Bugün öğrendim ki: - Bilgisayar çiplerinin yapımında kullanılan silisyum levhalar, tek kristal halinde yetiştirilen, 2 metre uzunluğunda ve birkaç yüz kg ağırlığında olabilen bir silisyum külçesinden kesilir.
Sürekli ve kırılmamış kristal kafese sahip silikon formu.
Monokristalin silikon, genellikle tek kristal silikon veya kısaca mono-Si olarak adlandırılır ve modern elektronik ve fotovoltaiklerde yaygın olarak kullanılan kritik bir malzemedir. Silikon bazlı ayrık bileşenler ve entegre devrelerin temeli olarak, bilgisayarlardan akıllı telefonlara kadar neredeyse tüm modern elektronik ekipmanlarda hayati bir rol oynar. Ek olarak, mono-Si, güneş pillerinin üretiminde oldukça verimli bir ışık emici malzeme görevi görerek yenilenebilir enerji sektöründe vazgeçilmez hale gelir.
Tüm katının kristal kafesi kenarlarına kadar sürekli, kırılmamış ve herhangi bir tane sınırından (yani tek bir kristal) arındırılmış silikondan oluşur. Mono-Si, yalnızca aşırı saf silikondan oluşan bir içsel yarı iletken olarak hazırlanabilir veya p tipi veya n tipi silikon yapmak için bor veya fosfor gibi diğer elementlerin eklenmesiyle katkılanabilir.[1] Yarı iletken özellikleri nedeniyle, tek kristal silikon belki de son birkaç on yılın en önemli teknolojik malzemesidir - "silikon çağı".[2] Uygun fiyatlı bir maliyetle bulunabilirliği, günümüz elektronik ve BT devriminin temelini oluşturan elektronik cihazların geliştirilmesi için şart olmuştur.
Monokristalin silikon, ince film güneş pillerinde kullanılan amorf silikon gibi diğer allotropik formlardan ve kristalitler olarak bilinen küçük kristallerden oluşan polikristalin silikondan farklıdır.
Üretim
[değiştir]
Monokristalin silikon genellikle yüksek saflıkta, yarı iletken sınıfı silikonu (sadece milyon başına birkaç parça safsızlık) eritmeyi ve sürekli bir tek kristalin oluşumunu başlatmak için bir çekirdek kullanmayı içeren birkaç yöntemden biriyle oluşturulur. Bu işlem genellikle argon gibi inert bir atmosferde ve kristal homojenliğini etkileyecek safsızlıkları önlemek için kuvars gibi inert bir potada gerçekleştirilir.
En yaygın üretim tekniği, hassas bir şekilde yönlendirilmiş bir çubuk üzerine monte edilmiş çekirdek kristali eritilmiş silikona daldıran Czochralski yöntemidir. Daha sonra çubuk yavaşça yukarı doğru çekilir ve aynı anda döndürülür, böylece çekilmiş malzemenin 2 metreye kadar uzunluğunda ve birkaç yüz kilogram ağırlığında monokristalin silindirik bir külçeye sertleşmesine izin verilir. Kristalleşmenin homojenliğini daha da iyileştirmek için türbülanslı akışı kontrol etmek ve bastırmak için manyetik alanlar da uygulanabilir.[3] Diğer yöntemler, polikristalin bir silikon çubuğunun, yerelleştirilmiş bir eritilmiş bölge oluşturan bir radyo frekanslı ısıtma bobininden geçen ve ondan bir çekirdek kristal külçesinin büyüdüğü bölge erimesi ve kabı çekirdeği içeren kabın ucundan soğutmak için sıcaklık gradyanı boyunca hareket ettiren Bridgman teknikleridir.[4] Katılaştırılmış külçeler daha sonra waferleme adı verilen bir işlem sırasında ince waferlere kesilir. Waferlemeden sonraki işlemelerden sonra, waferler üretimde kullanıma hazırdır.
Polkristalin külçelerin dökümüne kıyasla, monokristalin silikon üretimi çok yavaş ve pahalıdır. Bununla birlikte, mono-Si'ye olan talep, üstün elektronik özellikleri nedeniyle artmaya devam etmektedir - tane sınırlarının olmaması daha iyi yük taşıyıcısı akışına izin verir ve elektron rekombinasyonunu önler[5] - entegre devrelerin ve fotovoltaiklerin performansını iyileştirir.
Elektronikte
[değiştir]
Ana madde: Yarı iletken cihaz üretimi
Monokristalin silikonun birincil uygulaması, ayrık bileşenlerin ve entegre devrelerin üretimindedir. Czochralski yöntemi ile yapılan külçeler, yaklaşık 0,75 mm kalınlığında waferlere kesilir ve düzenli, düz bir alt tabaka elde etmek için cilalanır; üzerine, katkılama veya iyon implantasyonu, aşındırma, çeşitli malzemelerin biriktirilmesi ve fotolitografik desenleme gibi çeşitli mikroüretim süreçleri aracılığıyla mikroelektronik cihazlar oluşturulur.
Tek bir sürekli kristal, elektronik için çok önemlidir, çünkü tane sınırları, safsızlıklar ve kristalografik kusurlar, malzemenin yerel elektronik özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilir; bu da, doğru çalışmasına müdahale ederek yarı iletken cihazların işlevselliğini, performansını ve güvenilirliğini etkiler. Örneğin, kristal mükemmelliği olmadan, hepsinin güvenilir bir şekilde çalışması gereken milyarlarca[6] transistör tabanlı devrenin tek bir çipe birleştirilerek bir mikroişlemci oluşturduğu çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) cihazları oluşturmak neredeyse imkansız olurdu. Bu nedenle, elektronik endüstrisi, büyük tek silikon kristalleri üretmek için tesislerde büyük yatırımlar yapmıştır.
