El silicio monocristalino es el material base para los chips de silicio que se utilizan en prácticamente todos los equipos electrónicos en la actualidad. El mono-Si también sirve como material fotovoltaico y absorbente de la luz en la fabricación de células solares.
Consiste en silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es continua, no se rompe en sus bordes y está libre de cualquier límite de grano. El mono-Si puede prepararse como un semiconductor intrínseco que consiste únicamente en silicio extremadamente puro, o puede doparse añadiendo otros elementos como boro o fósforo para hacer silicio de tipo py tipo n. Debido a sus propiedades semiconductoras, el silicio monocristalino es quizás el material tecnológico más importante de las últimas décadas: la «era del silicio», porque su disponibilidad a un costo accesible ha sido esencial para el desarrollo de los dispositivos electrónicos sobre los cuales el presente La revolución electrónica y de TI del día se basa.
El silicio monocristalino se diferencia de otras formas alotrópicas, como el silicio amorfo no cristalino, utilizado en células solares de película delgada, y el silicio policristalino, que consiste en pequeños cristales también conocidos como cristalitos.
Producción
El silicio monocristalino generalmente se crea mediante uno de varios métodos que implican la fusión de silicio de grado semiconductor de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) y el uso de una semilla para iniciar la formación de un cristal único continuo. Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte, como el argón, y en un crisol inerte, como el cuarzo, para evitar las impurezas que afectarían la uniformidad del cristal.
El método de producción más común es el proceso Czochralski, que sumerge un cristal de siembra montado en varillas con precisión en el silicio fundido. A continuación, la barra se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente, permitiendo que el material estirado se solidifique en un lingote cilíndrico monocristalino de hasta 2 metros de longitud y un peso de varios cientos de kilogramos. Los campos magnéticos también se pueden aplicar para controlar y suprimir el flujo turbulento, mejorando aún más la uniformidad de la cristalización. Otros métodos son el crecimiento de la zona flotante, que pasa una varilla de silicio policristalino a través de una bobina de calentamiento de radiofrecuencia que crea una zona fundida localizada, desde la cual crece un lingote de semillas, y técnicas de Bridgman, que mueven el crisol a través de un gradiente de temperatura para enfriarlo el final del contenedor que contiene la semilla. Los lingotes solidificados se cortan en láminas finas para su posterior procesamiento.
En comparación con el moldeado de lingotes policristalinos, la producción de silicio monocristalino es muy lenta y costosa. Sin embargo, la demanda de mono-Si continúa aumentando debido a las propiedades electrónicas superiores: la falta de límites de grano permite un mejor flujo de la carga y evita la recombinación de electrones, lo que permite un mejor rendimiento de los circuitos integrados y la energía fotovoltaica.
En electrónica
La aplicación principal de silicio monocristalino es como soporte mecánico para circuitos integrados. Los lingotes hechos del proceso de Czochralski se cortan en obleas de aproximadamente 0,75 mm de grosor y se pulen para obtener un sustrato regular y plano, sobre el que se construyen dispositivos microelectrónicos a través de diversos procesos de microfabricación, como dopaje o implantación iónica, grabado, deposición de diversos materiales y patrón fotolitográfico.
Un solo cristal continuo es crítico para la electrónica, ya que los límites de grano, las impurezas y los defectos cristalográficos pueden afectar significativamente las propiedades electrónicas locales del material, lo que a su vez afecta el rendimiento del dispositivo al interferir con las trayectorias del circuito. Por ejemplo, sin una perfección cristalina, sería virtualmente imposible construir dispositivos de integración a gran escala (VLSI), en los que miles de millones de circuitos basados en transistores, todos los cuales deben funcionar de manera confiable, se combinan en un solo chip para formar un microprocesador . Como tal, la industria de la electrónica ha invertido mucho en instalaciones para producir grandes cristales únicos de silicio.
En células solares
El silicio monocristalino también se utiliza para dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento. Dado que existen demandas menos estrictas sobre las imperfecciones estructurales en comparación con las aplicaciones de microelectrónica, el silicio de calidad solar de menor calidad (Sog-Si) se utiliza a menudo para las células solares. A pesar de esto, la industria fotovoltaica de silicio monocristalino se ha beneficiado enormemente del desarrollo de métodos más rápidos de producción de mono-Si para la industria electrónica.
Cuota de mercado
Al ser la segunda forma más común de tecnología fotovoltaica, el silicio monocristalino se clasifica solo detrás de su silicio policristalino hermano. Debido a la tasa de producción significativamente más alta y los costos en constante disminución del poli-silicio, la cuota de mercado del mono-Si ha disminuido: en 2013, las células solares monocristalinas tenían una cuota de mercado del 36%, lo que se tradujo en una producción de 12,6 GW capacidad fotovoltaica, pero la cuota de mercado había caído por debajo del 25% en 2016. A pesar de la menor cuota de mercado, la capacidad fotovoltaica mono-Si equivalente producida en 2016 fue de 20,2 GW, lo que indica un aumento significativo en la producción global de tecnologías fotovoltaicas.
Eficiencia
Con una eficiencia de laboratorio de celda única registrada del 26.7%, el silicio monocristalino tiene la eficiencia de conversión confirmada más alta de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, por delante de poli-Si (22.3%) y tecnologías de película delgada establecidas, como células CIGS (21.7 %), Células CdTe (21,0%) y a-Si (10,2%). Las eficiencias del módulo solar para mono-Si, que son siempre más bajas que las de sus correspondientes celdas, finalmente cruzaron la marca del 20% en 2012 y alcanzaron el 24,4% en 2016. La alta eficiencia es atribuible a la falta de sitios de recombinación en el cristal y una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el tono azul característico de poli-silicio. Dado que son más caros que sus contrapartes policristalinas, las células mono-Si son útiles para aplicaciones donde las principales consideraciones son limitaciones de peso o área disponible, como en naves espaciales o satélites alimentados por energía solar, donde la eficiencia puede mejorarse aún más combinando otras tecnologías, como las células solares multicapa.
Fabricación
Además de la baja tasa de producción, también existen preocupaciones sobre el material desperdiciado en el proceso de fabricación. La creación de paneles solares que ahorran espacio requiere cortar las obleas circulares (un producto de los lingotes cilíndricos formados a través del proceso Czochralski) en celdas octogonales que se pueden empaquetar juntas. El material sobrante no se usa para crear células fotovoltaicas y se descarta o recicla volviendo a la producción de lingotes para su fusión. Además, aunque las células mono-Si pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de 20 μm de la superficie incidente, las limitaciones en el proceso de aserrado del lingote significan que el grosor comercial de la oblea es generalmente de alrededor de 200 μm. Sin embargo, se espera que los avances tecnológicos reduzcan el grosor de las obleas a 140 μm para 2026.
Se están investigando otros métodos de fabricación, como el crecimiento epitaxial de la oblea directa, que implica el crecimiento de capas gaseosas sobre sustratos de silicio reutilizables. Los procesos más nuevos pueden permitir el crecimiento de cristales cuadrados que luego pueden procesarse en obleas más delgadas sin comprometer la calidad o la eficiencia, eliminando así el desperdicio de los métodos tradicionales de corte y corte de lingotes.