Le celle al silicio monocristallino

Per ottenere silicio monocristallino per l'industria elettronica si utilizza il cosiddetto "metodo Czochralski " (CZ), che vede la crescita dei singoli cristalli di Silicio a partire dal materiale fuso.

Durante questa procedura i cristalli di silicio, opportunamente orientati, sono fusi a 1414 °C in un crogiolo di grafite rivestito di quarzo ad elevato grado di purezza.

Il silicio viene sottoposto a raffreddamento controllato al fine di ottenere un unico cristallo una volta estratto dal bagno di fusione; la solidificazione progressiva all'interfaccia tra solido e liquido genera un monocristallo di grandi dimensioni.

Al termine di tale processo il pezzo così ottenuto presenta la forma di un cilindro di colore grigio, il cui diametro va dai 13 ai 20 cm, con una lunghezza che può raggiungere i 200 cm.

I cilindri così ottenuti, prima di essere tagliati a fette sottili (wafers), (s = da 0,25 a 0,35 mm), sono ulteriormente sagomati al fine di ottenere delle celle con forma più simile alla quadrata, in modo da riempire meglio lo spazio utile del modulo che costituiranno. Infine la superficie della fetta viene levigata.

Il silicio monocristallino di grado di purezza in assoluto più elevato, si può ottenere tramite un secondo metodo, il processo “float-zone” (FZ), che porta alla produzione di celle fotovoltaiche più efficienti rispetto al processo CZ (incremento dell'1-2%); tuttavia questo procedimento è molto costoso.

Il materiale allo stato monocristallino è sagomato in barre cilindriche e fuso localmente con una bobina, tramite l'applicazione di un campo ad alta frequenza. La bobina e, quindi, la zona in cui si verifica la fusione, viene fatta scorrere (anche più volte) lungo la barra; a partire dai nuclei di silicio posti all'estremità superiore della barra, viene prodotto silicio monocristallino puro, attraverso un processo di raffreddamento.

In questo modo, il silicio assume la struttura cristallografica voluta senza venire a contatto con elementi estranei; le impurità si separano, depositandosi nel bagno di fusione.

I monocristalli ottenuti (in lingotti) sono, quindi, tagliati in fette sottili mediante sega circolare con lama diamantata e poi levigati, così come avviene durante il processo Czochralski. Durante queste operazioni è indispensabile evitare di introdurre difetti all'interno del cristallo come conseguenza degli sforzi meccanici applicati alla superficie. Il taglio dei lingotti dì monoscristallino, così come avviene per il "metodo Czochralski ", fa si che, durante questa fase, venga sprecato circa il 50% del materiale, causando un aumento del costo di circa un fattore 3.

Infine, sia per quanto riguarda il metodo CZ sia FZ, avviene la conversione dei wafers in celle fotovoltaiche attraverso tre fasi:

tessitura chimica della superficie (detto processo di testurizzazione) utilizzato per

produrre microscopiche piramidi sulla superficie anteriore della cella, al fine di abbassare il coefficiente di riflessione del silicio di circa un terzo, arrivando così al 10%; formazione di una giunzione p-n esponendo le celle alle impurità desiderate, ad alta temperatura. La creazione del substrato p avviene in fase di fusione sull'intero lingotto, mediante l'aggiunta di una piccola quantità di Boro, in modo da creare un silicio drogato p. In seguito al taglio del wafer, esso, ricoperto sul lato p con un materiale inibente, viene fatto passare all'interno di un forno saturo di vapori di fosforo per un tempo sufficiente a consentirne la diffusione, per una profondità di 0,4 ÷ 0,5 µm.

realizzazione dei contatti elettrici: il disegno della griglia disposta sulla parte

esposta alla luce del sole (metallizzazione) deve rappresentare un compromesso fra il valore di resistenza elettrica, che si vorrebbe fosse il più basso possibile implicando però un'elevata superficie metallizzata, e una bassa riflessione della radiazione incidente ottenibile con una bassa estensione della superficie metallizzata.

La superficie posteriore della cella, non interessata da tale tipologia di problema, viene invece interamente metallizzata.

La connessione elettrica fra celle fotovoltaiche è avuta per mezzo di due contatti metallici di cui uno posto sulla faccia esposta alla radiazione solare, e l'altro su quella opposta. Tali contatti sono normalmente ottenuti per evaporazione sottovuoto di metalli a bassa resistenza elettrica, ed eseguendo successivi trattamenti termici al fine di assicurare la necessaria aderenza alla superficie della cella.

Per poter ridurre il coefficiente di riflessione, si dispone uno strato anti-riflettente di ossido di titanio, in grado di ridurre circa 10 volte il coefficiente di riflessione; dallo spessore dello strato di ossido di titanio dipende la colorazione della cella (dal blu al nero), permettendo ai costruttori di ottenere differenti colorazioni, in grado di integrarsi

Tuttavia, in generale, la superficie della cella al silicio monocristallino (s = da 0,25 a 0,35 mm) si presenta di colore blu, omogenea e di forma circolare, quadrata o pseudo- quadrata.

Le celle fotovoltaiche fabbricate attraverso l'impiego di silicio monocristallino, sono tra le celle a maggior efficienza di conversione, ovvero nelle quali è maggiore la percentuale di energia contenuta nella radiazione solare trasformata in energia elettrica e disponibile ai morsetti.

Le celle al silicio monocristallino, infatti, convertono dal 14 al 17% della radiazione solare in energia elettrica (applicazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 34%) e hanno anche il vantaggio di essere molto durevoli nel tempo.

Lo svantaggio principale del silicio monocristallino sta nell’elevato costo di produzione, dando luogo ad un energy pay-back time (periodo di tempo in cui deve operare il dispositivo fotovoltaico per produrre l'energia che è stata necessaria per la sua realizzazione) di circa tre anni; infatti la crescita cristallografica, e successivamente il taglio in film sottili (0,25-0,35 mm) del pezzo prodotto, è un processo lento e costoso. Nonostante il costo del silicio monocristallino risulta elevato per l'industria fotovoltaica, per realizzare una cella fotovoltaica è sufficiente una fetta assai meno pura di quelle necessarie per i componenti elettronici convenzionali.

Infatti l'industria di celle solari utilizza sostanzialmente gli scarti di produzione del silicio per l'industria elettronica.