El silicio monocristalino , más comúnmente llamado silicio monocristalino , en resumen mono c-Si o mono-Si , es el material base para componentes discretos y circuitos integrados basados en silicio utilizados en prácticamente todos los equipos electrónicos modernos. El mono-Si también sirve como material fotovoltaico que absorbe la luz en la fabricación de células solares .
Se compone de silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es continua, intacta hasta los bordes y libre de límites de grano (es decir, un solo cristal ). El mono-Si se puede preparar como un semiconductor intrínseco que consta únicamente de silicio extremadamente puro, o se puede dopar añadiendo otros elementos como boro o fósforo para producir silicio 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 coste asequible ha sido esencial para el desarrollo de los dispositivos electrónicos en los que se basa la actual revolución electrónica y 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 está formado por pequeños cristales conocidos como cristalitos .
El silicio monocristalino generalmente se crea mediante uno de varios métodos que implican fundir silicio de alta pureza de grado semiconductor (sólo 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 atmósfera inerte, como el argón, y en un crisol inerte, como el 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, orientado con precisión, en el silicio fundido. Luego, la varilla se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente, lo que permite que el material extraído se solidifique en un lingote cilíndrico monocristalino de hasta 2 metros de longitud y que pesa varios cientos de kilogramos. 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 de Bridgman , que mueven el crisol a través de un gradiente de temperatura para enfriarlo. desde el final del recipiente que contiene la semilla. [4] Los lingotes solidificados luego se cortan en finas obleas durante un proceso llamado oblea . Después del procesamiento posterior a la oblea, 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 mono-Si continúa aumentando debido a sus propiedades electrónicas superiores (la falta de límites de grano permite un mejor flujo del portador de carga y evita la recombinación de electrones [5]) , lo que permite mejorar el 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 aproximadamente 0,75 mm de espesor y se pulen para obtener un sustrato plano y regular, sobre el cual 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 existen exigencias menos estrictas sobre las imperfecciones estructurales en comparación con las aplicaciones de microelectrónica, a menudo se utiliza silicio de grado solar (Sog-Si) de menor calidad para las células solares. A pesar de esto, la industria fotovoltaica de silicio monocristalino se ha beneficiado enormemente del desarrollo de métodos de producción de mono-Si más rápidos para la industria electrónica.
Al ser la segunda forma más común de tecnología fotovoltaica, el silicio monocristalino se ubica sólo detrás de su hermano, el silicio policristalino . Debido a la tasa de producción significativamente mayor y a los costes cada vez menores del polisilicio, la cuota de mercado del mono-Si ha ido disminuyendo: en 2013, las células solares monocristalinas tenían una cuota de mercado del 36%, lo que se tradujo en una producción de 12,6 GW de capacidad fotovoltaica, [7] pero la cuota de mercado había caído por debajo del 25% en 2016. A pesar de la reducción de la cuota de mercado, 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 simple 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 %). %), células CdTe (21,0%) y células a-Si (10,2%). Las eficiencias de los módulos solares para mono-Si, que siempre son más bajas que 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 puede atribuir en gran medida a la falta de sitios de recombinación. en el monocristal y una mejor absorción de fotones debido a su color negro, en comparación con el tono azul característico del polisilicio. Dado que son más caras que sus contrapartes policristalinas, las celdas mono-Si son útiles para aplicaciones donde las consideraciones principales son limitaciones de peso o área disponible.
Además del bajo ritmo de producción, también existe preocupación por el desperdicio de material en el proceso de fabricación. La creación de paneles solares que aprovechen el espacio requiere cortar las obleas circulares (un producto de los lingotes cilíndricos formados mediante el proceso de Czochralski) en células octogonales que puedan empaquetarse muy juntas. El material sobrante no se utiliza para crear células fotovoltaicas y se desecha o se recicla volviendo a la producción de lingotes para fundirlos. Además, aunque las células mono-Si pueden absorber la mayoría de los fotones dentro de los 20 μm de la superficie incidente, las limitaciones en el proceso de aserrado de lingotes significan que el espesor de las obleas comerciales es generalmente de alrededor de 200 μm. Sin embargo, se espera que los avances tecnológicos 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 oblea , 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 pueden procesarse en obleas más delgadas sin comprometer la calidad o la eficiencia, eliminando así el desperdicio de los métodos tradicionales de aserrado y corte de lingotes. [11]
