Il silicio monocristallino (chiamato anche “silicio monocristallino”, “Si a cristallo singolo”, “mono c-Si” o mono-Si) è il materiale di base per i chip di silicio utilizzato praticamente in tutte le apparecchiature elettroniche oggi. Mono-Si funge anche da materiale fotovoltaico, che assorbe la luce nella produzione di celle solari.
È costituito da silicio in cui il reticolo cristallino di tutto il solido è continuo, ininterrotto ai suoi bordi, e privo di bordi di grano. Il mono-Si può essere preparato come un semiconduttore intrinseco costituito solo da silicio estremamente puro, oppure può essere drogato aggiungendo altri elementi come il boro o il fosforo per realizzare silicio di tipo p o n. A causa delle sue proprietà semiconduttive, il silicio monocristallino è forse il materiale tecnologico più importante degli ultimi decenni – l’era del silicio, perché la sua disponibilità a un costo accessibile è stato essenziale per lo sviluppo dei dispositivi elettronici sui quali il presente l’elettronica di tutti i giorni e la rivoluzione IT è basata.
Il silicio monocristallino differisce dalle altre forme allotropiche, come il silicio amorfo non cristallino, usato nelle celle solari a film sottile, e il silicio policristallino, che consiste in piccoli cristalli noti anche come cristalliti.
Produzione
Il silicio monocristallino viene generalmente creato con uno dei numerosi metodi che implicano la fusione di silicio di elevata purezza, semiconduttori (solo poche parti per milione di impurità) e l’uso di un seme per iniziare la formazione di un singolo cristallo continuo. Questo processo viene normalmente eseguito in un’atmosfera inerte, come l’argon, e in un crogiolo inerte, come il quarzo, per evitare impurità che potrebbero influenzare l’uniformità del cristallo.
Il metodo di produzione più comune è il processo Czochralski, che immerge un cristallo di seme montato su asta con precisione nel silicio fuso. L’asta viene quindi tirata lentamente verso l’alto e ruotata simultaneamente, consentendo al materiale estratto di solidificarsi in un lingotto cilindrico monocristallino fino a 2 metri di lunghezza e del peso di diverse centinaia di chilogrammi. I campi magnetici possono anche essere applicati per controllare e sopprimere il flusso turbolento, migliorando ulteriormente l’uniformità della cristallizzazione. Altri metodi sono la crescita della zona galleggiante, che passa una barra di silicio policristallino attraverso una bobina di riscaldamento a radiofrequenza che crea una zona fusa localizzata, dalla quale cresce un lingotto di cristallo di seme, e tecniche Bridgman, che muovono il crogiolo attraverso un gradiente di temperatura per raffreddarlo da la fine del contenitore contenente il seme. I lingotti solidificati vengono quindi tranciati in wafer sottili per ulteriori elaborazioni.
Rispetto alla colata di lingotti policristallini, la produzione di silicio monocristallino è molto lenta e costosa. Tuttavia, la domanda di mono-Si continua ad aumentare a causa delle superiori proprietà elettroniche: la mancanza di bordi dei grani consente un migliore flusso del carrier di carica e impedisce la ricombinazione elettronica, consentendo prestazioni migliorate dei circuiti integrati e del fotovoltaico.
In elettronica
L’applicazione primaria del silicio monocristallino è come supporto meccanico per circuiti integrati. I lingotti ricavati dal processo Czochralski vengono tagliati in fette di circa 0,75 mm di spessore e lucidati per ottenere un substrato regolare e piatto su cui vengono costruiti dispositivi microelettronici attraverso vari processi di microfabbricazione, come il drogaggio o l’impianto di ioni, l’incisione, la deposizione di vari materiali, e pattern fotolitografici.
Un singolo cristallo continuo è fondamentale per l’elettronica, poiché i bordi dei grani, le impurità e i difetti cristallografici possono avere un impatto significativo sulle proprietà elettroniche locali del materiale, il che a sua volta influisce sulle prestazioni del dispositivo interferendo con i percorsi del circuito. Ad esempio, senza perfezione cristallina, sarebbe praticamente impossibile costruire dispositivi di integrazione su larga scala (VLSI), in cui miliardi di circuiti basati su transistor, che devono funzionare in modo affidabile, sono combinati in un singolo chip per formare un microprocessore . Come tale, l’industria elettronica ha investito molto in strutture per produrre grandi cristalli singoli di silicio.
