monokristal silikon - Monocrystalline silicon

Monokristal silikon , kısaca mono c-Si veya mono-Si olarak adlandırılan tek kristalli silikon , neredeyse tüm modern elektronik ekipmanlarda kullanılan silikon bazlı ayrı bileşenler ve entegre devreler için temel malzemedir . Mono-Si ayrıca güneş pillerinin üretiminde fotovoltaik , ışık soğuran bir malzeme olarak hizmet eder .

Bu oluşur silikon olan kristal kafes tüm katı madde herhangi birine göre, sürekli olarak kenarlarına kesintisiz ve serbest olan tanecik sınırları . Mono-Si, yalnızca son derece saf silikondan oluşan içsel bir yarı iletken olarak hazırlanabilir veya p-tipi veya n-tipi silikon yapmak için bor veya fosfor gibi diğer elementlerin eklenmesiyle katkılanabilir . Yarı iletken özelliklerinden dolayı , tek kristalli silikon belki de son birkaç on yılın en önemli teknolojik malzemesidir - "silikon çağı", çünkü uygun bir maliyetle bulunabilirliği, mevcut elektronik cihazların geliştirilmesi için gerekli olmuştur. -gün elektronik ve bilişim devrimi üzerine kuruludur.

Monokristal silikon , ince film güneş pillerinde kullanılan kristal olmayan amorf silikon ve kristalitler olarak bilinen küçük kristallerden oluşan polikristal silikon gibi diğer allotropik formlardan farklıdır .

Üretim

Monokristal silikon genellikle, yüksek saflıkta, yarı iletken dereceli silikonun eritilmesini (milyonda sadece birkaç parça kirlilik) ve sürekli bir tek kristal oluşumunu başlatmak için bir tohumun kullanılmasını içeren birkaç yöntemden biri ile oluşturulur . Bu işlem normalde argon gibi inert bir atmosferde ve kristal homojenliğini etkileyecek safsızlıklardan kaçınmak için kuvars gibi inert bir potada gerçekleştirilir .

En yaygın üretim tekniği, hassas bir şekilde yönlendirilmiş çubuğa monte edilmiş tohum kristalini erimiş silikona daldıran Czochralski yöntemidir . Çubuk daha sonra yavaşça yukarı çekilir ve aynı anda döndürülür, çekilen malzemenin 2 metre uzunluğa ve birkaç yüz kilogram ağırlığa kadar monokristal silindirik bir külçe halinde katılaşmasına izin verilir. Türbülanslı akışı kontrol etmek ve bastırmak için manyetik alanlar da uygulanabilir, böylece kristalleşmenin tekdüzeliğini daha da iyileştirir. Diğer yöntemler, bir polikristal silikon çubuğu, bir tohum kristal külçenin büyüdüğü lokalize bir erimiş bölge oluşturan bir radyofrekans ısıtma bobininden geçiren bölge eritme ve potayı sondan soğutmak için bir sıcaklık gradyanı boyunca hareket ettiren Bridgman teknikleridir. tohumu içeren kap. Katılaşmış külçeleri sonra ince halinde kesilir gofret denilen bir süreçte wafering . Gofret sonrası işlemden sonra gofretler imalatta kullanıma hazırdır.

Polikristalin külçelerin dökümü ile karşılaştırıldığında, monokristal silikonun üretimi çok yavaş ve pahalıdır. Bununla birlikte, mono- Si'ye olan talep, üstün elektronik özellikler nedeniyle artmaya devam ediyor - tane sınırlarının olmaması, daha iyi yük taşıyıcı akışına izin veriyor ve elektron rekombinasyonunu önlüyor - bu da entegre devrelerin ve fotovoltaiklerin performansının artmasına izin veriyor .

elektronikte

Monokristal silikonun birincil uygulaması, ayrı bileşenlerin ve entegre devrelerin üretimidir . Czochralski yöntemiyle yapılan külçeler, yaklaşık 0.75 mm kalınlığında gofretler halinde dilimlenir ve üzerine mikroelektronik cihazların doping veya iyon implantasyonu , aşındırma , çeşitli malzemelerin biriktirilmesi gibi çeşitli mikrofabrikasyon işlemleriyle oluşturulduğu düzenli, düz bir alt tabaka elde etmek için parlatılır. fotolitografik desenleme.

