Monocristales

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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


Si los extremos de un monocristal crecen sin impedimentos externos, el cristal adquiere una forma geométrica regular con caras planas, como las que presentan algunas piedras preciosas. La forma refleja la estructura cristalina. En los últimos años los monocristales han adquirido extraordinaria importancia en la moderna tecnología, sobre todo en microelectrónica, que emplea monocristales de silicio y de otros materiales.

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. Como los bordes pueden tener efectos importantes en las propiedades físicas de un material, los monocristales tienen interés para la industria y para la investigación académica. Los efectos de la entropía favorecen la presencia de imperfecciones en la microestructura de los sólidos, como impurezas, tensiones inhomogéneas o defectos cristalográficos como dislocaciones. Sin embargo, este no impide la formación de monocristales, y se conocen especies minerales como el berilo que forman de forma natural monocristales con un diámetro del orden de un metro. En el laboratorio se usan técnicas de crecimiento lento para evitar la nucleación y favorecer el crecimiento lento de monocristales de tamaño adecuado, por ejemplo, para la difracción de rayos X. En el lado opuesto de un monocristal están los vidrios, estructuras amorfas donde no hay correlación de largo alcance entre las posiciones atómicas. Entre los dos extremos están los materiales policristalinos. Los materiales estructurales, que deben resistir esfuerzos, frecuentemente son policristalinos. Aún así, los monocristales se ocupan para aplicaciones especiales: (p.e., álabes monocristalinos de turbinas). Los monocristales se usan mucho en instrumentación y en electrónica (celdas solares, relojes de cuarzo, piezoeléctricos, etc.). Los monocristales también son importantes en ciencias. En particular, para comprender bien el comportamiento de los policristales es necesario conocer previamente el de los monocristales

III. CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES Los cristales pueden ser crecidos desde cualquier fase: vapor, líquida o sólida, aunque generalmente sólo las dos primeras dan cristales de suficiente tamaño para sus aplicaciones o para la medición de sus propiedades. A continuación haremos un breve resumen de algunos métodos.

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Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales 3.1.- MÉTODO DE CZOCHRALSKI En este método se crece un monocristal a partir de la fase fundida de igual composición. Una semilla cristalina se pone en contacto con la superficie del fundido, cuya temperatura se mantiene ligeramente por encima de la de fusión. La semilla se va extrayendo lentamente y sobre su superficie se solidifica el fundido en la misma orientación cristalográfica que la semilla original. El cristal que crece y el crisol con el fundido usualmente rotan en sentidos contrarios durante la extracción, de modo de mantener una temperatura constante. Por lo general se emplea un gas inerte (argón o xenón) a alta presión, para evitar pérdidas por volatilización. Este método es muy usado para crecer semiconductores tales como Si, Ge, GaAs, etc. También para materiales generadores de rayos láser tales como el Ca(NbO3)2 dopado con neodimio.

3.2.- FUSIÓN POR ZONAS En este método ya conocido se crecen monocristales por enfriamiento lento de la pequeña zona fundida (Fig. 2). 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, pero la calidad cristalina puede ser pobre debido a la presencia de in - homogeneidades y altas concentraciones de defectos estructurales.

3.3.- PRECIPITACIÓN A PARTIR DE SOLUCIONES O FASES FUNDIDAS: MÉTODO DE LOS FLUJOS En los métodos descritos anteriormente, los cristales crecen a partir de fases fundidas de igual composición. En los métodos de precipitación el crecimiento se produce a partir de una fase líquida de composición diferente a la del cristal, por ejemplo, la cristalización de una sal hidratada a partir de una disolución acuosa (Fig.3 a)). 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. 3 b)).

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Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales Por ejemplo, el SiO2 puede precipitar como monocristal a partir de haluros o boratos fundidos (estos compuestos tienen bajas temperaturas de fusión). En estos casos, al solvente fundido se le llama “flujo”, puesto que reduce efectivamente la temperatura de fusión de los cristales en una gran magnitud. Para emplear éste método se requiere tener información detallada del diagrama de fases del sistema involucrado. Como en este método se emplean condiciones isotérmicas y bajas velocidades de crecimiento, los cristales obtenidos tienen pocos defectos, pero pueden estar contaminados con el material empleado para fluidificar o con su contenedor.

