Le silicium monocristallin est le matériau de base des puces de silicium utilisées dans pratiquement tous les équipements électroniques actuels. Mono-Si sert également de matériau photovoltaïque absorbant la lumière dans la fabrication de cellules solaires.
Il est constitué de silicium dans lequel le réseau cristallin de tout le solide est continu, ininterrompu jusqu’à ses bords et exempt de toute limite de grain. Mono-Si peut être préparé en tant que semi-conducteur intrinsèque constitué uniquement de silicium extrêmement pur, ou être dopé par l’addition d’autres éléments tels que le bore ou le phosphore pour produire du silicium de type p ou de type n. En raison de ses propriétés semi-conductrices, le silicium monocristallin est peut-être le matériau technologique le plus important de ces dernières décennies – l’ère du silicium, car sa disponibilité à un coût abordable a été essentielle au développement des dispositifs électroniques sur lesquels électronique et la révolution informatique sont basées sur
Le silicium monocristallin diffère des autres formes allotropiques, telles que le silicium amorphe non cristallin – utilisé dans les cellules solaires à couches minces – et le silicium polycristallin, constitué de petits cristaux appelés aussi cristallites.
Production
Le silicium monocristallin est généralement créé par l’une des nombreuses méthodes qui impliquent la fusion de silicium de qualité semi-conducteur de haute pureté (seulement quelques parties par million d’impuretés) et l’utilisation d’une graine pour initier la formation d’un monocristal continu. Ce processus est normalement effectué dans une atmosphère inerte, telle que l’argon, et dans un creuset inerte, tel que le quartz, pour éviter les impuretés qui pourraient affecter l’uniformité des cristaux.
La méthode de production la plus courante est le procédé Czochralski, qui trempe un cristal germe monté sur tige avec précision dans le silicium fondu. La tige est ensuite tirée lentement vers le haut et tournée simultanément, permettant au matériau tiré de se solidifier en un lingot cylindrique monocristallin d’une longueur maximale de deux mètres et pesant plusieurs centaines de kilogrammes. Des champs magnétiques peuvent également être appliqués pour contrôler et supprimer un écoulement turbulent, améliorant encore l’uniformité de la cristallisation. D’autres méthodes sont la croissance par zone flottante, qui fait passer une tige de silicium polycristallin à travers un serpentin radiofréquence qui crée une zone fondue localisée, à partir de laquelle croît un lingot cristallin, et les techniques Bridgman déplaçant le creuset l’extrémité du récipient contenant la graine. Les lingots solidifiés sont ensuite coupés en tranches minces pour un traitement ultérieur.
Par rapport à la coulée de lingots polycristallins, la production de silicium monocristallin est très lente et coûteuse. Cependant, la demande de mono-Si continue d’augmenter en raison des propriétés électroniques supérieures – le manque de joints de grains permet un meilleur flux de porteurs de charge et empêche la recombinaison électronique – permettant une meilleure performance des circuits intégrés et du photovoltaïque.
En électronique
La principale application du silicium monocristallin est le support mécanique des circuits intégrés. Les lingots issus du procédé Czochralski sont découpés en plaquettes d’environ 0,75 mm d’épaisseur et polies pour obtenir un substrat plat et régulier sur lequel sont construits des dispositifs microélectroniques grâce à divers procédés de microfabrication tels que le dopage ou l’implantation ionique, la gravure, le dépôt de divers matériaux. photolithographie.
Un seul cristal continu est essentiel pour l’électronique, car les joints de grains, les impuretés et les défauts cristallographiques peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés électroniques locales du matériau, ce qui affecte les performances du dispositif en interférant avec les chemins de circuit. Par exemple, sans perfection cristalline, il serait pratiquement impossible de construire des dispositifs d’intégration à très grande échelle (VLSI), dans lesquels des milliards de circuits à base de transistors, tous fonctionnant de manière fiable, sont combinés en une seule puce pour former un microprocesseur. . À ce titre, l’industrie électronique a fortement investi dans les installations de production de gros monocristaux de silicium.
Dans les cellules solaires
Le silicium monocristallin est également utilisé pour les dispositifs photovoltaïques (PV) haute performance. Comme les exigences structurelles sont moins strictes que les applications microélectroniques, les cellules solaires utilisent souvent du silicium de qualité solaire (Sog-Si) de qualité inférieure. Malgré cela, l’industrie photovoltaïque monocristalline-silicium a grandement bénéficié du développement de méthodes de production de mono-Si plus rapides pour l’industrie électronique.
Part de marché
Étant la deuxième forme de technologie photovoltaïque la plus répandue, le silicium monocristallin se classe derrière sa seule soeur, le silicium polycristallin. En raison du taux de production nettement plus élevé et des coûts en diminution constante du poly-silicium, la part de marché du mono-Si a diminué: en 2013, les cellules solaires monocristallines détenaient une part de marché de 36%, soit une production de 12,6 GW. capacité photovoltaïque, mais la part de marché était tombée en dessous de 25% en 2016. Malgré la baisse de la part de marché, la capacité photovoltaïque mono-Si équivalente produite en 2016 était de 20,2 GW, indiquant une augmentation significative de la production globale de technologies photovoltaïques.
Efficacité
Avec une efficacité de laboratoire de jonction à jonction unique de 26,7%, le silicium monocristallin présente le rendement de conversion confirmé le plus élevé parmi toutes les technologies PV commerciales, devant les technologies poly-Si (22,3%) et à couche mince établies, telles que les cellules CIGS (21,7 %), Cellules CdTe (21,0%) et cellules a-Si (10,2%). Les rendements des modules solaires pour le mono-Si, toujours inférieurs à ceux des cellules correspondantes, ont finalement dépassé les 20% en 2012 et atteint 24,4% en 2016. Le haut rendement est largement attribuable à l’absence de sites de recombinaison dans le seul cristal et une meilleure absorption des photons en raison de sa couleur noire, par rapport à la teinte bleue caractéristique du poly-silicium. Comme ils sont plus chers que leurs homologues polycristallins, les cellules mono-Si sont utiles pour les applications où les considérations principales sont les limites de poids ou de surface disponible, comme dans les engins spatiaux ou les satellites alimentés par l’énergie solaire, où l’efficacité peut être améliorée d’autres technologies, telles que les cellules solaires multicouches.
Fabrication
Outre le faible taux de production, il existe également des préoccupations concernant le gaspillage de matière dans le processus de fabrication. La création de panneaux solaires à faible encombrement nécessite de découper les plaquettes circulaires (un produit des lingots cylindriques formés par le procédé Czochralski) en cellules octogonales pouvant être emballées étroitement. Les restes de matériaux ne sont pas utilisés pour créer des cellules photovoltaïques et sont soit rejetés, soit recyclés en retournant à la production de lingots pour la fusion. De plus, même si les cellules mono-Si peuvent absorber la majorité des photons à moins de 20 µm de la surface incidente, les limitations du processus de sciage en lingot signifient que l’épaisseur de la plaquette commerciale est généralement d’environ 200 µm. Cependant, les progrès technologiques devraient permettre de réduire les épaisseurs de plaquettes à 140 μm d’ici 2026.
D’autres méthodes de fabrication sont à l’étude, telles que la croissance épitaxiale directe des plaquettes, qui implique la croissance de couches gazeuses sur des substrats de silicium réutilisables. Des procédés plus récents peuvent permettre la croissance de cristaux carrés qui peuvent ensuite être transformés en plaquettes plus minces sans compromettre la qualité ou l’efficacité, éliminant ainsi les déchets des méthodes traditionnelles de sciage et de découpe des lingots.