El silicio monocristalino , a menudo denominado silicio monocristalino o simplemente mono-Si, es un material fundamental que se utiliza ampliamente en la electrónica y la energía fotovoltaica modernas . Como base de los componentes discretos y circuitos integrados basados en silicio , desempeña un papel vital en prácticamente todos los equipos electrónicos modernos, desde ordenadores hasta teléfonos inteligentes. Además, el mono-Si sirve como material de absorción de luz de alta eficiencia para la producción de células solares , lo que lo hace indispensable en el sector de las energías renovables.
Consiste en silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es continua, ininterrumpida hasta sus bordes y libre de cualquier límite de grano (es decir, un monocristal ). El Mono-Si se puede preparar como un semiconductor intrínseco que consiste solo en silicio extremadamente puro, o se puede dopar mediante la adición de otros elementos como boro o fósforo para hacer silicio de tipo p o tipo n . [1] Debido a sus propiedades semiconductoras , el silicio monocristalino es quizás el material tecnológico más importante de las últimas décadas: la "era del silicio". [2] Su disponibilidad a un costo asequible ha sido esencial para el desarrollo de los dispositivos electrónicos en los que se basa la revolución actual de la electrónica y la TI .
El silicio monocristalino se diferencia de otras formas alotrópicas , como el silicio amorfo no cristalino —utilizado en células solares de película delgada— y el silicio policristalino , que consiste en pequeños cristales conocidos como cristalitos .
El silicio monocristalino se crea generalmente mediante uno de varios métodos que implican la fusión de silicio de alta pureza de grado semiconductor (solo unas pocas partes por millón de impurezas) y el uso de una semilla para iniciar la formación de un monocristal continuo. Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte, como argón, y en un crisol inerte, como cuarzo , para evitar impurezas que afectarían la uniformidad del cristal.
La técnica de producción más común es el método Czochralski , que sumerge un cristal semilla montado en una varilla orientada con precisión en el silicio fundido. Luego, la varilla se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente, lo que permite que el material tirado se solidifique en un lingote cilíndrico monocristalino de hasta 2 metros de largo y varios cientos de kilogramos de peso. También se pueden aplicar campos magnéticos para controlar y suprimir el flujo turbulento, mejorando aún más la uniformidad de la cristalización. [3] Otros métodos son la fusión por zonas , que pasa una varilla de silicio policristalino a través de una bobina de calentamiento por radiofrecuencia que crea una zona fundida localizada, a partir de la cual crece un lingote de cristal semilla, y las técnicas Bridgman , que mueven el crisol a través de un gradiente de temperatura para enfriarlo desde el extremo del contenedor que contiene la semilla. [4] Luego, los lingotes solidificados se cortan en obleas delgadas durante un proceso llamado obleado . Después del procesamiento posterior al obleado, las obleas están listas para su uso en la fabricación.
En comparación con la fundición de lingotes policristalinos, la producción de silicio monocristalino es muy lenta y costosa. Sin embargo, la demanda de silicio monocristalino sigue aumentando debido a sus propiedades electrónicas superiores (la falta de límites de grano permite un mejor flujo de portadores de carga y evita la recombinación de electrones [5] ), lo que permite un mejor rendimiento de los circuitos integrados y la energía fotovoltaica.
La principal aplicación del silicio monocristalino es la producción de componentes discretos y circuitos integrados . Los lingotes fabricados mediante el método Czochralski se cortan en obleas de unos 0,75 mm de espesor y se pulen para obtener un sustrato regular y plano, sobre el que se construyen dispositivos microelectrónicos mediante diversos procesos de microfabricación , como dopaje o implantación de iones , grabado , deposición de diversos materiales y modelado fotolitográfico .