IV. 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)

4.1.- METODO DE LA SUSTANCIA FUNDIDA 4.1.1.- Método de Verneuli Consiste en fundir los compuestos que componen una gema en proporciones iguales a las naturales; es decir, 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, con al menos el 99,9995% de pureza. En el caso de la fabricación de rubíes o zafiros, este material es la alúmina. La presencia de impurezas de sodio es especialmente negativa, puesto que hace que el cristal sea opaco. Dependiendo de la coloración deseada del cristal, se añaden pequeñas cantidades de diversos óxidos, como el óxido de cromo para un rubí rojo, o el óxido férrico y dióxido de titanio para un zafiro azul. Otras materias primas incluyen dióxido de titanio para la producción de rutilo, o doble titanilo oxalato para la producción de titanato de estroncio.

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Por otra parte, se pueden utilizar como materia prima pequeños cristales naturales del producto deseado carentes de valor.

La materia prima esta en forma de polvo fino y se coloca en un contenedor dentro del horno de Verneuil, con una abertura en la parte inferior a través de la que el polvo puede escapar cuando el contenedor se hace vibrar. A la vez que el polvo sale, se suministra oxígeno al horno, y viaja junto con el polvo por un tubo estrecho. Este tubo está situado dentro de un tubo más grande, en el cual se suministra hidrógeno. En el punto donde el tubo estrecho se abre en el más grande, se produce la combustión, con una llama de por lo menos 2000 °C en su núcleo. El polvo pasa a través de la llama, y se derrite en gotitas pequeñas, que caen en una varilla de soporte situada a continuación. Las gotas poco a poco forman un aglomerado en forma de cono en la barra, cuya punta debe mantenerse suficientemente cerca del núcleo de la llama para que se mantenga líquida. Es en ese extremo semilla donde el cristal se forma con el tiempo. A medida que caen más gotas en la punta del cristal, comienza a formarse "la bola" y el apoyo se mueve lentamente hacia abajo, permitiendo que la base de la bola se cristalice, mientras que su límite superior permanece siempre en estado líquido. La bola crece con la forma de un cilindro cónico, con un diámetro que se va ampliando en función de la distancia a la base, y finalmente se mantiene más o menos constante. Con un suministro constante de polvo y la retirada progresiva del soporte, se pueden obtener bolas muy largas. El cristal se deja enfriar una vez retirado del horno, y la bola se divide a lo largo de su eje vertical para aliviar las tensiones internas, porque de lo contrario el cristal será propenso a la fractura durante el tallado. Cuando describió inicialmente el proceso, Verneuil especificó una serie de condiciones fundamentales para obtener buenos resultados. Estos son: una temperatura de llama que no sea mayor de lo necesario para la fusión; mantener siempre el producto fundido en la misma zona de la llama detonante; y la reducción del punto de contacto entre el producto fundido y el apoyo a un área tan pequeña como sea posible. El promedio de producción comercial usando el proceso es de 13 mm (0,5 pulgadas) de diámetro y de 25 a 50 mm (1 a 2 pulgadas) de largo, pesando alrededor de 125 quilates (25 g). El proceso también puede realizarse con la orientación predeterminada de un cristal semilla para lograr una orientación cristalográfica específica. 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. 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

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hacia arriba en un entorno con un alto gradiente térmico; las líneas equivalentes en los cristales naturales son paralelas. Otra característica distintiva es la presencia común de burbujas de gas microscópicas formadas debido al exceso de oxígeno en el horno; las imperfecciones de los cristales naturales son, por lo general, impurezas sólidas.

4.1.2.- 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. Este método es utilizado para la obtención de silicio monocristalino mediante un cristal semilla depositado en un baño de silicio. Es de amplio uso en la industria electrónica para la obtención de wafers u obleas, destinadas a la fabricación de transistores y circuitos integrados. Para tener una idea de la funcionalidad que tiene este proceso en la industria microelectrónica, basta señalar que cada circuito integrdo creado a partir de estas obleas miden 8mm de lado, esto hace que de cada oblea se obtengan de 120 a 130 circuitos. Cada oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen a la vez, pasando por el mismo proceso en el mismo instante.

