단결정 실리콘

Monocrystalline silicon
실리콘괴

단결정 실리콘(단일 c-Si 또는 mono-Si)은 거의 모든 최신 전자 기기에 사용되는 실리콘 기반 이산 부품 및 집적 회로의 기본 재료입니다.Mono-Si는 태양전지 제조에서 광전지의 광흡수 물질로도 사용됩니다.

실리콘으로 구성되며, 실리콘은 전체 고체의 결정 격자가 연속적이고 가장자리까지 끊어지지 않으며 입자 경계(단일 결정)가 없습니다.모노-Si는 매우 순수한 실리콘으로만 구성된 고유 반도체로 제조할 수도 있고 붕소나 인 등 다른 원소를 첨가해 p형이나 [1]n형 실리콘으로 만들 수도 있다.반도체 특성으로 인해 단결정 실리콘은 아마도 지난 수십 년 동안 가장 중요한 기술 재료인 "실리콘 시대"[2]일 것입니다. 이는 오늘날 전자 제품과 IT 혁명의 기반이 되는 전자 장치의 개발에 경제적인 비용으로 사용할 수 있는 것이 필수적이기 때문입니다.

단결정 실리콘은 박막 태양 전지에 사용되는 비결정성 비정질 실리콘과 결정석으로 알려진 작은 결정으로 구성된 다결정 실리콘과 같은 다른 동소성 실리콘과는 다릅니다.

생산.

단결정 실리콘은 일반적으로 고순도의 반도체 등급 실리콘(불순물 몇ppm)을 용해하고 연속적인 단결정 형성을 시작하기 위해 씨앗을 사용하는 여러 방법 중 하나로 만들어집니다.이 과정은 일반적으로 결정 균일성에 영향을 미치는 불순물을 피하기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기와 석영과 같은 불활성 도가니에서 수행됩니다.

가장 일반적인 생산 기법은 Czochralski 방법으로, 정밀하게 배향된 막대에 장착된 종자 결정을 용융 실리콘에 담그는 것입니다.그런 다음 로드를 천천히 위로 당기는 동시에 회전시켜 당겨진 재료를 최대 길이 2m, 무게 수백kg의 단결정 원통형 잉곳으로 굳힐 수 있습니다.또한 자기장은 난류를 제어 및 억제하기 위해 적용되어 [3]결정화의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.다른 방법으로는 다결정 실리콘 막대를 통과시켜 종자 결정 잉곳(seed crystal ingot)이 자라는 국부적인 용융대를 형성하는 고주파 가열 코일과 도가니를 온도 구배를 통해 움직여 [4]종자가 들어 있는 용기의 끝에서 냉각하는 브리지만 기술이 있습니다.응고된 잉곳은 웨퍼링이라고 불리는 공정에서 얇은 웨이퍼로 슬라이스됩니다.웨이퍼 가공 후 웨이퍼를 제작할 수 있습니다.

다결정 잉곳 주조에 비해 단결정 실리콘의 생산은 매우 느리고 비용이 많이 든다.그러나 모노 Si에 대한 수요는 우수한 전자 특성으로 인해 계속 증가하고 있습니다. 입자 경계가 없기 때문에 전하 캐리어 흐름이 개선되고 전자 재조합이[5] 방지되어 집적 회로와 광전지의 성능이 향상됩니다.

전자제품에서

주요 기사:반도체 장치 제작

단결정 실리콘의 주요 용도는 이산 부품 및 집적회로 생산입니다.Czochralski법에 의해 만들어진 잉곳은 약 0.75mm 두께의 웨이퍼로 슬라이스되고 연마되어 도핑 또는 이온 주입, 식각, 다양한 재료의 퇴적, 석면 패턴 가공 등 다양한 미세 가공 공정을 통해 마이크로 전자 소자를 제작할 수 있는 일반적이고 평평한 기판을 얻는다.

단일한 연속결정은 전자제품에 매우 중요한데, 그 이유는 입자경계, 불순물 및 결정학적 결함이 재료의 국소적인 전자속성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다.이러한 결정은 적절한 동작을 방해함으로써 반도체 장치의 기능, 성능 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.예를 들어 결정적으로 완벽하지 않으면 수십억 개의 트랜지스터 기반 회로가 하나의 칩으로 결합되어 마이크로프로세서를 형성하는 매우[6] 큰 규모의 집적회로(VLSI) 장치를 구축하는 것은 사실상 불가능합니다.이처럼 전자업계는 대규모 실리콘 단결정 생산을 위한 설비에 많은 투자를 해왔다.

