मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन

मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन, जिसे प्रायः मोनो सी-एसआई या मोनो-एसआई में एकल क्रिस्टल सिलिकॉन कहा जाता है लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन-आधारित विभिन्न घटकों और एकीकृत परिपथ के लिए मुख्य पदार्थ है। मोनो-एसआई सौर्य विद्युत सेल के निर्माण में प्रकाश-वोल्टिय अवशोषित पदार्थ के रूप में भी कार्य करता है।

इसमें एक प्रकार का सिलिकॉन होता है जिसमें ठोस पदार्थ की क्रिस्टल जाली इसके किनारों पर होती है जो किसी भी कण की परिसीमा (अर्थात एक क्रिस्टल) से मुक्त होती है। मोनो-एसआई को एक आंतरिक अर्धचालक के रूप में प्रयुक्त किया जा सकता है जिसमें केवल अत्यधिक शुद्ध सिलिकॉन होता है या इसे पी-प्रकार के अर्धचालक या एन-प्रकार के अर्धचालक सिलिकॉन बनाने के लिए बोरॉन या फास्फोरस जैसे अन्य तत्वों को सम्बद्ध करके अपमिश्रित किया जा सकता है। अपने अर्धचालक गुणों के कारण, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन लगभग पिछले कुछ दशकों (सिलिकॉन युग) के सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी पदार्थ है क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास के लिए एक अपेक्षाकृत कम कीमत पर इसकी उपलब्धता आवश्यक होती है। जिस पर वर्तमान की इलेक्ट्रॉनिक्स और आईटी क्रांति आधारित है।

मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन अन्य एलोट्रोपिक रूपों से भिन्न होता है जैसे कि गैर-क्रिस्टलीय या अक्रिस्टलीय सिलिकॉन को सौर्य विद्युत सेलों में उपयोग किया जाता है और बहुक्रिस्टलीय सिलिकॉन, जिसमें छोटे क्रिस्टल होते हैं जिन्हें "क्रिस्टलाणु" कहा जाता है।

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

इसकी सबसे सामान्य उत्पादन तकनीक सीज़ोक्राल्स्की विधि है जो पिघले हुए सिलिकॉन में एक शुद्ध रूप से उन्मुख रॉड (छड़)-माउंट बीज क्रिस्टल को डुबोती है। फिर रॉड को धीरे-धीरे ऊपर की ओर खींचा जाता है और एक साथ घुमाया जाता है जिससे खींचें गए पदार्थ को एक मोनोक्रिस्टलीय रॉड बेलनाकार पिंड में 2 मीटर तक की लंबाई और कई सौ किलोग्राम वजन की स्वीकृति मिलती है। अशांत प्रवाह को नियंत्रित करने और दाब को विस्तृत करने लिए 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 रेडियो आवृत्ति स्पेक्ट्रम ऊष्मीय कुंडली के माध्यम से एक बहुक्रिस्टलीय सिलिकॉन रॉड से प्रवाहित होती हैं जो एक स्थानीय पिघले हुए ज़ोन का निर्माण करती हैं, जिससे एक बीज क्रिस्टल पिंड को विस्तृत करता है और ब्रिजमैन तकनीक, जो क्रूसिबल को बीज वाले कंटेनर के अंत से ठंडा करने के लिए एक ताप प्रवणता के माध्यम से अभिगम्य करते हैं। और ठोस परतों पर वेफरिंग नामक प्रक्रिया के समय पतली वेफर्स में विभाजित हो जाती हैं। वेफरिंग के बाद के प्रसंस्करण मे वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) निर्माण में उपयोग के लिए तैयार किए जाते हैं।

बहुक्रिस्टलीय पिंड के उत्पादन की तुलना में, मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन का उत्पादन बहुत धीमा और कीमती होता है। हालांकि, अपेक्षाकृत इलेक्ट्रॉनिक गुणों के कारण मोनो-एससी की मांग में वृद्धि प्रारम्भ है कण की सीमाओं की कमी अपेक्षाकृत आवेशित वाहक प्रवाह की स्वीकृति देती है और इलेक्ट्रॉन पुनर्मूल्यांकन को स्थगित करती है जो एकीकृत परिपथ और "प्रकाश-वोल्टीय" के अपेक्षाकृत प्रदर्शन की स्वीकृति देती है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में
मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन का प्राथमिक अनुप्रयोग विविक्त घटक और एकीकृत परिपथों के उत्पादन मे किया जाता है। सीज़ोक्राल्स्की विधि द्वारा बनाए गए पिंडों को लगभग 0.75 मिमी मोटी वेफर्स में विभाजित किया जाता है और एक नियमित, समतल स्तर प्राप्त करने के लिए परिष्कृत किया जाता है जिस पर विभिन्न माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं के माध्यम से सूक्ष्म इलेक्ट्रनिक संबंधी उपकरणों, जैसे कि डोपिंग अर्धचालक या आयन-रोपण, उत्कीर्णन (सूक्ष्म संरचना), विभिन्न पदार्थों का निक्षेपण और फोटोलिथोग्राफी-पैटर्निंग आदि का निर्माण किया जाता है।

यह एकल निरंतर क्रिस्टल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए महत्वपूर्ण होता है क्योंकि कण की सीमाएँ, अशुद्धियाँ और क्रिस्टलोग्राफिक पदार्थ के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं जो उनके उपयुक्त संचालन में अंतः क्षेप करके अर्धचालक उपकरणों की कार्यक्षमता, प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टलीय पूर्णता के अतिरिक्त अत्यधिक बड़े पैमाने पर एकीकरण (वीएलएसआई) उपकरणों का निर्माण करना लगभग असंभव होता है जिसमें अरबों ट्रांजिस्टर-आधारित परिपथ सभी इसमे उपकरण कार्य को शुद्धता के साथ करते है और जिसमे उपकरण को एक चिप में माध्यम से संबद्ध किया जाता है जैसे, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग ने सिलिकॉन के विस्तृत एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए सुविधाओं में अत्यधिक निवेश किया है।

