السليكون أحادي البلورية (يسمى أيضاً “السيليكون أحادي البلورة”) هو المادة الأساسية لرقائق السليكون المستخدمة في جميع المعدات الإلكترونية تقريباً اليوم. كما يعمل مونو سي كمواد ضوئية ، تمتص الضوء في تصنيع الخلايا الشمسية.

وهي تتكون من السيليكون الذي تكون فيه الشبكة البلورية للمجموع الصلب متواصلة وغير متقطعة على حوافها وخالية من أي حدود للحبوب. يمكن تحضير مونو-سي كأشباه الموصلات الجوهرية التي تتكون فقط من السيليكون النقي للغاية ، أو يمكن أن يتم تعاطيها عن طريق إضافة عناصر أخرى مثل البورون أو الفوسفور لجعل نوع السيليكون أو النوع n. نظرًا لخصائصها شبه الموصلة ، ربما كان السيليكون أحادي البلورة أهم المواد التكنولوجية في العقود القليلة الماضية – “عصر السيليكون” ، لأن توافرها بتكلفة معقولة كان ضروريًا لتطوير الأجهزة الإلكترونية التي يتواجد عليها الحاضر اليوم الإلكتروني وثورة تكنولوجيا المعلومات.

يختلف السيليكون أحادي البلورية عن أشكال التآلات الأخرى ، مثل السليكون غير البلوري غير البلوري – المستخدم في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة – والسيليكون متعدد البلورات ، والذي يتكون من بلورات صغيرة تعرف أيضًا باسم البلورات.

إنتاج
يتم إنشاء السيليكون أحادي البلورية بشكل عام بواسطة إحدى الطرق العديدة التي تتضمن ذوبان السيليكون عالي النقاوة والسيليكون الموصَّل لأشباه الموصلات (فقط أجزاء قليلة لكل مليون من الشوائب) واستخدام البذور لبدء تكوين بلورة مفردة مستمرة. عادة ما يتم تنفيذ هذه العملية في جو خامل ، مثل الأرجون ، وفي بوتقة خاملة ، مثل الكوارتز ، لتجنب الشوائب التي من شأنها أن تؤثر على تماثل البلورة.

إن طريقة الإنتاج الأكثر شيوعًا هي عملية Czochralski ، التي تنخفض من بلورة بذرة مركزة على شكل قضيب موجهة في السليكون المصهور. ثم يتم سحب القضيب ببطء إلى أعلى ويتم تدويره في وقت واحد ، مما يسمح للمادة المسحوبة بالتصلب في سبيكة أسطوانية أحادية البلورية يصل طولها إلى مترين وتزن عدة مئات من الكيلوغرامات. يمكن أيضًا استخدام الحقول المغناطيسية للتحكم في التدفق المضطرب وقمعه ، مما يؤدي إلى تحسين تماثل التبلور. الطرق الأخرى هي نمو منطقة العوامة ، والتي تمر بقضيب السيليكون متعدد البلورات من خلال ملف التسخين بالراديو الذي يخلق منطقة مصهور موضعية ، والتي من خلالها تنمو سبيكة كريستال البذور ، وتقنيات Bridgman ، التي تحرك البوتقة من خلال تدرج درجة الحرارة لتبردها من نهاية الحاوية التي تحتوي على البذور. ثم يتم تقطيع السبائك الصلبة إلى رقائق رقيقة لمزيد من المعالجة.

مقارنة مع صب السبائك الكريستالات ، وإنتاج السيليكون أحادي البلورية بطيء جدا ومكلفة. ومع ذلك ، فإن الطلب على الأحادي سي يستمر في الارتفاع بسبب الخصائص الإلكترونية الفائقة ، حيث إن عدم وجود حدود للحبوب يسمح بتدفق أفضل لشحنات الحامل ويمنع إعادة اتحاد الإلكترونات – مما يسمح بتحسين أداء الدوائر المتكاملة والخلايا الكهروضوئية.

في الالكترونيات
التطبيق الأساسي للسيليكون أحادي البلورية هو الدعم الميكانيكي للدوائر المتكاملة. يتم تقطيع الألواح المصنوعة من عملية Czochralski إلى رقائق بسمك 0.75 مم وصقلها للحصول على ركيزة عادية مسطحة ، والتي يتم بناء عليها الأجهزة الإلكترونية الدقيقة من خلال عمليات التصنيع المتناهية الصغر المختلفة ، مثل زرع المنشطات أو الأيونات ، الحفر ، ترسيب المواد المختلفة ، الزخرفة الليثوغرافية الضوئية.

إن بلورة واحدة مستمرة أمر بالغ الأهمية بالنسبة للإلكترونيات ، حيث أن حدود الحبوب والشوائب والعيوب البلورية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخواص الإلكترونية المحلية للمادة ، والتي بدورها تؤثر على أداء الجهاز عن طريق التدخل في مسارات الدائرة. على سبيل المثال ، بدون الكمال البلوري ، سيكون من المستحيل تقريبًا بناء أجهزة تكامل كبيرة جدًا (VLSI) ، حيث يتم دمج مليارات الدارات المستندة إلى الترانزستور ، والتي يجب أن يعمل كل منها بشكل موثوق ، في شريحة واحدة لتشكيل معالج دقيق (microprocessor). . على هذا النحو ، استثمرت صناعة الإلكترونيات بكثافة في مرافق لإنتاج بلورات مفردة كبيرة من السيليكون.

