Monocristales

Escuela Profesional deIngeniería de Materiales FABRICACIÓN DE MONOCRISTALES I. INTRODUCCIÓN Comúnmente el producto de una síntesis de un material inorgánico es una sustancia policristalina que se obtiene en forma de polvos. Sin embargo, en muchos casos se requiere que el material sea obtenido en formas especiales tales como monocristales y películas delgadas. La forma requerida está lógicamente determinada por el uso o aplicación que se le dará al material. La obtención de un monocristal es muy importante cuando se trata de hacer una caracterización estructural. También se requieren monocristales para ser usados en óptica y electrónica, ya que muchas veces son anisótropos para ciertas propiedades. Las películas o capas delgadas tanto amorfas, como mono o policristalinas son muy importantes en la tecnología moderna. Pueden ser usadas para formar cubiertas protectoras sobre otros materiales y han jugado un papel esencial en la miniaturización de componentes de dispositivos electrónicos. Otra característica importante es que sus propiedades son con frecuencia diferentes a las propiedades de un material voluminoso, lo que se deriva de la gran relación área / volumen que poseen. En este informe estudiaremos brevemente algunos métodos de preparación de monocristales, fundamentalmente de tipo físico, y diferentes técnicas de preparación de películas delgadas, tanto químicas como físicas. Para realizar alguno de los procedimientos que aquí esbozaremos, será necesario profundizar más en sus fundamentos y problemáticas experimentales. II. MONOCRISTALES Cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta, sin interrupciones, a lo largo de toda la muestra, el resultado es un monocristal. Todas las celdillas unidad están entrelazadas o unidas del mismo modo y tienen la misma dirección. Los monocristales existen en la naturaleza, pero también se pueden generar artificialmente. El crecimiento de estos últimos es, por lo general, difícil ya que el medio se debe controlar cuidadosamente. 1 A continuación haremos un breve resumen de algunos métodos. Un monocristal es un material en el que la red cristalina es continua y no está interrumpida por bordes de grano hasta los límites de la muestra. frecuentemente son policristalinos. para comprender bien el comportamiento de los policristales es necesario conocer previamente el de los monocristales III. los monocristales tienen interés para la industria y para la investigación académica. Entre los dos extremos están los materiales policristalinos. Los materiales estructurales. líquida o sólida. En particular. que emplea monocristales de silicio y de otros materiales.e. Los monocristales también son importantes en ciencias. piezoeléctricos. estructuras amorfas donde no hay correlación de largo alcance entre las posiciones atómicas. y se conocen especies minerales como el berilo que forman de forma natural monocristales con un diámetro del orden de un metro.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Si los extremos de un monocristal crecen sin impedimentos externos. La forma refleja la estructura cristalina. sobre todo en microelectrónica. Sin embargo. por ejemplo. Los monocristales se usan mucho en instrumentación y en electrónica (celdas solares. como impurezas. 2 .). Aún así. Como los bordes pueden tener efectos importantes en las propiedades físicas de un material. para la difracción de rayos X. los monocristales se ocupan para aplicaciones especiales: (p. relojes de cuarzo. este no impide la formación de monocristales. Los efectos de la entropía favorecen la presencia de imperfecciones en la microestructura de los sólidos. etc. En los últimos años los monocristales han adquirido extraordinaria importancia en la moderna tecnología. el cristal adquiere una forma geométrica regular con caras planas. CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES Los cristales pueden ser crecidos desde cualquier fase: vapor. álabes monocristalinos de turbinas). En el laboratorio se usan técnicas de crecimiento lento para evitar la nucleación y favorecer el crecimiento lento de monocristales de tamaño adecuado. aunque generalmente sólo las dos primeras dan cristales de suficiente tamaño para sus aplicaciones o para la medición de sus propiedades.. En el lado opuesto de un monocristal están los vidrios. como las que presentan algunas piedras preciosas. que deben resistir esfuerzos. tensiones inhomogéneas o defectos cristalográficos como dislocaciones. por ejemplo. También para materiales generadores de rayos láser tales como el Ca(NbO3)2 dopado con neodimio. En estas condiciones los átomos se arreglan de manera tal que el cristal se forma con orientación preferencial. Estos dos métodos tienen la ventaja de producir cristales grandes en relativamente poco tiempo y los equipos son relativamente simples. La semilla se va extrayendo lentamente y sobre su superficie se solidifica el fundido en la misma orientación cristalográfica que la semilla original.3 a)).MÉTODO DE CZOCHRALSKI En este método se crece un monocristal a partir de la fase fundida de igual composición. los cristales crecen a partir de fases fundidas de igual composición.PRECIPITACIÓN A PARTIR DE SOLUCIONES O FASES FUNDIDAS: MÉTODO DE LOS FLUJOS En los métodos descritos anteriormente. 