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O incrível poder do silício monocristalino: por que ele é o bloco de construção da eletrônica moderna?
O silício monocristalino, frequentemente chamado de silício monocristalino ou simplesmente mono-Si, é um material essencial em dispositivos eletrônicos modernos e na tecnologia fotovoltaica. Como base para componentes discretos e circuitos integrados baseados em silício, ele desempenha um papel fundamental em quase todos os dispositivos eletrônicos modernos, de computadores a smartphones. Além disso, o silício monocristalino é usado como um material de absorção de luz altamente eficiente na produção de células solares, tornando-o indispensável no campo da energia renovável.
"A rede cristalina do silício monocristalino é contínua e não possui limites de grãos."
As propriedades do silício monocristalino o tornam particularmente importante em aplicações de semicondutores. Ele pode consistir apenas de silício de altíssima pureza como um semicondutor intrínseco, ou pode ser dopado pela adição de outros elementos, como boro ou fósforo, para criar silício tipo p ou tipo n. Essa propriedade semicondutora fez do silício monocristalino o material tecnológico mais importante nas últimas décadas, marcando o advento da "Era do Silício". Seu baixo custo e disponibilidade são uma base importante para o desenvolvimento dos produtos eletrônicos atuais e da revolução da tecnologia da informação.
O silício monocristalino difere de outras formas alotrópicas, como o silício amorfo, que é usado em células solares de película fina, e o silício policristalino, que é composto de pequenos cristais. Essas diferenças determinam seus diferentes desempenhos e custos.
Processo de produção
O silício monocristalino é normalmente produzido por meio de 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 uma atmosfera inerte, como argônio, e em um cadinho inerte, como quartzo, para evitar impurezas que possam afetar a homogeneidade do cristal.
"A tecnologia de produção mais comum é o método Czochralski, capaz de produzir lingotes de wafer único de até 2 metros de comprimento e pesando várias centenas de quilos."
No método Czochralski, um cristal semente em forma de haste, precisamente orientado, é colocado em silício fundido e então lentamente puxado para cima e girado, permitindo que o material puxado se solidifique em uma tira arredondada e monocristalina. Campos magnéticos também podem ser aplicados durante esse processo para controlar e suprimir o fluxo turbulento, melhorando ainda mais a uniformidade do cristal. Outros métodos de produção incluem o método de fusão por zona e a técnica de Bridgman, que também usam aquecimento dentro de uma cápsula de gradiente de temperatura para promover o crescimento de cristais.
As barras redondas solidificadas são cortadas em finas pastilhas e posteriormente processadas para prepará-las para a fabricação. Comparado à fundição de lingotes multi-wafer, o processo de produção de silício monocristalino é relativamente lento e caro. No entanto, devido às suas propriedades eletrônicas superiores, a demanda por silício monocristalino continua a aumentar.
Aplicações em eletrônica
A principal aplicação do silício monocristalino é na produção de componentes discretos e circuitos integrados. As hastes redondas feitas usando o método Czochralski são cortadas em wafers de cerca de 0,75 mm de espessura, nas quais dispositivos microeletrônicos são construídos usando vários microprocessos, como dopagem, implantação iônica, corrosão e deposição de película fina.
"Um único 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."
Sem a perfeição dos cristais, seria quase impossível construir dispositivos de circuito integrado em larga escala (VLSI), que contêm bilhões de circuitos de transistores que devem operar de forma confiável. Por esse motivo, a indústria eletrônica investiu pesadamente em instalações para produzir grandes cristais únicos de silício.
Aplicação em células solares
O silício monocristalino também é usado em dispositivos fotovoltaicos de alto desempenho. Como os requisitos para defeitos estruturais não são tão rigorosos quanto aqueles para aplicações microeletrônicas, silício de grau solar (Sog-Si) de qualidade ligeiramente inferior é frequentemente usado para fabricar células solares. No entanto, o desenvolvimento da indústria fotovoltaica de silício monocristalino se beneficiou do rápido progresso dos métodos de produção de silício monocristalino na indústria eletrônica.
Participação de mercado e eficiência
Como a segunda tecnologia fotovoltaica mais comum, o silício monocristalino fica atrás apenas de seu produto irmão, o silício multicristalino. Apesar da produção mais rápida de silício multicristalino e das contínuas reduções de custos, a quota de mercado do silício monocristalino tem vindo a diminuir gradualmente desde 2013: nesse ano, a quota de mercado das células solares de silício monocristalino foi de 36%, traduzindo-se em 12,6 GW de capacidade fotovoltaica, mas em 2016, a participação de mercado de células solares de silício monocristalino havia subido para 1,35 GW. Em 2017, sua participação de mercado havia caído abaixo de 25%.
"A eficiência laboratorial das células monocristalinas de silício monocristalino atingiu 26,7%, o que é a maior eficiência de conversão confirmada entre todas as tecnologias fotovoltaicas comerciais."
A eficiência dos módulos fotovoltaicos de silício monocristalino atingiu 24,4% em 2016. Em algumas aplicações, especialmente onde há restrições de peso ou área disponível, a alta eficiência das células solares de silício monocristalino é particularmente importante.
Desafios e comparações da fabricação
Além da produtividade ineficiente, há também o problema do desperdício de material no processo de fabricação. Durante o processo de corte de wafers redondos, o material do lado esquerdo geralmente não é totalmente utilizado e é descartado ou reciclado e derretido novamente. No entanto, os avanços tecnológicos indicam que a espessura do wafer será reduzida para menos de 140 μm no futuro. Outros métodos de fabricação, como o crescimento direto de wafers, também estão sendo investigados como novas maneiras de reduzir o desperdício em processos tradicionais de corte em cubos.
O silício monocristalino difere significativamente de outras formas de silício, como o silício policristalino e o silício amorfo. O silício policristalino é composto de vários grãos e é mais barato de produzir, mas tem menor eficiência; o silício amorfo é usado principalmente em células solares de película fina. Embora seja leve e flexível, é extremamente ineficiente. A escolha de vários tipos de silício tem um impacto contínuo nos requisitos técnicos e nas considerações econômicas de diferentes aplicações.
À medida que a tecnologia avança, como equilibrar efetivamente custo e eficiência será uma questão que precisará ser considerada no desenvolvimento futuro das indústrias fotovoltaica e eletrônica.
