Language
Country/Area
No result found
Wie kann monokristallines Silizium alle Konkurrenten in der Elektronikwelt besiegen?
Einkristallines Silizium, auch als monokristallines Silizium oder einfach Mono-Si bekannt, ist ein Schlüsselmaterial in der heutigen Elektronik- und Photovoltaikindustrie. Als Basis für siliziumbasierte diskrete Komponenten und integrierte Schaltkreise spielt monokristallines Silizium eine entscheidende Rolle in allen modernen elektronischen Geräten, vom Computer bis zum Smartphone. Darüber hinaus ist monokristallines Silizium als effizientes lichtabsorbierendes Material besonders wichtig für die Herstellung von Solarzellen und daher unverzichtbar in der Branche der erneuerbaren Energien.
Die Gitterstruktur von einkristallinem Silizium ist kontinuierlich und vollständig ohne Korngrenzen, was die Grundlage für seine überlegenen elektronischen Eigenschaften bildet.
Einkristallines Silizium kann als endogener Halbleiter hergestellt werden, der nur aus reinem Silizium besteht, oder durch Zugabe anderer Elemente wie Bor oder Phosphor dotiert werden, um p-Typ- oder n-Typ-Silizium zu bilden. Aufgrund seiner Halbleitereigenschaften ist einkristallines Silizium wahrscheinlich das wichtigste technologische Material der letzten Jahrzehnte – der „Silizium-Ära“. Seine kostengünstige Verfügbarkeit spielt eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der Entwicklung moderner elektronischer Geräte.
Produktionsprozess
Einkristallines Silizium wird typischerweise durch mehrere Methoden hergestellt, bei denen hochreines Silizium in Halbleiterqualität geschmolzen und Impfkristalle verwendet werden, um die Bildung kontinuierlicher Einkristalle zu initiieren. Dieser Prozess wird normalerweise in einer Inertgasumgebung wie Argon durchgeführt und verwendet einen inerten Tiegel wie Quarz, um Verunreinigungen zu vermeiden, die die Gleichmäßigkeit des Kristalls beeinträchtigen.
Die gebräuchlichste Produktionstechnik ist die Czochralski-Methode, ein Verfahren, mit dem Einzelwafer-Stäbe mit einer Länge von bis zu 2 Metern und einem Gewicht von Hunderten von Kilogramm hergestellt werden können.
Bei der Czochralski-Methode wird ein präzise ausgerichteter Stab aus Impfkristallen in geschmolzenes Silizium getaucht und dann unter Rotation langsam nach oben gezogen, wodurch das herausgezogene Material zu einem Einkristallstab erstarrt. Der Produktionsprozess für einkristallines Silizium ist im Vergleich zum Gießen von mehrkristallinen Waferstäben relativ langsam und kostspielig, die Nachfrage steigt jedoch aufgrund seiner überlegenen elektronischen Eigenschaften weiter.
Anwendung in elektronischen Produkten
Die Hauptanwendungen von einkristallinem Silizium liegen in der Herstellung diskreter Komponenten und integrierter Schaltkreise. Die nach der Czochralski-Methode hergestellten Rundstäbe werden in etwa 0,75 mm dicke Scheiben geschnitten und poliert, um ein regelmäßiges und glattes Substrat zu erhalten, auf dem dann durch verschiedene Mikrofabrikationsprozesse mikroelektronische Geräte aufgebaut werden.
Ein kontinuierlicher Kristall ist für die Elektronik von entscheidender Bedeutung, da Korngrenzen, Verunreinigungen und Kristalldefekte die lokalen elektronischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinflussen können.
Ohne Kristallperfektion wäre es beispielsweise unmöglich, VLSI-Geräte (Very Large Scale Integration) zu bauen, die Milliarden von Transistorschaltungen zuverlässig betreiben müssen.
Anwendung in Solarzellen
Einkristallines Silizium wird auch in Hochleistungs-Photovoltaikgeräten (PV) verwendet. Obwohl die Anforderungen an strukturelle Defekte weniger streng sind als die für mikroelektronische Anwendungen, profitiert die Photovoltaik-Industrie für einkristallines Silizium immer noch von der schnellen Produktionstechnologie der Elektronikindustrie.
Marktanteil und Effizienz
Als zweithäufigste Photovoltaik-Technologie steht monokristallines Silizium nach polykristallinem Silizium an zweiter Stelle. Obwohl der Marktanteil von monokristallinem Silizium von 36 % im Jahr 2013 auf 25 % im Jahr 2016 sank, ist seine Photovoltaik-Produktionskapazität deutlich gestiegen.
Der Laborwirkungsgrad von Einzelstrukturzellen aus monokristallinem Silizium erreicht 26,7 %, was den höchsten bestätigten Umwandlungswirkungsgrad unter allen kommerziellen Photovoltaiktechnologien darstellt.
Diese hohe Effizienz ist hauptsächlich auf das Fehlen von Rekombinationsstellen im Einkristall zurückzuführen, und sein schwarzes Aussehen begünstigt auch die Photonenabsorption.
Herausforderungen schaffen
Neben den niedrigen Produktionsraten gibt auch das Problem der Materialverschwendung während des Herstellungsprozesses Anlass zur Sorge. Die Herstellung platzsparender Solarmodule erfordert das Schneiden runder Wafer in achteckige Zellen, die dicht gepackt werden können, ein Prozess, der häufig zu Materialverschwendung führt.
Es wird erwartet, dass technologische Fortschritte in Zukunft die Waferdicke auf 140 Mikrometer reduzieren und so die Effizienz weiter verbessern werden.
Andere Herstellungsmethoden wie das direkte epitaktische Waferwachstum werden untersucht, und diese neue Methode könnte die Abfallprobleme in herkömmlichen Prozessen beseitigen.
Vergleich mit anderen Formen von Silizium
Monokristallines Silizium unterscheidet sich erheblich von den Siliziumformen, die in anderen Solartechnologien vorkommen (insbesondere polykristallines und amorphes Silizium). Diese Materialien unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Produktionskosten und Effizienz:
Polykristallines Silizium: Es besteht aus vielen kleinen Kristallen. Obwohl die Produktionskosten geringer sind, ist die Effizienz nicht so gut wie bei einkristallinem Silizium.Amorphes Silizium: Es wird hauptsächlich in Dünnschichtsolarzellen verwendet und ist leicht und flexibel, sein Wirkungsgrad ist jedoch deutlich geringer als der von monokristallinem Silizium.
Im hart umkämpften Elektronikmarkt hat monokristallines Silizium seine Unersetzlichkeit bewiesen und ist das Hauptmaterial der Zukunft, sei es in elektronischen Bauteilen oder in der Solartechnik. Man kommt nicht umhin, sich zu fragen, ob monokristallines Silizium mit der Entwicklung neuer Technologien weiterhin seine Marktführerschaft behaupten kann?