태양전지 내

1990년 이후 PV 기술 연간 생산량 세계 점유율

단결정 실리콘은 고성능 태양광 발전(PV) 소자에도 사용됩니다.마이크로일렉트로닉스 응용에 비해 구조적 결함의 엄격한 요구가 적기 때문에 태양전지에는 저품질 태양광급 실리콘(Sog-Si)이 자주 사용됩니다.그럼에도 불구하고, 단결정-실리콘 태양광 발전 산업은 전자 산업을 위한 보다 빠른 단결정-실리콘 생산 방법의 개발로 큰 이익을 얻었다.

시장 점유율

PV 기술의 두 번째로 흔한 형태인 단결정 실리콘은 자매인 다결정 실리콘 다음으로 순위가 높습니다.폴리실리콘의 생산률이 현저하게 높아지고 지속적으로 비용이 감소하면서 모노실리콘의 시장점유율은 감소하고 있으며, 2013년에는 단결정 태양전지의 시장점유율이 36%로 12.6GW의 태양광용량을 [7]생산하였으나 2016년에는 25% 이하로 떨어졌다.낮은 시장 점유율에도 불구하고, 2016년에 생산된 동등한 모노 Si PV 용량은 20.2 GW로, 태양광 기술의 [8]전체 생산량이 크게 증가한 것으로 나타났다.

효율성.

단결정 실리콘은 단일 접합 셀 연구실 효율이 26.7%로 상용 PV 기술 중 가장 높은 것으로 확인되었으며, 이는 폴리Si(22.3%)와 CIGS 셀(21.7%), CdTe 셀(21.0%), a-Si 셀(10%) 등 박막 기술 확립에 앞선 것이다.해당 셀보다 항상 낮은 모노-Si용 솔라 모듈 효율성은 마침내 2012년에 20%를 넘어섰고 [9]2016년에는 24.4%를 기록했습니다.폴리실리콘의 특징적인 파란색 색상에 비해 단결정 내에 재결합 부위가 없고 검은색으로 인한 광자의 흡수가 잘 된 것이 높은 효율성의 주된 원인이다.단일 Si 셀은 다결정 셀보다 가격이 비싸기 때문에, 태양 에너지로 구동되는 우주선이나 인공위성과 같이 무게 또는 사용 가능한 면적의 제한이 주요 고려 사항인 애플리케이션에 유용하다. 여기서 다중 결정과 같은 다른 기술과의 조합을 통해 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.태양 전지를 적층하다

제조업

낮은 생산률 외에도 제조 공정에서 낭비되는 재료에 대한 우려도 있다.공간 효율적인 태양 전지판을 만들려면 원형 웨이퍼(Czochralski 공정을 통해 형성된 원통형 잉곳 제품)를 서로 밀착할 수 있는 8각형 셀로 절단해야 합니다.남은 재료는 PV 셀을 만드는 데 사용되지 않으며 용해하기 위해 잉곳 생산으로 돌아가 폐기되거나 재활용됩니다.또, 입사면의 20μm 이내에서는 모노 Si 셀이 광자의 대부분을 흡수할 수 있지만, 잉곳 톱 공정의 평균 상용 웨이퍼 두께의 제한은 일반적으로 200μm 내외이다.그러나 기술의 진보로 2026년에는 웨이퍼 [10]두께가 140μm로 줄어들 것으로 예상된다.

재사용 가능한 실리콘 기판에 가스층을 성장시키는 직접 웨이퍼 에피택셜 성장과 같은 다른 제조 방법이 연구되고 있습니다.새로운 공정은 품질이나 효율성을 저하시키지 않고 얇은 웨이퍼로 가공할 수 있는 정사각형 결정을 성장시켜 기존의 잉곳 톱질 및 절단 [11]방법에서 폐기물을 제거할 수 있습니다.

외모

위키미디어 커먼스는 단결정 실리콘 태양전지 관련 매체를 보유하고 있다.

레퍼런스

  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.Zininger, Silicon: 실리콘에 있는 반도체 재료: 기술의 진화와 미래, P.Siffert, E.F. Krimel ed, 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, 인텔, 10억 트랜지스터 프로세서 시대 돌입, EE Times, 2005년 10월 14일
  7. ^ 태양광 발전 보고서, Fraunhofer ISE, 2014년 7월 28일.
  8. ^ 태양광 발전 보고서, Fraunhofer ISE, 2018년 2월 26일.
  9. ^ 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. 26 (1): 3–12. doi:10.1002/pip.2978. ISSN 1099-159X.
  10. ^ 솔라 산업 기술 보고서 2015-2016, 캐나다 솔라, 2016년 10월.
  11. ^ Scanlon, Bill (August 27, 2014). "Crystal Solar and NREL Team Up to Cut Costs". NREL. Retrieved 2018-03-01.