O silício monocristalino é o material base para chips de silício usados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos atualmente. O Mono-Si também serve como um material fotovoltaico e de absorção de luz na fabricação de células solares.
Consiste em silício no qual a rede cristalina de todo o sólido é contínua, ininterrupta até as bordas, e livre de qualquer limite de grão. O mono-Si pode ser preparado como um semicondutor intrínseco que consiste apenas de silício extremamente puro, ou pode ser dopado pela adição de outros elementos como boro ou fósforo para fazer silício tipo-p ou tipo-n. Devido às suas propriedades semicondutoras, o silício monocristalino é talvez o material tecnológico mais importante das últimas décadas – a “era do silício”, porque sua disponibilidade a um custo acessível tem sido essencial para o desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos em que o presente -dia eletrônica e revolução de TI é baseada.
O silício monocristalino difere de outras formas alotrópicas, como o silício amorfo não-cristalino – usado em células solares de película fina – e o silício policristalino, que consiste em pequenos cristais também conhecidos como cristalites.
Produção
O silício monocristalino é geralmente criado por um dos vários métodos que envolvem fusão de silício de grau de semicondutor de alta pureza (apenas algumas partes por milhão de impurezas) e o uso de uma semente para iniciar a formação de um único cristal contínuo. Este processo é normalmente realizado em uma atmosfera inerte, como o argônio, e em um cadinho inerte, como o quartzo, para evitar impurezas que afetariam a uniformidade do cristal.
O método de produção mais comum é o processo Czochralski, que mergulha um cristal de semente montado na haste precisamente orientado no silício fundido. A haste é então lentamente puxada para cima e girada simultaneamente, permitindo que o material puxado se solidifique em um lingote cilíndrico monocristalino de até 2 metros de comprimento e pesando várias centenas de quilogramas. Campos magnéticos também podem ser aplicados para controlar e suprimir o fluxo turbulento, melhorando ainda mais a uniformidade da cristalização. Outros métodos são o crescimento da zona flutuante, que passa por um bastão de silício policristalino através de uma serpentina de aquecimento por radiofreqüência que cria uma zona fundida localizada, da qual um lingote de cristal cresce e técnicas de Bridgman, que movem o cadinho através de um gradiente de temperatura para resfriá-lo. o fim do recipiente contendo a semente. Os lingotes solidificados são então cortados em wafers finos para posterior processamento.
Em comparação com o vazamento de lingotes policristalinos, a produção de silício monocristalino é muito lenta e dispendiosa. No entanto, a demanda por mono-Si continua a aumentar devido às propriedades eletrônicas superiores – a falta de limites de grãos permite um melhor fluxo da transportadora de carga e evita a recombinação de elétrons – permitindo melhor desempenho de circuitos integrados e fotovoltaicos.
Na eletrônica
A principal aplicação do silício monocristalino é como suporte mecânico para circuitos integrados. Os lingotes feitos com o processo Czochralski são cortados em wafers de cerca de 0,75 mm de espessura e polidos para obter um substrato regular e plano, no qual dispositivos microeletrônicos são construídos através de vários processos de microfabricação, como dopagem ou implantação iônica, ataque químico, deposição de vários materiais e padronização fotolitográfica.
Um único cristal contínuo é fundamental para a eletrônica, já que os limites de grãos, impurezas e defeitos cristalográficos podem afetar significativamente as propriedades eletrônicas locais do material, o que, por sua vez, afeta o desempenho do dispositivo ao interferir nos caminhos do circuito. Por exemplo, sem a perfeição cristalina, seria virtualmente impossível construir dispositivos de integração em larga escala (VLSI), nos quais bilhões de circuitos baseados em transistores, todos os quais devem funcionar de forma confiável, são combinados em um único chip para formar um microprocessador. . Como tal, a indústria eletrônica investiu pesadamente em instalações para produzir grandes cristais de silício.
Nas células solares
O silício monocristalino também é usado para dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto desempenho. Uma vez que existem demandas menos rigorosas nas imperfeições estruturais em comparação com as aplicações de microeletrônica, o silício de baixa qualidade solar (Sog-Si) é freqüentemente usado para células solares. Apesar disso, a indústria fotovoltaica de silício monocristalino se beneficiou enormemente do desenvolvimento de métodos de produção de mono-Si mais rápidos para a indústria eletrônica.
Quota de mercado
Sendo a segunda forma mais comum de tecnologia fotovoltaica, o silício monocristalino é classificado apenas atrás de seu irmão, o silício policristalino. Devido à taxa de produção significativamente maior e aos custos decrescentes do polissilício, a participação de mercado do mono-Si vem diminuindo: em 2013, as células solares monocristalinas tiveram uma participação de mercado de 36%, o que se traduziu na produção de 12,6 GW de capacidade fotovoltaica, mas a quota de mercado caiu abaixo de 25% até 2016. Apesar da participação de mercado reduzida, a capacidade equivalente de mono-Si PV produzido em 2016 foi de 20,2 GW, indicando um aumento significativo na produção global de tecnologias fotovoltaicas.
Eficiência
Com uma eficiência de laboratório de célula unidirecional registrada de 26,7%, o silício monocristalino tem a mais alta eficiência de conversão confirmada dentre todas as tecnologias fotovoltaicas comerciais, à frente do poli-Si (22,3%) e tecnologias de filme fino estabelecidas, como as células CIGS (21,7 %), Culas de CdTe (21,0%) e culas a-Si (10,2%). As eficiências do módulo solar para mono-Si – que são sempre inferiores às de suas células correspondentes – finalmente ultrapassaram a marca de 20% em 2012 e atingiram 24,4% em 2016. A alta eficiência é amplamente atribuída à falta de locais de recombinação no único cristal e melhor absorção de fótons devido à sua cor preta, em comparação com a característica tonalidade azul do poli-silício. Uma vez que são mais caras que suas contrapartes policristalinas, as células mono-Si são úteis para aplicações onde as principais considerações são limitações de peso ou área disponível, como em naves espaciais ou satélites alimentados por energia solar, onde a eficiência pode ser melhorada através da combinação com outras tecnologias, como células solares multicamadas.
Fabricação
Além da baixa taxa de produção, há também preocupações com o desperdício de material no processo de fabricação. A criação de painéis solares com eficiência de espaço requer o corte das bolachas circulares (um produto dos lingotes cilíndricos formados pelo processo de Czochralski) em células octogonais que podem ser embaladas juntas. O material restante não é usado para criar células fotovoltaicas e é descartado ou reciclado voltando à produção de lingote para derreter. Além disso, embora as células mono-Si possam absorver a maioria dos fótons dentro de 20 μm da superfície incidente, as limitações no processo de serragem de lingote significam que a espessura da bolacha comercial está geralmente em torno de 200 μm. No entanto, os avanços tecnológicos deverão reduzir as espessuras de wafer para 140 μm até 2026.
Outros métodos de fabricação estão sendo pesquisados, como o crescimento epitaxial direto de wafer, que envolve o crescimento de camadas gasosas em substratos de silício reutilizáveis. Novos processos podem permitir o crescimento de cristais quadrados que podem ser processados em wafers mais finos sem comprometer a qualidade ou a eficiência, eliminando assim o desperdício dos métodos tradicionais de corte e lingotamento.