سیلیسیم تک کریستالی

سیلیسیم تک کریستالی که اغلب سیلیسیم تک بلور نامیده می‌شود، به‌طور خلاصه مونو c-Si یا mono-Si، ماده پایه برای اجزای گسسته مبتنی بر سیلیسیم و مدارهای مجتمع است که تقریباً در تمام تجهیزات الکترونیکی مدرن استفاده می‌شود. Mono-Si همچنین به عنوان یک ماده فتوولتائیک و جذب کننده نور در ساخت سلول‌های خورشیدی عمل می‌کند.

از سیلیسیم تشکیل شده‌است که در آن شبکه براوه کل جامد پیوسته، تا لبه‌های آن شکسته نشده و عاری از هر گونه مرز دانه ای است. Mono-Si را می‌توان به عنوان یک نیمه رسانای ذاتی که فقط از سیلیسیم بسیار خالص تشکیل شده‌است تهیه کرد، یا می‌توان آن را با افزودن عناصر دیگری مانند بور یا فسفر برای ساخت سیلیسیم نوع p یا نوع n ذوب کرد.^[۱] سیلیسیم تک کریستالی به دلیل خواص نیم رسانا آن، شاید مهم‌ترین ماده تکنولوژیکی چند دهه اخیر باشد^[۲] زیرا در دسترس بودن آن با هزینه مقرون به صرفه برای توسعه دستگاه‌های الکترونیکی ضروری بوده‌است. که انقلاب امروزی الکترونیک و فناوری اطلاعات مبتنی بر آن است.

سیلیسیم تک کریستالی با سایر دگرشکلی‌ها مانند سیلیسیم آمورف غیر کریستالی - که در سلول‌های خورشیدی لایه نازک استفاده می‌شود و سیلیکون پلی کریستالی که از بلورهای کوچکی به نام کریستالیت‌ها تشکیل شده‌است، متفاوت است.

تولید ویرایش

سیلیسیم تک بلور معمولاً با یکی از چندین روش ایجاد می‌شود که شامل ذوب سیلیسیم با درجه خلوص بالا و نیمه هادی (فقط چند قسمت در میلیون ناخالصی) و استفاده از یک بذر بلور برای شروع تشکیل یک بلور منفرد پیوسته‌است. این فرایند معمولاً در یک اتمسفر بی اثر مانند آرگون و در یک بوته بی اثر مانند کوارتز انجام می‌شود تا از ناخالصی‌هایی که بر یکنواختی کریستال تأثیر می‌گذارد جلوگیری شود.

متداول‌ترین روش تولید، روش فرایند چکرالسکی که یک بذر بلور که دقیقاً روی میله نصب شده‌است را در سیلیسیم مذاب فرومی‌کند. سپس میله به آرامی به سمت بالا کشیده می‌شود و به‌طور همزمان می‌چرخد و به مواد کشیده شده اجازه می‌دهد تا به شکل یک شمش استوانه ای تک کریستالی به طول ۲ متر و وزن چند صد کیلوگرم جامد شوند. میدان‌های مغناطیسی نیز ممکن است برای کنترل و سرکوب جریان آشفته اعمال شوند و یکنواختی کریستالیزاسیون را بیشتر بهبود بخشند.^[۳] روش‌های دیگر عبارتند از ذوب ناحیه‌ای، که یک میله سیلیسیم پلی کریستالی را از طریق یک سیم پیچ گرمایش فرکانس رادیویی عبور می‌دهد که یک ناحیه مذاب موضعی ایجاد می‌کند، که از آن یک شمش کریستال بذر رشد می‌کند، و فرایند بریجمن-استوکبرگ، که بوته را از یک گرادیان دما حرکت می‌دهد تا از انتهای آن خنک شود. ظرف حاوی دانه شمش جامد هستند و سپس به نازک ورقه ویفر طی فرآیندی به نام ویفرینگ. پس از پردازش پس از ویفرینگ، ویفرها آماده استفاده در ساخت هستند.

در مقایسه با ریخته‌گری شمش‌های پلی کریستالی، تولید سیلیسیم مونو کریستال بسیار کند و گران است. با این حال، تقاضا برای سیلیسیم تک کریستالی به دلیل خواص الکترونیکی برتر همچنان در حال افزایش است - فقدان مرزهای دانه اجازه می‌دهد تا جریان حامل بار بهتری داشته باشد و تولید و بازترکیب حامل باعث بهبود عملکرد مدارهای مجتمع و فتوولتائیک می‌شود.

در الکترونیک ویرایش

کاربرد اصلی سیلیسیم تک کریستالی در تولید قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع است. شمش‌های ساخته شده به روش چکرالسکی به صفحه‌هایی به ضخامت حدود ۰٫۷۵ میلی‌متر برش داده می‌شوند و صیقل داده می‌شود تا یک بستر منظم و مسطح به دست آید، که دستگاه‌های میکروالکترونیک از طریق فرایندهای مختلف ریزساخت ساخته می‌شوند، مانند آلایش یا کاشت یون، زدایش، رسوب گذاری مواد مختلف، و الگوبرداری طرح‌نگار نوری.

