tecnologia silicio

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Tecnologia Fotovoltaico
Cristal de Silício
Elevados Investimentos em pesquisa de novos materiais e técnicas.
Principal objetivo é aumentar eficiência na conversão S-FV
• Novas tecnologias exige a deposição de vapores 
Prof. Daniel F Ponte
Materiais aplicados para transformação da energia Solar em Energia Elétrica
Tecnologias Fotovoltaica
Prof. Daniel F Ponte
Tecnologias Fotovoltaicas
✓ a-Si – Silício Amorfo;
✓ CdTe – Telureto de Cádmio
✓ Disseleneto de cobre-índio-gálio(CIGIS);
✓ GaAs –Arseneto de Gálio;
✓ Materiais aplicados para transformação da energia Solar em Energia 
Elétrica
Tecnologia Fotovoltaica
Primeira Geração Segunda Geração Terceira Geração
Prof. Daniel F Ponte
Abundância de Silício 
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Abundância de Silício 
Prof. Daniel F Ponte
Cristais de Silício - Quartzo
Silício Cristalino c-Si 
Cristal de Rocha ou Hialina
Dióxido de Silício - SiO2 Si + O
✓ Vidro
✓ Cimento
✓ Mat. cerâmicos
Prof. Daniel F Ponte
Destino da Produção de Silício
Silício Cristalino c-Si 
✓ Silício grau metalúrgico (SiGM)
 (Grau de pureza 98% - 99%) 
✓ Silício grau solar (SiGS)
 (Grau de pureza 99,9999%) 
✓ Silício grau Eletrônico (SiGE) 
 (Grau de pureza 99,999999%) 
Prof. Daniel F Ponte
Purificação do Silício
Silício Mineral em Silício Metalúrgico:
▪ 1-Eliminação do oxigênio (Silício Metalúrgico);
▪ 2-Processamento refinamento silício; 
SiO2 + C → Si + CO2
Silício Metalúrgico:
Grau de pureza de 98% - 99%
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Cristal de Silício para Células Fotovoltaicas
Remoção de Oxigênio
Silício MetalúrgicoQuartzo (Silício Mineral)
(98 a 99%)
Purificação do Silício
Prof. Daniel F Ponte
Eletrodos Aquecimento e Reação Química
✓O silício líquido é retirado no 
fundo do forno, enquanto o 
monóxido de carbono e outros 
gases são reciclados.
✓A pureza do silício metalúrgico é 
da ordem de 98 a 99%.
SiO2 + C → Si + CO2
✓ Coque
✓ Carvão Mineral
~1700 °C -1900 °C 
Purificação do Silício – Grau Metalúrgico
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Eletrodos Aquecimento e Reação Química
Purificação do Silício – Grau Metalúrgico
Prof. Daniel F Ponte
Impurezas do Silício Metalúrgico 
Purificação do Silício – Grau Metalúrgico
Prof. Daniel F Ponte
Tipos de Silício Cristalino – Tamanho do Grão
Descrição Descriptor Symbol Grain Size Common Growth Techniques
Monocristalino Single crystal sc-Si >10cm
Czochralski (CZ) float zone 
(FZ)
Multicristalino Multicrystalline mc-Si 1mm-10cm Cast, sheet, ribbon
Policristalino Polycrystalline pc-Si 1µm-1mm Chemical-vapour deposition
Microscristalino Microcrystalline µc-Si Gases da Família dos silanos
✓ Silano - SiH4
✓ Triclorosilano - SiHCl3
✓Método do Reator Siemens;
✓Método do reator de leito fluidizado (FBR –Fluidized Bed Reactor); 
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Produção/Refinamento do Silício
✓ Responsável Por 85% da produção anual de poly-Si;
✓ Método garante uma pureza superior;
✓ Alto consumo de energia na fabricação;
✓ Método baseia-se em CVD (Chemical Vapor Deposition);
✓ Varetas de silício para deposição do si policristalino
Método do Reator Siemens
Produção do Silício Policristalino
Triclorosilano -SiHCl3MG-Si + HCl
SiHCl3 (gás) + H2(gás) Si (sólido) + 3 HCl (gás)
Resistência (aquecimento 1000 °C)
Semente (Silício Policristalino)
(300 °C)
(1000 °C)
Triclorosilano
‘
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Produção/Refinamento do Silício
Produção do Silício Policristalino – Método Siemens
Triclorosilano -SiHCl3
Grãos de Silício Metalúrgico – mg-Si 
SiHCl3 (gás) + H2(gás) Si (sólido) + 3 HCl (gás)
(1000 °C)
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Produção/Refinamento do Silício
Produção do Silício Policristalino 
Método do reator de leito fluidizado (FBR –Fluidized Bed Reactor) 
✓ No método FBR usa triclorosilano;
 
✓ Pequenos grânulos de silício policristalino suspensos no 
fluxo de gás (Inseridos Reator) (Denominado leito fluido)
✓ Silício Deposita-se na superfície quente dos grânulos até 
ser atingido o diâmetro pretendido.
