Монокристаллический кремний является основным материалом для кремниевых чипов, используемых сегодня практически во всем электронном оборудовании. Моно-Si также служит фотогальваническим, светопоглощающим материалом при производстве солнечных элементов.

Он состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела является непрерывной, непрерывной по ее краям и свободной от границ зерен. Моно-Si может быть получен как собственный полупроводник, который состоит только из чрезвычайно чистого кремния или может быть легирован добавлением других элементов, таких как бор или фосфор, для получения кремния типа p или n. Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний является, пожалуй, самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий — эпохой кремния, поскольку его доступность по доступной цене была необходима для разработки электронных устройств, на которых — электроника и ИТ-революция.

Монокристаллический кремний отличается от других аллотропных форм, таких как некристаллический аморфный кремний, используемый в тонкопленочных солнечных элементах, и поликристаллический кремний, который состоит из небольших кристаллов, также известных как кристаллиты.

производство
Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких способов, которые включают плавление высокочистого кремния полупроводникового класса (всего несколько частей на миллион примесей) и использование семени для инициирования образования непрерывного монокристалла. Этот процесс обычно проводят в инертной атмосфере, такой как аргон, и в инертном тигле, таком как кварц, во избежание примесей, которые влияют на однородность кристалла.

Наиболее распространенным методом производства является процесс Чохральского, который погружает в расплавленный кремний точно ориентированный стержень-семенной кристалл. Затем стержень медленно поднимается вверх и вращается одновременно, позволяя затянутому материалу затвердевать в монокристаллический цилиндрический слиток длиной до 2 метров и весом в несколько сотен килограммов. Магнитные поля могут также применяться для управления и подавления турбулентного потока, что дополнительно улучшает однородность кристаллизации. Другими методами являются рост флоат-зоны, который проходит через поликристаллический кремниевый стержень через радиочастотную нагревательную катушку, которая создает локализованную зону расплава, из которой растет слиток семенного кристалла, и методы Бриджмена, которые перемещают тигель через температурный градиент, чтобы охладить его от конец контейнера, содержащего семена. Затем затвердевшие слитки нарезают на тонкие пластины для дальнейшей обработки.

По сравнению с литьем поликристаллических слитков производство монокристаллического кремния очень медленно и дорого. Однако спрос на моно-Si продолжает расти из-за превосходных электронных свойств — отсутствие границ зерен позволяет лучше переносить поток носителей заряда и препятствует рекомбинации электронов, что позволяет повысить производительность интегральных схем и фотоэлектрических элементов.

В электронике
Первичное применение монокристаллического кремния является механической поддержкой интегральных схем. Слитки, изготовленные из процесса Чохральского, нарезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются для получения обычной плоской подложки, на которую микроэлектронные устройства строятся посредством различных процессов микрообработки, таких как легирование или ионная имплантация, травление, осаждение различных материалов и фотолитографическое паттернирование.

Один непрерывный кристалл имеет решающее значение для электроники, поскольку границы зерен, примеси и кристаллографические дефекты могут существенно влиять на локальные электронные свойства материала, что, в свою очередь, влияет на характеристики устройства, мешая контурам. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно построить очень крупномасштабные интеграционные (VLSI) устройства, в которых миллиарды транзисторных схем, все из которых должны функционировать надежно, объединяются в один чип для формирования микропроцессора , Таким образом, электроника вложила значительные средства в создание мощных монокристаллов кремния.

В солнечных батареях
Монокристаллический кремний также используется для высокоэффективных фотоэлектрических (PV) устройств. Поскольку требования к структурным несовершенствам по сравнению с приложениями микроэлектроники предъявляют менее жесткие требования, для солнечных элементов часто используется низкокачественный солнечный кремний (Sog-Si). Несмотря на это, фотоэлектрическая промышленность монокристаллического кремния значительно выиграла от разработки более быстрых методов производства моно-Si для электронной промышленности.

Доля рынка
Будучи второй наиболее распространенной формой PV-технологии, монокристаллический кремний занимает место только его сестра, поликристаллический кремний. Из-за значительно более высокой скорости производства и неуклонного снижения затрат на поли-кремний доля рынка моно-Si снижается: в 2013 году доля монокристаллических солнечных элементов составляла 36%, что привело к производству 12,6 ГВт но доля рынка снизилась ниже 25% к 2016 году. Несмотря на снижение доли рынка, эквивалентная мощность моно-Si PV, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что свидетельствует о значительном увеличении общего производства фотоэлектрических технологий.

КПД
Благодаря зарегистрированной эффективности одноярусной клеточной лаборатории 26,7% монокристаллический кремний имеет самую высокую подтвержденную эффективность конверсии из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и разработанные тонкопленочные технологии, такие как ячейки CIGS (21,7 %), Клетки CdTe (21,0%) и a-Si-клетки (10,2%). Эффективность солнечных модулей для моно-Si, которые всегда ниже, чем у их соответствующих ячеек, наконец-то пересекла отметку 20% в 2012 году и достигла 24,4% в 2016 году. Высокая эффективность во многом объясняется отсутствием сайтов рекомбинации в одном кристалла и лучшего поглощения фотонов из-за его черного цвета по сравнению с характерным синим оттенком поли-кремния. Поскольку они более дорогие, чем их поликристаллические аналоги, ячейки моно-Si полезны для применений, где основными соображениями являются ограничения на вес или доступную площадь, например, на космических аппаратах или спутниках, работающих на солнечной энергии, где эффективность может быть дополнительно улучшена путем сочетания с других технологий, таких как многослойные солнечные элементы.

производство
Помимо низкой производительности, в производственном процессе также есть проблемы с расходованным материалом. Создание космически эффективных солнечных панелей требует резки круговых пластин (продукта цилиндрических слитков, образованных в процессе Чохральского) в восьмиугольные ячейки, которые могут быть упакованы близко друг к другу. Оставшийся материал не используется для создания фотоэлементов и либо отбрасывается, либо рециклируется, возвращаясь к производству слитков для плавки. Кроме того, хотя моно-Si-клетки могут поглощать большую часть фотонов в пределах 20 мкм падающей поверхности, ограничения на процесс распиловки слитков означают, что средняя толщина пластины составляет около 200 мкм. Тем не менее, ожидается, что прогресс в технологии снизит толщину пластины до 140 мкм к 2026 году.

Проводятся другие методы производства, такие как эпитаксиальный рост прямой пластины, который включает в себя выращивание газообразных слоев на многоразовых кремниевых подложках. Новые процессы могут позволить рост квадратных кристаллов, которые затем могут быть обработаны в более тонкие пластины без ущерба для качества или эффективности, тем самым устраняя отходы традиционных методов распиловки и резания.