یک کریستال پیوسته برای الکترونیک بسیار مهم است، زیرا مرزهای دانه، ناخالصی‌ها و ناکاملی بلوری می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی بر خواص الکترونیکی محلی مواد تأثیر بگذارند، که به نوبه خود بر عملکرد، عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های نیمه‌رسانا با تداخل در عملکرد صحیح آنها تأثیر می‌گذارد. برای مثال، ساختن دستگاه‌های یکپارچه‌سازی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) که در آن میلیاردها^[۴] مدار مبتنی بر ترانزیستور، که همگی باید به‌طور قابل اعتمادی عمل کنند، در یک تراشه واحد ترکیب شوند، عملاً غیرممکن خواهد بود. یک ریزپردازنده را تشکیل می‌دهند. به این ترتیب، صنعت الکترونیک سرمایه‌گذاری هنگفتی در تأسیسات تولید تک بلورهای بزرگ سیلیکون کرده‌است.

در سلول‌های خورشیدی ویرایش

سهم بازار جهانی از نظر تولید سالانه توسط فناوری PV از سال ۱۹۹۰

سیلیسیم تک کریستالی نیز برای دستگاه‌های فتوولتائیک با کارایی بالا (PV) استفاده می‌شود. از آنجایی که در مقایسه با کاربردهای میکروالکترونیک، تقاضاهای سخت گیرانه تری در مورد عیوب ساختاری وجود دارد، سیلیکون درجه خورشیدی با کیفیت پایین‌تر (Sog-Si) اغلب برای سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود. با وجود این، صنعت فتوولتائیک سیلیسیمی تک کریستالی از توسعه روش‌های تولید سریع‌تر mono-Si برای صنعت الکترونیک سود زیادی برده‌است.

سهم بازار ویرایش

سیلیسیم تک کریستالی به عنوان دومین شکل متداول فناوری PV، تنها پس از خواهر خود، سیلیسیم پلی کریستال، رتبه‌بندی می‌شود. با توجه به نرخ تولید به‌طور قابل توجهی بالاتر و به‌طور پیوسته کاهش هزینه‌های پلی سیلیسیم، سهم بازار mono-Si کاهش یافته‌است: در سال ۲۰۱۳، سلول‌های خورشیدی تک کریستالی ۳۶٪ سهم بازار را داشتند که ظرفیت تولید فتوولتائیک به ۱۲٫۶ گیگاوات تبدیل شد.^[۵] اما سهم بازار تا سال ۲۰۱۶ به زیر ۲۵ درصد کاهش یافته بود. با وجود کاهش سهم بازار، ظرفیت PV معادل 20.2 mono-Si ,GW تولید شده در سال ۲۰۱۶ بود. نشان دهنده افزایش قابل توجهی در تولید کلی فناوری‌های فتوولتائیک است.^[۶]

بهره‌وری ویرایش

در آزمایشگاه راندمان سلول تک اتصالی ثبت شده‌است، سیلیسیم تک کریستالی بالاترین راندمان تبدیل تأیید شده را در بین تمام فناوری‌های PV تجاری، بالاتر از poly-Si (22.3%) و فناوری‌های لایه نازک ثابت مانند سلول‌های CIGS (21.7%) دارد. سلول‌های CdTe (21.0%)، و سلول‌های a-Si (10.2%). راندمان ماژول خورشیدی برای mono-Si که همیشه کمتر از سلول‌های مربوط به آنها است در نهایت از مرز ۲۰٪ در سال ۲۰۱۲ عبور کرد و در سال ۲۰۱۶ به ۲۴٫۴٪ رسید.^[۷] راندمان بالا تا حد زیادی به عدم وجود مکان‌های نوترکیبی در تک بلور و جذب بهتر فوتون‌ها به دلیل رنگ سیاه آن نسبت به رنگ آبی مشخصه پلی سیلیسیم نسبت داده می‌شود. از آنجایی که سلول‌های سیلیسیم تک کریستالی نسبت به نمونه‌های پلی‌کریستالی خود گران‌تر هستند، برای کاربردهایی که ملاحظات اصلی محدودیت‌های وزن یا مساحت در دسترس است، مانند فضاپیماها یا ماهواره‌هایی که با انرژی خورشیدی کار می‌کنند، مفید هستند، جایی که می‌توان کارایی را از طریق ترکیب با آنها بهبود بخشید. فن آوری‌های دیگر، مانند سلول‌های خورشیدی چند لایه.

