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Como o silício monocristalino vence todos os concorrentes no mundo da eletrônica?
O silício monocristalino, ou mono-Si para abreviar, é um material essencial nas indústrias eletrônica e fotovoltaica atuais. Como base para componentes discretos e circuitos integrados baseados em silício, o silício monocristalino desempenha um papel vital em todos os dispositivos eletrônicos modernos, de computadores a smartphones. Além disso, o silício monocristalino é particularmente importante para a produção de células solares como um material de absorção de luz altamente eficiente, tornando-o indispensável na indústria de energia renovável.
A estrutura reticular do silício monocristalino é contínua e completa, sem quaisquer limites de grãos, o que fornece a base para suas propriedades eletrônicas superiores.
O silício monocristalino pode ser preparado como um semicondutor intrínseco, consistindo apenas de silício puro, ou dopado pela adição de outros elementos, como boro ou fósforo, para formar silício tipo p ou tipo n. Devido às suas propriedades semicondutoras, o silício monocristalino é provavelmente o material tecnológico mais importante das últimas décadas — a "Era do Silício". Sua disponibilidade de baixo custo desempenhou um papel vital no suporte ao desenvolvimento de dispositivos eletrônicos modernos.
Processo de produção
O silício monocristalino é normalmente feito por vários métodos que envolvem a fusão de silício de alta pureza de grau semicondutor e o uso de um cristal semente para iniciar a formação de um cristal único contínuo. Esse processo geralmente é realizado em um ambiente de gás inerte, como o argônio, e usando um cadinho inerte, como o quartzo, para evitar impurezas que afetam a uniformidade do cristal.
A tecnologia de produção mais comum é o processo Czochralski, que pode produzir lingotes redondos monocristalinos de até 2 metros de comprimento e pesando centenas de quilos.
O método Czochralski envolve mergulhar uma haste de cristal semente precisamente orientada em silício fundido e então puxá-la lentamente para cima enquanto a gira, fazendo com que o material puxado se solidifique em uma única haste cristalina. O processo de produção de silício monocristalino é relativamente lento e caro em comparação à fundição de lingotes multi-wafer, mas a demanda continua a crescer devido às suas propriedades eletrônicas superiores.
Aplicação em produtos eletrônicos
A principal aplicação do silício monocristalino é a fabricação de componentes discretos e circuitos integrados. As hastes redondas produzidas pelo método Czochralski são cortadas em fatias finas de cerca de 0,75 mm de espessura e polidas para obter um substrato regular e liso, no qual dispositivos microeletrônicos são então construídos por meio de vários processos de microfabricação.
Um cristal contínuo é crucial para a eletrônica porque os limites de grãos, impurezas e defeitos do cristal podem afetar significativamente as propriedades eletrônicas locais do material.
Por exemplo, sem a perfeição do cristal, é impossível construir dispositivos integrados em larga escala (VLSI), que devem operar de forma confiável circuitos contendo bilhões de transistores.
Aplicação em células solares
O silício monocristalino também é usado em dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto desempenho. Embora os requisitos para defeitos estruturais sejam menos rigorosos do que em aplicações de microeletrônica, a indústria fotovoltaica de silício monocristalino ainda se beneficia da tecnologia de produção rápida da indústria eletrônica.
Participação de mercado e eficiência
Como a segunda tecnologia fotovoltaica mais comum, o silício monocristalino fica atrás apenas do silício multicristalino. Embora a participação de mercado do silício monocristalino tenha caído de 36% em 2013 para 25% em 2016, sua capacidade de produção fotovoltaica ainda aumentou significativamente.
A eficiência laboratorial de uma célula de estrutura única feita de silício monocristalino atinge 26,7%, que é a maior eficiência de conversão confirmada entre todas as tecnologias fotovoltaicas comerciais.
Essa alta eficiência é atribuída principalmente à ausência de locais de recombinação no cristal único, e sua aparência preta também é mais propícia à absorção de fótons.
Criando Desafios
Além da baixa taxa de produção, o desperdício de material no processo de fabricação também tem sido uma preocupação. A produção de painéis solares com eficiência de espaço exige o corte de wafers redondos em células octogonais que podem ser compactadas, um processo que frequentemente gera desperdício de material.
No futuro, espera-se que os avanços tecnológicos reduzam a espessura do wafer para 140 mícrons, melhorando ainda mais a eficiência.
Outros métodos de fabricação, como o crescimento epitaxial direto de wafers, estão sendo estudados, o que pode eliminar o problema de desperdício em processos tradicionais.
Comparação com outras formas de silício
O silício monocristalino é diferente de outras formas de silício usadas em tecnologias solares, especialmente o silício multicristalino e amorfo. Esses materiais diferem muito em custo de produção e eficiência:
Silício policristalino: Composto por muitos cristais pequenos, tem um custo de produção menor, mas não é tão eficiente quanto o silício monocristalino.Silício amorfo: Usado principalmente em células solares de película fina, é leve e flexível, mas sua eficiência é significativamente menor que a do silício monocristalino.
No mercado de eletrônicos altamente competitivo, o silício monocristalino demonstrou sua insubstituibilidade e é o principal material para o futuro, seja em componentes eletrônicos ou em tecnologia de energia solar. As pessoas não conseguem deixar de se perguntar: à medida que novas tecnologias se desenvolvem, o silício monocristalino poderá continuar a manter sua liderança de mercado?
