단결정 실리콘 ( “단결정 실리콘”, “단결정 Si”, “모노 c-Si”또는 모노 -Si)은 오늘날 거의 모든 전자 장비에 사용되는 실리콘 칩의 기본 재료입니다. Mono-Si는 또한 태양 전지의 광 흡수 물질로 사용됩니다.
그것은 전체 고체의 결정 격자가 연속적이며 그 모서리가 끊어지지 않고 모든 결정립 경계가없는 실리콘으로 구성됩니다. Mono-Si는 매우 순수한 실리콘으로 만 구성된 진성 반도체로 만들 수 있으며, p 형 또는 n 형 실리콘을 만들기 위해 붕소 또는 인과 같은 다른 원소를 첨가하여 도핑 할 수 있습니다. 반도체 특성으로 인해 단결정 실리콘은 아마도 지난 수십 년 동안 가장 중요한 기술적 재료, 즉 “실리콘 시대”였을 것입니다. 왜냐하면 저렴한 비용으로 가용성이 현재의 전자 장치 개발에 필수적 이었기 때문입니다 일일 전자 제품 및 IT 혁명이 기본입니다.
단결정 실리콘은 박막 태양 전지에 사용되는 비결 정성 비정질 실리콘 및 미세 결정이라고도하는 작은 결정으로 구성된 다결정 실리콘과 같은 다른 동종 형태와는 다릅니다.
생산
단결정 실리콘은 일반적으로 고순도의 반도체 등급 실리콘 (불순물 만 몇 ppm 만)을 용해하고 연속 단결정을 형성하기 위해 시드를 사용하는 등의 여러 방법 중 하나에 의해 생성됩니다. 이 공정은 일반적으로 결정 균일도에 영향을 줄 수있는 불순물을 피하기 위해 불활성 대기, 예를 들어 아르곤 및 불활성 도가니, 예를 들어 석영에서 수행된다.
가장 일반적인 생산 방법은 Czochralski 공정으로, 정확하게 방향이 지정된 막대 장착 종자 결정을 용융 된 실리콘에 담근다. 그 후로드를 천천히 위로 당겨서 동시에 회전시켜 인장 된 재료를 단결정 원통형 잉곳으로 길이가 2 미터에 무게가 수백 킬로그램까지 고형화되도록합니다. 난류를 제어하고 억제하기 위해 자장을 적용하여 결정화의 균일 성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 다른 방법은 다결정 실리콘로드를 통과시켜 고주파 가열 코일을 통과시켜 시드 결정 잉곳이 성장하는 국부 용융 구역을 만들고 브리지 맨을 온도 구배로 이동시켜 냉각시키는 브리지 만 기술입니다 씨앗을 담고있는 용기의 끝. 고형화 된 잉곳은 추가 가공을 위해 얇은 웨이퍼로 슬라이스됩니다.
다 결정질 주괴의 주조와 비교하여, 단결정 실리콘의 생산은 매우 느리고 비쌉니다. 그러나 우수한 전자 특성으로 인해 mono-Si에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다. 입자 경계가 없기 때문에 전하 캐리어 흐름을 개선하고 전자 재조합을 방지하여 집적 회로 및 광전지의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
전자 제품
단결정 실리콘의 주요 용도는 집적 회로에 대한 기계적 지원입니다. 쵸크 랄 스키 공정으로 제조 된 덩어리는 약 0.75 mm 두께의 웨이퍼로 슬라이스되고 폴리싱되어 규칙적이고 평평한 기판을 얻고, 도핑 또는 이온 주입, 에칭, 다양한 재료의 증착과 같은 다양한 마이크로 제조 공정을 통해 마이크로 전자 장치가 제작된다. 포토 리소 그래픽 패터닝.
결정립 경계, 불순물 및 결정학 결함이 회로 경로를 방해하여 소자 성능에 영향을 미치는 물질의 국부 전자 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일 연속 결정이 전자 장치에 중요합니다. 예를 들어, 결정 성 완벽이 없으면 신뢰성있는 기능을해야하는 수십억 개의 트랜지스터 기반 회로가 단일 칩에 결합되어 마이크로 프로세서를 형성하는 초대형 집적 (VLSI) 장치를 구축하는 것은 사실상 불가능합니다. . 이와 같이, 전자 산업은 실리콘 단결정을 제조하는 설비에 많은 투자를하고 있습니다.