Nelle celle solari
Il silicio monocristallino viene utilizzato anche per dispositivi fotovoltaici (PV) ad alte prestazioni. Dal momento che ci sono richieste meno stringenti sulle imperfezioni strutturali rispetto alle applicazioni di microelettronica, il silicio di qualità solare di bassa qualità (Sog-Si) viene spesso utilizzato per le celle solari. Nonostante ciò, l’industria fotovoltaica del silicio monocristallino ha tratto grande vantaggio dallo sviluppo di metodi di produzione mono-Si più veloci per l’industria elettronica.
Quota di mercato
Essendo la seconda forma più comune di tecnologia fotovoltaica, il silicio monocristallino si posiziona dietro solo al suo silicio policristallino gemello. A causa del tasso di produzione significativamente più alto e dei costi in costante diminuzione del poli-silicio, la quota di mercato del mono-Si è diminuita: nel 2013 le celle solari monocristalline avevano una quota di mercato del 36%, che si traduceva nella produzione di 12,6 GW di capacità fotovoltaica, ma la quota di mercato era scesa al di sotto del 25% entro il 2016. Nonostante la quota di mercato ridotta, l’equivalente capacità fotovoltaica mono-Si prodotta nel 2016 era di 20,2 GW, indicando un significativo aumento della produzione complessiva di tecnologie fotovoltaiche.
Efficienza
Con un’efficienza di laboratorio delle celle a giunzione singola pari al 26,7%, il silicio monocristallino ha la più alta efficienza di conversione confermata tra tutte le tecnologie fotovoltaiche commerciali, precedendo il poli-Si (22,3%) e le tecnologie a film sottile stabilite, come le celle CIGS (21,7 %), Cellule CdTe (21,0%) e cellule a-Si (10,2%). L’efficienza del modulo solare per mono-Si, che è sempre inferiore a quella delle celle corrispondenti, ha finalmente superato il segno del 20% nel 2012 e ha raggiunto il 24,4% nel 2016. L’elevata efficienza è in gran parte attribuibile alla mancanza di siti di ricombinazione nel singolo cristallo e migliore assorbimento dei fotoni dovuto al suo colore nero, rispetto alla caratteristica tonalità blu del polisilicio. Dal momento che sono più costosi delle loro controparti policristalline, le celle mono-Si sono utili per le applicazioni in cui le principali considerazioni sono limitazioni sul peso o area disponibile, come in veicoli spaziali o satelliti alimentati da energia solare, dove l’efficienza può essere ulteriormente migliorata attraverso la combinazione con altre tecnologie, come le celle solari multistrato.
Produzione
Oltre al basso tasso di produzione, ci sono anche preoccupazioni per il materiale sprecato nel processo di produzione. La creazione di pannelli solari efficienti dal punto di vista dello spazio richiede il taglio dei wafer circolari (un prodotto dei lingotti cilindrici formati attraverso il processo Czochralski) in celle ottagonali che possono essere imballate strettamente insieme. Il materiale rimanente non viene utilizzato per creare celle fotovoltaiche e viene scartato o riciclato tornando alla produzione di lingotti per la fusione. Inoltre, anche se le cellule mono-Si possono assorbire la maggior parte dei fotoni entro 20 μm dalla superficie incidente, le limitazioni sul processo di taglio delle lingotti significano che lo spessore del wafer commerciale è generalmente intorno ai 200 μm. Tuttavia, i progressi tecnologici dovrebbero ridurre gli spessori dei wafer a 140 μm entro il 2026.
Altri metodi di produzione sono stati studiati, come la crescita epitassiale del wafer diretto, che comporta la crescita di strati gassosi su substrati di silicio riutilizzabili. I processi più recenti possono consentire la crescita di cristalli quadrati che possono poi essere trasformati in wafer più sottili senza compromettere la qualità o l’efficienza, eliminando in tal modo gli scarti dai tradizionali metodi di taglio e segatura di lingotti.