Silicio: definición, obtención y purificación

El silicio (Si) constituye el material base de la mayor parte de la industria fotovoltaica. Su abundancia en la corteza terrestre, su banda prohibida de 1,12 eV y su estabilidad química explican que el silicio se utilice mayoritariamente como semiconductor en células fotovoltaicas.

Sin embargo, su obtención y purificación requieren procesos complejos con consumos energéticos elevados, que condicionan tanto el coste como el rendimiento final de los paneles solares.

¿Qué es el silicio?

El silicio es un elemento químico de número atómico 14 y símbolo Si, perteneciente al grupo 14 de la tabla periódica y se clasifica como un metaloide. Forma principalmente enlaces covalentes, como los no metales, pero posee estructura cristalina ordenada y brillo metálico, propios de los metales.

Desde el punto de vista electrónico, el silicio presenta una conductividad eléctrica intermedia entre la de un conductor y la de un aislante, lo que le confiere propiedades semiconductoras excepcionales. La capacidad del silicio para controlar el flujo de electrones mediante dopado o radiación luminosa justifica el uso extensivo del silicio en aplicaciones fotovoltaicas y electrónicas.

El silicio constituye aproximadamente el 27 % en masa de la composición de la corteza terrestre, principalmente en forma de dióxido de silicio (SiO2).

En su forma cristalina, el silicio cristaliza en una estructura cúbica tipo diamante, donde cada átomo se enlaza covalentemente con otros cuatro en una disposición tetraédrica. Esta estructura proporciona alta estabilidad estructural y una baja densidad de defectos electrónicos. Así, la estructura del silicio favorece la movilidad de portadores y minimiza la recombinación de electrones y huecos.

Además, el silicio posee una banda prohibida (Eg) de 1,12 eV, un valor que optimiza el compromiso entre absorción del espectro solar y pérdidas térmicas en la conversión fotovoltaica. Dicho de otro modo, la energía de banda prohibida es la cantidad de energía necesaria para "excitar" un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Esta energía constituye el umbral a partir del cual la radiación solar puede generar corriente eléctrica.

En el caso del silicio, una energía de 1,12 eV corresponde aproximadamente a una longitud de onda de 1100 nm. Gracias a este valor de energía, el silicio absorbe una fracción muy extensa del espectro solar, desde la luz visible hasta parte del infrarrojo cercano.

En el ámbito industrial, el silicio se clasifica en los siguientes 3 grados principales.

• Silicio metalúrgico (MG-Si): pureza de 98 a 99 %.
• Silicio de grado solar (SoG-Si): pureza entre 99,999 % y 99,9999 % (5N-6N).
• Silicio de grado electrónico (EG-Si): pureza igual o superior a 99,9999999 % (9N).

Estas diferencias de pureza se obtienen mediante procesos sucesivos de refinado y purificación. Estos procesos eliminan elementos como Fe, Al, B o P, cuya presencia altera las propiedades semiconductoras del material.

¿Cómo se obtiene y purifica el silicio?

La obtención y purificación del silicio se llevan a cabo en las siguientes 3 etapas principales.

1. Producción del silicio metalúrgico.
2. Conversión a silicio de grado solar.
3. Conversión en lingotes y obleas.

1. Producción del silicio metalúrgico (MG-Si)

El punto de partida es el cuarzo o la cuarcita de alta pureza. En hornos de arco eléctrico, se reduce el dióxido de silicio con carbono (habitualmente coque o carbón vegetal) a unos 2000 ºC, según la reacción:

SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO

Este proceso genera silicio metalúrgico con pureza cercana al 99 %. A pesar del bajo coste del proceso, el contenido de impurezas metálicas e intersticiales impide el uso directo del silicio metalúrgico en aplicaciones electrónicas o fotovoltaicas.

2. Conversión a silicio de grado solar (SoG-Si)

Para aplicaciones fotovoltaicas comerciales, son necesarias purezas de 5N-6N o superiores, inalcanzables con el simple MG-Si. Se emplean principalmente 2 procesos industriales: químico y metalúrgico.

Proceso químico (Siemens)

En el proceso Siemens, el silicio metalúrgico se transforma químicamente en triclorosilano (SiHCl3). Este compuesto se purifica por destilación fraccionada y, posteriormente, se descompone térmicamente en un reactor a alta temperatura. Como resultado, el silicio se deposita en forma policristalina ultrapura. Este método alcanza purezas de 9N, con un consumo energético del orden de 100-150 kWh/kg de silicio.

Proceso metalúrgico (Upgraded Metallurgical Grade, UMG-Si)

El proceso metalúrgico consiste en el refinado directo del silicio metalúrgico mediante tratamientos de escoria, solidificación direccional y purificación química controlada. Su consumo energético es inferior al 20 % del proceso Siemens, aunque las purezas resultantes se encuentran típicamente entre 5N y 6N. El silicio UMG cumple las especificaciones requeridas para fabricar células solares tipo P y tipo N. Estas células son las que se utilizan en la industria fotovoltaica.

3. Conversión en lingotes y obleas

Una vez alcanzada la pureza de grado solar, el silicio se cristaliza por el método Czochralski (monocristalino) o Bridgman (multicristalino). Los lingotes resultantes se cortan en obleas (wafers) de 150 a 200 µm de espesor mediante hilo de diamante.

¿Cómo se utiliza el silicio en paneles solares?

El silicio de grado solar se utiliza como material semiconductor activo en la fabricación de las células fotovoltaicas cristalinas, que representan más del 90 % del mercado mundial de paneles fotovoltaicos.

El proceso comprende los siguientes pasos.

1. Crecimiento cristalino: Formación de lingotes mono o multicristalinos con orientación cristalina controlada (por ejemplo, (100) en monocristalino), baja densidad de defectos y niveles de dopado de base (tipo P o N) ajustados a la arquitectura de célula prevista.
2. Corte en obleas: Seccionado de los lingotes en obleas de silicio de espesor típico de 150 a 200 µm, seguido de procesos de desbaste y limpieza para controlar la rugosidad superficial, la presencia de microfisuras y la contaminación. Así, se obtiene una superficie compatible con los procesos posteriores de texturizado y pasivación.
3. Dopado y formación de la unión p-n: Introducción de dopantes (boro, galio, fósforo u otros) mediante difusión o implantación iónica para establecer la unión p-n. El campo eléctrico interno generado separa las cargas fotogeneradas.
4. Texturizado y recubrimiento antirreflectante: Estructuración de la superficie (por ejemplo, pirámides de silicio cristalino (c-Si)) y depósito de capas antirreflectantes y pasivantes (como SiNx:H, Al2O3, SiO2) para maximizar la absorción de luz y reducir la recombinación superficial.
5. Metalización y ensamblado del panel: Formación de contactos frontales y posteriores (finger, busbar, tipo TOPCon, etc.) sobre las células. Después se encapsulan las células entre vidrio y materiales encapsulantes (EVA, POE u otros) para integrarlas en un módulo fotovoltaico con estabilidad mecánica y eléctrica a largo plazo.

Durante la exposición solar, los fotones promueven electrones del silicio desde la banda de valencia hasta la banda de conducción y, gracias al campo eléctrico interno de la unión p-n, estos portadores se separan y fluyen como corriente eléctrica continua.
La eficiencia y la durabilidad de los módulos dependen de la pureza del silicio, de la calidad de su cristalización y del control de defectos cristalinos. Estos factores determinan la intensidad de la recombinación no radiativa y de la degradación inducida por luz y temperatura (LID/LeTID).