Language
Country/Area
No result found
Làm thế nào silicon đơn tinh thể có thể đánh bại tất cả các đối thủ trong thế giới điện tử?
Silic đơn tinh thể, hay gọi tắt là mono-Si, là vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử và quang điện ngày nay. Là cơ sở cho các linh kiện rời rạc và mạch tích hợp dựa trên silicon, silicon đơn tinh thể đóng vai trò quan trọng trong mọi thiết bị điện tử hiện đại, từ máy tính đến điện thoại thông minh. Ngoài ra, silicon đơn tinh thể đặc biệt quan trọng trong sản xuất pin mặt trời vì đây là vật liệu hấp thụ ánh sáng hiệu quả cao, khiến nó trở nên không thể thiếu trong ngành năng lượng tái tạo.
Cấu trúc mạng tinh thể của silicon đơn tinh thể là liên tục và hoàn chỉnh, không có ranh giới hạt nào, tạo cơ sở cho các tính chất điện tử vượt trội của nó.
Silic đơn tinh thể có thể được chế tạo như một chất bán dẫn nội tại, chỉ bao gồm silic nguyên chất, hoặc được pha tạp bằng cách thêm các nguyên tố khác như bo hoặc phốt pho để tạo thành silic loại p hoặc loại n. Do tính chất bán dẫn của mình, silicon đơn tinh thể có lẽ là vật liệu công nghệ quan trọng nhất trong vài thập kỷ qua - "Thời đại Silicon". Giá thành rẻ đã đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ phát triển các thiết bị điện tử hiện đại.
Quy trình sản xuất
Silic đơn tinh thể thường được tạo ra bằng một số phương pháp bao gồm nấu chảy silic cấp bán dẫn có độ tinh khiết cao và sử dụng tinh thể mầm để bắt đầu hình thành tinh thể đơn liên tục. Quá trình này thường được thực hiện trong môi trường khí trơ, chẳng hạn như argon, và sử dụng nồi nấu trơ như thạch anh để tránh tạp chất ảnh hưởng đến tính đồng nhất của tinh thể.
Công nghệ sản xuất phổ biến nhất là quy trình Czochralski, có thể sản xuất các thỏi tròn đơn tinh thể dài tới 2 mét và nặng hàng trăm kilôgam.
Phương pháp Czochralski bao gồm việc nhúng một thanh tinh thể hạt giống được định hướng chính xác vào silicon nóng chảy rồi từ từ kéo nó lên trong khi quay, khiến vật liệu được kéo đông cứng thành một thanh tinh thể duy nhất. Quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể tương đối chậm và tốn kém so với việc đúc các thỏi silicon nhiều tấm, nhưng nhu cầu vẫn tiếp tục tăng do tính chất điện tử vượt trội của nó.
Ứng dụng trong các sản phẩm điện tử
Ứng dụng chính của silicon đơn tinh thể là sản xuất các linh kiện rời rạc và mạch tích hợp. Các thanh tròn được sản xuất theo phương pháp Czochralski được cắt thành các lát mỏng có độ dày khoảng 0,75 mm và được đánh bóng để thu được một chất nền đều đặn và mịn màng, trên đó các thiết bị vi điện tử sau đó được chế tạo thông qua nhiều quy trình chế tạo vi mô khác nhau.
Tinh thể liên tục rất quan trọng đối với thiết bị điện tử vì ranh giới hạt, tạp chất và khuyết tật tinh thể có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất điện tử cục bộ của vật liệu.
Ví dụ, nếu không có sự hoàn hảo về tinh thể, không thể chế tạo được các thiết bị tích hợp quy mô lớn (VLSI), vốn phải vận hành mạch chứa hàng tỷ bóng bán dẫn một cách đáng tin cậy.
Ứng dụng trong pin mặt trời
Silic đơn tinh thể cũng được sử dụng trong các thiết bị quang điện (PV) hiệu suất cao. Mặc dù các yêu cầu về khuyết tật cấu trúc không nghiêm ngặt như trong các ứng dụng vi điện tử, nhưng ngành công nghiệp quang điện silicon đơn tinh thể vẫn được hưởng lợi từ công nghệ sản xuất nhanh của ngành công nghiệp điện tử.
Thị phần và hiệu quả
Là công nghệ quang điện phổ biến thứ hai, silicon đơn tinh thể chỉ đứng sau silicon đa tinh thể. Mặc dù thị phần silicon đơn tinh thể giảm từ 36% năm 2013 xuống còn 25% năm 2016, nhưng công suất sản xuất quang điện của nó vẫn tăng đáng kể.
Hiệu suất phòng thí nghiệm của một tế bào cấu trúc đơn làm từ silicon đơn tinh thể đạt tới 26,7%, đây là hiệu suất chuyển đổi cao nhất đã được xác nhận trong số tất cả các công nghệ quang điện thương mại.
Hiệu suất cao này chủ yếu là do tinh thể đơn không có các vị trí tái hợp và vẻ ngoài màu đen của nó cũng thuận lợi hơn cho việc hấp thụ photon.
Tạo ra những thách thức
Ngoài tỷ lệ sản xuất thấp, lãng phí vật liệu trong quá trình sản xuất cũng là một vấn đề đáng quan tâm. Việc sản xuất tấm pin mặt trời tiết kiệm không gian đòi hỏi phải cắt các tấm wafer tròn thành các ô bát giác có thể đóng gói chặt chẽ, một quá trình thường tạo ra lãng phí vật liệu.
Trong tương lai, những tiến bộ công nghệ dự kiến sẽ giảm độ dày của tấm wafer xuống còn 140 micron, qua đó cải thiện hiệu quả hơn nữa.
Các phương pháp sản xuất khác như phát triển epitaxial trực tiếp trên wafer đang được nghiên cứu, có thể loại bỏ vấn đề chất thải trong các quy trình truyền thống.
So sánh với các dạng silic khác
Silic đơn tinh thể khác biệt với các dạng silicon khác được sử dụng trong công nghệ năng lượng mặt trời, đặc biệt là silicon đa tinh thể và silicon vô định hình. Những vật liệu này có sự khác biệt lớn về chi phí sản xuất và hiệu quả:
Silic đa tinh thể: Được tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ, có chi phí sản xuất thấp hơn nhưng không hiệu quả bằng silic đơn tinh thể.Silic vô định hình: Chủ yếu được sử dụng trong pin mặt trời màng mỏng, nhẹ và linh hoạt, nhưng hiệu suất của nó thấp hơn đáng kể so với silicon đơn tinh thể.
Trong thị trường điện tử cạnh tranh khốc liệt, silicon đơn tinh thể đã chứng minh được tính không thể thay thế và là vật liệu chính cho tương lai, dù là trong linh kiện điện tử hay công nghệ năng lượng mặt trời. Mọi người không khỏi thắc mắc, khi công nghệ mới phát triển, liệu silicon đơn tinh thể có thể tiếp tục duy trì vị trí dẫn đầu thị trường hay không?
