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¿Cómo supera el silicio monocristalino a todos los competidores en el mundo de la electrónica?
El silicio monocristalino puede prepararse como un semiconductor intrínseco, compuesto únicamente de silicio puro, o doparse añadiendo otros elementos como boro o fósforo para formar silicio de tipo p o de tipo n. Debido a sus propiedades semiconductoras, el silicio monocristalino es probablemente el material tecnológico más importante de las últimas décadas: la "era del silicio". Su disponibilidad a bajo costo ha jugado un papel vital en el apoyo al desarrollo de dispositivos electrónicos modernos.La estructura reticular del silicio monocristalino es continua y completa, sin límites de grano, lo que proporciona la base de sus propiedades electrónicas superiores.
Proceso de producción
El silicio monocristalino generalmente se fabrica mediante varios métodos que implican la fusión de silicio de grado semiconductor de alta pureza y el uso de un cristal semilla para iniciar la formación de un monocristal continuo. Este proceso normalmente se lleva a cabo en un entorno de gas inerte, como el argón, y utilizando un crisol inerte como el cuarzo para evitar impurezas que afecten la uniformidad del cristal.La tecnología de producción más común es el proceso Czochralski, que puede producir lingotes redondos monocristalinos de hasta 2 metros de largo y cientos de kilogramos de peso.
El método Czochralski implica sumergir una varilla de cristal orientada con precisión en silicio fundido y luego tirar de ella lentamente hacia arriba mientras se la gira, lo que hace que el material tirado se solidifique en una sola varilla cristalina. El proceso de producción de silicio monocristalino es relativamente lento y costoso en comparación con la fundición de lingotes de múltiples obleas, pero la demanda continúa creciendo debido a sus propiedades electrónicas superiores.
Aplicación en productos electrónicos
La principal aplicación del silicio monocristalino es la fabricación de componentes discretos y circuitos integrados. Las varillas redondas producidas por el método Czochralski se cortan en láminas finas de aproximadamente 0,75 mm de espesor y se pulen para obtener un sustrato regular y liso, sobre el que luego se construyen dispositivos microelectrónicos mediante diversos procesos de microfabricación.
Un cristal continuo es crucial para la electrónica porque los límites de grano, las impurezas y los defectos del cristal pueden afectar significativamente las propiedades electrónicas locales del material.
Por ejemplo, sin la perfección del cristal, es imposible construir dispositivos integrados a muy gran escala (VLSI), que deben operar de manera confiable circuitos que contienen miles de millones de transistores.
Aplicación en células solares
El silicio monocristalino también se utiliza en dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento. Aunque los requisitos para los defectos estructurales son menos estrictos que en las aplicaciones de microelectrónica, la industria fotovoltaica de silicio monocristalino todavía se beneficia de la tecnología de producción rápida de la industria electrónica.
Cuota de mercado y eficienciaComo la segunda tecnología fotovoltaica más común, el silicio monocristalino ocupa el segundo lugar, después del silicio policristalino. Aunque la cuota de mercado del silicio monocristalino cayó del 36% en 2013 al 25% en 2016, su capacidad de producción fotovoltaica ha aumentado significativamente.
La eficiencia de laboratorio de una célula de estructura única hecha de silicio monocristalino alcanza el 26,7%, que es la eficiencia de conversión confirmada más alta entre todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales.
Esta alta eficiencia se atribuye principalmente a la falta de sitios de recombinación en el monocristal, y su apariencia negra también es más propicia para la absorción de fotones.
Creando desafíos
Además de la baja tasa de producción, el desperdicio de material en el proceso de fabricación también ha sido una preocupación. Para producir paneles solares que ahorren espacio es necesario cortar obleas redondas en celdas octagonales que puedan empaquetarse firmemente, un proceso que a menudo genera desperdicio de material.
En el futuro, se espera que los avances tecnológicos reduzcan el espesor de las obleas a 140 micrones, mejorando aún más la eficiencia.
Se están estudiando otros métodos de fabricación, como el crecimiento epitaxial directo de obleas, que pueden eliminar el problema de los residuos en los procesos tradicionales.
Comparación con otras formas de silicioEl silicio monocristalino se distingue de otras formas de silicio utilizadas en tecnologías solares, especialmente el silicio policristalino y amorfo. Estos materiales difieren mucho en cuanto a costo de producción y eficiencia:
Silicio policristalino: formado por muchos cristales pequeños, tiene un coste de producción menor pero no es tan eficiente como el silicio monocristalino.Silicio amorfo: Se utiliza principalmente en células solares de película fina, es ligero y flexible, pero su eficiencia es significativamente menor que la del silicio monocristalino.
En el competitivo mercado de la electrónica, el silicio monocristalino ha demostrado su carácter irreemplazable y es el principal material del futuro, ya sea en componentes electrónicos o en tecnología de energía solar. La gente no puede evitar preguntarse: a medida que se desarrollan nuevas tecnologías, ¿podrá el silicio monocristalino seguir manteniendo su liderazgo en el mercado?