في الخلايا الشمسية
كما يستخدم السيليكون أحادي البلورة للأجهزة الكهروضوئية عالية الأداء (PV). بما أن هناك متطلبات أقل صرامة على عيوب هيكلية مقارنة بتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة ، غالباً ما يستخدم السيليكون ذو الدرجة المنخفضة من السليكون (Sog-Si) للخلايا الشمسية. على الرغم من ذلك ، استفادت صناعة الفلطائية الضوئية السليكونية الأحادية بشكل كبير من تطوير طرق إنتاج أحادية-سي أسرع لصناعة الإلكترونيات.

الحصة السوقية
كونه ثاني أكثر أشكال التكنولوجيا الكهروضوئية شيوعًا ، فإن السيليكون أحادي البلورية مصنّف فقط وراء أخته السليكون متعدد البلورات. نظرًا لارتفاع معدل الإنتاج بشكل ملحوظ وانخفاض تكاليف البولي سيليكون بشكل ثابت ، فإن حصة السوق من الأحادي سي قد تناقصت: ففي عام 2013 ، كانت للخلايا الشمسية أحادية البلورية حصة سوقية بلغت 36٪ ، والتي تترجم إلى إنتاج 12.6 جيجاواط من وقد انخفضت الحصة السوقية إلى أقل من 25٪ بحلول عام 2016. وعلى الرغم من انخفاض الحصة السوقية ، فإن الطاقة الكهروضوئية المكافئة أحادية الطاقة التي تم إنتاجها في عام 2016 كانت 20.2 جيجاوات ، مما يشير إلى زيادة كبيرة في الإنتاج الكلي للتقنيات الكهروضوئية.

نجاعة
مع كفاءة مختبر خلية واحدة مفصلية مسجلة من 26.7 ٪ ، السيليكون أحادي البلورية لديه أعلى كفاءة التحويل المؤكدة من جميع التقنيات الكهروضوئية التجارية ، قبل بولي سي (22.3 ٪) وتقنيات رقيقة الأغشية ، مثل خلايا CIGS (21.7 ٪) ، وخلايا CdTe (21.0 ٪) ، وخلايا أي سي (10.2 ٪). في نهاية المطاف ، تجاوزت كفاءة وحدات الطاقة الشمسية للسيليكون الأحادي – وهي دائمًا أقل من تلك الخاصة بالخلايا المناظرة لها – علامة 20٪ لعام 2012 وبلغت 24.4٪ في عام 2016. وتعزى الكفاءة العالية إلى حد كبير إلى عدم وجود مواقع إعادة التركيب في وضوح الشمس وامتصاص أفضل للفوتونات بسبب لونه الأسود ، بالمقارنة مع اللون الأزرق المميز للبولي سيليكون. ونظراً لأنها أكثر تكلفة من نظائرها المتعددة الكريستالات ، فإن الخلايا أحادية – Si مفيدة للتطبيقات حيث تكون الاعتبارات الرئيسية عبارة عن قيود على الوزن أو المساحة المتاحة ، كما هو الحال في المركبات الفضائية أو السواتل التي تعمل بالطاقة الشمسية ، حيث يمكن تحسين الكفاءة بشكل أكبر من خلال الدمج مع التقنيات الأخرى ، مثل الخلايا الشمسية متعددة الطبقات.

تصنيع
إلى جانب انخفاض معدل الإنتاج ، هناك مخاوف أيضا بشأن المواد المهدرة في عملية التصنيع. يتطلب إنشاء الألواح الشمسية ذات الكفاءة الفضائية قطع الرقاقات الدائرية (منتج من سبيكة أسطوانية تشكلت خلال عملية Czochralski) إلى خلايا مثمنة الأضلاع يمكن تجميعها بشكل وثيق. لا يتم استخدام المواد المتبقية لإنتاج خلايا PV ، ويتم التخلص منها أو إعادة تدويرها بالرجوع إلى إنتاج السبائك من أجل الذوبان. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن الخلايا أحادية سي قادرة على امتصاص غالبية الفوتونات في حدود 20 ميكرومتر من سطح الحادث ، فإن القصور في عملية نشر السبائك يعني أن سمك رقاقة الويفر التجارية يكون عمومًا حوالي 200 ميكرومتر. ومع ذلك ، من المتوقع أن يؤدي التقدم في التكنولوجيا إلى تقليل سمك البسكويت إلى 140 ميكرومتر بحلول عام 2026.

ويجري البحث في طريقة تصنيع أخرى ، مثل نمو الفُتْر الفوقي المباشر ، الذي ينطوي على تزايد الطبقات الغازية على ركائز السيليكون القابلة لإعادة الاستخدام. قد تسمح العمليات الأحدث بنمو بلورات مربعة يمكن معالجتها بعد ذلك إلى رقاقات رقيقة دون المساس بالجودة أو الكفاءة ، وبالتالي القضاء على النفايات الناتجة عن طرق القطع والقطع التقليدية.

مصدر من ويكيبيديا