3 b)). 3. etc..3. En los métodos de precipitación el crecimiento se produce a partir de una fase líquida de composición diferente a la del cristal. de modo de mantener una temperatura constante. Este método es muy usado para crecer semiconductores tales como Si. Una semilla cristalina se pone en contacto con la superficie del fundido. GaAs.2. El cristal que crece y el crisol con el fundido usualmente rotan en sentidos contrarios durante la extracción. 3 . Por lo general se emplea un gas inerte (argón o xenón) a alta presión.FUSIÓN POR ZONAS En este método ya conocido se crecen monocristales por enfriamiento lento de la pequeña zona fundida (Fig. Ge. la cristalización de una sal hidratada a partir de una disolución acuosa (Fig. 2).. para evitar pérdidas por volatilización. También se da el caso de que el solvente puede ser una fase líquida que no tenga ninguna relación composicional con los cristales deseados (Fig.homogeneidades y altas concentraciones de defectos estructurales. pero la calidad cristalina puede ser pobre debido a la presencia de in . cuya temperatura se mantiene ligeramente por encima de la de fusión..1.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales 3. 3. o doble titanilo oxalato para la producción de titanato de estroncio.Método de Verneuli Consiste en fundir los compuestos que componen una gema en proporciones iguales a las naturales.. el SiO2 puede precipitar como monocristal a partir de haluros o boratos fundidos (estos compuestos tienen bajas temperaturas de fusión). pero pueden estar contaminados con el material empleado para fluidificar o con su contenedor. los cristales obtenidos tienen pocos defectos. PRINCIPALES MÉTODOS DE SÍNTESIS DE MONOCRISTALES     Métodos de sustancia fundida Métodos de mezcla fundida (flux) Métodos de solución acuosa (síntesis hidrotermal) Método de altas presiones y temperaturas (síntesis del diamante) 4. o el óxido férrico y dióxido de titanio para un zafiro azul. 4 . mezclar alúmina en polvo junto con la impureza adecuada y calentarlo para que funda. Uno de los factores más cruciales en el éxito de cristalizar una piedra artificial es la obtención de materia prima altamente pura. al solvente fundido se le llama “flujo”.METODO DE LA SUSTANCIA FUNDIDA 4. La presencia de impurezas de sodio es especialmente negativa.1. puesto que reduce efectivamente la temperatura de fusión de los cristales en una gran magnitud. En estos casos. Dependiendo de la coloración deseada del cristal.1. Otras materias primas incluyen dióxido de titanio para la producción de rutilo.1. IV. Como en este método se emplean condiciones isotérmicas y bajas velocidades de crecimiento. como el óxido de cromo para un rubí rojo. puesto que hace que el cristal sea opaco.. Para emplear éste método se requiere tener información detallada del diagrama de fases del sistema involucrado. En el caso de la fabricación de rubíes o zafiros. es decir.9995% de pureza. este material es la alúmina. se añaden pequeñas cantidades de diversos óxidos.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Por ejemplo. con al menos el 99. se pueden utilizar como materia prima pequeños cristales naturales del producto deseado carentes de valor. pesando alrededor de 125 quilates (25 g). El polvo pasa a través de la llama. y finalmente se mantiene más o menos constante. se suministra oxígeno al horno. con un diámetro que se va ampliando en función de la distancia a la base. Los cristales producidos por el proceso Verneuil son química y físicamente equivalentes a sus homólogos naturales y generalmente es muy difícil distinguir unos de otros. El proceso también puede realizarse con la orientación predeterminada de un cristal semilla para lograr una orientación cristalográfica específica. mantener siempre el producto fundido en la misma zona de la llama detonante. con una abertura en la parte inferior a través de la que el polvo puede escapar cuando el contenedor se hace vibrar. Es en ese extremo semilla donde el cristal se forma con el tiempo. Este tubo está situado dentro de un tubo más grande.