola unión de la célula solar natural, fuera de foco de la luz del sol se llama la Shockley-Queisser límite, y es una función de la brecha de banda. Resulta que este límite tiene un máximo en un intervalo de banda de $1.34~\rm eV$, lo que hace que el arseniuro de galio ($1.42~\rm eV$) excelente y silicio ($1.1~\rm eV$) sigue siendo bastante buena. El germanio es lo suficientemente lejos que su eficiencia es mucho menor.

Answer 3

Desde silicon existe en abundancia (creo que alrededor de alrededor de 25 % de la corteza de la Tierra está hecho de silicio), la industria ha llegado a aceptarlo como un estándar. International Technology Roadmap for Semiconductors decir que una gran cantidad de nuevos materiales va a cambiar la industria, pero también creen que el silicio va a ser el material dominante en el campo.

Un gran número de métodos han sido desarrollados para el silicio. El proceso de Czochralski, el dopaje con la implantación de iones, oblea de picar técnicas, etc. son todos complicados procesos y métodos que se utilizan en la industria. Muchos de los aparatos utilizados para la fabricación de semiconductores cuesta miles de millones de dólares y que normalmente están optimizados para trabajar con el silicio. El procesamiento de otros materiales es, por supuesto, posible, pero debido a restricciones de conocimientos y económico de los costos de estos métodos suelen limitarse a la investigación académica.

Así que, para concluir: el Silicio podría no ser el mejor material para las células solares, pero por razones económicas y techonological restricciones es preferido por la industria.

Answer 4

La materia prima del germanio es aproximadamente 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 dopadas para hacer la célula, y si desea usar el panel solar para encender las cosas, necesita alguna diferencia de voltaje.

Answer 5

No soy un experto en física de semiconductores, pero a partir de algunas investigaciones 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 del silicio. El germanio es aparentemente menos estable a altas temperaturas y no maneja niveles de alta potencia como lo hace el silicio. Además, el germanio es menos abundante en la corteza terrestre que el silicio.