Language
Country/Area
No result found
القوة المذهلة للسيليكون أحادي البلورة: لماذا يعد اللبنة الأساسية للإلكترونيات الحديثة؟
يعتبر السيليكون أحادي البلورة، والذي يشار إليه غالبًا باسم السيليكون أحادي البلورة أو ببساطة أحادي السيليكون، مادة بالغة الأهمية في الأجهزة الإلكترونية الحديثة وتكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية. وباعتبارها الأساس للمكونات المنفصلة القائمة على السيليكون والدوائر المتكاملة، فإنها تلعب دورًا رئيسيًا في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة تقريبًا، من أجهزة الكمبيوتر إلى الهواتف الذكية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام السيليكون أحادي البلورة كمواد ذات كفاءة عالية في امتصاص الضوء في إنتاج الخلايا الشمسية، مما يجعله لا غنى عنه في مجال الطاقة المتجددة.
"إن الشبكة البلورية للسيليكون أحادي البلورة مستمرة ولا تحتوي على أي حدود حبيبية."
إن خصائص السيليكون أحادي البلورة تجعله مهمًا بشكل خاص في تطبيقات أشباه الموصلات. يمكن أن يتكون فقط من السيليكون عالي النقاء كموصل شبه داخلي، أو يمكن تعزيزه بإضافة عناصر أخرى مثل البورون أو الفوسفور لإنشاء السيليكون من النوع p أو النوع n. إن خاصية أشباه الموصلات هذه جعلت من السيليكون أحادي البلورة المادة التكنولوجية الأكثر أهمية في العقود القليلة الماضية، مما يمثل بداية "عصر السيليكون". إن انخفاض تكلفتها وتوافرها يشكلان أساسًا مهمًا لتطوير المنتجات الإلكترونية وثورة تكنولوجيا المعلومات اليوم.
يختلف السيليكون أحادي البلورة عن الأشكال الأخرى المتآصلة، مثل السيليكون غير المتبلور، والذي يستخدم في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، والسيليكون متعدد البلورات، والذي يتكون من بلورات صغيرة. تحدد هذه الاختلافات الأداء والتكلفة المختلفين.
عملية الإنتاج
يتم تصنيع السيليكون البلوري المفرد عادة من خلال طرق تتضمن صهر السيليكون عالي النقاء والمخصص لأشباه الموصلات واستخدام بلورة بذرة لبدء تكوين بلورة مفردة مستمرة. يتم إجراء هذه العملية عادة في جو خامل، مثل الأرجون، وفي بوتقة خاملة مثل الكوارتز لتجنب الشوائب التي يمكن أن تؤثر على تجانس البلورة.
"إن تقنية الإنتاج الأكثر شيوعًا هي طريقة Czochralski، وهي قادرة على إنتاج سبائك أحادية الرقاقة يصل طولها إلى مترين ويصل وزنها إلى عدة مئات من الكيلوجرامات."
في طريقة تشوخرالسكي، يتم إسقاط بلورة بذرة على شكل قضيب موجهة بدقة في السيليكون المنصهر ثم يتم سحبها ببطء إلى الأعلى وتدويرها، مما يسمح للمادة المسحوبة بالتصلب في شريط مستدير أحادي البلورة. يمكن أيضًا تطبيق المجالات المغناطيسية أثناء هذه العملية للتحكم في التدفق المضطرب وقمعه، مما يؤدي إلى تحسين تجانس البلورة بشكل أكبر. وتشمل طرق الإنتاج الأخرى طريقة ذوبان المنطقة وتقنية بريدجمان، والتي تستخدم أيضًا التسخين داخل كبسولة تدرج درجة الحرارة لتعزيز نمو البلورات.
يتم تقطيع القضبان المستديرة الصلبة إلى رقائق رقيقة ثم تتم معالجتها بشكل أكبر لإعدادها للتصنيع. بالمقارنة مع صب السبائك متعددة الرقائق، فإن عملية إنتاج السيليكون البلوري الواحد بطيئة ومكلفة نسبيًا. ومع ذلك، وبسبب خصائصها الإلكترونية المتفوقة، فإن الطلب على السيليكون أحادي البلورة يستمر في الارتفاع.
التطبيقات في الإلكترونيات
التطبيق الرئيسي للسيليكون أحادي البلورة هو إنتاج المكونات المنفصلة والدوائر المتكاملة. يتم قطع القضبان المستديرة المصنوعة باستخدام طريقة Czochralski إلى رقائق يبلغ سمكها حوالي 0.75 مم، والتي يتم بناء الأجهزة الإلكترونية الدقيقة عليها باستخدام عمليات دقيقة مختلفة مثل التنشيط وزرع الأيونات والحفر وترسيب الأغشية الرقيقة.