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Por otra parte. en el cual se suministra hidrógeno. con una llama de por lo menos 2000 °C en su núcleo. A medida que caen más gotas en la punta del cristal. En el punto donde el tubo estrecho se abre en el más grande. Una de las características indicadoras de un cristal artificial fabricado por el método Verneuil son las líneas curvas de crecimiento (estrías curvas) formadadas cuando la bola cilíndrica crece 5 . Estos son: una temperatura de llama que no sea mayor de lo necesario para la fusión. A la vez que el polvo sale. y se derrite en gotitas pequeñas. Cuando describió inicialmente el proceso. porque de lo contrario el cristal será propenso a la fractura durante el tallado. Las gotas poco a poco forman un aglomerado en forma de cono en la barra. Verneuil especificó una serie de condiciones fundamentales para obtener buenos resultados. comienza a formarse "la bola" y el apoyo se mueve lentamente hacia abajo.5 pulgadas) de diámetro y de 25 a 50 mm (1 a 2 pulgadas) de largo. que caen en una varilla de soporte situada a continuación. se produce la combustión. se pueden obtener bolas muy largas. El cristal se deja enfriar una vez retirado del horno. La materia prima esta en forma de polvo fino y se coloca en un contenedor dentro del horno de Verneuil. mientras que su límite superior permanece siempre en estado líquido. permitiendo que la base de la bola se cristalice. Con un suministro constante de polvo y la retirada progresiva del soporte. El promedio de producción comercial usando el proceso es de 13 mm (0. cuya punta debe mantenerse suficientemente cerca del núcleo de la llama para que se mantenga líquida. y la reducción del punto de contacto entre el producto fundido y el apoyo a un área tan pequeña como sea posible. y viaja junto con el polvo por un tubo estrecho. y la bola se divide a lo largo de su eje vertical para aliviar las tensiones internas. La bola crece con la forma de un cilindro cónico. Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales hacia arriba en un entorno con un alto gradiente térmico. Es de amplio uso en la industria electrónica para la obtención de wafers u obleas. por ejemplo germanio. pasando por el mismo proceso en el mismo instante. La varilla se va elevando y.2. por lo general. colgando de ella. 6 . con lo que el monocristal crece. La temperatura se controla para que esté justamente por encima del punto de fusión y no empiece a solidificarse. Cada oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen a la vez. destinadas a la fabricación de transistores y circuitos integrados. 4.1. Al contacto con la superficie del semiconductor fundido. se va formando un monocristal cilíndrico. solidificándose con su red cristalina orientada de la misma forma que aquella. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas para purificarlo. impurezas sólidas. Para tener una idea de la funcionalidad que tiene este proceso en la industria microelectrónica. éste se agrega a la semilla. basta señalar que cada circuito integrdo creado a partir de estas obleas miden 8mm de lado. En el crisol se introduce una varilla que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño monocristal del mismo semiconductor que actúa como semilla. esto hace que de cada oblea se obtengan de 120 a 130 circuitos. Este método es utilizado para la obtención de silicio monocristalino mediante un cristal semilla depositado en un baño de silicio. El método consiste en un crisol (generalmente de cuarzo) que contiene el semiconductor fundido. las líneas equivalentes en los cristales naturales son paralelas.Método Czochralski o Pauling El proceso o método de Czochralski (AFI: [t͡ʂɔ'xralskʲi]) consiste en un procedimiento para la obtención de lingotes monocristalinos. Fue desarrollado por el científico polaco Jan Czochralski a partir de 1916. las imperfecciones de los cristales naturales son.. Otra característica distintiva es la presencia común de burbujas de gas microscópicas formadas debido al exceso de oxígeno en el horno. es posible extraer un solo cristal en forma de lingote cilíndrico. como cuarzo. como argón. esto elimina complicaciones que podrían surgir cuando el fundente moja el contenedor. se forman agregados que no son monocristalinos.  Ventajas: El crecimiento de una superficie libre (tan opuesta a la solidificación en una configuración confinada) acomoda la expansión volumétrica sin mayor problema. 4. y en una cámara inerte. Las situaciones de inestabilidad indeseables en la masa fundida se pueden evitar mediante la monitorización y la visualización de los campos de temperatura y la velocidad durante el proceso de crecimiento de cristales.  Limitaciones: A pesar de que el crecimiento Czochralski puede llevarse a cabo bajo presiones moderadas..Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Al controlar con precisión los gradientes de temperatura. Cuando la temperatura asciende. Actualmente el diámetro de los cristales puede variarse cambiando los parámetros térmicos. Por este método se pueden obtener monocristales grandes a altas velocidades.3. Con el control de estas propiedades se puede regular el grosor de los lingotes.1. éste no se presta para el crecimiento de materiales cuya presión de vapor en el punto de fundición de alguno de sus constituyentes sea alta.Método bridgman – sotckbarger 7 . Este proceso se realiza normalmente en una atmósfera inerte. y con los requerimientos de la configuración térmica para mantener el equilibrio termodinámico entre el vapor y el fundente. velocidad de tracción y de rotación. este método no se presta para el crecimiento continuo. el propio lingote se va fundiendo. También puede alcanzarse alta perfección cristalina. pero si desciende. Además. Las dificultades primarias están asociadas con problemas del manejo de la rotación y de la sujeción del cristal. La necesidad de utilizar un crisol en el proceso de crecimiento Czochralski implica el riesgo de contaminar el fundente. del punto de fusión de la substancia a fundir. en la que se acumulan las impurezas. Esquema del método Bridgman-Stockbarger El proceso consiste en provocar la fusión del polvo del crisol. Las impurezas pasan al fundido.1. zafiro y otros compuestos.Método del Crecimiento Zonal Basado en el mismo principio del método anterior. y posteriormente una cristalización muy lenta. 4. Se obtienen por este método fluorita. 8 .Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Un crisol de forma cilindro-cónica se llena de polvo de la sustancia a fundir y se hace deslizar lentamente por el interior de un horno en el que se establecen dos zonas de temperaturas diferentes. respectivamente.4. que se va desplazando a lo largo del tubo. consiguiéndose cristales grandes y muy puros. Se consigue de esta forma una zona fundida.. levemente por encima y por debajo. consiste en hacer deslizar un tubo lleno de polvo del material a fundir por un horno en el que el elemento calefactor se dispone en un anillo. Crecimiento de cristales por el método "skull-melting" 9 . Pretende eliminar los inconvenientes de todos los demás métodos.5. 4. debidos al contacto de la mezcla fundida con el crisol. que inevitablemente aporta impurezas a los cristales.1. se obtiene un monocristal en forma de cilindro de material muy puro.Método Skull-Melting o de la Calavera Se utiliza sobre todo para la fabricación de óxido de zirconio cúbico.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Cristalización y purificación por el método de crecimiento zonal Al final. para imitación de diamante. Se utiliza este método para obtener corindones sintéticos de diversos colores (rubíes y zafiros Inamori) y alejandritas Seiko. en cuyo extremo se acumulan las impurezas.. calor y altas presiones. Los componentes del material a sintetizar se disuelven en la sustancia fundida y luego cristalizan sobre una semilla colocada en el crisol en una zona de temperatura más baja.MÉTODO DE MEZCLA FUNDIDA O FLUX Se utilizan los componentes del producto a sintetizar y un fundente de punto de fusión más bajo que el de todos los componentes que intervienen en el proceso. 10 . según los compuestos a obtener). La mezcla se introduce en un crisol de platino y se calienta hasta que el material utilizado como fundente pase a estado líquido. cuarzo citrino y también rubí.. normalmente recubierto de un metal noble. se forman grandes cristales a partir de la sustancia fundida. Se utiliza para esmeralda.3. Utilizado fundamentalmente para esmeralda.MÉTODOS DE SOLUCIÓN ACUOSA (SÍNTESIS HIDROTERMAL) El método de crecimiento hidrotermal lleva implícito el uso de agua. alejandrita.500 atmósferas. 4. zafiro. dentro de la cual. que se incrementan en un medio ácido o alcalino.2. corteza o "calavera" de material sin fundir. de gruesas paredes de acero. berilo.. Se utiliza para materiales de baja solubilidad. aguamarina.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales En este método se combinan el calentamiento por radiofrecuencias con el enfriamento del recipiente por medio de circulación de agua a lo largo de tubos que circundan el crisol. De esta forma queda una costra. rubí. por posterior enfriamiento. con temperaturas no muy altas (400-700ºC) y altas presiones (500-1. cuarzo. 4. Se utiliza un autoclave. espinela. Al material de esta concentración se le suele denominar Silicio grado solar. normalmente destilaciones de compuestos colorados de Silicio. representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del abastecimiento de las industrias de fabricación de células.PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (formadas principalmente por SiO2. Sin embargo.1. Para realizar este proceso son necesarias presiones de alrededor de 55 kbar y temperaturas de unos 1400 ºC.MÉTODO PRESIONES Y TEMPERATURAS Método utilizado para sintetizar el diamante industrial y gema a partir de carbono. PROCESO DE FABRICACIÓN DE CELÚLAS MONOCRISTALINAS El proceso de fabricación de una célula monocristalina se puede dividir en las siguientes fases: 5.2 partes por millón. V.Escuela Profesional de DE ALTAS Ingeniería de Materiales 4. Existen 11 . para usos específicamente solares. son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización).4. concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón.. muy abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reducción con carbono. se obtiene Silicio con una pureza aproximada del 99%.. La industria de semiconductores purifica este Silicio por procedimientos químicos. El material así obtenido suele ser llamado Silicio grado semiconductor y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos casos por las células solares. hasta que la concentración de impurezas es inferior al 0. en presencia de metales utilizados como fundentes. que no resulta suficiente para usos electrónicos y que se suele denominar Silicio de grado metalúrgico. ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares. 5. un monocristal. 5. si el tiempo es suficiente. mediante el proceso denominado decapado. además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo. Posteriormente se procede a la formación de una unión PN mediante deposición de distintos materiales (compuestos de fósforo para las partes N y compuestos de boro para las partes P. Dicha semilla es extraída del silicio fundido. ya que supone una importante pérdida de material (que puede alcanzar el 50%).2. y su integración en la estructura del silicio cristalino. Se obtienen principalmente dos tipos de estructuras: una la monocristalina (con un único frente de cristalización) y la otra la policristalina (con varios frentes de cristalización.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales actualmente tres posibles procedimientos en distintas fases de experimentación para la obtención del Silicio grado solar.. Con la oblea limpia.CUARTA FASE: FABRICACION DE LA CELULA Y LOS MODULOS Una vez obtenida la oblea. El procedimiento más utilizado en la actualidad es el convencional método Czochralsky. que presenta irregularidades y defectos debidos al corte.3. se inicia la cristalización a partir de una semilla. aprovechando las propiedades cristalinas del Silicio para obtener una superficie que absorba con más eficiencia la radiación solar incidente. este se va solidificando de forma cristalina. que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente menor. El Silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes. También se plantean otros métodos capaces de producir directamente el Silicio en láminas a partir de técnicas basadas en la epitaxia. pudiéndose emplear también técnicas de colado. las obleas ya están dopadas con boro).SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN Una vez fundido el Silicio. El siguiente paso es la formación de los contactos metálicos de la célula.. ya que las células policristalinas no admiten este tipo de procesos). es necesario mejorar su superficie. resultando. en crecimiento sobre soporte o cristalización a partir de Si mediante matrices. y continúo en la cara 12 . se procede al texturizado de la misma (siempre para células monocristalinas. virutas). en forma de rejilla en la cara iluminada por el Sol. 5. aunque con unas direcciones predominantes). El espesor de las obleas resultantes suele ser del orden de 2-4mm.4.. La diferencia principal radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento/recristalización. aunque normalmente.TERCERA FASE: OBTENCIÓN DE OBLEAS El proceso de corte tiene gran importancia en la producción de las láminas obleas a partir del lingote. Una célula individual normal. en relación a la tecnología solar del silicio mono o policristalino. Como resumen. puede procederse a añadir una capa antirreflexiva sobre la célula.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales posterior. pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles mejoras. previamente a su encapsulado. de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente simultáneamente. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor. aproximadamente entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel similar al alcanzado ya para el monocristalino. se procede a su comprobación.4V y una potencia de 1W. con el fin de mejorar las posibilidades de absorción de la radiación solar. lo 13 . se puede indicar que su situación es madura. Finalmente. con un área de unos 75cm2 y suficientemente iluminada es capaz de producir una diferencia de potencial de 0. El contacto metálico de la cara sobre la cual incide la radiación solar suele tener forma de rejilla. La formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigráficas. Una vez concluidos los procesos sobre la célula. La otra cara está totalmente recubierta de metal. En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos valores aproximados. empleando más reciente mente la tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento. interconexión y montaje en los módulos. muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en laboratorios. Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el Silicio amorfo. Para el caso del Silicio monocristalino ésta se sitúa en. la solidificación es un proceso de nucleación y crecimiento. pero los de mayor tamaño sobreviven. Los gérmenes más pequeños abortan. En general. etc). Al seguir sacando calor. primero aparecen unos pequeñísimos cristalitos que se llaman gérmenes. su versatilidad es muy adecuada para la confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios. Los gérmenes que sobreviven se llaman núcleos. Adicionalmente su proceso de fabricación es. Por lo tanto. Al retirar calor al líquido. por razones termodinámicas que no es del caso tratar aquí. la orientación de los cristales de estos núcleos inmersos en el líquido es al azar. por ejemplo). Aunque todos los núcleos tienen la misma celda cristalina (por ser todos de Cu. más simple y sustancialmente más barato. Al llegar a la temperatura de transformación y seguir sacando calor. éste se transforma en un cristal por un mecanismo de nucleación y crecimiento que veremos a continuación.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales cual presenta grandes ventajas. calculadoras y otras aplicaciones de consumo. ahora el sólido se sigue enfriando. con las limitaciones arriba impuestas esta solidificación ocurre a temperatura casi constante. Dentro de las aplicaciones energéticas equivalentes a las de la tecnología del Silicio cristalino. APLICACIONES DE LOS MONOCRISTALES Supongamos que le sacamos calor a un líquido no demasiado rápido. De hecho. Pb. al menos teóricamente. Al seguir sacando calor. aparecen muchos núcleos en un líquido. La eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todavía no se dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. estos núcleos crecen a expensas del líquido. Su principal campo de aplicación en la actualidad son los relojes. 14 . Por simplicidad consideremos un elemento o una molécula pura (Cu. agua. parafina. juguetes. para así formar un sólido cristalino. hasta que se acaba el líquido. donde el enlace es no direccional.). estos bordes de grano son. Como en general hay muchos núcleos en el líquido original. En los metales. piezoeléctricos. barras. relojes de cuarzo. Cuando en un material hay un solo grano. cada núcleo da lugar a un grano cristalino. En particular. Por ejemplo. etc. Esto es. se dice que se tiene un monocristal. bajo condiciones habituales. Un monocristal o bien un grano (de un policristal) es anisótropo. Los monocristales tienen muchas aplicaciones en eléctrónica e instrumentación.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Así. Los materiales estructurales metálicos (vigas. pues para entender bien el comportamiento de un policristal es necesario saber como se comporta el monocristal respectivo.) adopta valores diferentes según si se trate de la dirección cristalina {001} o bien {110}. el módulo de Young (o la susceptibilidad magnética. normalmente el sólido obtenido es un policristal. Ese es el caso de una joya de diamante. esto es. además de en estudios científicos. Los granos son 3D y están unidos entre sí por superficies llamadas bordes de grano. en un monocristal de Cu (CCC). Los bordes de granos son zonas de ajuste entre dos granos vecinos donde hay átomos en posiciones de compromiso. Los monocristales también son importantes en ciencias. Cuando las propiedades no dependen de la dirección. los bordes de grano podrían debilitarse si hubiese segregación (migración preferencial) a los bordes de grano de una impureza dañina. etc). En ese caso el Cu y sus aleaciones podrían romperse fácilmente por los bordes de grano). 15 . se dice que se tiene isotropía. (Sin embargo. un material de muchos granos. como lo es el caso del Pb en aleaciones de Cu. más resistentes a la deformación plástica y a la fractura que el interior de los granos. sus propiedades dependen de la dirección según la cual ellas son medidas. frecuentemente son policristalinos. etc. Los monocristales se usan mucho en instrumentación y en electrónica (celdas solares. para comprender bien el comportamiento de los policristales es necesario conocer previamente el de los monocristales. y es más eficiente. Cada módulo es fabricado de un solo cristal de silicon. Son muy fáciles de identificar.2.PANEL FOTOVOLTAICO Los paneles o módulos fotovoltaicos —llamados comúnmente paneles solares.. debido a que es una célula circular recortada).Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales I. MONOCRISTALES EN CELDAS SOLARES 1. 16 . más antigua y más dependiente que ha existido en el mundo de la energía solar. se aprecia que son curvos. El proceso de fabriación es el más complejo y más caro que existe.1. He aquí unos de los beneficios de los paneles de monocristal: Son considerados el tronco del mercado solar. en función del tipo de célula que los forman. y la mayoria de la gente escoge este tipo de celdas por su disponibilidad y eficacia. no de varios fundidos juntos. estan elaborados de celdas redondeadas. donde los 4 lados cortos. si se puede apreciar en la imagen. pero más caro que las celdas de policristal que son más recientes.  Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. 1. aunque esta denominación abarca además otros dispositivos— están formados por un conjunto de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos mediante el efecto fotoeléctrico.PANELES SOLARES DE TIPO MONOCRISTALINO Las celdas de monocristal son el tipo más eficaz de convertir la luz solar en energía eléctrica.. y tienen una apariencia continua ya que estan hechas de un solo cristal. y por eso el precio de cada panel es mayor que el de los hechos de policristales. Esta tecnología ha sido la más efectiva. pero no necesariamente la primera opción en paneles residenciales. se dividen en:  Cristalinas  Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) (reconocibles por su forma circular u octogonal. Los paneles fotovoltaicos. . 1. las células se están cortadas en cuadrados-sinesquinas para maximizar la densidad de empaquetamiento de los módulos. Esto es porque.4. El silicio se purifica mediante procedimientos químicos (Lavado + Decapado) empleando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de Silicio. Por lo general. Se obtiene por reducción de la sílice. 1. la única manera de crear estructuras cristalinas de alta pureza es extruido del líquido fundido y la gravedad hace el resto. Estas celdas normalmente se crean en una forma circular o un "cuadrado-sinesquinas. con respecto a la creación de un bloque cilíndrico de que las celdas más pequeñas se cortan. concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. para usos específicamente solares.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales  Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado. debido a los avances en el reciclaje. puro al 98%. son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización). El silicio pasa a través de varios ciclos de filtración intensiva lenta con la energía y los procesos de separación y por lo tanto es el tipo más costoso de silicio.. El primer paso es la producción de silicio metalúrgico. compuesto más abundante en la corteza de la Tierra. Sin embargo. los fabricantes dejan las células en una forma circular sin embargo.CELDAS SOLARES DE TIPO MONOCRISTALINO Este tipo de celda tiene una estructura cristalina ordenada. representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del aprovisionamiento de las industrias. Así se obtiene el Silicio grado semiconductor con un grado de pureza superior al requerido para la generación de Energía Solar Fotovoltaica. 17 . hasta que la concentración de impurezas es inferior al 0.2 partes por millón. en particular en la arena o el cuarzo. cuando se cultivan a partir de un lingote.3. Este ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares hasta la fecha. con cada átomo idealmente situado en una posición pre-ordenada y muestra un comportamiento predecible y uniforme. Al material de esta concentración se le suele denominar Silicio de grado solar. obtenido de pedazos de piedras de cuarzo provenientes de un filón mineral (la técnica de producción industrial no parte de la arena).FABRICACIÓN DE PANELES SOLARES CON MONOCRISTALES El silicio es actualmente el material más comúnmente usado para la fabricación de células fotovoltaicas. La temperatura a la que se realiza este proceso es superior a los 1500 °C . pudiéndose emplear también técnicas de colado. Esta situación puede disminuir considerablemente el rendimiento del panel fotovoltaico así que se realizan un conjunto de procesos para mejorar las condiciones superficiales de las obleas tales como un lavado preliminar. Después del corte de las obleas. el decapado.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Con el silicio fundido. La producción de células fotovoltaicas requiere energía. que va solidificando de forma cristalina. El procedimiento más empleado en la actualidad es el Proceso Czochralski. que se llaman «obleas». Sb o B) y obtener así los semiconductores de silicio tipo P o N. las obleas son «metalizadas». Para las celdas con más calidad (monocristal) se realiza un tratado de texturizado para hacer que la oblea absorba con más eficiencia la radiación solar incidente. un policristal. si el tiempo es suficiente. La semilla o gérmen de cristalización que provoca este fenómeno es extraída del silicio fundido. las mismas presentan irregularidades superficiales y defectos de corte. Después del tratamiento para la inyección del enriquecido con dopante (P. resultando. el pulido o la limpieza con productos químicos. un monocristal y si es menor. Las diferencias energéticas suelen ser pequeñas y pueden ser modificadas por la presencia de dichas impurezas o cambiando las condiciones de cristalización. Existen otros tipos de 18 . un proceso que consiste en la colocación de unas cintas de metal incrustadas en la superficie conectadas a contactos eléctricos que són las que absorben la energía eléctrica que generan las uniones P/N a causa de la irradicación solar y la transmiten. Estos lingotes son luego cortados en láminas delgadas cuadradas (si es necesario) de 200 micrómetros de espesor. Posteriormente. As. además de la posibilidad de que estén sucias de polvo o virutas del proceso de fabricación. Nuevas moléculas se adhieren preferentemente en la cara donde su adhesión libera más energía. Las técnicas de fabricación y características de los principales tipos de células se describen en los siguientes 3 párrafos. se realiza un proceso de crecimiento cristalino que consiste en formar capas monomoleculares alrededor de un germen de cristalización o de un cristalito inicial. la eliminación de defectos por ultrasonidos. y se estima que un módulo fotovoltaico debe trabajar alrededor de 2 a 3 años4 según su tecnología para producir la energía que fue necesaria para su producción (módulo de retorno de energía). El Silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes. que contiene muy pequeñas cantidades de otros elementos añadidos para cambiar de una manera propiedades semiconductoras. 19 . El silicio monocristalino es tal vez el material tecnológico más importante de las últimas décadas (la "era del silicio"). reduciendo la cantidad de silicio y la energía requerida. Monocristalino se opone a silicio amorfo. que. conocidos como cristalitas. hecho sólo de silicio extremadamente puro. porque su disponibilidad a un precio asequible ha sido esencial para el desarrollo de los dispositivos electrónicos en los que se basa la revolución electrónica e informática actual. que se compone de pequeños cristales. dan las obleas. monocristales de silicio son La controlada mayoría cultivados por de sus los el proceso Czochralski. pero su uso es casi insignificante. así como también el precio. en las que se fabrican los microcircuitos. La industria busca reducir la cantidad de silicio utilizado. II. Los materiales y procesos de fabricación son objeto de programas de investigación ambiciosos para reducir el costo y el reciclado de las células fotovoltaicas.Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales células que están en estudio. o dopado. es decir. ininterrumpida (sin bordes de grano) a sus bordes. Entre los dos extremos se encuentra el silicio policristalino. el crecimiento de la producción mundial de paneles solares se ha visto obstaculizado por la falta de células de silicio y los precios no han caído tanto como se esperaba. en el que el orden atómico está limitado sólo a un orden de corta distancia. Las tecnologías de película delgada sobre sustratos sin marcar recibió la aceptación de la industria más moderna. cortados en rodajas finas. Las células monocristalinas han pasado de 300 micras de espesor a 200 y se piensa que llegarán rápidamente a las 180 y 150 micras. Se puede preparar intrínseca. En 2006 y 2007. en forma de cilindros de hasta 2 m de largo y 45 cm de diámetro. SILICIO MONOCRISTALINO El silicio monocristalino. cristal único de Si o mono-SI es el material base de la industria electrónica y está compuesto de silicio en el que la estructura cristalina de la totalidad del sólido es continua.