El método consiste en un crisol (generalmente de cuarzo) que contiene el semiconductor fundido, por ejemplo germanio. La temperatura se controla para que esté justamente por encima del punto de fusión y no empiece a solidificarse. 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. Al contacto con la superficie del semiconductor fundido, éste se agrega a la semilla, solidificándose con su red cristalina orientada de la misma forma que aquella, con lo que el monocristal crece. La varilla se va elevando y, colgando de ella, se va formando un monocristal cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas para purificarlo.

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Al controlar con precisión los gradientes de temperatura, velocidad de tracción y de rotación, es posible extraer un solo cristal en forma de lingote cilíndrico. Con el control de estas propiedades se puede regular el grosor de los lingotes.

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. Cuando la temperatura asciende, el propio lingote se va fundiendo, pero si desciende, se forman agregados que no son monocristalinos. Este proceso se realiza normalmente en una atmósfera inerte, como argón, y en una cámara inerte, como cuarzo.

 Ventajas: El crecimiento de una superficie libre (tan opuesta a la solidificación en una configuración confinada) acomoda la expansión volumétrica sin mayor problema, esto elimina complicaciones que podrían surgir cuando el fundente moja el contenedor. Por este método se pueden obtener monocristales grandes a altas velocidades. Actualmente el diámetro de los cristales puede variarse cambiando los parámetros térmicos. También puede alcanzarse alta perfección cristalina.  Limitaciones: A pesar de que el crecimiento Czochralski puede llevarse a cabo bajo presiones moderadas, 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. Las dificultades primarias están asociadas con problemas del manejo de la rotación y de la sujeción del cristal; y con los requerimientos de la configuración térmica para mantener el equilibrio termodinámico entre el vapor y el fundente. La necesidad de utilizar un crisol en el proceso de crecimiento Czochralski implica el riesgo de contaminar el fundente. Además, este método no se presta para el crecimiento continuo.

4.1.3.- Método bridgman – sotckbarger 7


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, levemente por encima y por debajo, respectivamente, del punto de fusión de la substancia a fundir.

Esquema del método Bridgman-Stockbarger El proceso consiste en provocar la fusión del polvo del crisol, y posteriormente una cristalización muy lenta. Las impurezas pasan al fundido, consiguiéndose cristales grandes y muy puros. Se obtienen por este método fluorita, zafiro y otros compuestos.

4.1.4.- Método del Crecimiento Zonal Basado en el mismo principio del método anterior, 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. Se consigue de esta forma una zona fundida, en la que se acumulan las impurezas, que se va desplazando a lo largo del tubo.

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Cristalización y

purificación por el método de crecimiento zonal

Al final, se obtiene un monocristal en forma de cilindro de material muy puro, en cuyo extremo se acumulan las impurezas. Se utiliza este método para obtener corindones sintéticos de diversos colores (rubíes y zafiros Inamori) y alejandritas Seiko. 4.1.5.- Método Skull-Melting o de la Calavera Se utiliza sobre todo para la fabricación de óxido de zirconio cúbico, para imitación de diamante. Pretende eliminar los inconvenientes de todos los demás métodos, debidos al contacto de la mezcla fundida con el crisol, que

inevitablemente aporta impurezas a los cristales.

Crecimiento de cristales por el método "skull-melting" 9


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, corteza o "calavera" de material sin fundir, dentro de la cual, por posterior enfriamiento, se forman grandes cristales a partir de la sustancia fundida.

4.2.- 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. La mezcla se introduce en un crisol de platino y se calienta hasta que el material utilizado como fundente pase a estado líquido. 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. Se utiliza para esmeralda, rubí, zafiro, alejandrita, espinela.

4.3.- MÉTODOS DE SOLUCIÓN ACUOSA (SÍNTESIS HIDROTERMAL) El método de crecimiento hidrotermal lleva implícito el uso de agua, calor y altas presiones. Se utiliza para materiales de baja solubilidad, que se incrementan en un medio ácido o alcalino, con temperaturas no muy altas (400-700ºC) y altas presiones (500-1.500 atmósferas, según los compuestos a obtener). Se utiliza un autoclave, de gruesas paredes de acero, normalmente recubierto de un metal noble. Utilizado fundamentalmente para esmeralda, cuarzo, berilo, aguamarina, cuarzo citrino y también rubí.

