سليكون أحادي البلورة

صبة سليكون.

السليكون أحادي البلورة (Monocrystalline silicon، single-crystal silicon، اختصاراً mono c-Si أو mono-Si)، هي مادة قاعدية للمكونات المنفصلة القائمة على السليكون والدوائر المتكاملة المستخدمة في جميع المعدات الإلكترونية الحديثة تقريبًا. يعمل السليكون أحادي البلورة أيضاً كمادة طاقة ضوئية ممتصة للضوء في تصنيع الخلايا الشمسية.

يتكون السليكون أحادي البلورة من السليكون حيث تكون الشبكة البلورية من المادة الصلبة بأكملها متواصلة وغير منقطعة حتى حوافها، وخالية من أي حدود حبيبية (أي بلورة أحادية). يمكن تحضير السليكون أحادي البلورة باعتباره شبه موصل أصيل يتكون فقط من السليكون شديد النقاء، أو يمكن أن يكون مُشوب عن طريق إضافة عناصر أخرى مثل البورون أو الفوسفور لصنع سليكون شبه موصل من النوع پ أو النوع إن.[1] نظرًا لخصائصه شبه الموصلة، ربما يكون السليكون أحادي البلورة هو المادة التكنولوجية الأكثر أهمية في العقود القليلة الماضية - "عصر السليكون"،[2] لأن توفره بتكلفة معقولة كان ضروريًا لتطوير الأجهزة الإلكترونية التي تعتمد عليها ثورة الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات الحالية.

يختلف السليكون أحادي البلورية عن الأشكال المتآصلة الأخرى، مثل السليكون الغير بلوري - المستخدم في رقاقات الخلايا الشمسية - والسليكون متعدد البلورات، والذي يتكون من بلورات صغيرة معروفة باسم الحبيبات البلورية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الانتاج

يُنتج السليكون أحادي البلورة عموماً بإحدى الطرق العديدة التي تتضمن صهر السليكون عالي النقاء بدرجة أشباه الموصلات (أجزاء قليلة فقط في المليون من الشوائب) واستخدام النوى لبدء تكوين بلورة واحدة مستمرة. تُجرى هذه العملية عادة في أجواء خاملة، مثل الأرگون، وفي بوتقة خاملة، مثل الكوارتز، لتجنب الشوائب التي قد تؤثر على تجانس البلورة.

تعد طريقة تشوخرالسكي هي التقنية الأكثر شيوعاً، حيث تُغمس نواة التبلور المثبتة على قضيب موجه بدقة في السليكون المنصهر. بعد ذلك يُسحب القضيب ببطء لأعلى ويتم تدويره في وقت واحد، مما يسمح للمادة المسحوبة بالتصلب في سبيكة أسطوانية أحادية البلورة يصل طولها إلى مترين وتزن عدة مئات من الكيلوجرامات. يمكن أيضًا تطبيق المجالات المغناطيسية للتحكم في التدفق المضطرب وقمعه، مما يزيد من تحسين تجانس التبلور.[3] تتضمن الطرق الأخرى الصهر النطاقي، حيث يُمرر قضيب السليكون متعدد البلورات من خلال ملف تسخين الترددات الراديوية الذي يخلق منطقة منصهرة موضعية، والتي تنمو منها سبيكة نواة البلورة، وتقنيات بريدجمان، حيث تُحرك البوتقة من خلال التدرج الحراري لتبريدها من نهاية الإناء الذي يحتوي على النواة.[4]

بعد ذلك تُقطع السبائك الصلبة إلى رقائق رفيعة أثناء عملية تسمى الترقيق. بعد معالجة ما بعد الرقاقة، تصبح الرقائق جاهزة للاستخدام في التصنيع.

بالمقارنة بالسبائك متعددة البلورات، فإن إنتاج السليكون أحادي البلورة بطيء جدًا ومكلف. ومع ذلك، فإن الطلب على السليكون أحادي البلورة مستمر في التزايد بسبب الخصائص الإلكترونية المتفوقة - حيث يسمح عدم وجود حدود حبيبية بتدفق أفضل لحامل الشحنة ويمنع إعادة اتحاد الإلكترون[5]—مما يسمح بتحسين أداء الدوائر المتكاملة والخلايا الكهروضوئية.


في الإلكترونيات

المقالة الرئيسية: تصنيع النبائط

التطبيق الأساسي للسليكون أحادي البلورة هو إنتاج المكونات المنفصلة والدوائر المتكاملة. تُقطع السبائك المصنوعة بطريقة تشوخرالسكي إلى شرائح يبلغ سمكها حوالي 0.75 ملم ويتم صقلها للحصول على ركيزة مسطحة ومنتظمة، والتي تُبنى عليها الأجهزة الإلكترونية الدقيقة من خلال عمليات التصنيع الدقيق، مثل [تشويب|المُوشبات]] أو زرع الأيونات، النقش، غرس المواد المختلفة، وزخرفة طباعة ضوئية.

