मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन (Monocrystalline silicon) आजकल लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इस्तेमाल सिलिकॉन चिप्स के लिए मूल सामग्री है। मोनो-सी सौर कोशिकाओं के निर्माण में एक फोटोवोल्टिक, प्रकाश-अवशोषक सामग्री के रूप में भी कार्य करता है।

इसमें सिलिकॉन होता है जिसमें पूरे ठोस की क्रिस्टल जाली लगातार होती है, इसके किनारों तक अखंड होती है, और किसी अनाज की सीमाओं से मुक्त होती है। मोनो-सी को एक आंतरिक अर्धचालक के रूप में तैयार किया जा सकता है जिसमें केवल शुद्ध सिलिकॉन होता है, या इसे पी-प्रकार या एन-प्रकार सिलिकॉन बनाने के लिए बोरॉन या फॉस्फोरस जैसे अन्य तत्वों के अतिरिक्त जोड़ा जा सकता है। इसके अर्धचालक गुणों के कारण, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन शायद पिछले कुछ दशकों – “सिलिकॉन युग” की सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी सामग्री है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास के लिए एक किफायती लागत पर इसकी उपलब्धता आवश्यक है, जिस पर वर्तमान -डे इलेक्ट्रॉनिक्स और आईटी क्रांति आधारित है।

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन अन्य आलोट्रॉपिक रूपों से भिन्न होता है, जैसे गैर-क्रिस्टलीय असफ़ल सिलिकॉन-पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में उपयोग किया जाता है-और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, जिसमें छोटे क्रिस्टल होते हैं जिन्हें क्रिस्टलीय भी कहा जाता है।

उत्पादन
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन आम तौर पर कई विधियों में से एक द्वारा बनाया जाता है जिसमें उच्च शुद्धता, अर्धचालक-ग्रेड सिलिकॉन (केवल कुछ हिस्सों में अशुद्धता के कुछ हिस्सों) और लगातार एकल क्रिस्टल के गठन की शुरुआत करने के लिए बीज का उपयोग शामिल होता है। यह प्रक्रिया आम तौर पर क्रिस्टल एकरूपता को प्रभावित करने वाली अशुद्धियों से बचने के लिए, आर्गन जैसे एक निष्क्रिय वातावरण में और क्वार्ट्ज जैसे एक निष्क्रिय क्रूसिबल में किया जाता है।

सबसे आम उत्पादन विधि Czochralski प्रक्रिया है, जो पिघला हुआ सिलिकॉन में एक सटीक उन्मुख रॉड घुड़सवार बीज क्रिस्टल डुबकी। रॉड को धीरे-धीरे ऊपर खींच लिया जाता है और एक साथ घुमाया जाता है, जिससे खींचने वाली सामग्री को 2 मीटर तक एक मोनोक्रिस्टलाइन बेलनाकार पिंड में ठोस बनाने और कई सौ किलोग्राम वजन करने की अनुमति मिलती है। चुंबकीय क्षेत्रों को भी अशांत प्रवाह को नियंत्रित करने और दबाने के लिए लागू किया जा सकता है, और क्रिस्टलाइजेशन की समानता में सुधार होता है। अन्य विधियां फ्लोट-जोन वृद्धि होती हैं, जो एक पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन रॉड को एक रेडियोफ्रीक्वेंसी हीटिंग कॉइल के माध्यम से पास करती है जो एक स्थानीय पिघला हुआ क्षेत्र बनाता है, जिसमें से एक बीज क्रिस्टल पिंड बढ़ता है, और ब्रिजमैन तकनीकें, जो तापमान ढाल के माध्यम से क्रूसिबल को इसे ठंडा करने के लिए स्थानांतरित करती हैं बीज युक्त कंटेनर का अंत। ठोस प्रसंस्करण को आगे प्रसंस्करण के लिए पतली वेफर्स में काटा जाता है।

Polycrystalline ingots के कास्टिंग की तुलना में, monocrystalline सिलिकॉन का उत्पादन बहुत धीमी और महंगा है। हालांकि, बेहतर इलेक्ट्रॉनिक गुणों के कारण मोनो-सी की मांग बढ़ती जा रही है- अनाज की सीमाओं की कमी बेहतर चार्ज वाहक प्रवाह की अनुमति देती है और इलेक्ट्रॉन पुनर्संरचना को रोकती है-एकीकृत सर्किट और फोटोवोल्टिक्स के बेहतर प्रदर्शन की अनुमति देता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का प्राथमिक अनुप्रयोग एकीकृत सर्किट के लिए यांत्रिक समर्थन के रूप में है। Czochralski प्रक्रिया से बने सिल्लियां वेफर्स में लगभग 0.75 मिमी मोटी और नियमित, सपाट सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए पॉलिश किए जाते हैं, जिस पर माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस विभिन्न माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं के माध्यम से बनाए जाते हैं, जैसे डोपिंग या आयन प्रत्यारोपण, नक़्क़ाशी, विभिन्न सामग्रियों का जमाव, और फोटोलिथोग्राफिक पैटर्निंग।

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इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक निरंतर क्रिस्टल महत्वपूर्ण है, क्योंकि अनाज की सीमाएं, अशुद्धता, और क्रिस्टलोग्राफिक दोष सामग्री के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं, जो बदले में सर्किट पथों में हस्तक्षेप करके डिवाइस प्रदर्शन को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टलीय पूर्णता के बिना, यह बहुत बड़े पैमाने पर एकीकरण (वीएलएसआई) उपकरणों का निर्माण करना लगभग असंभव होगा, जिसमें अरबों ट्रांजिस्टर-आधारित सर्किट, जिनमें से सभी विश्वसनीय रूप से कार्य करना चाहिए, को माइक्रोप्रोसेसर बनाने के लिए एक चिप में जोड़ा जाता है । इस प्रकार, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग ने सिलिकॉन के बड़े एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए सुविधाओं में भारी निवेश किया है।

