Language
Country/Area
No result found
Как монокристаллический кремний превосходит всех конкурентов в мире электроники?
Монокристаллический кремний, или сокращенно моно-Si, является ключевым материалом в современной электронной и фотоэлектрической промышленности. Монокристаллический кремний, являясь основой для дискретных компонентов и интегральных схем на основе кремния, играет важнейшую роль во всех современных электронных устройствах — от компьютеров до смартфонов. Кроме того, монокристаллический кремний особенно важен для производства солнечных элементов как высокоэффективный светопоглощающий материал, что делает его незаменимым в отрасли возобновляемой энергетики.
Структура решетки монокристаллического кремния непрерывна и целостна, без каких-либо границ зерен, что обеспечивает основу его превосходных электронных свойств.
Монокристаллический кремний может быть получен как собственный полупроводник, состоящий только из чистого кремния, или легированный путем добавления других элементов, таких как бор или фосфор, для образования кремния p-типа или n-типа. Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний является, пожалуй, важнейшим технологическим материалом последних десятилетий — «кремниевого века». Его низкая стоимость сыграла важную роль в поддержке разработки современных электронных устройств.
Производственный процесс
Монокристаллический кремний обычно изготавливается несколькими методами, включающими плавление высокочистого полупроводникового кремния и использование затравочного кристалла для инициирования образования сплошного монокристалла. Этот процесс обычно проводится в среде инертного газа, например аргона, и с использованием инертного тигля, например кварцевого, чтобы избежать примесей, влияющих на однородность кристалла.
Наиболее распространенной технологией производства является метод Чохральского, позволяющий получать монокристаллические круглые слитки длиной до 2 метров и весом в сотни килограммов.
Метод Чохральского заключается в погружении точно ориентированного стержня затравочного кристалла в расплавленный кремний, а затем в медленном вытягивании его вверх с одновременным вращением, в результате чего вытянутый материал затвердевает в единый кристаллический стержень. Процесс производства монокристаллического кремния относительно медленный и дорогостоящий по сравнению с литьем многопластинчатых слитков, но спрос на него продолжает расти благодаря его превосходным электронным свойствам.
Применение в электронных продуктах
Основное применение монокристаллического кремния — производство дискретных компонентов и интегральных схем. Круглые стержни, полученные методом Чохральского, нарезаются на тонкие пластины толщиной около 0,75 мм и полируются для получения ровной и гладкой подложки, на которой затем с помощью различных процессов микрообработки изготавливаются микроэлектронные устройства.
Непрерывный кристалл имеет решающее значение для электроники, поскольку границы зерен, примеси и дефекты кристалла могут существенно влиять на локальные электронные свойства материала.
Например, без совершенства кристаллов невозможно создание сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые должны надежно управлять схемами, содержащими миллиарды транзисторов.
Применение в солнечных батареях
Монокристаллический кремний также используется в высокопроизводительных фотоэлектрических (ФЭ) устройствах. Хотя требования к структурным дефектам менее строгие, чем в микроэлектронике, фотоэлектрическая промышленность на основе монокристаллического кремния по-прежнему извлекает выгоду из быстрой производственной технологии электронной промышленности.
Доля рынка и эффективность
Являясь второй по распространенности фотоэлектрической технологией, монокристаллический кремний уступает только мультикристаллическому кремнию. Хотя доля рынка монокристаллического кремния сократилась с 36% в 2013 году до 25% в 2016 году, его мощности по производству фотоэлектрических элементов все равно значительно выросли.
Лабораторная эффективность ячейки из монокристаллического кремния достигает 26,7%, что является наивысшей подтвержденной эффективностью преобразования среди всех коммерческих фотоэлектрических технологий.
Эта высокая эффективность в основном объясняется отсутствием участков рекомбинации в монокристалле, а его черный цвет также более благоприятен для поглощения фотонов.
Создание задач
Помимо низкой производительности, проблемой также являются отходы материалов в процессе производства. Для производства компактных солнечных панелей требуется разрезать круглые пластины на восьмиугольные ячейки, которые можно плотно упаковать. Этот процесс часто приводит к образованию отходов материала.
Ожидается, что в будущем технологический прогресс позволит уменьшить толщину пластины до 140 микрон, что еще больше повысит эффективность.
Изучаются и другие методы производства, такие как прямое эпитаксиальное выращивание пластин, которые могут устранить проблему отходов, характерную для традиционных процессов.
Сравнение с другими формами кремния
Монокристаллический кремний отличается от других форм кремния, используемых в солнечных технологиях, особенно от мультикристаллического и аморфного кремния. Эти материалы существенно различаются по себестоимости производства и эффективности:
<ул>Поликристаллический кремний: состоит из множества мелких кристаллов, имеет более низкую себестоимость производства, но не так эффективен, как монокристаллический кремний.
Аморфный кремний: в основном используется в тонкопленочных солнечных элементах, он легкий и гибкий, но его эффективность значительно ниже, чем у монокристаллического кремния.
На жестко конкурентном рынке электроники монокристаллический кремний продемонстрировал свою незаменимость и является основным материалом будущего, будь то электронные компоненты или технологии солнечной энергетики. Люди не могут не задаться вопросом: сможет ли монокристаллический кремний и дальше сохранять лидерство на рынке по мере развития новых технологий?