تُعد البلورة الأحادية المتواصلة أمرًا بالغ الأهمية للإلكترونيات، نظرًا لأن الحدود الحبيبية والشوائب والعيوب البلورية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخصائص الإلكترونية الموضعية للمادة، مما يؤثر بدوره على وظيفة وموثوقية أداء النبائط عن طريق التدخل في تشغيلها السليم. على سبيل المثال، بدون الكمال البلوري، سيكون من المستحيل تقريبًا بناء أجهزة التكامل واسع النطاق (VLSI)، حيث يمكن دمج بلايين[6] الدوائر المعتمدة على الترانزستور، والتي يجب أن تعمل جميعها بشكل موثوق، في شريحة واحدة لتكوين معالج دقيق. على هذا النحو، استثمرت صناعة الإلكترونيات بكثافة في مرافق لنتاج بلورات السليكون الأحادية الكبرى.

في الخلايا الشمسية

حصة السوق العالمية من حيث الإنتاج السنوي لتكنولوجيا الطاقة الضمئية منذ عام 1990.

يستخدم السليكون أحادي البلورة أيضًا في أجهزة الطاقة الضوئية عالية الأداء. نظرًا لوجود متطلبات أقل صرامة على العيوب الهيكلية مقارنة بتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، غالبًا ما يستخدم سليكون الخلايا الشمسية منخفض الجودة (Sog-Si) في الخلايا الشمسية. على الرغم من ذلك، استفادت صناعة الطاقة الضوئية بشكل كبير من تطوير طرق إنتاج السليكون الأحادي لتسريع صناعة الإلكترونيات.

حجم الإنتاج وحصص السوق

كونه الشكل الثاني الأكثر شيوعًا لتكنولوجيا الطاقة الضوئية، فإن السليكون أحادي البلورة يأتي فقط في المرتبة الثانية وراء شقيقه، السليكون متعدد البلورات. نظرًا لارتفاع معدل الإنتاج بشكل ملحوظ والانخفاض المطرد في تكاليف السليكون متعدد البلورات، فقد انخفضت الحصة السوقية للسليكون الأحادي: عام 2013، حصلت الخلايا الشمسية من السليكون أحادي البلورة على حصة سوقية تبلغ 36%، وهو ما تُرجم إلى إنتاج 12.6 جيجاواط من قدرة الطاقة الضوئية،[7] لكن حصة السوق انخفضت إلى أقل من 25% بحلول عام 2016. وعلى الرغم من انخفاض حصة السوق، فإن القدرة المكافئة للطاقة الضوئية من السليكون أحادي البلورة المنتجة عام 2016 كانت 20.2 جيجاواط، مما يشير إلى زيادة كبيرة في إجمالي إنتاج تقنيات الطاقة الضوئية.[8]

عام 2013، بلغ حجم المبيعات السنوي لشركة سومكو (SUMCO) اليابانية 1.83 بليون دولار، وهذه المبيعات مكونة فقط من منتجين: صبة السليكون أحادية البلورة والرقائق[9]، مما يعطي الشركة حصة سوقية عالمية 30%، ومن ثم فإن الإنتاج العالمي للسليكون أحادي البلورة يقدر بنحو 6.1 بليون دولار. وبحسب أحد محللي السوق، عام 2021 قُد حجم السوق العالمية لأفران السليكون أحادي البلورة بنحو 4 بليون دولار، وكان من المتوقع أن يصل إلى 7 بليار دولار بحلول 2028، مما يُظهر معدل نمو سنوي مركب قدره 12.90% خلال فترة التوقعات.[10]

يُقسم سوق السليكون أحادي البلورة حسب القدرة: أقل من 100 كيلوواط، 100-500 كيلوواط، و500-1000 كيلوواط، و>1000 كيلوواط. ومن المتوقع أن يهيمن قطاع <100 كيلوواط على السوق خلال الفترة المتوقعة، وذلك بسبب الطلب المتزايد على الأفران الصغيرة في صناعات الطاقة الشمسية وأشباه الموصلات.

كما يُقسم السوق حسب المنطقة؛ أمريكا الشمالية، أوروپا، آسيا-الهادي، الشرق الأوسط، أفريقيا، وأمريكا الجنوبية. ومن المتوقع أن تهيمن منطقة آسيا-الهادي على السوق خلال الفترة المتوقعة، وذلك بسبب الطلب المتزايد على الألواح الشمسية في المنطقة.

تدرج القائمة التالي أكبر 10 شركات مصنعة لصبات السليكون أحادي البلورة[11]:

الكفاءة

مع كفاءة مختبرية مسجلة للخلية أحادية الوصلة تبلغ 26.7%، يتمتع السليكون أحادي البلورة بأعلى كفاءة تحويل مؤكدة من بين جميع تقنيات الطاقة الضوئية التجارية، متقدمًا على السليكون متعدد البلورات (22.3%) ورقاقات الخلايا الشمسية، مثل خلايا السلنيد-الگاليوم-النحاس الشمسية (21.7%)، خلايا تليوريد الكادميوم (21.0%)، وخلايا السليكون الغير بلوري (10.2%). كفاءات وحدة الطاقة الشمسية من السيكون أحادي البلورة- والتي تكون دائمًا أقل من كفاءة الخلايا المقابلة لها - تجاوزت أخيرًا نسبة 20% في 2012 ووصلت إلى 24.4% في 2016.[12]

