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L’incroyable puissance du silicium monocristallin : pourquoi est-il l’élément de base de l’électronique moderne ?
Le silicium monocristallin, souvent appelé silicium monocristallin ou simplement mono-Si, est un matériau essentiel dans les appareils électroniques modernes et la technologie photovoltaïque. En tant que base des composants discrets et des circuits intégrés à base de silicium, il joue un rôle clé dans presque tous les appareils électroniques modernes, des ordinateurs aux smartphones. De plus, le silicium monocristallin est utilisé comme matériau absorbant la lumière hautement efficace dans la production de cellules solaires, ce qui le rend indispensable dans le domaine des énergies renouvelables.
« Le réseau cristallin du silicium monocristallin est continu et ne présente aucune limite de grains. »
Les propriétés du silicium monocristallin le rendent particulièrement important dans les applications de semi-conducteurs. Il peut être constitué uniquement de silicium de très haute pureté comme semi-conducteur intrinsèque, ou il peut être dopé en ajoutant d'autres éléments tels que le bore ou le phosphore pour créer du silicium de type p ou de type n. Cette propriété semi-conductrice a fait du silicium monocristallin le matériau technologique le plus important au cours des dernières décennies, marquant l'avènement de « l'ère du silicium ». Son faible coût et sa disponibilité constituent une base importante pour le développement des produits électroniques d’aujourd’hui et la révolution des technologies de l’information.
Le silicium monocristallin diffère des autres formes allotropiques, telles que le silicium amorphe, qui est utilisé dans les cellules solaires à couches minces, et le silicium polycristallin, qui est constitué de petits cristaux. Ces différences déterminent leurs performances et leurs coûts différents.
Processus de production
Le silicium monocristallin est généralement fabriqué à l'aide de méthodes impliquant la fusion de silicium de haute pureté de qualité semi-conductrice et l'utilisation d'un cristal d'ensemencement pour initier la formation d'un monocristal continu. Ce procédé est généralement réalisé dans une atmosphère inerte, comme l'argon, et dans un creuset inerte comme le quartz pour éviter les impuretés qui pourraient affecter l'homogénéité du cristal.
« La technologie de production la plus courante est la méthode Czochralski, qui permet de produire des lingots d'une seule plaquette mesurant jusqu'à 2 mètres de long et pesant plusieurs centaines de kilogrammes. »
Dans la méthode Czochralski, un cristal de semence en forme de tige, précisément orienté, est déposé dans du silicium fondu, puis lentement tiré vers le haut et tourné, permettant au matériau tiré de se solidifier en une bande monocristalline arrondie. Des champs magnétiques peuvent également être appliqués au cours de ce processus pour contrôler et supprimer le flux turbulent, améliorant ainsi encore l'uniformité du cristal. D’autres méthodes de production incluent la méthode de fusion de zone et la technique Bridgman, qui utilisent également le chauffage dans une capsule à gradient de température pour favoriser la croissance cristalline.
Les barres rondes solidifiées sont découpées en fines tranches et traitées ultérieurement pour les préparer à la fabrication. Comparé à la coulée de lingots multi-plaquettes, le processus de production de silicium monocristallin est relativement lent et coûteux. Cependant, en raison de ses propriétés électroniques supérieures, la demande en silicium monocristallin continue d’augmenter.
Applications en électronique
L'application principale du silicium monocristallin est la production de composants discrets et de circuits intégrés. Les tiges rondes fabriquées selon la méthode Czochralski sont découpées en plaquettes d'environ 0,75 mm d'épaisseur, sur lesquelles sont construits des dispositifs microélectroniques à l'aide de divers microprocessus tels que le dopage, l'implantation ionique, la gravure et le dépôt de couches minces.
« Un cristal unique continu est crucial pour l'électronique car les joints de grains, les impuretés et les défauts cristallins peuvent affecter de manière significative les propriétés électroniques locales du matériau. »
Sans la perfection du cristal, il serait presque impossible de construire des circuits intégrés à très grande échelle (VLSI), qui contiennent des milliards de circuits à transistors qui doivent tous fonctionner de manière fiable. C’est pour cette raison que l’industrie électronique a investi massivement dans des installations permettant de produire de grands monocristaux de silicium.
Application dans les cellules solaires
Le silicium monocristallin est également utilisé dans les dispositifs photovoltaïques hautes performances. Étant donné que les exigences en matière de défauts structurels ne sont pas aussi strictes que celles des applications microélectroniques, du silicium solaire (Sog-Si) de qualité légèrement inférieure est souvent utilisé pour fabriquer des cellules solaires. Cependant, le développement de l’industrie photovoltaïque au silicium monocristallin a bénéficié des progrès rapides des méthodes de production de silicium monocristallin dans l’industrie électronique.
Part de marché et efficacité
En tant que deuxième technologie photovoltaïque la plus courante, le silicium monocristallin est deuxième seulement après son produit frère, le silicium multicristallin. Malgré la production plus rapide de silicium multicristallin et la réduction continue des coûts, la part de marché du silicium monocristallin diminue progressivement depuis 2013 : cette année-là, la part de marché des cellules solaires en silicium monocristallin était de 36 %, ce qui se traduit par une capacité PV de 12,6 GW, mais En 2016, la part de marché des cellules solaires en silicium monocristallin s'élevait à 1,35 GW. En 2017, sa part de marché était tombée sous la barre des 25 %.
« L'efficacité en laboratoire des cellules monocristallines en silicium monocristallin a atteint 26,7 %, ce qui représente l'efficacité de conversion la plus élevée confirmée parmi toutes les technologies photovoltaïques commerciales. »
L'efficacité des modules photovoltaïques en silicium monocristallin a atteint 24,4 % en 2016. Dans certaines applications, notamment lorsqu'il existe des restrictions de poids ou de surface disponible, le rendement élevé des cellules solaires en silicium monocristallin est particulièrement important.
Défis et comparaisons en matière de fabrication
Outre la productivité inefficace, il y a aussi le problème du gaspillage de matériaux dans le processus de fabrication. Lors du processus de découpage des plaquettes rondes, le matériau du côté gauche n'est souvent pas entièrement utilisé et est soit jeté, soit recyclé et refondu. Cependant, les progrès technologiques indiquent que l’épaisseur des plaquettes sera réduite à moins de 140 μm à l’avenir. D’autres méthodes de fabrication, telles que la croissance directe des plaquettes, sont également étudiées comme de nouvelles façons de réduire les déchets dans les processus de découpage en dés traditionnels.
Le silicium monocristallin diffère considérablement des autres formes de silicium, telles que le silicium polycristallin et le silicium amorphe. Le silicium polycristallin est composé de plusieurs grains et est moins cher à produire mais a une efficacité moindre. Le silicium amorphe est principalement utilisé dans les cellules solaires à couches minces. Bien qu'il soit léger et flexible, il est extrêmement inefficace. Le choix des différents types de silicium a un impact continu sur les exigences techniques et les considérations économiques des différentes applications.
À mesure que la technologie progresse, la manière d’équilibrer efficacement les coûts et l’efficacité sera une question qui devra être prise en compte dans le développement futur des industries photovoltaïques et électroniques.
