Krzem monokrystaliczny
Krzem monokrystaliczny , częściej nazywany krzemem monokrystalicznym , w skrócie mono c-Si lub mono-Si , jest podstawowym materiałem krzemowych elementów dyskretnych i układów scalonych stosowanych w praktycznie każdym nowoczesnym sprzęcie elektronicznym. Mono-Si służy również jako fotowoltaiczny , pochłaniający światło materiał w produkcji ogniw słonecznych .
Składa się z krzemu, w którym sieć krystaliczna całej bryły jest ciągła, nieprzerwana aż po krawędzie i pozbawiona jakichkolwiek granic ziaren (tzn. pojedynczy kryształ ). Mono-Si można przygotować jako samoistny półprzewodnik , który składa się tylko z niezwykle czystego krzemu, lub można go domieszkować przez dodanie innych pierwiastków, takich jak bor lub fosfor , w celu wytworzenia krzemu typu p lub typu n . Ze względu na swoje półprzewodnictwo właściwości, krzem monokrystaliczny jest być może najważniejszym materiałem technologicznym ostatnich kilkudziesięciu lat – „ery krzemu”, ponieważ jego dostępność po przystępnej cenie była niezbędna do rozwoju urządzeń elektronicznych, na których opiera się współczesna elektronika i Rewolucja informatyczna jest oparta.
Krzem monokrystaliczny różni się od innych form alotropowych , takich jak niekrystaliczny krzem amorficzny — stosowany w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych — oraz krzem polikrystaliczny , który składa się z małych kryształów zwanych krystalitami .
Produkcja
monokrystaliczny jest generalnie tworzony za pomocą jednej z kilku metod, które obejmują topienie krzemu o wysokiej czystości, półprzewodnikowego (tylko kilka części na milion zanieczyszczeń) i użycie zarodka do zainicjowania tworzenia ciągłego monokryształu. Ten proces jest zwykle przeprowadzany w obojętnej atmosferze, takiej jak argon, oraz w obojętnym tyglu, takim jak kwarc , aby uniknąć zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na jednorodność kryształu.
Najbardziej powszechną techniką produkcji jest metoda Czochralskiego , która polega na zanurzeniu precyzyjnie zorientowanego kryształu zaszczepiającego na pręcie w stopionym krzemie. Pręt jest następnie powoli wyciągany do góry i jednocześnie obracany, co pozwala na zestalenie się wyciąganego materiału w monokrystaliczny cylindryczny wlewek o długości do 2 metrów i wadze kilkuset kilogramów. Pola magnetyczne można również stosować do kontrolowania i tłumienia przepływu turbulentnego, dodatkowo poprawiając jednorodność krystalizacji. Inne metody to topienie strefowe , która przepuszcza pręt z polikrystalicznego krzemu przez cewkę grzewczą o częstotliwości radiowej, która tworzy zlokalizowaną strefę stopioną, z której wyrasta wlewek kryształu zaszczepiającego, oraz techniki Bridgmana , które przesuwają tygiel przez gradient temperatury, aby schłodzić go od końca pojemnika zawierającego nasionko. Zestalone wlewki są następnie krojone na cienkie wafle w procesie zwanym waflowaniem . Po obróbce końcowej płytki są gotowe do użycia w produkcji.
W porównaniu z odlewaniem wlewków polikrystalicznych produkcja krzemu monokrystalicznego jest bardzo powolna i kosztowna. Jednak zapotrzebowanie na mono-Si nadal rośnie ze względu na doskonałe właściwości elektroniczne - brak granic ziaren umożliwia lepszy przepływ nośników ładunku i zapobiega rekombinacji elektronów - co pozwala na lepszą wydajność układów scalonych i fotowoltaiki.
W elektronice
Podstawowym zastosowaniem krzemu monokrystalicznego jest produkcja elementów dyskretnych i układów scalonych . Wlewki wykonane metodą Czochralskiego są krojone na płytki o grubości około 0,75 mm i polerowane w celu uzyskania regularnego, płaskiego podłoża, na którym budowane są urządzenia mikroelektroniczne poprzez różne procesy mikrowytwarzania , takie jak domieszkowanie lub implantacja jonów , trawienie , osadzanie różnych materiałów i wzornictwo fotolitograficzne .
Pojedynczy ciągły kryształ ma kluczowe znaczenie dla elektroniki, ponieważ granice ziaren, zanieczyszczenia i defekty krystalograficzne mogą znacząco wpływać na lokalne właściwości elektroniczne materiału, co z kolei wpływa na funkcjonalność, wydajność i niezawodność urządzeń półprzewodnikowych poprzez zakłócanie ich prawidłowego działania. Na przykład bez krystalicznej doskonałości zbudowanie integracji na bardzo dużą skalę byłoby praktycznie niemożliwe (VLSI), w których miliardy obwodów opartych na tranzystorach, z których wszystkie muszą działać niezawodnie, są połączone w pojedynczy układ scalony, tworząc mikroprocesor. W związku z tym przemysł elektroniczny dużo zainwestował w urządzenia do produkcji dużych monokryształów krzemu.
