Монокристаллический кремний
Монокристаллический кремний , чаще называемый монокристаллическим кремнием , сокращенно моно-c-Si или моно-Si , является базовым материалом для кремния на основе дискретных компонентов и интегральных схем, используемых практически во всем современном электронном оборудовании. Mono-Si также служит фотоэлектрическим , светопоглощающим материалом при производстве солнечных элементов .
Он состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела непрерывна, не нарушена до краев и не имеет границ зерен (т. е. представляет собой монокристалл ). Mono-Si можно приготовить как собственный полупроводник , состоящий только из чрезвычайно чистого кремния, или его можно легировать путем добавления других элементов, таких как бор или фосфор, для получения кремния p-типа или n-типа . [1] Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний является, пожалуй, самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий — «кремниевой эры». [2] Его доступность по доступной цене была необходима для разработки электронных устройств, на которых современная революция в области электроники и информационных технологий основана .
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 .
Производство
[ редактировать ]Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких методов, которые включают плавление кремния высокой чистоты полупроводникового качества (всего несколько частей на миллион примесей) и использование затравки для инициирования образования непрерывного монокристалла. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, такой как аргон, и в инертном тигле, таком как кварц , чтобы избежать примесей, которые могут повлиять на однородность кристалла.
Наиболее распространенной технологией производства является метод Чохральского , закрепленный на стержне, погружается , при котором точно ориентированный затравочный кристалл 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 несколько сотен килограммов. Магнитные поля также могут применяться для контроля и подавления турбулентного потока, что еще больше улучшает однородность кристаллизации. [3] Другими методами являются зонная плавка , при которой стержень из поликристаллического кремния пропускают через катушку радиочастотного нагрева, создающая локализованную расплавленную зону, из которой растет слиток затравочного кристалла, и методы Бриджмена , которые перемещают тигель через температурный градиент, чтобы охладить его с конца. контейнера с семенами. [4] Затвердевшие слитки затем нарезаются на тонкие пластины в ходе процесса, называемого вафлями . После обработки 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] — позволяющие улучшить производительность интегральных схем и фотоэлектрических элементов.
В электронике
[ редактировать ]Основное применение монокристаллического кремния – производство дискретных компонентов и интегральных схем . Слитки, изготовленные методом Чохральского, нарезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются до получения правильной плоской подложки, на которую микроэлектронные строятся устройства с помощью различных процессов микропроизводства , таких как легирование или ионная имплантация , травление , осаждение различных материалов и т. д. фотолитографический рисунок.
Один сплошной 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 устройств , мешая их правильной работе. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно создать устройства сверхбольшой интеграции (СБИС), в которых миллиарды [6] Транзисторные схемы, все из которых должны работать надежно, объединяются в один чип и образуют микропроцессор. Таким образом, электронная промышленность вложила значительные средства в мощности по производству крупных монокристаллов кремния.
В солнечных батареях
[ редактировать ]
Монокристаллический кремний также используется в высокопроизводительных фотоэлектрических (PV) устройствах. Поскольку требования к структурным недостаткам менее строгие по сравнению с приложениями в микроэлектронике, для солнечных элементов часто используется кремний более низкого качества солнечного качества (Sog-Si). Несмотря на это, фотоэлектрическая промышленность монокристаллического кремния получила большую выгоду от разработки более быстрых методов производства монокремния для электронной промышленности.
Доля рынка
[ редактировать ]Монокристаллический кремний, являющийся второй наиболее распространенной формой фотоэлектрических технологий, уступает только своему сестре, поликристаллическому кремнию . Из-за значительно более высоких темпов производства и стабильно снижающейся стоимости поликремния доля монокристаллического кремния на рынке снижается: в 2013 году монокристаллические солнечные элементы имели долю рынка 36%, что привело к производству 12,6 ГВт энергии. фотоэлектрическая мощность, [7] но к 2016 году доля рынка упала ниже 25%. Несмотря на снижение доли рынка, эквивалентная фотоэлектрическая мощность моно-Si, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что указывает на значительный рост общего производства фотоэлектрических технологий. [8]
Эффективность
[ редактировать ]При зарегистрированной лабораторной эффективности однопереходных ячеек 26,7% монокристаллический кремний имеет самую высокую подтвержденную эффективность преобразования среди всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и признанные тонкопленочные технологии , такие как элементы CIGS (21,7%) . %), ячейки CdTe (21,0%) и ячейки a-Si (10,2%). КПД солнечных модулей для моно-кремниевых элементов, которые всегда ниже, чем у соответствующих элементов, наконец, пересек отметку в 20% в 2012 году и достиг 24,4% в 2016 году. [9] Высокая эффективность во многом объясняется отсутствием мест рекомбинации в монокристалле и лучшим поглощением фотонов благодаря его черному цвету по сравнению с характерным синим оттенком поликремния. Поскольку они дороже, чем их поликристаллические аналоги, моно-кремниевые элементы полезны для применений, где основными соображениями являются ограничения по весу или доступной площади.
