单晶硅（Monocrystalline silicon）是目前几乎所有电子设备中使用的硅芯片的基础材料。 Mono-Si还可用作太阳能电池制造中的光伏吸收材料。

它由硅组成，其中整个固体的晶格是连续的，其边缘不破裂，并且没有任何晶界。 单晶硅可以制备为仅由非常纯的硅组成的本征半导体，或者可以通过添加诸如硼或磷的其他元素来掺杂以制造p型或n型硅。 由于其半导体特性，单晶硅可能是过去几十年中最重要的技术材料 – “硅时代”，因为它以可承受的成本获得对于现有电子器件的开发至关重要。 – 电子和IT革命的基础。

单晶硅不同于其他同素异形体形式，例如用于薄膜太阳能电池的非晶态非晶硅和多晶硅，其由小晶体（也称为微晶）组成。

生产
单晶硅通常通过几种方法中的一种产生，所述方法涉及熔化高纯度半导体级硅（仅百万分之几的杂质）和使用种子来引发连续单晶的形成。 该过程通常在惰性气氛（例如氩气）和惰性坩埚（例如石英）中进行，以避免会影响晶体均匀性的杂质。

最常见的生产方法是Czochralski工艺，它将精确定向的棒状晶种浸入熔融硅中。 然后将杆缓慢向上拉并同时旋转，使拉出的材料固化成长度达2米，重达数百公斤的单晶圆柱形锭。 还可以施加磁场来控制和抑制湍流，进一步改善结晶的均匀性。 其他方法是浮区生长，它通过射频加热线圈传递多晶硅棒，产生种子晶锭生长的局部熔融区，以及Bridgman技术，通过温度梯度移动坩埚以冷却它包含种子的容器的末端。 然后将固化的锭切成薄晶片用于进一步处理。

与多晶锭的铸造相比，单晶硅的生产非常缓慢且昂贵。 然而，由于优异的电子特性，对单晶硅的需求持续增加 – 缺少晶界允许更好的电荷载流子流动并防止电子复合 – 从而允许改善集成电路和光伏器件的性能。

在电子产品
单晶硅的主要应用是作为集成电路的机械支撑。 将由Czochralski工艺制成的锭切成约0.75mm厚的晶片并抛光以获得规则的平坦基板，微电子器件通过各种微加工工艺构建在其上，例如掺杂或离子注入，蚀刻，各种材料的沉积，以及光刻图案。

单个连续晶体对于电子器件至关重要，因为晶界，杂质和晶体缺陷会显着影响材料的局部电子特性，从而通过干扰电路路径而影响器件性能。 例如，如果没有结晶完美，几乎不可能构建超大规模集成（VLSI）器件，其中数十亿基于晶体管的电路（所有这些都必须可靠地工作）被组合成单个芯片以形成微处理器。 因此，电子工业在生产大型单晶硅的设施上投入了大量资金。

在太阳能电池中
单晶硅也用于高性能光伏（PV）器件。 由于与微电子应用相比，对结构缺陷的要求不那么严格，因此低质量的太阳能级硅（Sog-Si）通常用于太阳能电池。 尽管如此，单晶硅光伏产业已经从电子工业中更快的单硅生产方法的发展中受益匪浅。

市场份额
作为第二种最常见的光伏技术，单晶硅仅落后于其姐妹多晶硅。 由于生产率显着提高，多晶硅成本稳步下降，单晶硅的市场份额一直在下降：2013年，单晶硅太阳能电池的市场份额为36％，转化为12.6吉瓦的产量。光伏产能，但到2016年市场份额已降至25％以下。尽管市场份额下降，2016年产生的等效单光伏光伏容量为20.2吉瓦，表明光伏技术的总产量显着增加。

效率
记录的单结电池实验室效率为26.7％，单晶硅在所有商业光伏技术中的确认转换效率最高，超过poly-Si（22.3％）和已建立的薄膜技术，如CIGS电池（21.7） ％），CdTe电池（21.0％）和a-Si电池（10.2％）。 单晶硅的太阳能电池组件效率始终低于其相应电池的效率 – 最终在2012年超过了20％的标志，并在2016年达到了24.4％。高效率主要归因于单一的重组站点不足与多晶硅的特征蓝色相比，由于其黑色，晶体和更好的光子吸收。 由于它们比多晶体对应物更昂贵，因此单晶硅电池可用于主要考虑因素限制重量或可用面积的应用，例如航天器或太阳能驱动的卫星，通过与太阳能相结合可以进一步提高效率。其他技术，如多层太阳能电池。

制造业
除了低生产率外，还担心制造过程中浪费的材料。 创建节省空间的太阳能电池板需要将圆形晶圆（通过Czochralski工艺形成的圆柱形晶锭的产品）切割成可以紧密堆积在一起的八边形电池。 剩余材料不用于制造PV电池，而是通过回到铸锭生产进行熔化而丢弃或回收。 此外，即使单晶硅电池可以吸收入射表面20μm内的大部分光子，但是对晶锭锯切工艺的限制意味着商业晶片厚度通常为约200μm。 然而，预计到2026年，技术进步将晶圆厚度减少到140μm。

正在研究其他制造方法，例如直接晶片外延生长，其涉及在可重复使用的硅衬底上生长气体层。 较新的工艺可以使方形晶体生长，然后可以加工成更薄的晶片而不影响质量或效率，从而消除传统铸锭锯切和切割方法的浪费。