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In che modo il silicio monocristallino batte tutti i concorrenti nel mondo dell'elettronica?
Il silicio monocristallino, o mono-Si in breve, è un materiale fondamentale nell'industria elettronica e fotovoltaica odierna. Il silicio monocristallino, base per componenti discreti e circuiti integrati in silicio, svolge un ruolo fondamentale in tutti i moderni dispositivi elettronici, dai computer agli smartphone. Inoltre, il silicio monocristallino è particolarmente importante per la produzione di celle solari in quanto materiale altamente efficiente nell'assorbimento della luce, il che lo rende indispensabile nel settore delle energie rinnovabili.
La struttura reticolare del silicio monocristallino è continua e completa, senza confini di grano, il che costituisce la base delle sue superiori proprietà elettroniche.
Il silicio monocristallino può essere preparato come semiconduttore intrinseco, costituito solo da silicio puro, oppure drogato aggiungendo altri elementi come boro o fosforo per formare silicio di tipo p o di tipo n. Grazie alle sue proprietà semiconduttrici, il silicio monocristallino è probabilmente il materiale tecnologico più importante degli ultimi decenni, ovvero dell'"era del silicio". La sua bassa costosità ha svolto un ruolo fondamentale nel supportare lo sviluppo dei moderni dispositivi elettronici.
Processo di produzione
Il silicio monocristallino viene solitamente prodotto mediante diversi metodi che prevedono la fusione di silicio semiconduttore ad elevata purezza e l'utilizzo di un cristallo di base per avviare la formazione di un monocristallo continuo. Questo processo viene solitamente eseguito in un ambiente con gas inerte, come l'argon, e utilizzando un crogiolo inerte, come il quarzo, per evitare impurità che potrebbero compromettere l'uniformità del cristallo.
La tecnologia di produzione più comune è il processo Czochralski, che consente di produrre lingotti rotondi monocristallini lunghi fino a 2 metri e pesanti centinaia di chilogrammi.
Il metodo Czochralski prevede l'immersione di una barretta di cristallo di avviamento orientata con precisione nel silicio fuso e la successiva lenta estrazione verso l'alto mediante rotazione, in modo che il materiale estratto si solidifichi in un'unica barretta cristallina. Il processo di produzione del silicio monocristallino è relativamente lento e costoso rispetto alla fusione di lingotti multi-wafer, ma la domanda continua a crescere grazie alle sue superiori proprietà elettroniche.
Applicazione nei prodotti elettronici
L'applicazione principale del silicio monocristallino è la produzione di componenti discreti e circuiti integrati. Le barre tonde prodotte con il metodo Czochralski vengono tagliate in sottili fette di circa 0,75 mm di spessore e lucidate per ottenere un substrato regolare e liscio, sul quale vengono poi costruiti dispositivi microelettronici attraverso vari processi di microfabbricazione.
Un cristallo continuo è fondamentale per l'elettronica perché i bordi dei grani, le impurità e i difetti del cristallo possono influenzare significativamente le proprietà elettroniche locali del materiale.
Ad esempio, senza la perfezione dei cristalli, è impossibile costruire dispositivi integrati su larga scala (VLSI), che devono far funzionare in modo affidabile circuiti contenenti miliardi di transistor.
Applicazione nelle celle solari
Il silicio monocristallino viene utilizzato anche nei dispositivi fotovoltaici (FV) ad alte prestazioni. Sebbene i requisiti relativi ai difetti strutturali siano meno rigorosi rispetto alle applicazioni microelettroniche, l'industria fotovoltaica in silicio monocristallino trae comunque vantaggio dalla rapida tecnologia di produzione dell'industria elettronica.
Quota di mercato ed efficienza
Il silicio monocristallino è la seconda tecnologia fotovoltaica più diffusa, seconda solo al silicio multicristallino. Sebbene la quota di mercato del silicio monocristallino sia scesa dal 36% nel 2013 al 25% nel 2016, la sua capacità di produzione fotovoltaica è comunque aumentata in modo significativo.
L'efficienza di laboratorio di una cella monostrutturale in silicio monocristallino raggiunge il 26,7%, che rappresenta la più alta efficienza di conversione confermata tra tutte le tecnologie fotovoltaiche commerciali.
Questa elevata efficienza è attribuita principalmente alla mancanza di siti di ricombinazione nel monocristallo; inoltre, il suo aspetto nero favorisce maggiormente l'assorbimento dei fotoni.
Creazione di sfide
Oltre al basso tasso di produzione, anche lo spreco di materiale nel processo di fabbricazione è motivo di preoccupazione. Per produrre pannelli solari salvaspazio è necessario tagliare wafer rotondi in celle ottagonali che possono essere compattate, un processo che spesso genera spreco di materiale.
In futuro, si prevede che i progressi tecnologici ridurranno lo spessore dei wafer a 140 micron, migliorando ulteriormente l'efficienza.
Sono allo studio altri metodi di produzione, come la crescita epitassiale diretta dei wafer, che potrebbero eliminare il problema degli scarti nei processi tradizionali.
Confronto con altre forme di silicio
Il silicio monocristallino si distingue dalle altre forme di silicio utilizzate nelle tecnologie solari, in particolare dal silicio multicristallino e amorfo. Questi materiali differiscono notevolmente in termini di costi di produzione ed efficienza:
Silicio policristallino: costituito da molti piccoli cristalli, ha un costo di produzione inferiore ma non è efficiente quanto il silicio monocristallino.Silicio amorfo: utilizzato principalmente nelle celle solari a film sottile, è leggero e flessibile, ma la sua efficienza è notevolmente inferiore a quella del silicio monocristallino.
Nel mercato fortemente competitivo dell'elettronica, il silicio monocristallino ha dimostrato la sua insostituibilità e rappresenta il materiale principale per il futuro, sia nei componenti elettronici che nella tecnologia dell'energia solare. La gente non può fare a meno di chiedersi se, con lo sviluppo delle nuove tecnologie, il silicio monocristallino continuerà a mantenere la sua leadership di mercato.
