Language
Country/Area
No result found
Sức mạnh đáng kinh ngạc của silicon đơn tinh thể: Tại sao nó lại là nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại?
Silic đơn tinh thể, thường được gọi là silicon đơn tinh thể hoặc đơn giản là mono-Si, là vật liệu đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử hiện đại và công nghệ quang điện. Là cơ sở cho các linh kiện rời rạc và mạch tích hợp dựa trên silicon, nó đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, từ máy tính đến điện thoại thông minh. Ngoài ra, silicon đơn tinh thể được sử dụng như một vật liệu hấp thụ ánh sáng hiệu quả cao trong sản xuất pin mặt trời, khiến nó trở nên không thể thiếu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
"Mạng tinh thể của silic đơn tinh thể là liên tục và không có ranh giới hạt nào."
Các tính chất của silicon đơn tinh thể làm cho nó đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng bán dẫn. Nó có thể chỉ bao gồm silicon có độ tinh khiết rất cao như một chất bán dẫn nội tại, hoặc có thể được pha tạp bằng cách thêm các nguyên tố khác như bo hoặc phốt pho để tạo ra silicon loại p hoặc loại n. Tính chất bán dẫn này đã biến silicon đơn tinh thể trở thành vật liệu công nghệ quan trọng nhất trong vài thập kỷ qua, đánh dấu sự ra đời của "Thời đại Silicon". Chi phí thấp và tính sẵn có của nó là nền tảng quan trọng cho sự phát triển của các sản phẩm điện tử và cuộc cách mạng công nghệ thông tin ngày nay.
Silic đơn tinh thể khác với các dạng thù hình khác, chẳng hạn như silic vô định hình, được sử dụng trong pin mặt trời màng mỏng, và silic đa tinh thể, được tạo thành từ các tinh thể nhỏ. Những khác biệt này quyết định hiệu suất và chi phí khác nhau của chúng.
Quy trình sản xuất
Silic đơn tinh thể thường được tạo ra thông qua phương pháp nấu chảy silic có độ tinh khiết cao, cấp bán dẫn 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 trong nồi nấu trơ như thạch anh để tránh tạp chất có thể ảnh hưởng đến tính đồng nhất của tinh thể.
"Công nghệ sản xuất phổ biến nhất là phương pháp Czochralski, có khả năng sản xuất các thỏi đơn có chiều dài lên tới 2 mét và nặng tới vài trăm kilôgam."
Trong phương pháp Czochralski, một tinh thể hạt hình que được định hướng chính xác được thả vào silicon nóng chảy rồi từ từ kéo lên và quay, cho phép vật liệu được kéo đông cứng thành một dải tròn đơn tinh thể. Trong quá trình này, người ta cũng có thể áp dụng từ trường để kiểm soát và ngăn chặn dòng chảy hỗn loạn, giúp cải thiện tính đồng nhất của tinh thể. Các phương pháp sản xuất khác bao gồm phương pháp nóng chảy theo vùng và kỹ thuật Bridgman, cũng sử dụng phương pháp gia nhiệt bên trong viên nang có nhiệt độ thay đổi để thúc đẩy sự phát triển của tinh thể.
Các thanh tròn đông đặc được cắt thành các tấm mỏng và tiếp tục được xử lý để chuẩn bị cho sản xuất. So với việc đúc các thỏi nhiều tấm, quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể tương đối chậm và tốn kém. Tuy nhiên, do có tính chất điện tử vượt trội nên nhu cầu về silicon đơn tinh thể vẫn tiếp tục tăng.
Ứng dụng trong 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 tạo ra bằng phương pháp Czochralski được cắt thành các tấm mỏng có độ dày khoảng 0,75 mm, trên đó các thiết bị vi điện tử được chế tạo bằng nhiều quy trình vi mô khác nhau như pha tạp, cấy ion, khắc và lắng đọng màng mỏng.
"Một tinh thể liên tục duy nhất 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 đặc tính điện tử cục bộ của vật liệu."
