単結晶シリコン（Monocrystalline silicon）は、今日のほぼすべての電子機器に使用されているシリコンチップの基材です。 Mono-Siはまた、太陽電池の製造における光起電性の光吸収材料としても機能する。
これは、全体の固体の結晶格子が連続しており、端部に破れず、粒界がないシリコンからなる。 Mono-Siは、非常に純粋なシリコンのみからなる真性半導体として調製することができ、またはp型またはn型シリコンを作るためにホウ素またはリンなどの他の元素を添加することによってドープすることができる。 その半導体特性のために、単結晶シリコンはおそらく、過去数十年の最も重要な技術材料、「シリコン時代」である。なぜなら、手頃な価格での入手が、現在の電子デバイスの開発にとって不可欠であったからである日エレクトロニクスとIT革命が基本です。
単結晶シリコンは、薄膜太陽電池に使用される非晶質アモルファスシリコンなどの他の同素体と、微結晶としても知られる小さな結晶で構成される多結晶シリコンとは異なります。
製造
単結晶シリコンは、一般に、高純度の半導体グレードのシリコン（数百万分の1の不純物のみ）を溶融し、連続単結晶の形成を開始するための種を使用するいくつかの方法の1つによって作成される。 このプロセスは、通常、結晶の均一性に影響を与える不純物を避けるために、アルゴンのような不活性雰囲気中、および石英のような不活性るつぼ内で行われる。
最も一般的な製造方法は、チョクラルスキープロセスであり、精密に配向されたロッドマウント種結晶を溶融シリコンに浸漬する。 次いで、ロッドをゆっくりと引き上げて同時に回転させ、引っ張った材料を単結晶の円筒状インゴットにして最大2メートル、重量が数百キログラムになるまで凝固させる。 乱流を制御および抑制するために磁場を印加して、結晶化の均一性をさらに改善することもできる。 他の方法は、種結晶インゴットが成長する局部的な溶融ゾーンを作り出す高周波加熱コイルに多結晶シリコンロッドを通すフロートゾーン成長と、るつぼを温度勾配で移動させて冷却するブリッジマン技術である種子を含む容器の端部。 次に、固化したインゴットを、さらなる処理のために薄いウエハーにスライスする。
多結晶インゴットの鋳造と比較して、単結晶シリコンの製造は非常に遅く、高価である。 しかし、モノシリックの需要は優れた電子特性のために増加し続けています。粒界の不足は電荷キャリアの流れを良くし、電子の再結合を防ぎ、集積回路や太陽電池の性能を向上させます。
エレクトロニクス分野
単結晶シリコンの主な用途は、集積回路の機械的支持としてである。 チョクラルスキープロセスから製造されたインゴットを約0.75mmの厚さのウェハにスライスし、研磨して規則的な平坦な基板を得て、マイクロ電子デバイスをドーピングまたはイオン注入、エッチング、様々な材料の堆積などの様々な微細加工プロセスによって構築する。フォトリソグラフィパターニング。
粒界、不純物、および結晶学的欠陥は、回路パスを妨害することによってデバイスの性能に影響を与える材料の局所的な電気的特性に著しく影響を与える可能性があるため、単一の連続結晶がエレクトロニクスにとって重要です。 例えば、結晶完全性がなければ、信頼性をもって機能しなければならない数十億のトランジスタベースの回路が単一のチップに結合されてマイクロプロセッサを形成する非常に大規模な集積（VLSI）デバイスを構築することは事実上不可能である。 このように、エレクトロニクス産業は、シリコンの大きな単結晶を製造するための設備に多額の投資を行ってきた。
太陽電池
単結晶シリコンは、高性能光起電（PV）デバイスにも使用されています。 マイクロエレクトロニクスのアプリケーションと比較して構造の不完全性に対する要求が厳しくないため、低品質のソーラーグレードのシリコン（Sog-Si）が太陽電池によく使用されます。 それにもかかわらず、単結晶シリコン太陽電池産業は、エレクトロニクス産業向けのより速いモノSi製造方法の開発から大きく利益を得ている。
市場占有率
PV技術の2番目に一般的な形態であるため、単結晶シリコンは、姉妹の多結晶シリコンの背後にランクされています。 生産率が大幅に上昇し、ポリシリコンのコストが着実に低下しているため、モノSiの市場シェアは減少しています。2013年の単結晶太陽電池の市場シェアは36％で、12.6GW市場シェアは2016年までに25％以下に低下しました。市場シェアの低下にもかかわらず、2016年に生産された同等のモノSi太陽電池容量は20.2GWであり、太陽光発電技術全体の生産が大幅に増加しました。
効率
単結晶シリコンラボの効率は26.7％で、ポリシリコン（22.3％）やCIGSセル（21.7％）などの薄膜技術の確立に先立ち、 ％）、CdTe細胞（21.0％）、a-Si細胞（10.2％）であった。 モノ-Siの太陽電池モジュールの効率は、常に対応するセルの太陽電池モジュールの効率よりも低く、最終的に2012年には20％を超え、2016年には24.4％に達しました。高効率は主に単一セル内の再結合サイトがないことに起因しますポリシリコンの特徴的な青色の色相と比較して、黒色のために光子のより良好な吸収を可能にする。 単結晶Siセルは多結晶質のものよりも高価であるため、宇宙船や太陽エネルギーで動くサテライトなどの重量や利用可能な領域の制限が主な考慮事項であり、効率をさらに改善することができます多層太陽電池などの他の技術。
製造業
生産率が低いことに加えて、製造工程での無駄な材料に対する懸念もある。 スペース効率の良いソーラーパネルを作成するには、円形ウエハー（チョクラルスキープロセスによって形成された円筒状インゴットの製品）を、互いに密接に詰め込むことができる八角形のセルに切断する必要があります。 残った材料はPVセルの製造に使用されず、溶融のためにインゴット製造に戻ることによって廃棄またはリサイクルされます。 さらに、モノSiセルは入射面の20μm以内の光子の大部分を吸収することができるが、インゴット切断プロセスの限界は、一般に約200μmであることを意味する。 しかし、技術の進歩により、2026年までにウェハの厚さを140μmに減少させることが期待されている。
再利用可能なシリコン基板上にガス層を成長させる直接ウエハエピタキシャル成長のような他の製造方法が研究されている。 より新しいプロセスでは、正方形結晶の成長が可能になり、品質または効率を損なうことなくより薄いウェハに加工でき、従来のインゴット切断および切断方法から無駄を排除することができる。