Cristales aplicados para la generación de energías alternativas

La exploración de la obtención de fuentes de energía alternativas ha sido una tarea ardua debido a que las fuentes naturales como el petróleo, carbón, gas natural, entre otras, se agotarán en algún momento y serán tan escasas para la creciente demanda mundial que serán insuficientes.

En México en 1984 el Conacyt dio un apoyo económico a la Universidad Autónoma de Puebla para instalar la Primera Planta Piloto de Obleas de Silicio para Circuitos Integrados y Celdas Solares [1], en menos de dos años se crecieron los primeros lingotes de silicio monocristalino y se obtuvieron las primeras obleas con las características de: pureza, orientación cristalina, espesor, planaridad, que demanda la industria microelectrónica (fig.1). Sin embargo, los resultados de este desarrollo tecnológico mexicano se capitalizarán con la creación de una industria mexicana de celdas fotovoltaicas. Aún estamos a tiempo.

 

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Figura 1

¿Por qué utilizar Silicio?

El silicio es un material semiconductor, este material se comporta como un conductor perfecto a temperaturas entre -50 a 150 Celsius, y fuera de este intervalo de temperatura es un aislante. Es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, después del oxígeno, entre otras propiedades; es por esta razón que más del 90 por ciento de los circuitos integrados, microprocesadores, celdas solares, diodos, transistores, decodificadores, multiplexores, entre otros muchos dispositivos electrónicos son fabricados con silicio.

El silicio en la naturaleza se encuentra reaccionando con el oxígeno, en forma de cuarzo, que es dióxido de silicio, en esta presentación es un aislante eléctrico perfecto, que se aprovecha para la micro electrónica.

Sin embargo, en la microelectrónica se requiere silicio muy puro, hablamos de una pureza de 99.999998 por ciento, hablamos de calidad electrónica y además debe ser un monocristal. Esto quiere decir, que los átomos de silicio deben estar perfectamente ordenados en un arreglo periódico formando un cubo perfecto (fig. 2b). En cristalografía se clasifica al silicio como un ccf (cubic center face, cúbico centrado en la cara), en este modelo conceptual, se considera que en cada una de las aristas  y caras de este cubo se tenga un átomo de Silicio.

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Figura 2

Existen varias técnicas para obtener materiales cristalinos, como son el método de Zona Flotante, el de Brigman y el de Czochralski, (ver fig. 3), que tiene un mayor rendimiento, con la que se pueden obtener macrocristales que se denominan lingotes.

Por otro lado, el silicio es un elemento químico que se ubica en el grupo IV de la tabla periódica de elementos, aunque existen otros elementos químicos,  para formar materiales semiconductores, sin embargo se prefiere el silicio por las propiedades que ya se han mencionado.

 

Generación de pares electrón-hueco y recombinación

Esto es, el átomo de silicio tendrá cuatro electrones de valencia, fig.2a, que compartirá con los átomos vecinos y por tratarse de un material semiconductor además se tienen dos portadores de carga los electrones con carga negativa y los huecos con cargas positivas, que al liberarse un electrón de la banda de valencia este electrón quedará libre que estará capacitado con la suficiente energía para conducir, esto es para producir electricidad, dejando un hueco en el nivel de valencia, este proceso se conoce como la generación de un par electrón-hueco. El electrón excitado con suficiente energía para lograr saltar de la banda de valencia a la banda de conducción.

En el caso del silicio, el electrón deberá tener  una energía de 1.1 eV a temperatura ambiente, (27 Celsius) y permanecerá excitado hasta que se recombine, esto quiere decir que pierda energía para volver a la banda de valencia y cubra el hueco que dejó. Durante estos dos procesos de generación de pares electro-hueco y la recombinación se aprovecha la energía absorbida y emitida, en forma de luz o cuanto de luz que se conoce como una cuasi partícula llamada fotón.

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Figura 3

Todas estas características se aprovechan para diseñar, desarrollar y construir celdas solares o foto celdas y diodos emisores de luz (Light Emission Diode, LED), las celdas fotovoltaicas al absorber un fotón excitará a un electrón de la banda de valencia para brincar a la banda de conducción y así producir una fotocorriente. Por otro lado, al decaer el electrón de la banda de conducción a la banda de valencia emitirá un fotón.

Sin embargo, como se puede apreciar en la Tabla I, no solo el silicio es un material semiconductor útil en la fabricación de celdas fotovoltaicas, sino que existen otros materiales como el germanio, que cumple con las características de semiconductor, además de poder hacer semiconductores binarios, como combinar elementos químicos del grupo III-V y II-VI de la tabla periódica de elementos químicos de Mendeléyev.

Tal es el caso de arseniuro de galio (GaAs), telurio de cadmio (CdTe), sulfuro de indio (InS), sulfuro de galio (GaS), entre otras muchas combinaciones. Sin embargo, la eficiencia de las celdas solares dependerá del ancho de banda de energía prohibida, esto es, de la diferencia entre la energía de valencia Ev y la energía de conducción EC, que se conoce como energía de prohibida o energía del gap, Eg. Actualmente se están construyendo celdas fotovoltaicas de heteroestructuras, colocando varias capas de materiales semiconductores, formando un emparedado.

No solo las propiedades fotoeléctricas de los semiconductores se aprovechan para generar energía fotovoltaica, sino que la propiedad piezoeléctrica podrá ser una alternativa [5].

 

Referencias bibliográficas

 

1. Pedroza Alejandro, Chavira Elsa y Fournier Raúl†, 1984, “Crecimiento de silicio monocristalino”, Ciencia y Desarrollo, CONACYT, Núm. 56, mayo-junio,  pp. 25-38.

 

2. Elsa Chavira Martínez y Alejandro Pedroza Meléndez, 2011, “Diseño y fabricación de  celdas solares fotovoltaicas para satélites con tecnología mexicana”, Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología Aeroespacial, SOMECYTA, A. C.

 

3. Nicolás Quiroz Hernández, Salvador  Antonio Arroyo Díaz, Gustavo T. Rubín Linares, Elsa Chavira Martínez y María Catalina Rivera Morales, 2012, “Caracterización del funcionamiento de carga de una batería en condiciones extremas de temperatura, para aplicaciones aeroespaciales”, Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología Aeroespacial, SOMECYTA, A. C.

 

4. Domingo Vera Mendoza, Jorge Prado, Hermes Moreno, Alejandro Pedroza Meléndez y Elsa Chavira Martínez, 2012, “Control de orientación de paneles solares en un Microsatélite”, Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología Aeroespacial, SOMECYTA, A. C.

 

5. Cameno Heras Cristina, “La energía piezoeléctrica aplicada a suelos generadores de energía”, 2013, Eficiencia energética, Construyendo un mundo sostenible Blogs Universidad Nebrija Sites http://blogs.nebrija.es/mundosostenible/2013/01/08/la-energia-piezoelectrica-aplicada-a-suelos-generadores-de-energia/, 8 de enero.

 

*elsachavira56@hotmail.com