태양 전지
단결정 실리콘은 고성능 PV (광전지) 장치에도 사용됩니다. 마이크로 일렉트로닉스 어플리케이션에 비해 구조적 불완전성에 대한 요구가 덜 엄격하기 때문에 낮은 품질의 태양 광 실리콘 (Sog-Si)이 종종 태양 전지에 사용됩니다. 그럼에도 불구하고, 단결정 실리콘 광전지 산업은 전자 산업을위한보다 빠른 모노 – 실리콘 생산 방법의 개발을 통해 많은 혜택을 얻었습니다.
시장 점유율
PV 기술의 두 번째로 보편적 인 형태 인 단결정 실리콘은 여동생 인 다결정 실리콘에만 뒤지지 않습니다. 모노 실리콘의 시장 점유율은 폴리 실리콘의 생산율과 꾸준히 감소하는 비용 때문에 꾸준히 줄어들고있다. 2013 년 단결정 태양 전지의 시장 점유율은 36 %로 12.6 GW 시장 점유율은 2016 년까지 25 % 이하로 떨어졌습니다. 시장 점유율이 낮아 졌음에도 불구하고 2016 년에 생산 된 모노 – 실리콘 태양 광 발전 용량은 20.2GW였으며 이는 광전지 기술의 전체 생산량이 크게 증가한 것을 의미합니다.
능률
단결정 실리콘의 26.7 % 효율을 기록한 단결정 실리콘은 poly-Si (22.3 %) 및 CIGS 셀 (21.7)과 같은 박막 기술을 확립하면서 모든 상업용 PV 기술 중에서 변환 효율이 가장 높습니다. %), CdTe 세포 (21.0 %), a-Si 세포 (10.2 % mono-Si에 대한 태양 전지 모듈의 효율은 항상 해당 셀의 태양 전지 모듈보다 낮으며, 마침내 2012 년에 20 %를 넘어 2016 년에 24.4 %를 기록했습니다. 높은 효율은 단일 셀에서의 재조합 사이트가 없기 때문입니다 폴리 실리콘의 특징적인 푸른 색조와 비교하여 그 검은 색으로 인해 광자의 흡수 및 흡수가 우수합니다. 그들은 다결정에 비해 가격이 비싸기 때문에, 모노 -Si 셀은 태양 에너지로 구동되는 우주선이나 인공위성과 같이 무게 나 가용 영역에 대한 제한이 주요 고려 사항 인 곳에서 유용합니다. 다층 태양 전지와 같은 다른 기술.
조작
낮은 생산 률 외에도 제조 공정에서 낭비되는 물질에 대한 우려가 있습니다. 공간 효율적인 태양 전지 패널을 만들려면 원형 웨이퍼 (Czochralski 공정을 통해 형성된 원통형 잉곳의 제품)를 서로 가깝게 포장 할 수있는 팔각형 셀로 절단해야합니다. 남은 재료는 PV 셀을 만드는 데 사용되지 않으며 용융을 위해 잉곳 생산으로 돌아가 폐기되거나 재활용됩니다. 또한 단결정 Si 셀이 입사면의 20μm 이내에서 대부분의 광자를 흡수 할 수 있다고하더라도 잉곳 톱질 공정에 대한 제한은 상업용 웨이퍼 두께가 일반적으로 약 200μm임을 의미합니다. 그러나 기술의 진보는 2026 년까지 웨이퍼 두께를 140 μm로 줄일 것으로 기대된다.
재사용 가능한 실리콘 기판 상에 기체 층을 성장시키는 직접 웨이퍼 에피 택셜 성장과 같은 다른 제조 방법이 연구되고있다. 새로운 공정은 정사각형 결정의 성장을 허용하여 품질이나 효율을 저하시키지 않으면 서 더 얇은 웨이퍼로 가공 할 수 있으므로 전통적인 잉곳 톱질 및 절단 방법에서 발생하는 낭비를 제거 할 수 있습니다.