मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, जिसे प्रायः मोनो-सी-सी या मोनो-सी में एकल क्रिस्टल सिलिकॉन कहा जाता है, लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन-आधारित असतत घटकों और एकीकृत परिपथ के लिए आधार पदार्थ है। मोनो-सी सौर कोशिकाओं के निर्माण में फोटोवोल्टिक, प्रकाश-अवशोषित पदार्थ के रूप में भी कार्य करता है।

इसमें सिलिकॉन होता है जिसमें पूरे ठोस का क्रिस्टल जाली निरंतर होता है, इसके किनारों पर अखंड होता है, और किसी भी अनाज की सीमा (अर्थात एक क्रिस्टल) से मुक्त होता है। मोनो-सी को एक आंतरिक अर्धचालक के रूप में तैयार किया जा सकता है जिसमें केवल अत्यधिक शुद्ध सिलिकॉन होता है, या इसे पी-प्रकार अर्धचालक या एन-टाइप सिलिकॉन बनाने के लिए बोरॉन या फास्फोरस जैसे अन्य तत्वों को जोड़कर डोप किया जा सकता है। अपने सेमीकंडक्टर गुणों के कारण, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन शायद पिछले कुछ दशकों की सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी पदार्थ है- "सिलिकॉन युग", क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास के लिए एक सस्ती कीमत पर इसकी उपलब्धता आवश्यक है। जिस पर आज की इलेक्ट्रॉनिक्स और आईटी क्रांति आधारित है।

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन अन्य एलोट्रोपिक रूपों से भिन्न होता है, जैसे कि गैर-क्रिस्टलीय अनाकार सिलिकॉन-पतली-फिल्म सौर कोशिकाओं में उपयोग किया जाता है- और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, जिसमें छोटे क्रिस्टल होते हैं जिन्हें क्रिस्टलीय कहा जाता है।

उत्पादन
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन समान्यतः कई तरीकों में से एक द्वारा बनाया जाता है जिसमें उच्च शुद्धता, सेमीकंडक्टर-ग्रेड सिलिकॉन (केवल कुछ भाग प्रति मिलियन अशुद्धता) को पिघलाना और एक निरंतर एकल क्रिस्टल के गठन को आरंभ करने के लिए बीज क्रिस्टल का उपयोग करना सम्मिलित है। यह प्रक्रिया समान्यतः क्रिस्टल एकरूपता को प्रभावित करने वाली अशुद्धियों से बचने के लिए एक निष्क्रिय वातावरण में, जैसे कि आर्गन, और एक निष्क्रिय क्रूसिबल, जैसे क्वार्ट्ज में की जाती है।

सबसे आम उत्पादन तकनीक Czochralski विधि है, जो पिघले हुए सिलिकॉन में एक सटीक रूप से उन्मुख रॉड-माउंटेड बीज क्रिस्टल को डुबोती है। फिर रॉड को धीरे-धीरे ऊपर की ओर खींचा जाता है और एक साथ घुमाया जाता है, जिससे खींची गई पदार्थ को एक मोनोक्रिस्टलाइन बेलनाकार पिंड में 2 मीटर तक की लंबाई और कई सौ किलोग्राम वजन की स्वीकृति मिलती है। अशांत प्रवाह को नियंत्रित करने और दबाने के लिए चुंबकीय क्षेत्र भी प्रयुक्त किए जा सकते हैं, जिससे क्रिस्टलीकरण की एकरूपता में और सुधार होता है। अन्य विधियाँ ज़ोन मेल्टिंग हैं, जो एक रेडियोफ्रीक्वेंसी हीटिंग कॉइल के माध्यम से एक पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन रॉड से गुजरती हैं जो एक स्थानीय पिघले हुए ज़ोन का निर्माण करती हैं, जिससे एक बीज क्रिस्टल पिंड बढ़ता है, और ब्रिजमैन तकनीकें, जो तापमान ढाल के माध्यम से क्रूसिबल को अंत से ठंडा करने के लिए ले जाती हैं। बीज वाले कंटेनर का। ठोस सिल्लियां फिर वेफरिंग नामक प्रक्रिया के दौरान पतली वेफर्स में कट जाती हैं। वेफरिंग के बाद के प्रसंस्करण के बाद, वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) निर्माण में उपयोग के लिए तैयार हैं।

पॉलीक्रिस्टलाइन सिल्लियों की ढलाई की तुलना में, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उत्पादन बहुत धीमा और महंगा है। हालांकि, अपेक्षाकृत इलेक्ट्रॉनिक गुणों के कारण मोनो-सी की मांग में वृद्धि जारी है - अनाज की सीमाओं की कमी अपेक्षाकृत चार्ज वाहक प्रवाह की स्वीकृति देती है और इलेक्ट्रॉन पुनर्मूल्यांकन को रोकती है - एकीकृत परिपथ और फोटोवोल्टिक्स के अपेक्षाकृत प्रदर्शन की स्वीकृति देती है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का प्राथमिक अनुप्रयोग असतत घटकों और एकीकृत परिपथों के उत्पादन में है। Czochralski विधि द्वारा बनाए गए सिल्लियों को लगभग 0.75 मिमी मोटी वेफर्स में काटा जाता है और एक नियमित, सपाट सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए पॉलिश किया जाता है, जिस पर विभिन्न माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं के माध्यम से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण किया जाता है, जैसे कि डोपिंग (अर्धचालक) या आयन आरोपण, नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन), विभिन्न सामग्रियों का जमाव, और फोटोलिथोग्राफी पैटर्निंग।