 
✓ Produto final são pequenas esferas de silício 
policristalino. 
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Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Método Siemens produz silício grau eletrônico (Si-gE) com 10-12N (noves) ( 99.99999999-99.9999999999% silicon)
Células solares não é necessário esse grau de pureza. Podem ser produzidas com 6N. O método leito fluidizado pode 
gerar essas células.
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Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Silício Policristalino -SiGE Lingote de Silício
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Tecnologia de Transformação de Silício Monocristalino
Tecnologia Beneficiou Produção das Células Solares 
Técnica de Czochralski (Jan Czochralski-1918) (CZ):
✓ Produção de Silício Monocristalino;
✓Método de Crescimento de Cristais;
✓Aperfeiçoado em 1952;
 -Alta Pureza do silício;
✓ Desvantagem (alta concentração de oxigênio)
-Reduz tempo de vida dos portadores minoritários:
reduz tensão, corrente e eficiência.
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Tecnologia de Transformação de Silício Monocristalino
Tecnologia Beneficiou Produção das Células Solares 
Técnica de Fusão de Zona Flutuante (FZ – Float Zone)
-Reduz concentração de oxigênio nas wafers;
-Menos sensível a altas temperaturas; 
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Silício Policristalino em Monocristalino
Técnica de Czochralski
✓ Processo inicia-se com uma semente de silício monocristalino;
✓ Semente possui a orientação desejada do si-monocristalino;
✓ Facetas do cristal são definidas por “Índices de Miller”;
✓ Orientações [1 0 0], [1 1 0],[1 1 1];
✓ Cadinho que contém silício policristalino fundido;
✓ Cristal cilíndrico de silício é extraído muito lentamente do cadinho;
Desvantagem:
Contato com oxigênio que contribui 
para degradação do material;
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Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Técnica de Czochralski (Lingote Si no cristal semente-1cm/h)
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Silício Policristalino em Monocristalino
Prof. Daniel F Ponte
Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Técnica de Czochralski
Prof. Daniel F Ponte
Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Técnica de Fusão de Zona Flutuante (FZ – Float Zone);
✓ Técnica de FZ tem como material de partida as barras de poly-Si do 
processo Siemens;
✓ Si-Poli Sofre recristalização por zona fundida induzida por 
radiofrequência;
✓ Não há contacto com materiais estranhos;
✓ Técnica não muito aplicada na produção si monocristalin fotovoltaico 
por ser demasiado dispendiosa.
Desvantagem:
Diâmetro limitado;
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Silício Policristalino e Transformação Monocristalino
Técnica de Fusão de Zona Flutuante (FZ – Float Zone);
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Material Monocristalino x Multicristalino
Técnica de Produção Silício Monocristalino
✓ Técnica de Czochralski
✓ Fusão de Zona
Técnica de Produção Silício Multicristalino
✓ Material conhecido como Policristalino;
✓ Cristais com diferentes orientações;
✓ Diferente aparência;
✓ Menor custo de produção;
✓ Produção mais rápida
Como se produz Silício Multicristalino...? 