تُعزى الكفاءة العالية إلى حد كبير إلى عدم وجود مواقع إعادة الاتحاد في السليكون أحادي البلورة وامتصاص أفضل للفوتونات بسبب لونه الأسود، مقارنة باللون الأزرق المميز للسليكون متعدد البلورات نظرًا لأنه أكثر تكلفة من نظيره متعدد البلورات، فإن خلايا السليكون أحادي البلورة مفيدة للتطبيقات التي تكون فيها الاعتبارات الرئيسية هي القيود المفروضة على الوزن أو المساحة المتاحة، كما هو الحال في المركبات الفضائية أو السواتل التي تعمل بالطاقة الشمسية، حيث يمكن تحسين الكفاءة بشكل أكبر من خلال الدمج مع تقنيات أخرى، مثل الخلايا الشمسية متعددة الطبقات.

التصنيع

إلى جانب انخفاض معدل الإنتاج، هناك أيضًا مخاوف بشأن المواد المهدرة في عملية التصنيع. ويتطلب إنشاء ألواح شمسية موفرة للمساحة قطع الرقاقات الدائرية (منتج من السبائك الأسطوانية التي تشكلت من خلال طريقة تشوخرالسكي) إلى خلايا مثمنة الأضلاع يمكن تعبئتها معًا بشكل وثيق. لا تُستخدم المواد المتبقية لإنشاء الخلايا الكهروضوئية ويتم التخلص منها أو إعادة تدويرها من خلال العودة إلى إنتاج السبائك من أجل الذوبان. علاوة على ذلك، على الرغم من أن خلايا السليكون الأحادي يمكنها امتصاص غالبية الفوتونات في نطاق 20 ميكرومتر من السطح الساقط، فإن القيود المفروضة على عملية نشر السبائك تعني أن سمك الرقاقة التجارية يبلغ عمومًا حوالي 200 ميكرومتر. ومع ذلك، من المتوقع أن يؤدي التقدم التكنولوجي إلى تقليل سماكة الرقاقة إلى 140 ميكرومترًا بحلول عام 2026.[13]

جاري البحث عن طرق تصنيع أخرى، مثل تنضيد الرقائق المباشر، والذي يتضمن غرس طبقات غازية على ركائز السليكون القابلة لإعادة الاستخدام. قد تسمح العمليات الأحدث بنمو البلورات المربعة التي يمكن بعد ذلك معالجتها إلى رقائق أقل سمكاً دون المساس بالجودة أو الكفاءة، وبالتالي التخلص من النفايات الناتجة عن طرق النشر والقطع التقليدية للسبائك.[14]

المظهر

المراجع

  1. ^ Monkowski, J. R.; Bloem, J.; Giling, L. J.; Graef, M. W. M. (1979). "Comparison of dopant incorporation into polycrystalline and monocrystalline silicon". Appl. Phys. Lett. 35 (5): 410–412. doi:10.1063/1.91143.
  2. ^ W.Heywang, K.H.Zaininger, Silicon: the semiconductor material, in Silicon: evolution and future of a technology, P.Siffert, E.F.Krimmel eds., Springer Verlag, 2004.
  3. ^ Wang, C.; Zhang, H.; Wang, T. H.; Ciszek, T. F. (2003). "A continuous Czochralski silicon crystal growth system". Journal of Crystal Growth. 250 (1–2): 209–214. doi:10.1016/s0022-0248(02)02241-8.
  4. ^ Capper, Peter; Rudolph, Peter (2010). Crystal growth technology: semiconductors and dielectrics. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 9783527325931. OCLC 663434790.
  5. ^ Wenham, S. R.; Green, M. A.; Watt, M. E.; Corkish R. (2007). Applied photovoltaics (2nd ed.). London: Earthscan. ISBN 9781844074013. OCLC 122927906.
  6. ^ Peter Clarke, Intel enters billion-transistor processor era, EE Times, 14 October 2005.
  7. ^ Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, July 28, 2014.
  8. ^ Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, February 26, 2018.
  9. ^ "Product Lineup". SUMCO Corporation. Retrieved September 26, 2014.
  10. ^ "Monocrystalline Silicon Furnace Market Size: Share, Growth by Market Data Library 2032". Bheru khatik. 2023-08-11. Retrieved 2024-04-04.
  11. ^ "Monocrystalline Silicon Ingot Market, Global Outlook and Forecast 2023-2029". 24chemicalresearch. 2023-04-23. Retrieved 2024-04-04.
  12. ^ Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita W. Y. (2018-01-01). "Solar cell efficiency tables (version 51)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications (in الإنجليزية). 26 (1): 3–12. doi:10.1002/pip.2978. ISSN 1099-159X.
  13. ^ Solar Industry Technology Report 2015–2016, Canadian Solar, October 2016.
  14. ^ Scanlon, Bill (August 27, 2014). "Crystal Solar and NREL Team Up to Cut Costs". NREL (in الإنجليزية). Retrieved 2018-03-01.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=سليكون_أحادي_البلورة&oldid=3969249"