Монокристален силикон

Монокристалниот силикон, често познат како еднокристален силикон или едноставно моно-Si, е критичен материјал кој широко се користи во модерната електроника и фотоволтаици. Како основа за дискретни компоненти базирани на силикон и интегрирани кола, тој игра витална улога во практично целата модерна електронска опрема, од компјутери до паметни телефони. Дополнително, моно-Si служи како високо ефикасен материјал што апсорбира светлина за производство на соларни ќелии, што го прави незаменлив во секторот на обновливите извори на енергија.

Се состои од силикон во кој кристалната структура на целото цврсто тело е континуирана, непрекината до нејзините рабови и без никакви граници на зрно (т.е. еден кристал). Моно-Si може ад се подготви како внатрешен полупроводник кој се состои само од претеранно чист силикон, или може да се допингува со додавање  на други елементи како што се бор или фосфор за да се добие силикон од p или n-тип. Поради неговите полупроводнички својства, еднокристалниот силикон е можеби најважниот технолошки материјал во последните неколку децении - „силиконската ера“. Неговата достапност по прифатлива цена е од суштинско значење за развојот на електронските уреди на кои се базира денешната револуција во електрониката и ИТ.

Монокристалниот силикон се разликува од другите алотропни форми, како што е некристалниот аморфен силикон — што се користи во соларни ќелии со тенок филм — и поликристалниот силикон, кој се состои од мали кристали познати како кристалити. .

 Производство 
Монокристалниот силикон генерално се создава со еден од неколкуте методи коии вклучуваат топење на силикон со висока чистота, полупроводнички степен (само неколку делови на милион нечистотии) и употреба на семе за да се иницира формирање на континуиран единечен кристал. Овој процес вообичаено се изведува во инертна атмосфера, како што е аргонот, и во инертен сад, како што е кварцот, за да се избегнат нечистотии кои би влијаеле на униформноста на кристалите.

Најчестата техника на производство е методот Чохралски, кој потопува прецизно ориентиран семенски кристал поставен на прачка во стопениот силикон.Тогаш шипката полека се влече нагоре и се ротира истовремено, дозволувајќи му на извлечениот материјал да се зацврсти во монокристален цилиндричен ингот долг до 2 метри и тежок неколку стотици килограми. Магнетните полиња исто така може да се применат за да се контролираи потисне турбулентниот проток, што дополнително ја подобрува униформноста на кристализацијата. Други методи се зонско топење, кое поминува поликристална силициумска прачка низ калем за загревање со радиофреквенција што создава локализирана стопена зона, од која расте семениот кристален ингот, и Бриџман техниките, кои го движат садот низ температурен градиент за да го изладат од крајот на контејнерот што го содржи семето. Зацврстените инготи потоа се сечат на тенки наполитанки за време на процесот наречен нафора. По обработката по обланда, наполитанките се подготвени за употреба во изработката.

Во споредба со леењето на поликристални инготи, производството на монокристален силикон е многу бавно и скапо. Сепак, побарувачката за моно-Si продолжува да расте поради супериорните електронски својства - недостатокот на граници на зрната овозможува подобар проток на носачот на полнење и спречува рекомбинација на електрони  - овозможувајќи подобрени перформанси на интегрираните кола и фотоволтаиците.

 Во електрониката 
Примарната примена на монокристалниот силикон е во производството на дискретни компоненти и интегрирани кола . Инготите направени со методот Чохралски се сечат со големина од околу 0,75мм дебелина и полирани за да се добие правилна, рамна подлога, на која се градат микроелектронски уреди преку различни процеси на микрофабрикација, како што се допинг или имплантација на јони, офорт, таложење на различни материјали и фотолитографско шаблирање.

Еден континуиран кристал е од клучно значење за електрониката, бидејќи границите на зрната, нечистотиите и кристалографските дефекти можат значително да влијаат на локалните електронски својства на материјалот, што пакк влијае на функционалноста, перформансите и доверливоста на полупроводничките уреди со попречување на нивната правилна работа. На пример, без кристално совршенство, би било практично невозможно да се изградат уреди за интеграција со многу големи размери (VLSI), во кои милијарди кола базирани на транзистор, од кои сите мора да функционираат сигурно, се комбинираат во еден чип за да формираат микропроцесор. Како таква, електронската индустрија инвестирала многу во капацитети за производство на големи единечни кристали од силикон.

