Language
Country/Area
No result found
كيف يتفوق السيليكون أحادي البلورة على جميع المنافسين في عالم الإلكترونيات؟
يعتبر السيليكون أحادي البلورة، أو أحادي السيليكون باختصار، مادة أساسية في صناعات الإلكترونيات والطاقة الكهروضوئية اليوم. باعتبارها الأساس للمكونات المنفصلة القائمة على السيليكون والدوائر المتكاملة، تلعب بلورة السيليكون الأحادية دورًا حيويًا في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة، من أجهزة الكمبيوتر إلى الهواتف الذكية. علاوة على ذلك، يعتبر السيليكون أحادي البلورة مهمًا بشكل خاص لإنتاج الخلايا الشمسية باعتباره مادة فعالة للغاية في امتصاص الضوء، مما يجعله لا غنى عنه في صناعة الطاقة المتجددة.
إن البنية الشبكية للسيليكون أحادي البلورة مستمرة وكاملة، دون أي حدود حبيبية، مما يوفر الأساس لخصائصها الإلكترونية المتفوقة.
يمكن تحضير السيليكون أحادي البلورة كموصل شبه داخلي، يتكون فقط من السيليكون النقي، أو يتم تحسينه عن طريق إضافة عناصر أخرى مثل البورون أو الفوسفور لتشكيل السيليكون من النوع p أو النوع n. بفضل خصائصها شبه الموصلة، ربما يكون السيليكون أحادي البلورة هو المادة التكنولوجية الأكثر أهمية في العقود القليلة الماضية - "عصر السيليكون". لقد لعب توفرها منخفض التكلفة دورًا حيويًا في دعم تطوير الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
عملية الإنتاج
يتم تصنيع السيليكون البلوري المفرد عادة من خلال عدة طرق تتضمن صهر السيليكون أشباه الموصلات عالي النقاء واستخدام بلورة بذرة لبدء تكوين بلورة مفردة مستمرة. يتم تنفيذ هذه العملية عادة في بيئة غاز خامل، مثل الأرجون، وباستخدام بوتقة خاملة مثل الكوارتز لتجنب الشوائب التي تؤثر على تجانس البلورة.
تتضمن طريقة تشوخرالسكي غمس قضيب بلوري بذرة موجه بدقة في السيليكون المنصهر ثم سحبه ببطء إلى الأعلى أثناء تدويره، مما يتسبب في تصلب المادة المسحوبة في قضيب بلوري واحد. تعتبر عملية إنتاج السيليكون أحادي البلورة بطيئة ومكلفة نسبيًا مقارنة بعملية صب السبائك متعددة الرقائق، ولكن الطلب يستمر في النمو بسبب خصائصه الإلكترونية المتفوقة.إن تقنية الإنتاج الأكثر شيوعًا هي عملية Czochralski، والتي يمكنها إنتاج سبائك مستديرة أحادية البلورة يصل طولها إلى مترين ويصل وزنها إلى مئات الكيلوجرامات.
التطبيق في المنتجات الإلكترونية
التطبيق الرئيسي للسيليكون أحادي البلورة هو تصنيع المكونات المنفصلة والدوائر المتكاملة. يتم قطع القضبان المستديرة المنتجة بواسطة طريقة Czochralski إلى شرائح رقيقة يبلغ سمكها حوالي 0.75 مم ويتم تلميعها للحصول على ركيزة منتظمة وناعمة، والتي يتم بناء الأجهزة الإلكترونية الدقيقة عليها بعد ذلك من خلال عمليات التصنيع الدقيقة المختلفة.
تعتبر البلورة المستمرة أمرًا بالغ الأهمية للإلكترونيات لأن حدود الحبوب والشوائب وعيوب البلورة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخصائص الإلكترونية المحلية للمادة.
على سبيل المثال، من دون الكمال البلوري، من المستحيل بناء أجهزة متكاملة (VLSI) واسعة النطاق للغاية، والتي يجب أن تعمل بشكل موثوق على تشغيل الدوائر التي تحتوي على مليارات الترانزستورات.
التطبيق في الخلايا الشمسية
يستخدم السيليكون أحادي البلورة أيضًا في الأجهزة الكهروضوئية عالية الأداء. على الرغم من أن متطلبات العيوب الهيكلية أقل صرامة من تلك الموجودة في تطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، إلا أن صناعة الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة لا تزال تستفيد من تكنولوجيا الإنتاج السريعة لصناعة الإلكترونيات.
حصة السوق والكفاءة
باعتبارها ثاني أكثر تقنيات الطاقة الكهروضوئية شيوعًا، تأتي تقنية السيليكون أحادي البلورة في المرتبة الثانية بعد تقنية السيليكون متعدد البلورات. على الرغم من أن حصة السيليكون الأحادي البلورة في السوق انخفضت من 36% في عام 2013 إلى 25% في عام 2016، إلا أن قدرته على إنتاج الطاقة الكهروضوئية زادت بشكل كبير.
تصل كفاءة المختبر لخلية ذات هيكل واحد مصنوعة من السيليكون أحادي البلورة إلى 26.7%، وهي أعلى كفاءة تحويل مؤكدة بين جميع تقنيات الطاقة الكهروضوئية التجارية.
ترجع هذه الكفاءة العالية بشكل أساسي إلى عدم وجود مواقع إعادة التركيب في البلورة المفردة، كما أن مظهرها الأسود يساعد أيضًا على امتصاص الفوتونات.
خلق التحديات
بالإضافة إلى معدل الإنتاج المنخفض، فإن هدر المواد في عملية التصنيع كان أيضًا مصدر قلق. يتطلب إنتاج الألواح الشمسية الموفرة للمساحة تقطيع رقائق مستديرة إلى خلايا مثمنة الشكل يمكن تجميعها بإحكام، وهي عملية غالبًا ما تؤدي إلى توليد نفايات مادية.
ومن المتوقع أن يؤدي التقدم التكنولوجي في المستقبل إلى تقليل سمك الرقاقة إلى 140 ميكرون، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة بشكل أكبر.
كما يتم دراسة طرق تصنيع أخرى مثل النمو الطبقي المباشر للرقاقة، وهو ما قد يقضي على مشكلة النفايات في العمليات التقليدية.
مقارنة مع أشكال أخرى من السيليكون
يختلف السيليكون أحادي البلورة عن أشكال السيليكون الأخرى المستخدمة في تقنيات الطاقة الشمسية، وخاصة السيليكون متعدد البلورات والسيليكون غير المتبلور. تختلف هذه المواد بشكل كبير من حيث تكلفة الإنتاج والكفاءة: <أول>
السيليكون متعدد البلورات: يتكون من العديد من البلورات الصغيرة، وتكلفة إنتاجه أقل ولكنه ليس بنفس كفاءة السيليكون أحادي البلورة.
السيليكون غير المتبلور: يستخدم بشكل أساسي في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، وهو خفيف ومرن، ولكن كفاءته أقل بكثير من كفاءة السيليكون أحادي البلورة.
في سوق الإلكترونيات شديدة المنافسة، أثبت السيليكون أحادي البلورة أنه لا يمكن الاستغناء عنه وأنه المادة الرئيسية للمستقبل، سواء في المكونات الإلكترونية أو تكنولوجيا الطاقة الشمسية. لا يمكن للناس إلا أن يتساءلوا، مع تطور التقنيات الجديدة، هل يمكن للسيليكون أحادي البلورة أن يستمر في الحفاظ على ريادته في السوق؟
