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单晶矽如何在电子世界中击败所有竞争者？
单晶矽，亦即单晶矽或简称为mono-Si，是当今电子和光伏行业中的关键材料。作为矽基离散元件和集成电路的基础，单晶矽在所有现代电子设备中扮演着至关重要的角色，从电脑到智能手机都有它的身影。此外，单晶矽作为高效的光吸收材料，对于太阳能电池的生产尤为重要，使其在可再生能源行业中不可或缺。
单晶矽的晶格结构是连续而完整的，没有任何晶界，这为其优越的电子性能提供了基础。
单晶矽的制备可以作为内源半导体，仅由纯矽组成，或通过加入其他元素如硼或磷来掺杂，以形成p型或n型矽。由于其半导体性能，单晶矽可能是过去几十年来最重要的技术材料—「矽时代」。其低成本的可获取性对于支撑现代电子设备的发展起着至关重要的作用。
生产过程
单晶矽通常是通过几种方法制造的，这些方法涉及熔化高纯度半导体级矽和使用种子晶体来启动连续单晶体的形成。这一过程通常在惰性气体环境中进行，比如氩气，并使用石英等惰性坩埚来避免影响晶体均匀性的杂质。
最常见的生产技术是Czochralski法，这一过程可生产长达2米的单晶圆棒，重达数百公斤。
Czochralski方法会将一根精确定向的种晶体棒浸入熔融矽中，然后缓慢地向上拉动并同时旋转，使拉出的材料固化成单晶圆棒。相对于多晶圆棒的浇铸，单晶矽的生产过程相对较慢且成本较高，但由于其优越的电子性能，需求仍在不断增长。
在电子产品中的应用
单晶矽的主要应用是制造离散元件和集成电路。 Czochralski法制成的圆棒会被切割成约0.75毫米厚的薄片，并进行抛光，以获得规则光滑的基底，然后在此基底上通过各种微制造工艺构建微电子器件。
一个连续的晶体对于电子产品至关重要，因为晶界、杂质和晶体缺陷会显著影响材料的局部电子性质。
例如，没有晶体完美性，就无法建造超大规模集成（VLSI）设备，而这类设备必须可靠地运行亿万个晶体管电路。
在太阳能电池中的应用
单晶矽还用于高性能光伏（PV）设备。尽管与微电子应用相比，对于结构缺陷的要求较不严格，但单晶矽光伏产业仍受惠于电子行业的快速生产技术。
市场份额和效率
作为第二常见的光伏技术，单晶矽仅次于多晶矽。尽管单晶矽的市场份额从2013年的36%下降到2016年的25%，但其光伏产能仍显著增加。
单晶矽的单结构电池实验室效率达到26.7%，是所有商业光伏技术中确认转换效率最高的。
这一高效率主要归功于单晶体中缺乏重组位点，此外其黑色外观也更利于光子的吸收。
制造挑战
除了生产速率低，制造过程中的材料浪费问题也受到关注。生产空间高效的太阳能电池板需要将圆形晶圆切割成可紧密包装的八角形电池，而这一过程往往会产生材料浪费。
在未来，技术进步有望将晶圆厚度降低至140微米，进一步提升效率。
其他制造方法如直接晶圆外延生长正在研究中，这一新方法或许可以消除传统工艺中的浪费问题。
与其他形式矽的比较
单晶矽与其他太阳能技术中的矽形式（尤其是多晶矽和非晶矽）有明显的区别。这些材料在生产成本和效率上截然不同：
多晶矽：由众多小晶体组成，虽然生产成本较低，但效率不及单晶矽。非晶矽：主要用于薄膜太阳能电池，轻便灵活，但效率显著低于单晶矽。
在竞争激烈的电子市场中，单晶矽展现了它的无可替代性，无论是在电子元件还是太阳能技术方面，都是未来的主要材料。人们不禁要思考，随着新技术的发展，单晶矽是否能继续保持其市场领导地位?
