Un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad Nacional de Australia y el fabricante chino de módulos Longi ha investigado los lingotes de silicio dopados con antimonio (Sb) y cultivados mediante el método Czochralski como alternativa a los lingotes dopados con fósforo (P) en la fabricación de obleas fotovoltaicas y ha descubierto que presentan una resistencia mecánica ligeramente superior.
«Nuestro estudio ha aclarado por qué los lingotes de silicio de tipo n dopados con Sb pueden lograr una distribución uniforme de la resistividad a pesar del bajísimo coeficiente de segregación del antimonio», explicó a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Rabin Basnet. «Hemos demostrado que el factor clave es la velocidad de evaporación controlada del Sb durante el crecimiento Czochralski, y no el codopaje con fósforo, como se especulaba a menudo. Este hallazgo ayuda a explicar cómo la industria ha logrado producir lingotes dopados con Sb uniformes y proporciona una base científica para optimizar la uniformidad del dopaje en las obleas de próxima generación».
«El antimonio es un dopante de tipo n muy prometedor para las obleas de silicio», afirmó el coautor Daniel Macdonald. «Proporciona un perfil de resistividad más uniforme a lo largo de la longitud del lingote en comparación con el dopante de tipo n convencional, el fósforo, y da lugar a obleas de muy alta calidad que se acercan al límite de Auger, incluso en su estado tal y como se cultivan».
Actualmente, el antimonio parece ser más caro que el fósforo en términos de costos de materia prima. Sin embargo, este precio inicial más alto no se traduce necesariamente en un costo total más alto para las obleas fotovoltaicas. Si se tienen en cuenta factores como el rendimiento de la fabricación, el rendimiento general de las obleas y su fiabilidad a largo plazo, los lingotes de silicio dopados con antimonio pueden ofrecer ventajas que compensan el gasto inicial.
En su trabajo, presentado en «Resistivity distribution and donor properties of antimony-doped n-type Czochralski silicon ingots» (Distribución de la resistividad y propiedades donantes de los lingotes de silicio Czochralski de tipo n dopados con antimonio), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells, los científicos explicaron que realizaron sus pruebas en obleas de 182 mm × 182 mm dopadas con Sb y P suministradas por la propia Longi, que recientemente ha introducido el dopaje con antimonio en su producción de lingotes.
Las obleas dopadas con P y Sb tenían resistividades de 1 Ω·cm y 0,8 Ω·cm, respectivamente. Ambos tipos se grabaron con láser en cupones de 30 mm × 50 mm con una estructura en forma de peine. A continuación, estos cupones se grabaron en hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) para eliminar los daños causados por la sierra y cualquier residuo de la ablación láser. Después de la limpieza, se depositó una capa de óxido de aluminio (AlOx) de 15 nm de espesor mediante deposición de capas atómicas (ALD) a 150 °C, seguida de un recocido a 400 °C durante 30 minutos.
Utilizando el método T/CSTM 00587-2023, que mide la resistencia a la flexión de las células fotovoltaicas de silicio cristalino mediante un montaje de flexión de cuatro puntos, el grupo de investigación realizó mediciones de resistencia en las obleas M10. También emplearon la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) para analizar los defectos y los niveles de dopaje.
El análisis mostró que las obleas fabricadas a partir de lingotes dopados con antimonio presentaban una resistividad más uniforme, con un ligero aumento cerca del extremo posterior, en comparación con sus homólogas dopadas con fósforo.
Para un análisis más detallado, el equipo utilizó EasySpin, una caja de herramientas de MATLAB para simular y ajustar espectros EPR, y observó líneas hiperfinas «más débiles» en las obleas dopadas con antimonio, atribuidas a la presencia de grupos de átomos de antimonio.
El equipo señaló que, en la actualidad, las obleas dopadas con antimonio y las dopadas con fósforo ofrecen un rendimiento mecánico comparable. Las principales conclusiones de su trabajo consisten en haber detectado la alta uniformidad de la resistividad y las firmas EPR únicas de las muestras dopadas con antimonio.
«Sin embargo, se espera que el rendimiento de los lingotes aumente con el dopaje con antimonio, lo que supondrá un importante potencial de reducción de costos para las obleas de tipo n», concluyó Basnet.
El equipo de investigación estaba formado por académicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos y de la Escuela de Minas de Colorado (EE. UU.).
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