सौर्य विद्युत सेलों में
मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन का उपयोग उच्च-प्रदर्शन फोटोवोल्टिक (पीवी) उपकरणों के लिए भी किया जाता है। चूंकि सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों की तुलना में संरचनात्मक कमी वाले उपकरणों मे इसकी कम आवश्यकता होती हैं निम्न-गुणवत्ता वाले सौर-ग्रेड सिलिकॉन (सोग-सी) का उपयोग प्रायः सौर्य विद्युत सेलों के लिए किया जाता है। इसके अतिरिक्त, मोनोक्रिस्टलीय-सिलिकॉन फोटोवोल्टिक उद्योग को इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के लिए मोनो-एससी उत्पादन विधियों के विकास मे अपेक्षाकृत अधिक लाभ होता है।

विपणन साझेदारी
पीवी तकनीक का दूसरा सबसे सामान्य रूप होने के कारण मोनोक्रिस्टलीय सिलिकॉन केवल बहुक्रिस्टलीय सिलिकॉन से पीछे है। उल्लेखनीय रूप से उच्च उत्पादन दर और बहुक्रिस्टलीय-सिलिकॉन की निरंतर घटती लागत के कारण, मोनो-एससी के विणपन भाग कम हो रहा है 2013 में, मोनोक्रिस्टलीय सौर्य विद्युत सेलों की विपणन साझेदारी 36% थी, जो 12.6 जीडब्ल्यू के उत्पादन में अनुवादित थी। फोटोवोल्टिक क्षमता, लेकिन 2016 तक विपणन साझेदारी से 25% नीचे हो गई थी। कम विपणन साझेदारी के अतिरिक्त 2016 में उत्पादित समतुल्य मोनो-एससी पीवी क्षमता 20.2 % थी जो फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियों के समस्त उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि का संकेत देती है।

दक्षता
एकल-जंक्शन सेल लैब दक्षता के साथ 26.7% मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की रिकॉर्डेड बहुक्रिस्टलीय-एससी (22.3%) और स्थापित थिन-फिल्म तकनीकों जैसे सीआईजीएस सेल (21.7%) सीडीटी सेल (21.0%) और ए-सी सेल (10.2%) से आगे सभी व्यावसायिक पीवी प्रौद्योगिकियों में उच्चतम पुष्टि रूपांतरण दक्षता है। मोनो-एससी के लिए सौर मॉड्यूल क्षमता-जो उनके संबंधित सेलों की तुलना में कम होती है अंततः जो 2012 में 20% अंक हो गई और 2016 में 24.4% तक विस्तृत हो गई। बहुक्रिस्टलीय-सिलिकॉन के विशिष्ट नीले रंग की तुलना में एकल क्रिस्टल में पुनर्संयोजन साइटों की कमी और इसके काले रंग के कारण फोटोन के अपेक्षाकृत अवशोषित दक्षता के लिए उच्च दक्षता अपेक्षाकृत कम महत्वपूर्ण होती है। चूंकि वे अपने बहुक्रिस्टलीय-सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में अधिक कीमती होते हैं, मोनो-एससी सेल उन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होते हैं जहां उपलब्ध क्षेत्र या विशिष्ट प्रभावित सीमाएं होती हैं।

निर्माण
कम उत्पादन दर के अतिरिक्त, निर्माण प्रक्रिया में अपशिष्ट पदार्थों के कारण भी समस्याए उत्पन्न होती हैं। सौर पैनलों को बनाने के लिए वृत्तीय वेफर सीज़ोक्राल्स्की प्रक्रिया के माध्यम से निर्मित बेलनाकार पिंडों के एक उत्पाद को अष्टकोणीय सेलों में विभाजित करने की आवश्यकता होती है जिन्हें एक साथ एकत्र किया जा सकता है। अवशेष पदार्थ का उपयोग पीवी सेलों को बनाने के लिए नहीं किया जाता है और पिघलने के लिए पिंड उत्पादन में वापस अवमुक्त कर दिया जाता है या पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। इसके अतिरिक्त, यद्यपि मोनो-सी सेल घटना की सतह के 20 माइक्रोन के भीतर अधिकांश फोटोन को अवशोषित कर सकती हैं, तब पिंड विभाजन की प्रक्रिया पर सीमाओ की व्यावसायिक वेफर मोटाई समान्यतः लगभग 200 माइक्रोन होती हैं। हालांकि, प्रौद्योगिकी में प्रगति से 2026 तक वेफर की मोटाई 140 माइक्रोन तक कम होने की संभावना है।

अन्य निर्माण विधियों पर शोध किया जा रहा है, जैसे प्रत्यक्ष वेफर अधिस्तरी वृद्धि विधि, जिसमें पुन: प्रयोज्य सिलिकॉन पर विस्तृत गैसीय परतें सम्मिलित हैं। नई प्रक्रियाएं वर्ग क्रिस्टल के विकास की स्वीकृति दे सकती हैं जिन्हें गुणवत्ता या दक्षता मे परिवर्तित करने के अतिरिक्त पतले वेफर में संसाधित किया जा सकता है जिससे पारंपरिक पिंड विभाजन और विभाजन के प्रकारों से अपशिष्ट पदार्थ को नष्ट किया जा सकता है।