 Во соларни ќелии 
мини|250x250пкс| Глобалниот пазарен удел во однос на годишното производство на PV технологија од 1980 година
Монокристалниот силикон се користи и за фотоволтаични (PV) уреди со високи перформанси. Бидејќи има помалку строги барања за структурни несовршености во споредба со апликациите за микроелектроника, силиконот со понизок калитет (Sog-Si) често се користи за соларни ќелии. И покрај ова, монокристално-силиконската фотоволтаична индустрија има голема корист од развојот на побрзи методи за производство на моно-Si за електронската индустрија.

 Пазарен удел 
Како втора најчеста форма на PV технологија, монокристалниот силикон е рангиран само зад неговата сестра, поликристалниот силикон. Поради значително повисоката стапка на производство и постојано намалување на трошоците за поли-силикон, пазарниот удел на моно-Si се намалува: во 2013 година, монокристалните соларни ќелии имале пазарен удел од 36%, што се претвори во производство од 12,6GW фотоволтаичен капацитет, , но уделот на пазарот паднал под 25% до 2016 година. И покрај намалениот удел на пазарот, еквивалентниот моно-Si PV капацитет произведен во 2016 година беше 20,2GW, што укажува на значително зголемување на целокупното производство на фотоволтаични технологии.

 Ефикасност 
Со евидентирана ефикасност на лабалаторија со едноспојни ќелии  и највисока потврдена ефикасност на конверзија од сите комерцијални PV технологии, пред полу-Si (22,3%) и воспоставените технологии со тенок филм, како што се CIGS ќелиите (21,7%), CdTe ќелиите (21,7%), CdTe ќелиите (2,0,0%) и 1.0%. Ефикасноста на соларниот модул за моно-Si - кои се секогаш пониски од оние на нивните соодветни ќелии - конечно ја преминаа границата од 20% во 2012 година и достигнаа 24,4% во 2016 година. Високата ефикасност во голема мера се должи на недостатокот на места за рекомбинација во еден кристал и подобрата апсорпција на фотоните поради неговата црна боја, во споредба со карактеристичната сина нијанса на поли-силиконот. Бидејќи тие се поскапи од нивните поликристални колеги, моно-Si ќелиите се корисни за апликации каде што главните размислувања се ограничувањата на тежината или достапната површина.

 Производство 
Покрај ниската стапка на производство, постои и загриженост за потрошениот материјал во производниот процес. Создавањето сончеви панели ефикасни во просторот бара сечење на кружните нпроизводи (производ на цилиндричните инготи формирани преку процесот на Чохралски) во октагонални ќелии кои можат тесно да се спакуваат. Остатокот од материјалот не се користи за создавање на PV ќелии и се фрла или се рециклира со враќање на производството на ингот за топење. Понатаму, иако моно-Si клетките можат да апсорбираат поголем дел од фотоните во рок од 20 микрометри од површината на инцидентот, ограничувањата на процесот на пилање на ингот значи дека дебелината на комерцијалната обланда е генерално околу 200микрометри. Сепак, напредокот во технологијата се очекува да ја намали дебелината на обландата до 140микрометри до 2026 година.

Се истражуваат и други методи на производство, како што е директен епитаксијален раст на нафора кој вклучува растење на гасовити слоеви на силиконски подлоги за повеќекратна употреба. Поновите процеси може да овозможат раст на квадратни кристали кои потоа може да се обработат во потенки наполитанки без да се загрозат квалитетот или ефикасноста, а со тоа да се елиминира отпадот од традиционалните методи на сечење и сечење на ингот. 

 Споредба со други форми на силикон 
Монокристалниот силикон значително се разликува од другите форми на силикон што се користат во соларната технологија, особено поликристалниот силикон и аморфниот силикон:

 Поликристален силикон: Составен од многу мали кристали (кристалити), поликристалниот силициум е попристапен за производство, но помалку ефикасен од монокристалниот силициум и во електрониката и во соларните ќелии. Неговата електрична спроводливост е попречена од границите на зрната, со што се намалуваат вкупните перформанси.
 Аморфен силикон: Аморфно тело и се користи главно во соларни ќелии со тенок филм, аморфниот силициум е лесен и флексибилен, но неговата ефикасност е многу помала во споредба со монокристалниот силикон. Често се користи во нижи апликации каде просторот или флексибилноста се поважни од ефикасноста.

 Изглед 

 Наводи 

Категорија:Алотропски модификации на силициумот
Категорија:Кристали
Категорија:Полуспроводници од IV група