Language
Country/Area
No result found
Kekuatan luar biasa silikon kristal tunggal: Mengapa ia menjadi bahan dasar elektronik modern?
Silikon kristal tunggal, yang sering disebut silikon kristal tunggal atau mono-Si, adalah material yang sangat penting dalam perangkat elektronik modern dan teknologi fotovoltaik. Sebagai dasar untuk komponen diskrit berbasis silikon dan sirkuit terpadu, silikon memainkan peran penting dalam hampir semua perangkat elektronik modern, mulai dari komputer hingga telepon pintar. Selain itu, silikon kristal tunggal digunakan sebagai material penyerap cahaya yang sangat efisien dalam produksi sel surya, sehingga sangat diperlukan dalam bidang energi terbarukan.
"Kisi kristal silikon kristal tunggal bersifat kontinu dan tidak memiliki batas butir."
Sifat silikon kristal tunggal membuatnya sangat penting dalam aplikasi semikonduktor. Silikon dapat terdiri dari silikon dengan kemurnian sangat tinggi sebagai semikonduktor intrinsik, atau dapat didoping dengan menambahkan elemen lain seperti boron atau fosfor untuk membuat silikon tipe-p atau tipe-n. Sifat semikonduktor ini menjadikan silikon kristal tunggal sebagai material teknologi terpenting dalam beberapa dekade terakhir, menandai datangnya "Era Silikon". Biaya rendah dan ketersediaannya merupakan fondasi penting bagi pengembangan produk elektronik dan revolusi teknologi informasi saat ini.
Silikon kristal tunggal berbeda dari bentuk alotropik lainnya, seperti silikon amorf, yang digunakan dalam sel surya lapisan tipis, dan silikon polikristalin, yang terdiri dari kristal-kristal kecil. Perbedaan ini menentukan kinerja dan biaya yang berbeda.
Proses produksi
Silikon kristal tunggal biasanya dibuat melalui metode yang melibatkan peleburan silikon semikonduktor tingkat kemurnian tinggi dan penggunaan kristal benih untuk memulai pembentukan kristal tunggal yang berkesinambungan. Proses ini biasanya dilakukan dalam atmosfer inert, seperti argon, dan dalam wadah inert seperti kuarsa untuk menghindari pengotor yang dapat memengaruhi homogenitas kristal.
"Teknologi produksi yang paling umum adalah metode Czochralski, yang mampu menghasilkan ingot wafer tunggal hingga sepanjang 2 meter dan berat beberapa ratus kilogram."
Dalam metode Czochralski, kristal benih berbentuk batang yang berorientasi tepat dijatuhkan ke dalam silikon cair lalu ditarik ke atas dan diputar perlahan, memungkinkan material yang ditarik tersebut memadat menjadi strip bulat kristal tunggal. Medan magnet juga dapat diterapkan selama proses ini untuk mengendalikan dan menekan aliran turbulen, yang selanjutnya meningkatkan keseragaman kristal. Metode produksi lainnya termasuk metode peleburan zona dan teknik Bridgman, yang juga menggunakan pemanasan dalam kapsul gradien suhu untuk mendorong pertumbuhan kristal.
Batang bulat yang dipadatkan dipotong menjadi wafer tipis dan diproses lebih lanjut untuk mempersiapkannya untuk diproduksi. Dibandingkan dengan pengecoran ingot multi-wafer, proses produksi silikon kristal tunggal relatif lambat dan mahal. Namun, karena keunggulan elektroniknyaoperasi, permintaan silikon kristal tunggal terus meningkat.
Aplikasi dalam elektronik
Aplikasi utama silikon kristal tunggal adalah dalam produksi komponen diskrit dan sirkuit terpadu. Batang bundar yang dibuat menggunakan metode Czochralski dipotong menjadi wafer setebal sekitar 0,75 mm, yang di atasnya perangkat mikroelektronik dibangun menggunakan berbagai mikroproses seperti doping, implantasi ion, etsa, dan pengendapan lapisan tipis.
"Kristal kontinu tunggal sangat penting untuk elektronik karena batas butiran, ketidakmurnian, dan cacat kristal dapat secara signifikan memengaruhi sifat elektronik lokal material."
Tanpa kesempurnaan kristal, hampir mustahil untuk membangun perangkat sirkuit terpadu skala sangat besar (VLSI), yang berisi miliaran sirkuit transistor yang semuanya harus beroperasi dengan andal. Karena alasan ini, industri elektronik telah berinvestasi besar dalam fasilitas untuk memproduksi kristal silikon tunggal berukuran besar.
Aplikasi dalam sel surya
Silikon kristal tunggal juga digunakan dalam perangkat fotovoltaik berkinerja tinggi. Karena persyaratan untuk cacat struktural tidak seketat persyaratan untuk aplikasi mikroelektronik, silikon bermutu surya (Sog-Si) dengan kualitas yang sedikit lebih rendah sering digunakan untuk memproduksi sel surya. Namun, perkembangan industri fotovoltaik silikon monokristalin telah diuntungkan oleh kemajuan pesat metode produksi silikon monokristalin dalam industri elektronik.
Pangsa Pasar dan Efisiensi
Sebagai teknologi fotovoltaik paling umum kedua, silikon monokristalin berada di urutan kedua setelah produk saudaranya, silikon multikristalin. Meskipun produksi silikon multikristalin lebih cepat dan pengurangan biaya terus berlanjut, pangsa pasar silikon monokristalin telah menurun secara bertahap sejak 2013: pada tahun itu, pangsa pasar sel surya silikon monokristalin adalah 36%, yang berarti kapasitas PV sebesar 12,6 GW, tetapi pada tahun 2016, pangsa pasar sel surya silikon monokristalin telah meningkat menjadi 1,35 GW. Pada tahun 2017, pangsa pasarnya telah turun di bawah 25%.
"Efisiensi laboratorium sel silikon kristal tunggal telah mencapai 26,7%, yang merupakan efisiensi konversi tertinggi yang dikonfirmasi di antara semua teknologi fotovoltaik komersial."
Efisiensi modul fotovoltaik silikon monokristalin mencapai 24,4% pada tahun 2016. Dalam beberapa aplikasi, terutama di mana terdapat pembatasan pada berat atau area yang tersedia, efisiensi tinggi sel surya silikon monokristalin sangatlah penting.
Tantangan dan Perbandingan Manufaktur
Selain produktivitas yang tidak efisien, terdapat pula masalah pemborosan material dalam proses manufaktur. Selama proses pemotongan wafer bulat, material di sisi kiri sering kali tidak dimanfaatkan sepenuhnya dan dibuang atau didaur ulang dan dicairkan kembali. Namun, kemajuan teknologi menunjukkan