Tek bir sürekli kristal elektronik için kritiktir, çünkü tane sınırları, kirlilikler ve kristalografik kusurlar malzemenin yerel elektronik özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilir ve bu da yarı iletken cihazların düzgün çalışmasına müdahale ederek işlevselliğini, performansını ve güvenilirliğini etkiler . Örneğin, kristal mükemmellik olmadan, güvenilir bir şekilde çalışması gereken milyarlarca transistör tabanlı devrenin bir mikroişlemci oluşturmak için tek bir çipte birleştirildiği çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) cihazları oluşturmak neredeyse imkansız olurdu. . Bu nedenle, elektronik endüstrisi, büyük tekli silikon kristalleri üretmek için tesislere büyük yatırım yaptı.

güneş pillerinde

1990'dan beri PV teknolojisi ile yıllık üretim açısından küresel pazar payı

Monokristal silikon, yüksek performanslı fotovoltaik (PV) cihazlar için de kullanılır . Mikroelektronik uygulamalarına kıyasla yapısal kusurlar konusunda daha az katı talepler olduğundan, güneş pilleri için genellikle daha düşük kaliteli güneş dereceli silikon (Sog-Si) kullanılır. Buna rağmen, monokristal-silikon fotovoltaik endüstrisi, elektronik endüstrisi için daha hızlı mono-Si üretim yöntemlerinin geliştirilmesinden büyük ölçüde yararlandı.

Pazar payı

PV teknolojisinin ikinci en yaygın biçimi olan monokristal silikon, yalnızca kız kardeşi polikristal silikonun gerisinde yer alır . Poli-silikonun önemli ölçüde daha yüksek üretim hızı ve istikrarlı bir şekilde düşen maliyetleri nedeniyle, mono-Si'nin pazar payı düşüyor: 2013'te monokristal güneş pilleri %36'lık bir pazar payına sahipti ve bu da 12,6 GW'lık üretime çevrildi. fotovoltaik kapasite, ancak pazar payı 2016 yılına kadar %25'in altına düşmüştü. Düşen pazar payına rağmen, 2016 yılında üretilen eşdeğer mono-Si PV kapasitesi 20.2 GW idi ve bu, fotovoltaik teknolojilerin toplam üretiminde önemli bir artışa işaret ediyor.

verimlilik

Kaydedilmiş %26.7'lik tek bağlantı hücreli laboratuvar verimliliği ile monokristal silikon, poli-Si (%22.3) ve CIGS hücreleri (21.7) gibi yerleşik ince film teknolojilerinin önünde, tüm ticari PV teknolojileri arasında onaylanmış en yüksek dönüşüm verimliliğine sahiptir. %), CdTe hücreleri (%21.0) ve a-Si hücreleri (%10.2). Mono-Si için her zaman karşılık gelen hücrelerinkinden daha düşük olan güneş modülü verimlilikleri nihayet 2012'de %20 sınırını aştı ve 2016'da %24,4'e ulaştı. Yüksek verimlilik büyük ölçüde tek hücredeki rekombinasyon alanlarının eksikliğine bağlanabilir. Poli-silikonun karakteristik mavi tonuna kıyasla siyah renginden dolayı kristal ve fotonların daha iyi emilmesi. Polikristal benzerlerinden daha pahalı oldukları için, mono-Si hücreler, temel hususların ağırlık veya kullanılabilir alan üzerindeki sınırlamalar olduğu, örneğin uzay araçları veya güneş enerjisiyle çalışan uydular gibi, verimliliğin daha da geliştirilebileceği uygulamalar için yararlıdır. çok katmanlı güneş pilleri gibi diğer teknolojiler .

İmalat

Düşük üretim hızının yanı sıra, üretim sürecinde atık malzeme konusunda da endişeler var. Alanı verimli kullanan güneş panelleri oluşturmak, dairesel levhaların (Czochralski işlemiyle oluşturulan silindirik külçelerin bir ürünü) birbirine yakın şekilde paketlenebilen sekizgen hücrelere kesilmesini gerektirir. Artık malzeme PV hücreleri oluşturmak için kullanılmaz ve eritilmek üzere külçe üretimine geri dönülerek ya atılır ya da geri dönüştürülür. Ayrıca, mono-Si hücreleri, gelen yüzeyin 20 μm'si içinde fotonların çoğunu emebilse de, külçe testere işlemindeki sınırlamalar, ticari gofret kalınlığının genellikle 200 μm civarında olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, teknolojideki ilerlemelerin 2026 yılına kadar gofret kalınlıklarını 140 μm'ye düşürmesi bekleniyor.

Yeniden kullanılabilir silikon substratlar üzerinde gaz halinde katmanların büyümesini içeren doğrudan gofret epitaksiyel büyümesi gibi diğer üretim yöntemleri araştırılmaktadır . Daha yeni süreçler, kalite veya verimlilikten ödün vermeden daha ince gofretler halinde işlenebilen kare kristallerin büyümesine izin verebilir, böylece geleneksel külçe testere ve kesme yöntemlerinden kaynaklanan atıkları ortadan kaldırabilir.

Görünüm

Referanslar