Производство
[ редактировать ]Помимо низкой производительности, существуют также опасения по поводу отходов материала в производственном процессе. Для создания компактных солнечных панелей необходимо разрезать круглые пластины (продукт цилиндрических слитков, полученных в процессе Чохральского) на восьмиугольные ячейки, которые можно упаковать близко друг к другу. Оставшийся материал не используется для создания фотоэлектрических элементов и либо выбрасывается, либо перерабатывается, возвращаясь в производство слитков для плавки. Более того, даже несмотря на то, что элементы моно-Si могут поглощать большую часть фотонов в пределах 20 мкм от падающей поверхности, ограничения процесса распиловки слитков означают, что толщина коммерческой пластины обычно составляет около 200 мкм. Однако ожидается, что развитие технологий приведет к уменьшению толщины пластин до 140 мкм к 2026 году. [10]
В настоящее время исследуются другие методы производства, такие как прямой эпитаксиальный рост пластин , который включает выращивание газовых слоев на кремниевых подложках многократного использования. Новые процессы могут позволить выращивать квадратные кристаллы, которые затем можно будет перерабатывать в более тонкие пластины без ущерба для качества и эффективности, тем самым устраняя отходы от традиционных методов распиловки и резки слитков. [11]
Появление
[ редактировать ]
-
Кристаллическая структура кремния образует кубический алмаз. -
Устройства СБИС, изготовленные Intel на пластине монокристаллического кремния -
Солнечная панель из восьмиугольных монокристаллических кремниевых ячеек. -
Сравнение солнечных элементов : поли-Si (слева) и моно-Si (справа)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Монковски-младший; Блум, Дж.; Гилинг, LJ; Греф, MWM (1979). «Сравнение внедрения легирующих примесей в поликристаллический и монокристаллический кремний». Прил. Физ. Летт . 35 (5): 410–412. Бибкод : 1979АпФЛ..35..410М . дои : 10.1063/1.91143 .
- ^ В.Хейванг, К.Х.Заинингер, Кремний: полупроводниковый материал , в Кремний: эволюция и будущее технологии , П.Зифферт, ред. ECKrimmel, издательство Springer,
- ^ Ван, К.; Чжан, Х.; Ван, TH; Чишек, Т.Ф. (2003). «Система непрерывного выращивания кристаллов кремния по методу Чохральского». Журнал роста кристаллов . 250 (1–2): 209–214. Бибкод : 2003JCrGr.250..209W . дои : 10.1016/s0022-0248(02)02241-8 .
- ^ Каппер, Питер; Рудольф, Питер (2010). Технология выращивания кристаллов: полупроводники и диэлектрики . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 9783527325931 . OCLC 663434790 .
- ^ Уэнам, СР; Грин, Массачусетс; Ватт, Мэн; Коркиш Р. (2007). Прикладная фотоэлектрика (2-е изд.). Лондон: Earthscan. ISBN 9781844074013 . OCLC 122927906 .
- ^ Питер Кларк, Intel вступает в эпоху процессоров с миллиардом транзисторов , EE Times, 14 октября 2005 г.
- ↑ Отчет о фотоэлектрической энергии , Fraunhofer ISE, 28 июля 2014 г.
- ^ Отчет о фотоэлектрической энергии , Fraunhofer ISE, 26 февраля 2018 г.
- ^ Грин, Мартин А.; Хишикава, Ёсихиро; Данлоп, Юэн Д.; Леви, Дин Х.; Холь-Эбингер, Йохен; Хо-Бэйли, Анита, Вайоминг (01 января 2018 г.). «Таблицы эффективности солнечных батарей (версия 51)» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 26 (1): 3–12. дои : 10.1002/pip.2978 . ISSN 1099-159Х .
- ^ Отчет о технологиях солнечной промышленности за 2015–2016 гг. , Canadian Solar, октябрь 2016 г.
- ^ Скэнлон, Билл (27 августа 2014 г.). «Crystal Solar и NREL объединяются, чтобы сократить расходы» . НРЭЛ . Проверено 01 марта 2018 г.