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DE ALTAS

Ingeniería de Materiales 4.4.- MÉTODO PRESIONES Y

TEMPERATURAS Método utilizado para sintetizar el diamante industrial y gema a partir de carbono, en presencia de metales utilizados como fundentes. Para realizar este proceso son necesarias presiones de alrededor de 55 kbar y temperaturas de unos 1400 ºC.

V. PROCESO DE FABRICACIÓN DE CELÚLAS MONOCRISTALINAS El proceso de fabricación de una célula monocristalina se puede dividir en las siguientes fases:

5.1.- PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (formadas principalmente por SiO2, muy abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reducción con carbono, se obtiene Silicio con una pureza aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrónicos y que se suele denominar Silicio de grado metalúrgico. La industria de semiconductores purifica este Silicio por procedimientos químicos, normalmente destilaciones de compuestos colorados de Silicio, hasta que la concentración de impurezas es inferior al 0.2 partes por millón. 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, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del abastecimiento de las industrias de fabricación de células. Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización), concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material de esta concentración se le suele denominar Silicio grado solar. Existen

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actualmente tres posibles procedimientos en distintas fases de experimentación para la obtención del Silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente menor.

5.2.- SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN Una vez fundido el Silicio, se inicia la cristalización a partir de una semilla. Dicha semilla es extraída del silicio fundido, este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un monocristal. El procedimiento más utilizado en la actualidad es el convencional método Czochralsky, pudiéndose emplear también técnicas de colado. 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, en crecimiento sobre soporte o cristalización a partir de Si mediante matrices. 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, aunque con unas direcciones predominantes). La diferencia principal radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento/recristalización.

5.3.- TERCERA FASE: OBTENCIÓN DE OBLEAS El proceso de corte tiene gran importancia en la producción de las láminas obleas a partir del lingote, ya que supone una importante pérdida de material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas resultantes suele ser del orden de 2-4mm.

5.4.- CUARTA FASE: FABRICACION DE LA CELULA Y LOS MODULOS Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y defectos debidos al corte, además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo, virutas), mediante el proceso denominado decapado. Con la oblea limpia, se procede al texturizado de la misma (siempre para células monocristalinas, ya que las células policristalinas no admiten este tipo de procesos), aprovechando las propiedades cristalinas del Silicio para obtener una superficie que absorba con más eficiencia la radiación solar incidente. 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, aunque normalmente, las obleas ya están dopadas con boro), y su integración en la estructura del silicio cristalino. El siguiente paso es la formación de los contactos metálicos de la célula, en forma de rejilla en la cara iluminada por el Sol, y continúo en la cara

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posterior. La formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigráficas, empleando más reciente mente la tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento. El contacto metálico de la cara sobre la cual incide la radiación solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente simultáneamente. La otra cara está totalmente recubierta de metal. Una célula individual normal, con un área de unos 75cm2 y suficientemente iluminada es capaz de producir una diferencia de potencial de 0.4V y una potencia de 1W. Finalmente, puede procederse a añadir una capa antirreflexiva sobre la célula, con el fin de mejorar las posibilidades de absorción de la radiación solar. Una vez concluidos los procesos sobre la célula, se procede a su comprobación, previamente a su encapsulado, interconexión y montaje en los módulos. En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino ésta se sitúa en, 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. Como resumen, en relación a la tecnología solar del silicio mono o policristalino, se puede indicar que su situación es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en laboratorios.

Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el Silicio amorfo. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor, lo

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cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de fabricación es, al menos teóricamente, más simple y sustancialmente más barato. 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. Su principal campo de aplicación en la actualidad son los relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de las aplicaciones energéticas equivalentes a las de la tecnología del Silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.

APLICACIONES DE LOS MONOCRISTALES Supongamos que le sacamos calor a un líquido no demasiado rápido, para así formar un sólido cristalino. Por simplicidad consideremos un elemento o una molécula pura (Cu, Pb, parafina, agua, etc). Al retirar calor al líquido, éste se transforma en un cristal por un mecanismo de nucleación y crecimiento que veremos a continuación. De hecho, con las limitaciones arriba impuestas esta solidificación ocurre a temperatura casi constante. Al llegar a la temperatura de transformación y seguir sacando calor, primero aparecen unos pequeñísimos cristalitos que se llaman gérmenes. Los gérmenes más pequeños abortan, pero los de mayor tamaño sobreviven, por razones termodinámicas que no es del caso tratar aquí. Los gérmenes que sobreviven se llaman núcleos. En general, aparecen muchos núcleos en un líquido. Aunque todos los núcleos tienen la misma celda cristalina (por ser todos de Cu, por ejemplo), la orientación de los cristales de estos núcleos inmersos en el líquido es al azar. Al seguir sacando calor, estos núcleos crecen a expensas del líquido, hasta que se acaba el líquido. Por lo tanto, la solidificación es un proceso de nucleación y crecimiento. Al seguir sacando calor, ahora el sólido se sigue enfriando.

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Así, cada núcleo da lugar a un grano cristalino. Como en general hay muchos núcleos en el líquido original, normalmente el sólido obtenido es un policristal; esto es, un material de muchos granos. Los granos son 3D y están unidos entre sí por superficies llamadas bordes de grano. Los bordes de granos son zonas de ajuste entre dos granos vecinos donde hay átomos en posiciones de compromiso. En los metales, donde el enlace es no direccional, estos bordes de grano son, bajo condiciones habituales, más resistentes a la deformación plástica y a la fractura que el interior de los granos. (Sin embargo, los bordes de grano podrían debilitarse si hubiese segregación (migración preferencial) a los bordes de grano de una impureza dañina, como lo es el caso del Pb en aleaciones de Cu. En ese caso el Cu y sus aleaciones podrían romperse fácilmente por los bordes de grano). Cuando en un material hay un solo grano, se dice que se tiene un monocristal. Ese es el caso de una joya de diamante. Los monocristales tienen muchas aplicaciones en eléctrónica e instrumentación; además de en estudios científicos, pues para entender bien el comportamiento de un policristal es necesario saber como se comporta el monocristal respectivo. Los materiales estructurales metálicos (vigas, barras, etc), frecuentemente son policristalinos. Un monocristal o bien un grano (de un policristal) es anisótropo. Esto es, sus propiedades dependen de la dirección según la cual ellas son medidas. Por ejemplo, en un monocristal de Cu (CCC), el módulo de Young (o la susceptibilidad magnética, etc.) adopta valores diferentes según si se trate de la dirección cristalina {001} o bien {110}. Cuando las propiedades no dependen de la dirección, se dice que se tiene isotropía. Los monocristales se usan mucho en instrumentación y en electrónica (celdas solares, relojes de cuarzo, piezoeléctricos, etc.). Los monocristales también son importantes en ciencias. En particular, para comprender bien el comportamiento de los policristales es necesario conocer previamente el de los monocristales.

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I. MONOCRISTALES EN CELDAS SOLARES 1.1.- PANELES SOLARES DE TIPO MONOCRISTALINO Las celdas de monocristal son el tipo más eficaz de convertir la luz solar en energía eléctrica, pero no necesariamente la primera opción en paneles residenciales. Esta tecnología ha sido la más efectiva, más antigua y más dependiente que ha existido en el mundo de la energía solar. Cada módulo es fabricado de un solo cristal de silicon, y es más eficiente; pero más caro que las celdas de policristal que son más recientes. He aquí unos de los beneficios de los paneles de monocristal: Son considerados el tronco del mercado solar, y la mayoria de la gente escoge este tipo de celdas por su disponibilidad y eficacia. Son muy fáciles de identificar, estan elaborados de celdas redondeadas, y tienen una apariencia continua ya que estan hechas de un solo cristal, no de varios fundidos juntos. El proceso de fabriación es el más complejo y más caro que existe, y por eso el precio de cada panel es mayor que el de los hechos de policristales.

1.2.- PANEL FOTOVOLTAICO Los paneles o módulos fotovoltaicos —llamados comúnmente paneles solares, 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. Los paneles fotovoltaicos, en función del tipo de célula que los forman, se dividen en:  Cristalinas 

Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada).



Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

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Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

1.3.- CELDAS SOLARES DE TIPO MONOCRISTALINO Este tipo de celda tiene una estructura cristalina ordenada, con cada átomo idealmente situado en una posición pre-ordenada y muestra un comportamiento predecible y uniforme. 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. Estas celdas normalmente se crean en una forma circular o un "cuadrado-sinesquinas. Esto es porque, cuando se cultivan a partir de un lingote, la única manera de crear estructuras cristalinas de alta pureza es extruido del líquido fundido y la gravedad hace el resto, con respecto a la creación de un bloque cilíndrico de que las celdas más pequeñas se cortan. Por lo general, los fabricantes dejan las células en una forma circular sin embargo, debido a los avances en el reciclaje, las células se están cortadas en cuadrados-sinesquinas para maximizar la densidad de empaquetamiento de los módulos.