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Material Multicristalino
Um avanço importante foi a demonstração da possibilidade de construir células solares de elevada 
eficiência em bolachas(wafer) de silício multicristalino, com grãos da ordem de 1-10cm.
✓ Blocos de silício multicristalino baseia-se no princípio de solidificação direcional;
✓ o silício policristalino (250 – 400 Kg) é fundido num cadinho paralelipipédico rectangular de 
quartzo;
✓ Depois arrefecido lentamente,cristalizando; 
Desvantagem:
-Dopante não se distribuem regularmente no 
material;
-Distribuição de contaminantes não 
homogênea;
-Menor eficiência (13%-15%);
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Material Multicristalino
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Material Multicristalino
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Material Multicristalino
Monocristalino (sc-Si) Multicristalino (mc-Si) 
- ”Policristalino”
Prof. Daniel F Ponte
Material Multicristalino
Monocristalino
Prof. Daniel F Ponte
Fatiando Silício
Espessura das bolachas (150 a 200 𝜇m)
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Fatiando Silício
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Primeira Geração
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Primeira Geração
✓ Método de produção Czochralski (CZ) ou Floating Zone (FZ);
✓ Produção resulta em lingotes de formato cilíndrico.
Silício Monocristalino
✓Crescido e fatiado
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Primeira Geração Silício Monocristalino – m-Si
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Primeira Geração Silício Monocristalino – m-Si
✓ Estrutura organizada (único cristal de silício; 
✓Não possui manchas;
✓Célula formato ortogonal;
✓Mais eficientes 
✓ Limite teórico de conversão 27%;
✓ Faixa comercial de 12 a 16%;
✓Vida útil de 30 anos (garantia de 25 anos)
▪ Desperdiço devido o corte dos lingotes;
▪ Seu valor é mais caro se comparado aos painéis de filme fino ou 
policristalino.
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Primeira Geração Silício Policristalino – p-Si (silício multicristalino) 
✓ Estrutura atômica mais desorganizada;
✓ Formação de múltiplos cristais de silício;
✓ Apresenta Manchas (Múltiplos Cristais);
✓ Blocos composto pequenos cristais;
✓ Blocos fatiados e fabricam-se as células;
✓ Célula formato quadrado;
✓ Interfaces entre cristais reduz a eficiência;
✓ Eficiência próxima ao monocristalino
✓ Mais baratas
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RESUMO
Prof. Daniel F Ponte
Dopando Silício
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Material tipo P
▪ Material Tipo P - Difusão boro em silício em 
Fusão(Derretido).
1-Adição de boro silício antes da produção do lingote;
✓ Czochralski 
✓ Produção Multicristalino
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Material tipo P
▪ Dopagem tipo P – Difusão Estado Sólido
▪ Adição de dopantes em fase gasosa; 
✓ Float Zone
Prof. Daniel F Ponte
Dopando material semicondutor tipo p com fósforo (tipo n)
Dopagem tipo N –Difusão em 
Sólido com Gás/Líquido/Gel
▪ PH3 (Fosfina ou Fosfano)-Gás;
▪ POH3 (Oxicloreto de 
Fósforo)-Líquido;
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Dopagem tipo N
Prof. Daniel F Ponte
Material tipo N
▪ Dopagem tipo N –Difusão em Sólido implantação de íons
Câmara de Plasma
✓ Íons são acelerados com alta energia;
✓ A concentração controlada pela corrente de íons;
✓ Distribuição precisa e uniforme;
✓ Desvantagem – Criação de defeitos na estrutura 
cristalina 
 -Wafers deve ser aquecidas para reduzir o efeito;
 -Processo denominado annealing
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Material tipo N
▪ Dopagem tipo N
▪ Adição de dopantes fósforo(P) no material dopado (B);
▪ Transformação de porção do material tipo P em tipo N;
▪ Concentração de Doadores P > Aceitadores B;
Tipo P - Boro
Prof. Daniel F Ponte
Classificação de Dopagem
Dopantes
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Célula Fotovoltaica
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