W ogniwach słonecznych
Krzem monokrystaliczny jest również stosowany w wysokowydajnych urządzeniach fotowoltaicznych (PV). Ponieważ wymagania dotyczące niedoskonałości strukturalnych są mniej rygorystyczne w porównaniu z zastosowaniami w mikroelektronice, w ogniwach słonecznych często stosuje się krzem o niższej jakości (Sog-Si). Mimo to branża fotowoltaiki monokrystaliczno-krzemowej odniosła ogromne korzyści z opracowania szybszych metod produkcji mono-Si dla przemysłu elektronicznego.
Będąc drugą najpowszechniejszą formą technologii fotowoltaicznej, krzem monokrystaliczny ustępuje tylko swojej siostrze, krzemowi polikrystalicznemu . Ze względu na znacznie wyższą dynamikę produkcji i systematycznie spadające koszty polikrzemu, udział w rynku mono-Si maleje: w 2013 roku monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne miały udział w rynku na poziomie 36%, co przełożyło się na produkcję 12,6 GW mocy fotowoltaicznej, ale udział w rynku spadł poniżej 25% do 2016 r. Pomimo obniżonego udziału w rynku, równoważna moc fotowoltaiczna mono-Si wyprodukowana w 2016 r. wyniosła 20,2 GW, co wskazuje na znaczny wzrost ogólnej produkcji technologii fotowoltaicznych.
Efektywność
Dzięki zarejestrowanej wydajności laboratoryjnej ogniw jednozłączowych na poziomie 26,7% krzem monokrystaliczny ma najwyższą potwierdzoną wydajność konwersji spośród wszystkich komercyjnych technologii fotowoltaicznych, wyprzedzając poli-Si (22,3%) i uznane technologie cienkowarstwowe , takie jak ogniwa CIGS (21,7% ). %), komórki CdTe (21,0%) i komórki a-Si (10,2%). Moduł słoneczny wydajności dla mono-Si – które są zawsze niższe niż w przypadku odpowiadających im komórek – ostatecznie przekroczyły granicę 20% w 2012 r. i osiągnęły 24,4% w 2016 r. Wysoką wydajność można w dużej mierze przypisać brakowi miejsc rekombinacji w monokrysztale i lepsza absorpcja fotonów dzięki czarnemu kolorowi w porównaniu z charakterystycznym niebieskim odcieniem polikrzemu. Ponieważ są droższe niż ich polikrystaliczne odpowiedniki, ogniwa mono-Si są przydatne w zastosowaniach, w których głównymi względami są ograniczenia masy lub dostępnej powierzchni.
Produkcja
Oprócz niskiego tempa produkcji, istnieją również obawy dotyczące marnowania materiału w procesie produkcyjnym. Tworzenie wydajnych przestrzennie paneli słonecznych wymaga pocięcia okrągłych płytek (produktu cylindrycznych wlewków utworzonych w procesie Czochralskiego) na ośmiokątne ogniwa, które można upakować blisko siebie. Pozostały materiał nie jest używany do tworzenia ogniw fotowoltaicznych i jest albo odrzucany, albo poddawany recyklingowi poprzez powrót do produkcji wlewków do topienia. Co więcej, chociaż komórki mono-Si mogą pochłaniać większość fotonów w odległości 20 μm od padającej powierzchni, ograniczenia procesu piłowania wlewków oznaczają, że grubość komercyjnych płytek wynosi na ogół około 200 μm. Oczekuje się jednak, że postęp technologiczny zmniejszy grubość płytek do 140 μm do 2026 r.
Badane są inne metody produkcji, takie jak bezpośredni wzrost epitaksjalny płytki , który obejmuje wzrost warstw gazowych na podłożach krzemowych wielokrotnego użytku. Nowsze procesy mogą pozwolić na wzrost kwadratowych kryształów, które można następnie przetwarzać na cieńsze płytki bez uszczerbku dla jakości lub wydajności, eliminując w ten sposób odpady z tradycyjnych metod piłowania i cięcia wlewków.
Wygląd
Struktura krystaliczna krzemu tworzy sześcienny diament
VLSI wyprodukowane przez firmę Intel na monokrystalicznej płytce krzemowej
Panel słoneczny wykonany z ośmiokątnych monokrystalicznych ogniw krzemowych
Porównanie ogniw słonecznych : poli-Si (po lewej) i mono-Si (po prawej)
