Language
Country/Area
No result found
L'incredibile potenza del silicio monocristallino: perché è l'elemento fondamentale dell'elettronica moderna?
Il silicio monocristallino, spesso denominato silicio monocristallino o semplicemente mono-Si, è un materiale fondamentale nei moderni dispositivi elettronici e nella tecnologia fotovoltaica. In quanto base per componenti discreti e circuiti integrati al silicio, svolge un ruolo fondamentale in quasi tutti i moderni dispositivi elettronici, dai computer agli smartphone. Inoltre, il silicio monocristallino viene utilizzato come materiale altamente efficiente nell'assorbimento della luce nella produzione di celle solari, rendendolo indispensabile nel campo delle energie rinnovabili.
"Il reticolo cristallino del silicio monocristallino è continuo e non ha confini di grano."
Le proprietà del silicio monocristallino lo rendono particolarmente importante nelle applicazioni dei semiconduttori. Può essere costituito solo da silicio ad altissima purezza come semiconduttore intrinseco, oppure può essere drogato aggiungendo altri elementi come boro o fosforo per creare silicio di tipo p o di tipo n. Questa proprietà semiconduttrice ha reso il silicio monocristallino il materiale tecnologico più importante degli ultimi decenni, segnando l'avvento dell'"era del silicio". Il suo basso costo e la sua reperibilità rappresentano una base importante per lo sviluppo degli attuali prodotti elettronici e per la rivoluzione informatica.
Il silicio monocristallino si differenzia da altre forme allotropiche, come il silicio amorfo, utilizzato nelle celle solari a film sottile, e il silicio policristallino, costituito da piccoli cristalli. Queste differenze determinano le loro diverse prestazioni e costi.
Processo di produzione
Il silicio monocristallino viene solitamente prodotto mediante 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'atmosfera inerte, come l'argon, e in un crogiolo inerte come il quarzo, per evitare impurità che potrebbero compromettere l'omogeneità del cristallo.
"La tecnologia di produzione più comune è il metodo Czochralski, che è in grado di produrre lingotti a wafer singolo lunghi fino a 2 metri e pesanti diverse centinaia di chilogrammi."
Nel metodo Czochralski, un cristallo seme a forma di bastoncino orientato con precisione viene immerso nel silicio fuso e poi lentamente tirato su e ruotato, consentendo al materiale tirato di solidificarsi in una striscia monocristallina e arrotondata. Durante questo processo è possibile applicare anche campi magnetici per controllare e sopprimere il flusso turbolento, migliorando ulteriormente l'uniformità del cristallo. Altri metodi di produzione includono il metodo della fusione a zona e la tecnica Bridgman, che utilizzano anch'essi il riscaldamento all'interno di una capsula a gradiente di temperatura per promuovere la crescita dei cristalli.
Le barre tonde solidificate vengono tagliate in sottili cialde e ulteriormente lavorate per prepararle alla produzione. Rispetto alla fusione di lingotti multi-wafer, il processo di produzione del silicio monocristallino è relativamente lento e costoso. Tuttavia, grazie alle sue superiori proprietà elettroniche, la domanda di silicio monocristallino continua ad aumentare.
Applicazioni in elettronica
L'applicazione principale del silicio monocristallino è nella produzione di componenti discreti e circuiti integrati. Le barre tonde realizzate con il metodo Czochralski vengono tagliate in wafer di circa 0,75 mm di spessore, sui quali vengono costruiti dispositivi microelettronici utilizzando vari microprocessi come drogaggio, impianto ionico, incisione e deposizione di film sottili.
"Un singolo cristallo continuo è fondamentale per l'elettronica perché i confini dei grani, le impurità e i difetti dei cristalli possono influenzare significativamente le proprietà elettroniche locali del materiale."
Senza la perfezione dei cristalli, sarebbe quasi impossibile costruire dispositivi a circuito integrato su larga scala (VLSI), che contengono miliardi di circuiti a transistor che devono tutti funzionare in modo affidabile. Per questo motivo, l'industria elettronica ha investito molto in impianti per la produzione di grandi monocristalli di silicio.
Applicazione nelle celle solari
Il silicio monocristallino viene utilizzato anche nei dispositivi fotovoltaici ad alte prestazioni. Poiché i requisiti relativi ai difetti strutturali non sono così rigorosi come quelli per le applicazioni microelettroniche, per la produzione delle celle solari viene spesso utilizzato silicio di grado solare (Sog-Si) di qualità leggermente inferiore. Tuttavia, lo sviluppo dell'industria fotovoltaica in silicio monocristallino ha beneficiato del rapido progresso dei metodi di produzione del silicio monocristallino nell'industria elettronica.
Quota di mercato ed efficienza
Il silicio monocristallino è la seconda tecnologia fotovoltaica più diffusa, seconda solo al suo prodotto gemello, il silicio multicristallino. Nonostante il fatto che il silicio multicristallino venga prodotto più velocemente e il suo costo continui a scendere, la quota di mercato del silicio monocristallino è in graduale calo dal 2013: in quell'anno, la quota di mercato delle celle solari in silicio monocristallino era del 36%, pari a 12,6 GW di capacità fotovoltaica, ma entro il 2016 la quota di mercato delle celle solari in silicio monocristallino era salita a 1,37 GW. Nel 2017, la sua quota di mercato era scesa al di sotto del 25%.
"L'efficienza di laboratorio delle celle monocristalline in silicio monocristallino ha raggiunto il 26,7%, che è la più alta efficienza di conversione confermata tra tutte le tecnologie fotovoltaiche commerciali."
L'efficienza dei moduli fotovoltaici in silicio monocristallino ha raggiunto il 24,4% nel 2016. In alcune applicazioni, soprattutto quando vi sono limitazioni di peso o di spazio disponibile, l'elevata efficienza delle celle solari in silicio monocristallino è particolarmente importante.
Sfide e confronti nella produzione
Oltre alla produttività inefficiente, c'è anche il problema dello spreco di materiali nel processo di produzione. Durante il processo di taglio a cubetti delle cialde rotonde, il materiale sul lato sinistro spesso non viene utilizzato completamente e viene scartato oppure riciclato e rifuso. Tuttavia, i progressi tecnologici indicano che in futuro lo spessore dei wafer sarà ridotto a meno di 140 μm. Si stanno studiando anche altri metodi di produzione, come la crescita diretta dei wafer, nella speranza di ridurre gli sprechi nei tradizionali processi di cubettatura attraverso nuovi metodi.
Il silicio monocristallino differisce notevolmente dalle altre forme di silicio, come il silicio policristallino e il silicio amorfo. Il silicio policristallino è costituito da più grani ed è più economico da produrre, ma ha un'efficienza inferiore; il silicio amorfo è utilizzato principalmente nelle celle solari a film sottile. Sebbene sia leggero e flessibile, è estremamente inefficiente. La scelta di vari tipi di silicio ha un impatto continuo sui requisiti tecnici e sulle considerazioni economiche delle diverse applicazioni.
Con il progresso della tecnologia, un aspetto che dovrà essere preso in considerazione nello sviluppo futuro dei settori fotovoltaico ed elettronico sarà come bilanciare efficacemente costi ed efficienza.