एक एकल निरंतर क्रिस्टल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि अनाज की सीमाएँ, अशुद्धियाँ और क्रिस्टलोग्राफिक दोष पदार्थ के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं, जो बदले में उनके उचित संचालन में हस्तक्षेप करके अर्धचालक उपकरणों की कार्यक्षमता, प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टलीय पूर्णता के बिना, बहुत बड़े पैमाने पर एकीकरण (वीएलएसआई) उपकरणों का निर्माण करना लगभग असंभव होगा, जिसमें अरबों ट्रांजिस्टर-आधारित परिपथ, जिनमें से सभी को मज़बूती से काम करना चाहिए, को एक चिप में जोड़ा जाता है एक माइक्रोप्रोसेसर बनाएं। जैसे, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग ने सिलिकॉन के बड़े एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए सुविधाओं में भारी निवेश किया है।

सौर कोशिकाओं में
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उपयोग उच्च-प्रदर्शन फोटोवोल्टिक (पीवी) उपकरणों के लिए भी किया जाता है। चूंकि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों की तुलना में संरचनात्मक खामियों पर कम कठोर मांगें हैं, निम्न-गुणवत्ता वाले सौर-ग्रेड सिलिकॉन (सोग-सी) का उपयोग प्रायः सौर कोशिकाओं के लिए किया जाता है। इसके बावजूद, मोनोक्रिस्टलाइन-सिलिकॉन फोटोवोल्टिक उद्योग को इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के लिए तेजी से मोनो-सी उत्पादन विधियों के विकास से काफी फायदा हुआ है।

बाजार हिस्सेदारी
पीवी तकनीक का दूसरा सबसे आम रूप होने के नाते, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन केवल अपनी बहन, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन से पीछे है। उल्लेखनीय रूप से उच्च उत्पादन दर और पॉली-सिलिकॉन की लगातार घटती लागत के कारण, मोनो-सी का बाजार हिस्सा घट रहा है: 2013 में, मोनोक्रिस्टलाइन सौर कोशिकाओं की बाजार हिस्सेदारी 36% थी, जो 12.6 जीडब्ल्यू के उत्पादन में अनुवादित थी। फोटोवोल्टिक क्षमता, लेकिन 2016 तक बाजार हिस्सेदारी 25% से नीचे गिर गई थी। कम बाजार हिस्सेदारी के बावजूद, 2016 में उत्पादित समतुल्य मोनो-सी पीवी क्षमता 20.2 GW थी, जो फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियों के समग्र उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि का संकेत देती है।

दक्षता
26.7% की रिकॉर्डेड एकल-जंक्शन सेल लैब दक्षता के साथ, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन में पॉली-सी (22.3%) और सीआईजीएस सेल (21.7) जैसी स्थापित पतली-फिल्म प्रौद्योगिकियों से आगे, सभी वाणिज्यिक पीवी प्रौद्योगिकियों में से उच्चतम पुष्टि रूपांतरण दक्षता है। %), कैडमियम टेल्यूराइड फोटोवोल्टिक्स (21.0%), और a-Si सेल (10.2%)। मोनो-सी के लिए सौर मॉड्यूल क्षमता-जो हमेशा उनके संबंधित कोशिकाओं की तुलना में कम होती है-आखिरकार 2012 में 20% अंक को पार कर गई और 2016 में 24.4% तक पहुंच गई। पॉली-सिलिकॉन के विशिष्ट नीले रंग की तुलना में एकल क्रिस्टल में पुनर्संयोजन साइटों की कमी और इसके काले रंग के कारण फोटोन के अपेक्षाकृत अवशोषण के लिए उच्च दक्षता काफी हद तक जिम्मेदार है। चूंकि वे अपने पॉलीक्रिस्टलाइन समकक्षों की तुलना में अधिक महंगे हैं, मोनो-सी कोशिकाएं उन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होती हैं जहां मुख्य विचार वजन या उपलब्ध क्षेत्र पर सीमाएं हैं।

निर्माण
कम उत्पादन दर के अतिरिक्त, निर्माण प्रक्रिया में बेकार पदार्थ को लेकर भी चिंताएं हैं। अंतरिक्ष-कुशल सौर पैनलों को बनाने के लिए सर्कुलर वेफर्स (Czochralski प्रक्रिया के माध्यम से गठित बेलनाकार सिल्लियों का एक उत्पाद) को अष्टकोणीय कोशिकाओं में काटने की आवश्यकता होती है जिन्हें एक साथ पैक किया जा सकता है। बचे हुए पदार्थ का उपयोग पीवी कोशिकाओं को बनाने के लिए नहीं किया जाता है और पिघलने के लिए पिंड उत्पादन में वापस जाकर या तो त्याग दिया जाता है या पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। इसके अतिरिक्त, भले ही मोनो-सी कोशिकाएं घटना की सतह के 20 माइक्रोन के भीतर अधिकांश फोटोन को अवशोषित कर सकती हैं, पिंड काटने की प्रक्रिया पर सीमाएं वाणिज्यिक वेफर मोटाई समान्यतः लगभग 200 माइक्रोन होती हैं। हालांकि, प्रौद्योगिकी में प्रगति से 2026 तक वेफर की मोटाई 140 माइक्रोन तक कम होने की उम्मीद है।

अन्य निर्माण विधियों पर शोध किया जा रहा है, जैसे प्रत्यक्ष वेफर एपिटैक्सियल ग्रोथ, जिसमें पुन: प्रयोज्य सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर बढ़ती गैसीय परतें सम्मिलित हैं। नई प्रक्रियाएं वर्ग क्रिस्टल के विकास की स्वीकृति दे सकती हैं जिन्हें गुणवत्ता या दक्षता से समझौता किए बिना पतले वेफर्स में संसाधित किया जा सकता है, जिससे पारंपरिक पिंड काटने और काटने के तरीकों से कचरे को खत्म किया जा सकता है।