Krzem monokrystaliczny - Monocrystalline silicon
Monokryształów krzemu , częściej nazywany pojedynczego kryształu krzemu w krótkim mono c-Si lub mono-Si jest materiał bazowy na bazie krzemu elementów dyskretnych i scalonych stosowanych w niemal wszystkich nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Mono-Si służy również jako fotowoltaiczny , pochłaniający światło materiał do produkcji ogniw słonecznych .
Składa się z krzemu, w którym sieć krystaliczna całej bryły jest ciągła, nieprzerwana po brzegi i pozbawiona jakichkolwiek granic ziaren . Mono-Si może być przygotowany jako samoistny półprzewodnik, który składa się wyłącznie z wyjątkowo czystego krzemu lub może być domieszkowany przez dodanie innych pierwiastków, takich jak bor lub fosfor, w celu wytworzenia krzemu typu p lub n . Ze względu na swoje właściwości półprzewodnikowe monokrystaliczny krzem jest prawdopodobnie najważniejszym materiałem technologicznym ostatnich kilkudziesięciu lat — „ery krzemu”, ponieważ jego dostępność po przystępnej cenie była niezbędna do rozwoju urządzeń elektronicznych, na których obecnie dzienna rewolucja elektroniczna i informatyczna .
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
Krzem monokrystaliczny jest zwykle wytwarzany 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. Proces ten jest zwykle przeprowadzany w obojętnej atmosferze, takiej jak argon, oraz w obojętnym tyglu, takim jak kwarc , w celu uniknięcia zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na jednorodność kryształów.
Najpopularniejszą techniką produkcji jest metoda Czochralskiego , w której w roztopionym krzemie zanurza się precyzyjnie zorientowany, osadzony na pręcie kryształ zarodkowy . Pręt jest następnie powoli wciągany do góry i jednocześnie obracany, co pozwala na zestalenie wyciąganego materiału w monokrystaliczny cylindryczny wlewek o długości do 2 metrów i wadze kilkuset kilogramów. Pola magnetyczne mogą być również stosowane do kontrolowania i tłumienia przepływu turbulentnego, dodatkowo poprawiając jednorodność krystalizacji. Inne metody to topienie strefowe, polegające na przepuszczaniu polikrystalicznego pręta krzemowego przez cewkę grzewczą o częstotliwości radiowej, która tworzy zlokalizowaną strefę stopioną, z której wyrasta wlewek zaszczepiający kryształ, oraz techniki Bridgmana , które przesuwają tygiel przez gradient temperatury w celu schłodzenia go od końca pojemnika zawierającego nasiona. Zestalone wlewki są następnie krojone na cienkie wafle w procesie zwanym waflowaniem . Po obróbce po waflowaniu wafle 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 stale rośnie ze względu na doskonałe właściwości elektroniczne — brak granic ziaren umożliwia lepszy przepływ nośników ładunku i zapobiega rekombinacji elektronów — umożliwiając 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 wafle o grubości około 0,75 mm i polerowane w celu uzyskania regularnego, płaskiego podłoża, na którym budowane są urządzenia mikroelektroniczne w różnych procesach mikrofabrykacji , takich 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 wady krystalograficzne mogą znacząco wpływać na lokalne właściwości elektroniczne materiału, co z kolei wpływa na funkcjonalność, wydajność i niezawodność urządzeń półprzewodnikowych, zakłócając ich prawidłowe działanie. Na przykład bez krystalicznej perfekcji praktycznie niemożliwe byłoby zbudowanie urządzeń do integracji na bardzo dużą skalę (VLSI), w których miliardy obwodów opartych na tranzystorach, z których wszystkie muszą działać niezawodnie, są połączone w jeden 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 niż w zastosowaniach mikroelektronicznych, w ogniwach słonecznych często stosuje się krzem o niższej jakości do zastosowań słonecznych (Sog-Si). Mimo to przemysł fotowoltaiczny monokrystalicznego krzemu odniósł znaczne korzyści z rozwoju szybszych metod produkcji mono-Si dla przemysłu elektronicznego.