Güneş pillerinde
[değiştir]
Monokristalin silikon ayrıca yüksek performanslı fotovoltaik (FV) cihazlar için kullanılır. Mikroelektronik uygulamalarına kıyasla yapısal kusurlara ilişkin daha az katı talepler olduğundan, güneş pilleri için genellikle daha düşük kaliteli güneş sınıfı silikon (Sog-Si) kullanılır. Buna rağmen, monokristalin silikon fotovoltaik endüstrisi, elektronik endüstrisi için daha hızlı mono-Si üretim yöntemlerinin geliştirilmesinden büyük ölçüde faydalanmıştır.
Pazar payı
[değiştir]
En yaygın ikinci FV teknolojisi olan monokristalin silikon, yalnızca kız kardeşi olan polikristalin silikondan sonra ikinci sırada yer almaktadır. Çok daha yüksek üretim oranı ve sürekli azalan poli-silikon maliyetleri nedeniyle, mono-Si'nin pazar payı azalmaktadır: 2013 yılında, monokristalin güneş pillerinin pazar payı %36'ydı ve bu, 12,6 GW fotovoltaik kapasite üretimine dönüştü,[7] ancak pazar payı 2016 yılına kadar %25'in altına düştü. Pazar payındaki düşüşe rağmen, 2016 yılında üretilen eşdeğer mono-Si FV kapasitesi 20,2 GW idi ve bu da fotovoltaik teknolojilerinin genel üretiminde önemli bir artışı göstermektedir.[8]
Verimlilik
[değiştir]
Kaydedilen 26,7%'lik tek bağlantılı hücre laboratuvar verimliliği ile monokristalin silikon, poli-Si (%22,3) ve CIGS hücreleri (%21,7), CdTe hücreleri (%21,0) ve a-Si hücreleri (%10,2) gibi kurulmuş ince film teknolojilerinin önünde, tüm ticari FV teknolojilerinin en yüksek onaylanmış dönüşüm verimliliğine sahiptir. Mono-Si için güneş modülü verimlilikleri -ki bunlar her zaman karşılık gelen hücrelerinin verimliliklerinden daha düşüktür- 2012 yılında sonunda %20 sınırını geçti ve 2016 yılında %24,4'e ulaştı.[9] Yüksek verimlilik büyük ölçüde tek kristalde rekombinasyon yerlerinin olmamasına ve poli-silikonun karakteristik mavi tonuna kıyasla siyah renginden dolayı fotonların daha iyi emilmesine bağlıdır. Poli-kristalin muadillerinden daha pahalı oldukları için, mono-Si hücreleri, ana hususlar ağırlık veya mevcut alan kısıtlamaları olduğunda faydalıdır.
Üretim
[değiştir]
Düşük üretim oranının yanı sıra, üretim sürecinde israf edilen malzeme konusunda da endişeler vardır. Alan verimli güneş panelleri oluşturmak, dairesel waferleri (Czochralski işlemiyle oluşturulan silindirik külçelerin bir ürünü) birbirine yakın paketlenebilen sekizgen hücrelere kesmeyi gerektirir. Kalan malzeme FV hücreleri oluşturmak için kullanılmaz ve ya atılır ya da eritme için külçe üretimlerine geri dönerek geri dönüştürülür. Ayrıca, mono-Si hücreleri fotonların çoğunu olay yüzeyinin 20 μm'si içinde emebilse de, külçe kesme işlemindeki sınırlamalar, ticari wafer kalınlıklarının genellikle yaklaşık 200 μm olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, teknolojideki gelişmelerin 2026 yılına kadar wafer kalınlıklarını 140 μm'ye düşürmesi bekleniyor.[10]
Doğrudan wafer epitaksiyel büyümesi gibi diğer üretim yöntemleri araştırılmaktadır; bu, yeniden kullanılabilir silikon substratlara gaz halindeki katmanlar yetiştirmeyi içerir. Yeni işlemler, daha sonra kalite veya verimlilikten ödün vermeden daha ince waferlere işlenebilen kare kristallerin yetiştirilmesine izin verebilir; böylece geleneksel külçe kesme ve kesme yöntemlerinden kaynaklanan israf ortadan kaldırılır.[11]
Diğer Silikon Formlarıyla Karşılaştırma
[değiştir]
Monokristalin silikon, özellikle polikristalin silikon ve amorf silikon olmak üzere güneş teknolojisinde kullanılan diğer silikon formlarından önemli ölçüde farklıdır:
Polkristalin Silikon: Birçok küçük kristalin (kristalit) oluşmuş olan polikristalin silikon, üretmek daha uygun fiyatlıdır, ancak hem elektronikte hem de güneş pillerinde monokristalin silikondan daha az verimlidir. Elektrik iletkenliği, tane sınırları tarafından engellenir ve genel performansı düşürür.
Amorf Silikon: Kristal yapıya sahip olmayan ve esas olarak ince film güneş pillerinde kullanılan amorf silikon hafif ve esnektir, ancak verimliliği monokristalin silikona göre çok daha düşüktür. Genellikle alan veya esnekliğin verimlilikten daha önemli olduğu özel uygulamalarda kullanılır.
Görünüm
[değiştir]
Silikonun kristal yapısı elmas kübik oluşturur.
Intel tarafından monokristalin silikon wafer üzerinde üretilen VLSI cihazlar
Sekizgen monokristalin silikon hücrelerden yapılmış güneş paneli
Güneş pillerinin karşılaştırılması: poli-Si (sol) ve mono-Si (sağ)