ساخت ویرایش

علاوه بر نرخ پایین تولید، نگرانی‌هایی در مورد مواد هدر رفته در فرایند تولید نیز وجود دارد. ایجاد پنل‌های خورشیدی کارآمد در فضا مستلزم برش ویفرهای دایره‌ای (محصول شمش‌های استوانه‌ای شکل‌گرفته از فرایند چکرالسکی) به سلول‌های هشت ضلعی است که می‌توانند نزدیک به هم بسته شوند. مواد باقیمانده برای ایجاد سلول‌های PV استفاده نمی‌شود و با بازگشت به تولید شمش برای ذوب، دور ریخته می‌شود یا بازیافت می‌شود. علاوه بر این، حتی سلول‌های سیلیسیم تک کریستالی می‌توانند اکثر فوتون‌ها را در ۲۰ میکرومتر از سطح فرورفته جذب کنند، محدودیت در فرایند اره کردن شمش به این معنی است که ضخامت ویفر تجاری معمولاً حدود ۲۰۰ میکرومتر است. با این حال، انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۶ پیشرفت در فناوری باعث کاهش ضخامت ویفر به ۱۴۰ میکرومتر شود.^[۸]

روش‌های تولید دیگر مانند: برآرایی ویفر، که شامل رشد لایه‌های گازی روی بسترهای سیلیسیمی قابل استفاده مجدد است. فرآیندهای جدیدتر ممکن است امکان رشد کریستال‌های مربعی را فراهم کنند که می‌توانند سپس بدون افت کیفیت یا کارایی به ویفرهای نازک‌تر تبدیل شوند و در نتیجه ضایعات حاصل از روش‌های سنتی اره کردن و برش شمش را حذف کنند، در حال تحقیق هستند.^[۹]

ظاهر ویرایش

ساختار کریستالی سیلیکون یک مکعب الماس را تشکیل می‌دهد
دستگاه‌های VLSI ساخته شده توسط اینتل بر روی ویفر سیلیکونی تک کریستالی
پنل خورشیدی ساخته شده از سلول‌های سیلیکونی تک کریستالی هشت ضلعی
مقایسه سلول‌های خورشیدی : poly-Si (سمت چپ) و mono-Si (راست)

منابع ویرایش

↑ Monkowski, J. R.; Bloem, J.; Giling, L. J.; Graef, M. W. M. (1979). "Comparison of dopant incorporation into polycrystalline and monocrystalline silicon". Appl. Phys. Lett. 35 (5): 410–412. doi:10.1063/1.91143.
↑ W.Heywang, K.H.Zaininger, Silicon: the semiconductor material, in Silicon: evolution and future of a technology, P.Siffert, E.F.Krimmel eds. , Springer Verlag, 2004.
↑ Wang, C.; Zhang, H.; Wang, T. H.; Ciszek, T. F. (2003). "A continuous Czochralski silicon crystal growth system". Journal of Crystal Growth. 250 (1–2): 209–214. doi:10.1016/s0022-0248(02)02241-8.
↑ Peter Clarke, Intel enters billion-transistor processor era, EE Times, 14 October 2005.
↑ Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, July 28, 2014.
↑ Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, February 26, 2018.
↑ Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita W. Y. (2018-01-01). "Solar cell efficiency tables (version 51)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications (به انگلیسی). 26 (1): 3–12. doi:10.1002/pip.2978. ISSN 1099-159X.
↑ Solar Industry Technology Report 2015–2016, Canadian Solar, October 2016.
↑ Scanlon, Bill (August 27, 2014). "Crystal Solar and NREL Team Up to Cut Costs". NREL (به انگلیسی). Retrieved 2018-03-01.

[1] Monkowski, J. R.; Bloem, J.; Giling, L. J.; Graef, M. W. M. (1979). "Comparison of dopant incorporation into polycrystalline and monocrystalline silicon". Appl. Phys. Lett. 35 (5): 410–412. doi:10.1063/1.91143.

[2] W.Heywang, K.H.Zaininger, Silicon: the semiconductor material, in Silicon: evolution and future of a technology, P.Siffert, E.F.Krimmel eds. , Springer Verlag, 2004.

[3] Wang, C.; Zhang, H.; Wang, T. H.; Ciszek, T. F. (2003). "A continuous Czochralski silicon crystal growth system". Journal of Crystal Growth. 250 (1–2): 209–214. doi:10.1016/s0022-0248(02)02241-8.

[4] Peter Clarke, Intel enters billion-transistor processor era, EE Times, 14 October 2005.

[5] Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, July 28, 2014.

[6] Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, February 26, 2018.

[7] Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita W. Y. (2018-01-01). "Solar cell efficiency tables (version 51)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications (به انگلیسی). 26 (1): 3–12. doi:10.1002/pip.2978. ISSN 1099-159X.

[8] Solar Industry Technology Report 2015–2016, Canadian Solar, October 2016.

[9] Scanlon, Bill (August 27, 2014). "Crystal Solar and NREL Team Up to Cut Costs". NREL (به انگلیسی). Retrieved 2018-03-01.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]