1 Cos'è il silicio policristallino?
Il silicio policristallino (Poly Si o Polysilicon) è un materiale semiconduttore comunemente utilizzato nella produzione di celle fotovoltaiche e componenti elettronici. È composto da più grani (particelle cristalline) che sono interconnessi ai confini, ma la disposizione atomica all'interno di ciascun grano è ordinata. Il silicio policristallino è ampiamente utilizzato nella produzione di celle solari fotovoltaiche. Nei moduli fotovoltaici, le celle in silicio policristallino sono collegate in serie e in parallelo per formare pannelli solari. Questi pannelli solari vengono utilizzati per convertire l'energia solare in energia elettrica.
Inoltre, viene utilizzato anche per produrre materiali di gate per alcuni componenti elettronici come transistor e circuiti integrati.
Caratteristiche del silicio policristallino:
Struttura policristallina:Il silicio policristallino è composto da più grani, con atomi disposti in modo ordinato all'interno di ciascun grano, ma atomi disposti in modo casuale ai confini tra i grani. Questi grani hanno dimensioni e orientamenti diversi.
Costo relativamente basso:Il processo di produzione del silicio policristallino è relativamente semplice ed economico, rendendolo adatto alla produzione su larga scala. Ciò conferisce alle celle fotovoltaiche in silicio policristallino un vantaggio di prezzo sul mercato.
Bassa efficienza:A causa della presenza dei bordi dei grani, l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle fotovoltaiche in silicio policristallino è solitamente inferiore a quella delle celle fotovoltaiche in silicio monocristallino. Difetti ai bordi dei grani possono causare la ricombinazione dei portatori, riducendo così l’efficienza della batteria.
Processo di produzione del silicio policristallino:
Purificazione delle materie prime:La produzione di silicio policristallino inizia solitamente con silicio di grado metallurgico (MG Si), che deve prima essere purificato per rimuovere le impurità dal silicio e produrre materie prime di silicio di elevata purezza. Il metodo comunemente utilizzato è il processo Siemens, che ottiene silicio policristallino di elevata purezza attraverso la deposizione chimica da fase vapore (CVD).
Processo di riduzione:Il silicio di grado metallurgico reagisce con l'acido cloridrico per produrre triclorosilano (HSiCl₃), che viene poi purificato mediante distillazione. Infine, il triclorosilano viene ridotto ad alta temperatura per produrre silicio policristallino di elevata purezza.
Processo di reazione:Il silicio di grado metallurgico reagisce con l'acido cloridrico (HCl) per produrre triclorosilano (HSiCl₃) e altri sottoprodotti. Si+3HCL→HSiCl₃+H₂
Lingotto:Il silicio policristallino ad elevata purezza viene fuso e colato in grandi pezzi di lingotti di silicio policristallino. Dopo il raffreddamento, questi lingotti sono composti da più grani di silicio con orientamenti diversi.
Affettare:I lingotti di silicio policristallino vengono tagliati da un'affettatrice in fette sottili, chiamate wafer, e utilizzate per produrre celle fotovoltaiche.
Rilevazione e classificazione di wafer di silicio policristallino
Ispezione ottica:Utilizzare apparecchiature di ispezione ottica per ispezionare la qualità della superficie e la struttura cristallina dei wafer di silicio policristallino.
Test delle prestazioni elettriche:Testare le proprietà elettriche dei wafer di silicio policristallino, come la durata dei portatori minoritari, la conduttività, ecc.
Classificazione della qualità:Sulla base dei risultati dei test, i wafer di silicio policristallino vengono classificati in base alla qualità e alle prestazioni per garantire che wafer di silicio di alta qualità vengano utilizzati per una produzione efficiente di celle fotovoltaiche.
2 Cos'è il silicio monocristallino
Il silicio monocristallino è un materiale di silicio di elevata purezza composto da una struttura monocristallina. La disposizione atomica del silicio monocristallino è ordinata, la struttura cristallina è completa e ha eccellenti proprietà elettriche e resistenza meccanica. Le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino sono attualmente una delle celle fotovoltaiche più efficienti sul mercato, con un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica e adatte a vari sistemi di generazione di energia fotovoltaica. Può essere utilizzato come materiale principale per la produzione di dispositivi a semiconduttore come circuiti integrati (IC), microprocessori, memorie, sensori, ecc. Inoltre, wafer di silicio monocristallino di elevata purezza (wafer) vengono tagliati, drogati, incisi e confezionati per produrre vari componenti elettronici e chip. Il silicio monocristallino viene utilizzato anche per produrre lenti ottiche, finestre a infrarossi, dispositivi laser e altro ancora.
Processo di produzione:
1. Preparazione delle materie prime:La materia prima per il silicio monocristallino è il silicio di elevata purezza, solitamente utilizzando silicio di grado metallurgico purificato.
2. Metodo di produzione:
Metodo Czochralski (metodo CZ):
Fare un passo:Sciogliere il silicio ad elevata purezza in un crogiolo, inserire un cristallo seme di silicio monocristallino con l'orientamento del cristallo desiderato, quindi ruotare lentamente e tirare il cristallo seme per consentire al silicio fuso di cristallizzarsi sul cristallo seme, formando gradualmente un'asta di silicio monocristallino.
Caratteristiche:Il metodo CZ può produrre barre di silicio monocristallino di grande diametro e di elevata purezza, ma è incline a introdurre ossigeno e altre impurità.
Zona Mobile (FZ):
Fare un passo:Utilizzare il riscaldamento a induzione ad alta frequenza per fondere un'area locale dell'asta di silicio senza crogiolo, quindi spostare la zona di fusione sull'asta di silicio spostando la bobina di induzione, trasformando gradualmente il silicio policristallino in silicio monocristallino.
Caratteristiche:Il silicio monocristallino prodotto con il metodo FZ ha una purezza maggiore e un contenuto di impurità inferiore, rendendolo adatto alla produzione di dispositivi a semiconduttore ad alte prestazioni.
3. Taglio e lavorazione
Taglio:Utilizzando una sega a filo diamantato per tagliare una barra di silicio monocristallino in fette sottili, note come wafer.
Levigatura e lucidatura:Macinazione e lucidatura del wafer di silicio tagliato per rimuovere difetti superficiali e migliorarne la planarità e la pulizia.
3 La differenza tra silicio monocristallino e silicio policristallino
Le principali differenze tra silicio monocristallino e silicio policristallino risiedono nella struttura, nelle proprietà e nelle applicazioni. Il silicio monocristallino è composto da una struttura monocristallina, con disposizione atomica ordinata ed elevata efficienza di conversione fotoelettrica (18% -24%). Ha proprietà elettriche superiori ed è adatto per celle fotovoltaiche e dispositivi a semiconduttore ad alte prestazioni, ma il costo di produzione è relativamente elevato. Il silicio policristallino è composto da più grani con bordi di grano, con conseguente bassa efficienza di conversione fotoelettrica (15% -20%) e scarse proprietà elettriche. Viene utilizzato principalmente per applicazioni fotovoltaiche su larga scala e con bassi costi di produzione. Il silicio monocristallino ha un aspetto uniforme e una buona estetica, mentre il silicio policristallino ha un aspetto irregolare.