Un único cristal continuo es fundamental para la electrónica, ya que los límites de grano, las impurezas y los defectos cristalográficos pueden afectar significativamente las propiedades electrónicas locales del material, lo que a su vez afecta la funcionalidad, el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos semiconductores al interferir con su funcionamiento adecuado. Por ejemplo, sin la perfección cristalina, sería prácticamente imposible construir dispositivos de integración a muy gran escala (VLSI), en los que miles de millones [6] de circuitos basados en transistores, todos los cuales deben funcionar de manera confiable, se combinan en un solo chip para formar un microprocesador. Como tal, la industria electrónica ha invertido mucho en instalaciones para producir grandes monocristales de silicio.
El silicio monocristalino también se utiliza para dispositivos fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento . Dado que las exigencias en cuanto a imperfecciones estructurales son menos estrictas que en las aplicaciones de microelectrónica, a menudo se utiliza silicio de grado solar (Sog-Si) de menor calidad para las células solares. A pesar de ello, la industria fotovoltaica de silicio monocristalino se ha beneficiado enormemente del desarrollo de métodos de producción de silicio monocristalino más rápidos para la industria electrónica.
Al ser la segunda forma más común de tecnología fotovoltaica, el silicio monocristalino se ubica detrás de su hermano, el silicio policristalino . Debido a la tasa de producción significativamente más alta y los costos en constante disminución del polisilicio, la participación de mercado del mono-Si ha estado disminuyendo: en 2013, las células solares monocristalinas tenían una participación de mercado del 36%, lo que se tradujo en la producción de 12,6 GW de capacidad fotovoltaica, [7] pero la participación de mercado había caído por debajo del 25% en 2016. A pesar de la participación de mercado reducida, la capacidad fotovoltaica mono-Si equivalente producida en 2016 fue de 20,2 GW, lo que indica un aumento significativo en la producción general de tecnologías fotovoltaicas. [8]
Con una eficiencia de laboratorio de células de unión única registrada del 26,7%, el silicio monocristalino tiene la eficiencia de conversión confirmada más alta de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, por delante del poli-Si (22,3%) y las tecnologías de película delgada establecidas , como las células CIGS (21,7%), las células CdTe (21,0%) y las células a-Si (10,2%). Las eficiencias de los módulos solares para mono-Si, que siempre son inferiores a las de sus células correspondientes, finalmente cruzaron la marca del 20% en 2012 y alcanzaron el 24,4% en 2016. [9] La alta eficiencia se debe en gran medida a la falta de sitios de recombinación en el monocristal y a una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el tono azul característico del poli-silicio. Dado que son más caras que sus contrapartes policristalinas, las células mono-Si son útiles para aplicaciones donde las principales consideraciones son las limitaciones de peso o área disponible.
Además de la baja tasa de producción, también existen preocupaciones por el desperdicio de material en el proceso de fabricación. La creación de paneles solares que ahorren espacio requiere cortar las obleas circulares (un producto de los lingotes cilíndricos formados a través del proceso Czochralski) en celdas octagonales que se pueden empaquetar juntas. El material sobrante no se utiliza para crear celdas fotovoltaicas y se descarta o se recicla volviendo a la producción de lingotes para fundirlo. Además, aunque las celdas mono-Si pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de los 20 μm de la superficie incidente, las limitaciones en el proceso de corte de lingotes significan que el espesor de las obleas comerciales generalmente ronda los 200 μm. Sin embargo, se espera que los avances en la tecnología reduzcan el espesor de las obleas a 140 μm para 2026. [10]
Se están investigando otros métodos de fabricación, como el crecimiento epitaxial directo de obleas , que implica el crecimiento de capas gaseosas sobre sustratos de silicio reutilizables. Los procesos más nuevos pueden permitir el crecimiento de cristales cuadrados que luego se pueden procesar en obleas más delgadas sin comprometer la calidad ni la eficiencia, eliminando así el desperdicio de los métodos tradicionales de aserrado y corte de lingotes. [11]
El silicio monocristalino difiere significativamente de otras formas de silicio utilizadas en la tecnología solar, particularmente el silicio policristalino y el silicio amorfo:
