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Células Solares Iniciales

(Continuación de la página anterior.) Tomado de 1)

Aproximadamente al mismo tiempo que las células de selenio estaban en desarrollo en la década de 1930, el silicio estaba recibiendo una atención creciente para su uso en rectificadores de punto de contacto. Las propiedades rectificadoras de los contactos de puntos metálicos afilados a varios cristales se conocían desde al menos 18742. En los primeros días de la radio, tales rectificadores de cristal eran los detectores más comúnmente utilizados en receptores de radio, pero con el desarrollo de tubos termiónicos, los rectificadores de cristal se reemplazaron en todas las aplicaciones de frecuencia ultra-alta. Los puntos de tungsteno resultaron ser el material más adecuado para hacer contacto con superficies de silicio. La investigación sobre la pureza del silicio también condujo a una mayor comprensión de sus propiedades.

En estudios de fundiciones recristalizadas de silicio puro preparadas para este propósito, Ohl 3descubrió la presencia de una barrera bien definida en lingotes crecidos a partir de silicio de alta pureza comercialmente disponible.

(A) Lingote fundido que muestra la unión natural formada por segregación de impurezas durante la fusión; (B) dispositivo fotovoltaico con corte perpendicular a la unión; (C) dispositivo cortado paralelo a la unión; (D) superficie superior del dispositivo cortada en paralelo a la unión.

En 1941, antes incluso de esta comprensión limitada de los dopantes, se describieron los dispositivos fotovoltaicos de silicio basados en estas uniones naturales 3.  En la figura anterior, (a) se muestra la unión crecida naturalmente en un lingote fundido de silicio. Los lingotes se produjeron a partir de silicio de grado metalúrgico lixiviado con ácido que se enfriaron desde la parte superior después de la fusión. Las células se prepararon cortando el lingote como se indica en (a). Alternativamente, los dispositivos podrían cortarse paralelos a la unión como se muestra en (c).

Esta barrera natural se encontró primero en barras cortadas de lingotes para medidas de resistividad. Las barras mostraron buena respuesta fotovoltaica, se encontró que tenían un alto coeficiente termoeléctrico, y tenían buenas propiedades de rectificación. Un extremo de la varilla desarrolló un potencial negativo cuando se iluminó o calentó y tuvo que ser polarizado negativamente para mostrar una baja resistencia al flujo de corriente a través de la barrera o a través de un contacto puntual con este material. Un material con estas propiedades se conoció como negativo o tipo-n de silicio, y el material del tipo opuesto fue llamado positivo, o tipo-p. Posteriormente se demostró el papel de las impurezas donantes y aceptoras en la producción de estas propiedades.

Aunque estos dispositivos se comportaron de forma similar a los dispositivos de película delgada entonces disponibles, el método de preparación no se prestaba evidentemente a una fabricación conveniente. Sin embargo, estaba claro que si se pudiera encontrar un método adecuado para activar uniformemente grandes áreas de superficie de silicio, podrían hacerse células competitivas. En 1952, Kingsbury y Ohl 4 informaron células solares de silicio mejoradas utilizando silicio más puro para evitar la formación y crecimiento de uniones y el bombardeo iónico de la superficie para formar la unión rectificadora.

Mientras tanto, el desarrollo de técnicas de crecimiento de cristales y técnicas para formar uniones por difusión dio lugar al anuncio de la primera célula de silicio moderna en 1954 por Chapin, Fuller y Pearson 5. Estas células tenían la estructura de doble contacto posterior de la figura de abajo y tenían una eficiencia del 6%, aproximadamente 15 veces la de los dispositivos anteriores, abriendo las primeras perspectivas reales para la generación de energía mediante la energía fotovoltaica. Se despertó un interés considerable 6. Sin embargo, dada la inmadurez de la industria para la preparación del silicio, pronto se hizo evidente que el entusiasmo inicial era prematuro. Sin embargo, las células resultaron adecuadas para el uso espacial y esto formó su aplicación principal hasta principios de los años setenta.

Estructura inicial de la célula solar del silicio.