सौर कोशिकाओं में
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उपयोग उच्च प्रदर्शन फोटोवोल्टिक (पीवी) उपकरणों के लिए भी किया जाता है। चूंकि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों की तुलना में संरचनात्मक अपूर्णताओं पर कम कठोर मांगें हैं, इसलिए सौर कोशिकाओं के लिए अक्सर निम्न गुणवत्ता वाले सौर-ग्रेड सिलिकॉन (सूग-सी) का उपयोग किया जाता है। इसके बावजूद, मोनोक्रिस्टलाइन-सिलिकॉन फोटोवोल्टिक उद्योग इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के लिए तेजी से मोनो-सी उत्पादन विधियों के विकास से काफी लाभान्वित हुआ है।

बाजार में हिस्सेदारी
पीवी प्रौद्योगिकी का दूसरा सबसे आम रूप होने के नाते, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन केवल अपनी बहन, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के पीछे है। काफी अधिक उत्पादन दर और पॉली-सिलिकॉन की लगातार घटती लागत के चलते, मोनो-सी का बाजार हिस्सा घट रहा है: 2013 में, मोनोक्रिस्टलाइन सौर कोशिकाओं का बाजार हिस्सा 36% था, जिसका अनुवाद 12.6 जीडब्ल्यू के उत्पादन में हुआ था। फोटोवोल्टिक क्षमता, लेकिन बाजार हिस्सेदारी 2016 तक 25% से नीचे गिर गई थी। कम बाजार हिस्सेदारी के बावजूद, 2016 में उत्पादित समकक्ष मोनो-सी पीवी क्षमता 20.2 जीडब्ल्यू थी, जो फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियों के समग्र उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि दर्शाती है।

दक्षता
26.7% की रिकॉर्ड की गई सिंगल-जंक्शन सेल लैब दक्षता के साथ, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन में पॉली-सी (22.3%) से पहले, सभी वाणिज्यिक पीवी प्रौद्योगिकियों में से उच्चतम पुष्टि रूपांतरण क्षमता है और सीआईजीएस कोशिकाओं (21.7) जैसी पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों की स्थापना की गई है। %), सीडीटी कोशिकाएं (21.0%), और ए-सी कोशिकाएं (10.2%)। मोनो-सी के लिए सौर मॉड्यूल क्षमताएं जो हमेशा उनके संबंधित कोशिकाओं की तुलना में कम होती हैं-अंततः 2012 में 20% अंक पार कर गईं और 2016 में 24.4% पर पहुंच गईं। उच्च दक्षता एकल में पुनर्संरचना साइटों की कमी के लिए काफी हद तक जिम्मेदार है पॉली-सिलिकॉन की विशेषता नीली रंग की तुलना में क्रिस्टल और इसके काले रंग के कारण फोटॉनों का बेहतर अवशोषण। चूंकि वे अपने पॉलीक्रिस्टलाइन समकक्षों की तुलना में अधिक महंगी हैं, इसलिए मोनो-सी कोशिकाएं उन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होती हैं जहां मुख्य विचार वजन या उपलब्ध क्षेत्र पर सीमाएं हैं, जैसे कि अंतरिक्ष यान द्वारा संचालित सौर ऊर्जा या उपग्रह, जहां दक्षता को संयोजन के माध्यम से और बेहतर किया जा सकता है अन्य तकनीकें, जैसे मल्टी-लेयर सौर कोशिकाएं।

विनिर्माण
कम उत्पादन दर के अलावा, विनिर्माण प्रक्रिया में बर्बाद सामग्री पर भी चिंताएं हैं। अंतरिक्ष-कुशल सौर पैनलों को बनाने के लिए परिपत्र वेफर्स (कोज़ोक्रलस्की प्रक्रिया के माध्यम से गठित बेलनाकार पिंडों का एक उत्पाद) को अष्टकोणीय कोशिकाओं में काटने की आवश्यकता होती है जिसे एक साथ पैक किया जा सकता है। बचे हुए पदार्थ का उपयोग पीवी कोशिकाओं को बनाने के लिए नहीं किया जाता है और पिघलने के लिए उत्पादन में वापस जाकर या तो त्याग दिया जाता है या पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। इसके अलावा, भले ही मोनो-सी कोशिकाएं घटना सतह के 20 माइक्रोन के भीतर अधिकांश फोटॉनों को अवशोषित कर सकती हैं, लेकिन पिंडिंग आवरण प्रक्रिया पर सीमाएं का मतलब वाणिज्यिक वेफर मोटाई आम तौर पर लगभग 200 माइक्रोन होता है। हालांकि, प्रौद्योगिकी में प्रगति से 2026 तक वेफर मोटाई 140 माइक्रोन तक कम होने की उम्मीद है।

अन्य विनिर्माण पद्धति का शोध किया जा रहा है, जैसे डायरेक्ट वेफर एपिटैक्शियल ग्रोथ, जिसमें पुन: प्रयोज्य सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर बढ़ती गैसीय परतें शामिल हैं। नई प्रक्रियाएं स्क्वायर क्रिस्टल के विकास की अनुमति दे सकती हैं जिन्हें गुणवत्ता या दक्षता समझौता किए बिना पतले वेफर्स में संसाधित किया जा सकता है, जिससे परंपरागत पिंडिंग आवरण और काटने के तरीकों से अपशिष्ट को खत्म किया जा सकता है।

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