Będąc drugą najpowszechniejszą formą technologii fotowoltaicznej, krzem monokrystaliczny ustępuje tylko swojej siostrzanej formie krzemu polikrystalicznego . Ze względu na znacznie wyższe tempo produkcji i stale malejące koszty polikrzemu, udział rynkowy mono-Si maleje: w 2013 roku monokrystaliczne ogniwa słoneczne miały udział w rynku na poziomie 36%, co przełożyło się na produkcję 12,6 GW moc fotowoltaiczna, ale udział w rynku spadł poniżej 25% do 2016 r. Pomimo zmniejszonego udziału w rynku, równoważna moc fotowoltaiczna mono-Si wytworzona w 2016 r. wyniosła 20,2 GW, co wskazuje na znaczny wzrost ogólnej produkcji technologii fotowoltaicznych.
Wydajność
Z odnotowaną wydajnością laboratorium ogniw jednozłączowych na poziomie 26,7%, krzem monokrystaliczny ma najwyższą potwierdzoną wydajność konwersji spośród wszystkich komercyjnych technologii fotowoltaicznych, wyprzedzając poli-Si (22,3%) i ugruntowane technologie cienkowarstwowe , takie jak ogniwa CIGS (21,7 %), komórki CdTe (21,0%) i komórki a-Si (10,2%). Sprawności modułów fotowoltaicznych dla mono-Si – które zawsze są niższe niż w przypadku odpowiadających im ogniw – ostatecznie przekroczyły próg 20% w 2012 r. i osiągnęły 24,4% w 2016 r. Wysoka sprawność jest w dużej mierze spowodowana brakiem miejsc rekombinacji w pojedynczym kryształ i lepszą absorpcję fotonów dzięki czarnej barwie w porównaniu do charakterystycznego niebieskiego odcienia polikrzemu. Ponieważ są droższe niż ich polikrystaliczne odpowiedniki, ogniwa mono-Si są przydatne w zastosowaniach, w których głównymi czynnikami są ograniczenia masy lub dostępnego obszaru, takich jak statki kosmiczne lub satelity zasilane energią słoneczną, gdzie wydajność można dodatkowo poprawić poprzez połączenie z inne technologie, takie jak wielowarstwowe ogniwa słoneczne .
Produkcja
Oprócz niskiego tempa produkcji istnieją również obawy o marnotrawstwo materiału w procesie produkcyjnym. Tworzenie energooszczędnych paneli słonecznych wymaga pocięcia okrągłych wafli (produkt cylindrycznych wlewków powstałych w procesie Czochralskiego) na ośmiokątne ogniwa, które można upakować blisko siebie. Pozostały materiał nie jest używany do tworzenia ogniw fotowoltaicznych i jest albo wyrzucany, albo poddawany recyklingowi poprzez powrót do produkcji wlewków w celu topienia. Ponadto, mimo że ogniwa mono-Si mogą pochłaniać większość fotonów w promieniu 20 μm od powierzchni padającej, ograniczenia procesu piłowania wlewków oznaczają, że komercyjna grubość płytek wynosi na ogół około 200 μm. Oczekuje się jednak, że postęp w technologii zmniejszy grubość płytek do 140 μm do 2026 roku.
Badane są również inne metody produkcji, takie jak bezpośredni wzrost epitaksjalny płytek , który polega na hodowaniu warstw gazowych na podłożach krzemowych wielokrotnego użytku. Nowsze procesy mogą umożliwiać wzrost kwadratowych kryształów, które można następnie przetwarzać na cieńsze wafle bez pogorszenia jakości lub wydajności, eliminując w ten sposób odpady z tradycyjnych metod cięcia i cięcia wlewków.
Wygląd
Struktura krystaliczna krzemu tworzy diamentowy sześcienny
Urządzenia 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)