"إن البلورة المستمرة المفردة تشكل أهمية بالغة للإلكترونيات لأن حدود الحبوب والشوائب وعيوب البلورة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخصائص الإلكترونية المحلية للمادة."
بدون الكمال البلوري، سيكون من المستحيل تقريبًا بناء أجهزة الدوائر المتكاملة (VLSI) واسعة النطاق للغاية، والتي تحتوي على مليارات دوائر الترانزستور التي يجب أن تعمل جميعها بشكل موثوق. ولهذا السبب، استثمرت صناعة الإلكترونيات بشكل كبير في المرافق اللازمة لإنتاج بلورات مفردة كبيرة من السيليكون.
التطبيق في الخلايا الشمسية
يستخدم السيليكون أحادي البلورة أيضًا في الأجهزة الكهروضوئية عالية الأداء. نظرًا لأن متطلبات العيوب الهيكلية ليست صارمة مثل تلك الخاصة بتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، فغالبًا ما يتم استخدام السيليكون الشمسي (Sog-Si) الأقل جودة قليلاً في تصنيع الخلايا الشمسية. ومع ذلك، استفاد تطوير صناعة الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورية من التقدم السريع في طرق إنتاج السيليكون أحادي البلورية في صناعة الإلكترونيات.
حصة السوق والكفاءة
باعتبارها ثاني أكثر تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية شيوعًا، تأتي مادة السيليكون الأحادي البلورة في المرتبة الثانية بعد منتجها الشقيق، السيليكون متعدد البلورات. على الرغم من حقيقة أن السيليكون متعدد البلورات يتم إنتاجه بشكل أسرع وتستمر تكلفته في الانخفاض، إلا أن حصة السيليكون أحادي البلورة في السوق كانت تتراجع تدريجيًا منذ عام 2013: في ذلك العام، كانت حصة السوق من الخلايا الشمسية السيليكونية أحادية البلورة 36٪، وهو ما يترجم إلى 12.6 جيجاوات من ولكن بحلول عام 2016، ارتفعت حصة السوق من الخلايا الشمسية السليكونية أحادية البلورة إلى 1.37 جيجاوات. وفي عام 2017، انخفضت حصتها في السوق إلى أقل من 25%.
وصلت كفاءة وحدات الطاقة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورية إلى 24.4% في عام 2016. في بعض التطبيقات، وخاصة حيث توجد قيود على الوزن أو المساحة المتاحة، تكون الكفاءة العالية للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورية مهمة بشكل خاص."بلغت كفاءة المختبر لخلايا السيليكون أحادية البلورة 26.7%، وهي أعلى كفاءة تحويل مؤكدة بين جميع تقنيات الطاقة الكهروضوئية التجارية."
تحديات التصنيع والمقارنات
بالإضافة إلى عدم كفاءة الإنتاجية، هناك أيضًا مشكلة هدر المواد في عملية التصنيع. أثناء عملية تقطيع الرقائق المستديرة، غالبًا ما لا يتم الاستفادة الكاملة من المادة الموجودة على الجانب الأيسر ويتم التخلص منها أو إعادة تدويرها وإعادة صهرها. ومع ذلك، تشير التطورات التكنولوجية إلى أن سمك الرقاقة سينخفض إلى أقل من 140 ميكرومتر في المستقبل. كما يتم البحث في طرق تصنيع أخرى، مثل النمو المباشر للرقاقة، على أمل تقليل النفايات في عمليات التقطيع التقليدية من خلال أساليب جديدة.
يختلف السيليكون أحادي البلورة بشكل كبير عن أشكال السيليكون الأخرى، مثل السيليكون متعدد البلورات والسيليكون غير المتبلور. يتكون السيليكون متعدد البلورات من حبيبات متعددة وهو أرخص في الإنتاج ولكنه أقل كفاءة؛ ويستخدم السيليكون غير المتبلور بشكل أساسي في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. ورغم أنه خفيف ومرن، إلا أنه غير فعال للغاية. يؤثر اختيار أنواع السيليكون المختلفة بشكل مستمر على المتطلبات الفنية والاعتبارات الاقتصادية للتطبيقات المختلفة.
مع تقدم التكنولوجيا، فإن كيفية تحقيق التوازن الفعال بين التكلفة والكفاءة سوف تكون مسألة يجب أخذها في الاعتبار في التطوير المستقبلي لصناعات الطاقة الكهروضوئية والإلكترونيات.
