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Comment le silicium monocristallin bat-il tous ses concurrents dans le monde de l'électronique ?
Le silicium monocristallin, ou mono-Si en abrégé, est un matériau clé dans les industries électroniques et photovoltaïques d'aujourd'hui. En tant que base des composants discrets et des circuits intégrés à base de silicium, le silicium monocristallin joue un rôle essentiel dans tous les appareils électroniques modernes, des ordinateurs aux smartphones. De plus, le silicium monocristallin est particulièrement important pour la production de cellules solaires en tant que matériau absorbant la lumière hautement efficace, ce qui le rend indispensable dans l'industrie des énergies renouvelables.
La structure en treillis du silicium monocristallin est continue et complète, sans aucune limite de grains, ce qui constitue la base de ses propriétés électroniques supérieures.
Le silicium monocristallin peut être préparé comme semi-conducteur intrinsèque, constitué uniquement de silicium pur, ou dopé en ajoutant d'autres éléments tels que le bore ou le phosphore pour former du silicium de type p ou de type n. En raison de ses propriétés semi-conductrices, le silicium monocristallin est probablement le matériau technologique le plus important des dernières décennies – « l'ère du silicium ». Son faible coût a joué un rôle essentiel dans le soutien au développement des appareils électroniques modernes.
Processus de production
Le silicium monocristallin est généralement fabriqué à l'aide de plusieurs méthodes qui impliquent la fusion de silicium de qualité semi-conductrice de haute pureté et l'utilisation d'un cristal d'ensemencement pour initier la formation d'un monocristal continu. Ce processus est généralement réalisé dans un environnement de gaz inerte, tel que l'argon, et en utilisant un creuset inerte tel que le quartz pour éviter les impuretés qui affectent l'uniformité du cristal.
La technologie de production la plus courante est le procédé Czochralski, qui permet de produire des lingots ronds monocristallins mesurant jusqu'à 2 mètres de long et pesant des centaines de kilogrammes.
La méthode Czochralski consiste à plonger une tige de cristal de semence précisément orientée dans du silicium fondu, puis à la tirer lentement vers le haut tout en la faisant tourner, ce qui provoque la solidification du matériau tiré en une seule tige cristalline. Le processus de production de silicium monocristallin est relativement lent et coûteux par rapport à la coulée de lingots multi-plaquettes, mais la demande continue de croître en raison de ses propriétés électroniques supérieures.
Application dans les produits électroniques
La principale application du silicium monocristallin est la fabrication de composants discrets et de circuits intégrés. Les tiges rondes produites par la méthode Czochralski sont découpées en fines tranches d'environ 0,75 mm d'épaisseur et polies pour obtenir un substrat régulier et lisse, sur lequel sont ensuite construits des dispositifs microélectroniques grâce à divers procédés de microfabrication.
Un cristal continu est crucial pour l'électronique car les limites des grains, les impuretés et les défauts cristallins peuvent affecter considérablement les propriétés électroniques locales du matériau.
Par exemple, sans la perfection du cristal, il est impossible de construire des dispositifs intégrés à très grande échelle (VLSI), qui doivent faire fonctionner de manière fiable des circuits contenant des milliards de transistors.
Application dans les cellules solaires
Le silicium monocristallin est également utilisé dans les dispositifs photovoltaïques (PV) à haute performance. Bien que les exigences en matière de défauts structurels soient moins strictes que dans les applications microélectroniques, l’industrie photovoltaïque au silicium monocristallin bénéficie toujours de la technologie de production rapide de l’industrie électronique.
Part de marché et efficacité
En tant que deuxième technologie photovoltaïque la plus courante, le silicium monocristallin est deuxième après le silicium multicristallin. Bien que la part de marché du silicium monocristallin soit passée de 36 % en 2013 à 25 % en 2016, sa capacité de production photovoltaïque a néanmoins augmenté de manière significative.
L'efficacité en laboratoire d'une cellule à structure unique en silicium monocristallin atteint 26,7 %, ce qui représente l'efficacité de conversion confirmée la plus élevée parmi toutes les technologies photovoltaïques commerciales.
Cette efficacité élevée est principalement attribuée à l’absence de sites de recombinaison dans le monocristal, et son aspect noir est également plus propice à l’absorption des photons.
Créer des défis
Outre le faible taux de production, le gaspillage de matériaux dans le processus de fabrication constitue également une préoccupation. La production de panneaux solaires peu encombrants nécessite de découper des plaquettes rondes en cellules octogonales qui peuvent être étroitement emballées, un processus qui génère souvent des déchets de matériaux.
À l’avenir, les progrès technologiques devraient réduire l’épaisseur des plaquettes à 140 microns, améliorant encore l’efficacité.
D’autres méthodes de fabrication, telles que la croissance épitaxiale directe des plaquettes, sont à l’étude, ce qui pourrait éliminer le problème des déchets dans les processus traditionnels.
Comparaison avec d'autres formes de silicium
Le silicium monocristallin se distingue des autres formes de silicium utilisées dans les technologies solaires, en particulier le silicium multicristallin et amorphe. Ces matériaux diffèrent considérablement en termes de coût de production et d’efficacité :
Silicium polycristallin: Composé de nombreux petits cristaux, il a un coût de production inférieur mais n'est pas aussi efficace que le silicium monocristallin.Silicium amorphe: Principalement utilisé dans les cellules solaires à couches minces, il est léger et flexible, mais son efficacité est nettement inférieure à celle du silicium monocristallin.
Sur un marché de l'électronique très concurrentiel, le silicium monocristallin a démontré son caractère irremplaçable et constitue le principal matériau d'avenir, que ce soit dans les composants électroniques ou dans la technologie de l'énergie solaire. Les gens ne peuvent s’empêcher de se demander, à mesure que de nouvelles technologies se développent, si le silicium monocristallin peut continuer à maintenir son leadership sur le marché.
