Монокристаллический кремний , часто называемый монокристаллическим кремнием или просто моно-Si, является критически важным материалом, широко используемым в современной электронике и фотовольтаике. Как основа для дискретных компонентов и интегральных схем на основе кремния , он играет жизненно важную роль практически во всем современном электронном оборудовании, от компьютеров до смартфонов. Кроме того, моно-Si служит высокоэффективным светопоглощающим материалом для производства солнечных элементов , что делает его незаменимым в секторе возобновляемой энергетики.
Он состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела является непрерывной, неразрывной до краев и свободной от каких-либо границ зерен (т. е. монокристалл ). Моно-Si может быть приготовлен как собственный полупроводник , который состоит только из чрезвычайно чистого кремния, или он может быть легирован путем добавления других элементов, таких как бор или фосфор, чтобы сделать кремний p-типа или n-типа . [1] Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний является, возможно, самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий — «кремниевой эры». [2] Его доступность по приемлемой цене имела важное значение для разработки электронных устройств, на которых основана современная электроника и революция в области информационных технологий .
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, известных как кристаллиты .
Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких методов, которые включают плавление высокочистого полупроводникового кремния (всего несколько частей на миллион примесей) и использование затравки для инициирования образования непрерывного монокристалла. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, например, аргона, и в инертном тигле, например, кварцевом , чтобы избежать примесей, которые могут повлиять на однородность кристалла.
Наиболее распространенным методом производства является метод Чохральского , при котором точно ориентированный установленный на стержне затравочный кристалл погружают в расплавленный кремний. Затем стержень медленно вытягивают вверх и одновременно вращают, позволяя вытянутому материалу затвердеть в монокристаллический цилиндрический слиток длиной до 2 метров и весом в несколько сотен килограммов. Магнитные поля также могут применяться для управления и подавления турбулентного потока, что еще больше улучшает однородность кристаллизации. [3] Другими методами являются зонная плавка , при которой поликристаллический кремниевый стержень проходит через радиочастотную нагревательную катушку, которая создает локализованную расплавленную зону, из которой вырастает слиток затравочного кристалла, и методы Бриджмена , при которых тигель перемещают через температурный градиент для его охлаждения с конца контейнера, содержащего затравку. [4] Затем затвердевшие слитки нарезают на тонкие пластины в ходе процесса, называемого вафлингом . После обработки после вафлинга пластины готовы к использованию в производстве.
По сравнению с литьем поликристаллических слитков, производство монокристаллического кремния очень медленное и дорогое. Однако спрос на моно-Si продолжает расти из-за превосходных электронных свойств — отсутствие границ зерен обеспечивает лучший поток носителей заряда и предотвращает рекомбинацию электронов [5] — что позволяет улучшить производительность интегральных схем и фотоэлектрических элементов.
Основное применение монокристаллического кремния — производство дискретных компонентов и интегральных схем . Слитки, изготовленные методом Чохральского, разрезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются для получения ровной плоской подложки, на которой с помощью различных процессов микрообработки , таких как легирование или ионная имплантация , травление , осаждение различных материалов и фотолитографическое формирование рисунка, изготавливаются микроэлектронные устройства .
Единый 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 функциональность, производительность и надежность полупроводниковых приборов , мешая их правильной работе. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно построить устройства сверхбольшой интеграции (VLSI), в которых миллиарды [6] транзисторных схем, все из которых должны надежно функционировать, объединяются в один чип для формирования микропроцессора. Таким образом, электронная промышленность вложила значительные средства в мощности по производству больших монокристаллов кремния.
Монокристаллический кремний также используется для высокопроизводительных фотоэлектрических (PV) устройств. Поскольку требования к структурным дефектам менее строгие по сравнению с микроэлектронными приложениями, для солнечных элементов часто используется низкокачественный солнечный кремний (Sog-Si). Несмотря на это, монокристаллическая кремниевая фотоэлектрическая промышленность получила большую выгоду от разработки более быстрых методов производства моно-Si для электронной промышленности.
Будучи второй по распространенности формой фотоэлектрической технологии, монокристаллический кремний уступает только своему собрату, поликристаллическому кремнию . Из-за значительно более высокой скорости производства и постоянно снижающейся стоимости поликремния, доля рынка монокристаллических солнечных элементов снижается: в 2013 году доля рынка монокристаллических солнечных элементов составляла 36%, что соответствовало производству 12,6 ГВт фотоэлектрической мощности, [7] но к 2016 году доля рынка упала ниже 25%. Несмотря на снижение доли рынка, эквивалентная мощность фотоэлектрических монокристаллических элементов, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что свидетельствует о значительном увеличении общего производства фотоэлектрических технологий. [8]
С зарегистрированной лабораторной эффективностью однопереходной ячейки 26,7% монокристаллический кремний имеет самую высокую подтвержденную эффективность преобразования из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и устоявшиеся тонкопленочные технологии , такие как ячейки CIGS (21,7%), ячейки CdTe (21,0%) и ячейки a-Si (10,2%). Эффективность солнечных модулей для моно-Si, которая всегда ниже, чем у соответствующих ячеек, наконец, преодолела отметку в 20% в 2012 году и достигла 24,4% в 2016 году. [9] Высокая эффективность во многом объясняется отсутствием участков рекомбинации в монокристалле и лучшим поглощением фотонов из-за его черного цвета по сравнению с характерным синим оттенком поли-кремния. Поскольку они дороже своих поликристаллических аналогов, моно-Si-ячейки полезны для приложений, где основными соображениями являются ограничения по весу или доступной площади.
Помимо низкой производительности, существуют также опасения по поводу отходов материала в процессе производства. Создание компактных солнечных панелей требует разрезания круглых пластин (продукт цилиндрических слитков, сформированных в процессе Чохральского) на восьмиугольные ячейки, которые можно упаковать близко друг к другу. Оставшийся материал не используется для создания фотоэлементов и либо выбрасывается, либо перерабатывается путем возврата в производство слитков для плавки. Кроме того, хотя моно-кремниевые ячейки могут поглощать большинство фотонов в пределах 20 мкм от падающей поверхности, ограничения на процесс распиловки слитков означают, что коммерческая толщина пластины обычно составляет около 200 мкм. Однако ожидается, что достижения в области технологий позволят уменьшить толщину пластин до 140 мкм к 2026 году. [10]
Другие методы производства исследуются, такие как прямой эпитаксиальный рост пластин , который включает выращивание газовых слоев на повторно используемых кремниевых подложках. Новые процессы могут позволить выращивать квадратные кристаллы, которые затем могут быть переработаны в более тонкие пластины без ущерба для качества или эффективности, тем самым устраняя отходы от традиционных методов распиловки и резки слитков. [11]
Монокристаллический кремний существенно отличается от других форм кремния, используемых в солнечной технике, в частности от поликристаллического кремния и аморфного кремния:
