W ostatnim artykule o Efekcie fotowoltaicznym przedstawione zostały poziomy energetyczne materiałów oraz zostało postawione pytanie, które materiały są wykorzystane w ogniwach słonecznych i dlaczego? Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta i nie obejmie jednego artykułu, dlatego
w odpowiedzi na zadane pytanie powstanie seria artykułów dotycząca materiałów wykorzystywanych w fotoogniwach. W tym artykule przedstawię krzem oraz jego monokrystaliczną odmianę.

Krzem główny materiał
w fotowoltaice.

W ogniwie fotowoltaicznym głównym materiałem są półprzewodniki,w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Jednak nie każdy półprzewodnik może zostać wykorzystywany do wytworzenia fotoogniwa. Do najpopularniejszego materiału wykorzystywanego w fotowoltaice jest krzem. Należy on do najbardziej dostępnych surowców na Świecie oraz jest nietoksyczny. Jednak nie tylko z tej przyczyny stosuje się krzem w fotowoltaice. Ważną cechą tego pierwiastka jest wartość pasma wzbronionego, która wynosi 1.12eV. Wartość szerokości przerwy energetycznej krzemu nie jest zbyt duża do przeskoczenia dla doładowanego elektronu przez fotony, ale również nie jest zbyt mała by nadmiar energii elektronu nie została zmarnowana. Dlatego krzem na dzień dzisiejszy jest najbardziej powszechnym materiałem w fotowoltaice.

Krzem monokrystaliczny.

Czysty krzem jest rzadko spotykany w przyrodzie. Najczęściej krzem występuje w postaci tlenków krzemu. Pomimo powszechnego występowania tlenku krzemu widnieje problem z pozyskiwaniem czystego krzemu. W 1916r. Jan Czochralski opracował technikę otrzymywania monokrystalicznego krzemu. Monokryształ jest to materiał, który ma
w swojej strukturze uporządkowane atomy a sam materiał jest jednym kryształem. Metoda ta pozwala na wytworzenie niemal idealnie czystego krzemu, który jest wykorzystywany nie tylko w fotowoltaice jak i również
w elektronice.

Proces technologiczny tej metody nie jest skomplikowany, ale jak to zwykle bywa szczegóły procesu są najtrudniejsze. W pierwszym kroku rozpuszcza się materiał w piecu. Temperatura wykorzystywana
w tym procesie jest zależna od temperatury topnienia danego materiału.
W przypadku krzemu wynosi ona 1414C. Jest to bardzo wysoka temperatura, którą nie łatwo osiągnąć bez odpowiedniego pieca. Kolejnym krokiem po rozpuszczeniu materiału jest zanurzenie pręta z zarodkiem materiału monokrystalicznego w cieczy i bardzo powolnym ruchem wyciąganiu go i obracaniu wokół własnej osi. Prędkość wyciągania musi być idealnie dobrana do materiału, aby za szybko nie zerwać połączenia miedzy powierzchnią cieczy a skrystalizowaną częścią materiału. Jest to najtrudniejszy moment całego procesu i może on trwać od kilku do kilkudziesięciu godzin zależnie od materiału. Ostatnim etapem jest oderwanie gotowego materiału. Schemat tego procesu przedstawiony został na rysunku poniżej.

Schemat metody Czochralskiego
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Metoda_Czochralskiego

Tak jak wcześniej napisałem sama procedura nie jest skomplikowana, jednak uzyskanie temperatury powyżej 1000C jest już wyzwaniem. Proces wyciągania materiału jest niezwykle precyzyjny i jakikolwiek błąd powoduje zniweczenie całej pracy i rozpoczęcie procesu od nowa. Metoda Czochralskiego jest bardzo kosztowana, co odzwierciedla się w cenach za panele fotowoltaiczne wykonane z ogniw monokrystalicznych.

Podsumowując, w artykule został przedstawiony najbardziej powszechny materiał wykorzystywany w ogniwach fotowoltaicznych oraz jedna z metod jego pozyskiwania do postaci monokrystalicznej. W kolejnym artykule przedstawię krzem polikrystaliczny oraz amorficzny, które również wykorzystywane są w ogniwach fotowoltaicznych.