Nếu không có sự hoàn hảo về tinh thể, sẽ gần như không thể chế tạo được các thiết bị mạch tích hợp quy mô lớn (VLSI), chứa hàng tỷ mạch bóng bán dẫn và tất cả đều phải hoạt động đáng tin cậy. Vì lý do này, ngành công nghiệp điện tử đã đầu tư mạnh vào các cơ sở sản xuất tinh thể silicon đơn lớn.
Ứng dụng trong pin mặt trời
Silic đơn tinh thể cũng được sử dụng trong các thiết bị quang điện hiệu suất cao. Do các yêu cầu về khuyết tật cấu trúc không nghiêm ngặt như đối với các ứng dụng vi điện tử nên silicon cấp năng lượng mặt trời (Sog-Si) chất lượng thấp hơn một chút thường được sử dụng để sản xuất pin mặt trời. Tuy nhiên, sự phát triển của ngành công nghiệp quang điện silicon đơn tinh thể đã được hưởng lợi từ sự tiến bộ nhanh chóng của các phương pháp sản xuất silicon đơn tinh thể trong 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 sản phẩm cùng loại của nó là silicon đa tinh thể. Mặc dù silicon đa tinh thể được sản xuất nhanh hơn và chi phí của nó tiếp tục giảm, thị phần của silicon đơn tinh thể đã giảm dần kể từ năm 2013: trong năm đó, thị phần của pin mặt trời silicon đơn tinh thể là 36%, tương ứng với 12,6 GW. Công suất PV, nhưng đến năm 2016, thị phần của pin mặt trời silicon đơn tinh thể đã tăng lên 1,37 GW. Năm 2017, thị phần của nó đã giảm xuống dưới 25%.
"Hiệu suất phòng thí nghiệm của các tế bào đơn tinh thể silicon đã đạt 26,7%, đây là hiệu suất chuyển đổi cao nhất được xác nhận trong số tất cả các công nghệ quang điện thương mại."
Hiệu suất của các tấm pin quang điện silicon đơn tinh thể đạt 24,4% vào năm 2016. Trong một số ứng dụng, đặc biệt là khi có hạn chế về trọng lượng hoặc diện tích khả dụng, hiệu suất cao của pin mặt trời silicon đơn tinh thể đặc biệt quan trọng.
Những thách thức và so sánh trong sản xuất
Ngoài năng suất kém hiệu quả, còn có vấn đề lãng phí vật liệu trong quá trình sản xuất. Trong quá trình cắt lát bánh wafer tròn, vật liệu ở phía bên trái thường không được sử dụng hết và thường bị loại bỏ hoặc tái chế và nấu chảy lại. Tuy nhiên, những tiến bộ công nghệ cho thấy độ dày của tấm wafer sẽ giảm xuống dưới 140μm trong tương lai. Các phương pháp sản xuất khác, chẳng hạn như phát triển wafer trực tiếp, cũng đang được nghiên cứu với hy vọng giảm thiểu chất thải trong các quy trình cắt hạt lựu truyền thống thông qua các phương pháp mới.
Silic đơn tinh thể khác biệt đáng kể so với các dạng silic khác, chẳng hạn như silic đa tinh thể và silic vô định hình. Silic đa tinh thể được tạo thành từ nhiều hạt và rẻ hơn để sản xuất nhưng có hiệu suất thấp hơn; silic vô định hình chủ yếu được sử dụng trong pin mặt trời màng mỏng. Mặc dù nhẹ và linh hoạt, nhưng nó cực kỳ kém hiệu quả. Việc lựa chọn các loại silicon khác nhau có tác động liên tục đến các yêu cầu kỹ thuật và cân nhắc về mặt kinh tế của các ứng dụng khác nhau.
Khi công nghệ phát triển, làm thế nào để cân bằng hiệu quả giữa chi phí và hiệu quả sẽ là câu hỏi cần được xem xét trong quá trình phát triển tương lai của ngành công nghiệp quang điện và điện tử.
