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單晶矽如何在電子世界中擊敗所有競爭者？
單晶矽，亦即單晶矽或簡稱為mono-Si，是當今電子和光伏行業中的關鍵材料。作為矽基離散元件和集成電路的基礎，單晶矽在所有現代電子設備中扮演著至關重要的角色，從電腦到智能手機都有它的身影。此外，單晶矽作為高效的光吸收材料，對於太陽能電池的生產尤為重要，使其在可再生能源行業中不可或缺。
單晶矽的晶格結構是連續而完整的，沒有任何晶界，這為其優越的電子性能提供了基礎。
單晶矽的製備可以作為內源半導體，僅由純矽組成，或通過加入其他元素如硼或磷來摻雜，以形成p型或n型矽。由於其半導體性能，單晶矽可能是過去幾十年來最重要的技術材料—「矽時代」。其低成本的可獲取性對於支撐現代電子設備的發展起著至關重要的作用。
生產過程
單晶矽通常是通過幾種方法製造的，這些方法涉及熔化高純度半導體級矽和使用種子晶體來啟動連續單晶體的形成。這一過程通常在惰性氣體環境中進行，比如氬氣，並使用石英等惰性坩埚來避免影響晶體均勻性的雜質。
最常見的生產技術是Czochralski法，這一過程可生產長達2米的單晶圓棒，重達數百公斤。
Czochralski方法會將一根精確定向的種晶體棒浸入熔融矽中，然後緩慢地向上拉動並同時旋轉，使拉出的材料固化成單晶圓棒。相對於多晶圓棒的浇铸，單晶矽的生產過程相對較慢且成本較高，但由於其優越的電子性能，需求仍在不斷增長。
在電子產品中的應用
單晶矽的主要應用是製造離散元件和集成電路。Czochralski法製成的圓棒會被切割成約0.75毫米厚的薄片，並進行拋光，以獲得規則光滑的基底，然後在此基底上通過各种微製造工藝構建微電子器件。
一個連續的晶體對於電子產品至關重要，因為晶界、雜質和晶體缺陷會顯著影響材料的局部電子性質。
例如，沒有晶體完美性，就無法建造超大規模集成（VLSI）設備，而這類設備必須可靠地運行億萬個晶體管電路。
在太陽能電池中的應用
單晶矽還用於高性能光伏（PV）設備。儘管與微電子應用相比，對於結構缺陷的要求較不嚴格，但單晶矽光伏產業仍受惠於電子行業的快速生產技術。
市場份額和效率
作為第二常見的光伏技術，單晶矽僅次於多晶矽。儘管單晶矽的市場份額從2013年的36%下降到2016年的25%，但其光伏產能仍顯著增加。
單晶矽的單結構電池實驗室效率達到26.7%，是所有商業光伏技術中確認轉換效率最高的。
這一高效率主要歸功於單晶體中缺乏重組位點，此外其黑色外觀也更利於光子的吸收。
製造挑戰
除了生產速率低，製造過程中的材料浪費問題也受到關注。生產空間高效的太陽能電池板需要將圓形晶圓切割成可緊密包裝的八角形電池，而這一過程往往會產生材料浪費。
在未來，技術進步有望將晶圓厚度降低至140微米，進一步提升效率。
其他製造方法如直接晶圓外延生長正在研究中，這一新方法或許可以消除傳統工藝中的浪費問題。
與其他形式矽的比較
單晶矽與其他太陽能技術中的矽形式（尤其是多晶矽和非晶矽）有明顯的區別。這些材料在生產成本和效率上截然不同：
多晶矽：由眾多小晶體組成，雖然生產成本較低，但效率不及單晶矽。非晶矽：主要用於薄膜太陽能電池，輕便靈活，但效率顯著低於單晶矽。
在競爭激烈的電子市場中，單晶矽展現了它的無可替代性，無論是在電子元件還是太陽能技術方面，都是未來的主要材料。人們不禁要思考，隨著新技術的發展，單晶矽是否能繼續保持其市場領導地位?