1.4.- FABRICACIÓN DE PANELES SOLARES CON MONOCRISTALES El silicio es actualmente el material más comúnmente usado para la fabricación de células fotovoltaicas. Se obtiene por reducción de la sílice, compuesto más abundante en la corteza de la Tierra, en particular en la arena o el cuarzo. El primer paso es la producción de silicio metalúrgico, puro al 98%, obtenido de pedazos de piedras de cuarzo provenientes de un filón mineral (la técnica de producción industrial no parte de la arena). El silicio se purifica mediante procedimientos químicos (Lavado + Decapado) empleando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de Silicio, hasta que la concentración de impurezas es inferior al 0.2 partes por millón. Así se obtiene el Silicio grado semiconductor con un grado de pureza superior al requerido para la generación de Energía Solar Fotovoltaica. Este ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares hasta la fecha, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del aprovisionamiento de las industrias. Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización), concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material de esta concentración se le suele denominar Silicio de grado solar.

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Con el silicio fundido, se realiza un proceso de crecimiento cristalino que consiste en formar capas monomoleculares alrededor de un germen de cristalización o de un cristalito inicial. Nuevas moléculas se adhieren preferentemente en la cara donde su adhesión libera más energía. Las diferencias energéticas suelen ser pequeñas y pueden ser modificadas por la presencia de dichas impurezas o cambiando las condiciones de cristalización.

La semilla o gérmen de cristalización que provoca este fenómeno es extraída del silicio fundido, que va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un monocristal y si es menor, un policristal. La temperatura a la que se realiza este proceso es superior a los 1500 °C . El procedimiento más empleado en la actualidad es el Proceso Czochralski, pudiéndose emplear también técnicas de colado. El Silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes. Estos lingotes son luego cortados en láminas delgadas cuadradas (si es necesario) de 200 micrómetros de espesor, que se llaman «obleas». Después del tratamiento para la inyección del enriquecido con dopante (P, As, Sb o B) y obtener así los semiconductores de silicio tipo P o N. Después del corte de las obleas, las mismas presentan irregularidades superficiales y defectos de corte, además de la posibilidad de que estén sucias de polvo o virutas del proceso de fabricación. 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, la eliminación de defectos por ultrasonidos, el decapado, el pulido o la limpieza con productos químicos. 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. Posteriormente, las obleas son «metalizadas», 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. La producción de células fotovoltaicas requiere energía, 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). Las técnicas de fabricación y características de los principales tipos de células se describen en los siguientes 3 párrafos. Existen otros tipos de

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células que están en estudio, pero su uso es casi insignificante.

Los materiales y procesos de fabricación son objeto de programas de investigación ambiciosos para reducir el costo y el reciclado de las células fotovoltaicas. Las tecnologías de película delgada sobre sustratos sin marcar recibió la aceptación de la industria más moderna. En 2006 y 2007, 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. La industria busca reducir la cantidad de silicio utilizado. Las células monocristalinas han pasado de 300 micras de espesor a 200 y se piensa que llegarán rápidamente a las 180 y 150 micras, reduciendo la cantidad de silicio y la energía requerida, así como también el precio.

II. 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, ininterrumpida (sin bordes de grano) a sus bordes. Se puede preparar intrínseca, es decir, hecho sólo de silicio extremadamente

puro,

o dopado,

que

contiene

muy

pequeñas cantidades de otros elementos añadidos para cambiar

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sus los

el proceso

Czochralski, en forma de cilindros de hasta 2 m de largo y 45 cm de diámetro, que, cortados en rodajas finas, dan las obleas, en las que se fabrican los microcircuitos. El silicio monocristalino es tal vez el material tecnológico más importante de las últimas décadas (la "era del silicio"), 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. Monocristalino se opone a silicio amorfo, en el que el orden atómico está limitado sólo a un orden de corta distancia. Entre los dos extremos se encuentra el silicio policristalino, que se compone de pequeños cristales, conocidos como cristalitas.

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Monocristales

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