Kristallint kisel

Kristallint kisel  är den huvudsakliga formen i vilken kisel används vid tillverkning av fotovoltaiska omvandlare och elektroniska enheter i fast tillstånd med hjälp av planteknik . Användningen av kisel i form av tunna filmer ( epitaxiala lager ) av kristallina och amorfa strukturer på olika substrat utvecklas aktivt .

Typer av kristallint kisel

Beroende på syftet finns det:

• Kisel av elektronisk kvalitet (så kallat "elektroniskt kisel") - kisel av högsta kvalitet med en kiselhalt på mer än 99,999 viktprocent, längre livslängd för icke-jämviktsbärare (över 25 μs), som används för framställning av fast- ange elektroniska anordningar, mikrokretsar etc. Den specifika elektriska resistansen för kisel av elektronisk kvalitet kan ligga i intervallet från cirka 0,001 till 150 Ω cm, men i detta fall måste resistansvärdet uteslutande tillhandahållas av en given förorening. Det vill säga att inträngning av andra föroreningar i kristallen, även om de ger en given elektrisk resistivitet, som regel är oacceptabel. Huvuddelen av kiselkristaller av elektronisk kvalitet är den så kallade. "dislokationsfria kristaller", dislokationstätheten i dem överstiger inte 10 cm – 2 , men i vissa fall används göt med en dubbel eller till och med polykristallin struktur också för att tillverka elektroniska enheter. Kraven på kiselrenhet för specifika typer av elektroniska enheter kan vara särskilt stränga, upp till 99,9999999 %.
• Solar-graded kisel (så kallat "solar silicon") - kisel med en kiselhalt på mer än 99,99 viktprocent, med medelvärden av livslängden för icke-jämviktsbärare och elektrisk resistivitet (upp till 25 μs) och upp till 10 Ω cm), används för produktion av fotoelektriska omvandlare (solbatterier);
• Tekniskt kisel - block av kisel med en polykristallin struktur, erhållen genom karbotermisk reduktion från ren kvartssand; innehåller 98% kisel, den huvudsakliga föroreningen är kol, den har ett högt innehåll av legeringselement - bor, fosfor, aluminium; används huvudsakligen för att producera polykristallint kisel ; 2006-2009, på grund av bristen på kiselråmaterial av solenergi, gjordes försök att använda detta material för produktion av kristallint kisel av solkvalitet: för detta ändamål renades tekniskt kisel dessutom genom krossning längs interkristallina gränser och etsning föroreningar koncentrerades vid gränserna, därefter genomfördes omkristallisation på något av de ovan nämnda sätten).

Beroende på omkristallisationsmetoden finns det:

• enkristall kisel - cylindriska kiselgöt av mono- och polykristallin struktur med en diameter på upp till 400 mm, erhållna med Czochralski-metoden ;
• degellösa enkristallkisel - cylindriska kiselgöt av enkristallstruktur med en diameter på upp till 150 mm, erhållna med metoden för smältning av degelfri zon ;
• multikisel - rektangulära kiselblock av polykristallin struktur med dimensioner upp till 1000 × 1000 × 600 mm erhållen genom riktad kristallisation i en behållare;
• profilerade kiselkristaller av en polykristallin struktur i form av ihåliga rör (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Russian Federation) eller ihåliga mångfacetterade prismor (Wacker Schott Solar, Tyskland), kiselband av en dendritisk (polykristallin) struktur med en bredd uppåt till 30 mm, erhållen med metoden Czochralski (utan användning av formar) eller Stepanov-metoden (med användning av profileringsformar);
• kiselskrot - sticklingar, fragment och andra rena restprodukter från kiselframställning med de metoder som beskrivs ovan utan spår av oxidation, smälta delar av degeln eller fodret - i sin tur kan delas in i undergrupper beroende på ursprung - används som en återvunnen råvara material vid framställning av kristallint kisel;
• umg-skrot - metallurgiskt renat tekniskt kisel - detta är tekniskt kisel som utsätts för ytterligare rening genom interaktion av kiselsmältan med andra ämnen (för utvinning av föroreningar eller deras överföring till en olöslig eller gasformig fas, etc.) och efterföljande riktad kristallisation och efterföljande avlägsnande av föroreningskoncentrationszonen;
• Grytskrot - fragment, putsmaterial och andra avfallsprodukter från framställning av kristallint kisel med de metoder som beskrivs ovan med rester av deglar eller foder, spår av oxidation, slagg - som regel är detta också det område där föroreningar trycktes under kristallisation - det smutsigaste kislet - kan i sin tur delas upp i undergrupper beroende på ursprung - efter rengöring från inneslutningar av främmande ämnen kan det användas som tillsats till cirkulerande råmaterial vid erhållande av kiselkvaliteter med reducerade kvalitetskrav.

Enkristalllös kisel tillverkas endast i elektronisk kvalitet. Multisilikon tillverkas endast i solkvalitet. Monokristallint kisel, rör och tejper erhållna med Czochralski-metoden kan vara av både elektronisk och solenergikvalitet.

Monokristallint kisel

Monokristallint kisel inkluderar cylindriska göt av kisel som odlats med Czochralski-metoden . Tackor kan ha en dislokationsfri enkristallstruktur (antalet dislokationer är inte mer än 10 stycken/cm²); enkristallstruktur med glidlinjer, tvillingstruktur (två- och trekorniga kristaller), polykristallin struktur med fina och grova korn.

Beroende på tillväxtförhållandena kan göt som har en dislokationsfri struktur i den övre (frö-)regionen stoppa dislokationsfri tillväxt, först omvandlas till en struktur med glidlinjer (under tillväxt växer framgående glidlinjer in i den dislokationsfria delen av götet för en längd i storleksordningen av götdiametern), och sedan en polykristallin struktur bildad av kristalliter som gradvis minskar till 2-3 mm i tvärsnitt.

Tvillingkristaller odlade från tvillingfrön har initialt källor till dislokationer vid intertwin-gränsen. I tvillingkristaller utvecklas därför gradvis betydande inneslutningar av polykristallina regioner (på ett avstånd av cirka 2–3 götdiametrar), och absorberar gradvis kristalliter av den ursprungliga tvillingstrukturen.

De odlade kristallerna av enkristallkisel utsätts för mekanisk bearbetning.

Som regel utförs mekanisk bearbetning av kiselgöt med hjälp av diamantverktyg: bandsågar, sågblad, slipning av profilerade och icke-profilerade skivor, skålar. I slutet av 2000-talet skedde en gradvis övergång från bandsågar till trådkapning med diamantimpregnerad tråd, samt trådkapning med ståltråd i kiselkarbidupphängning, inom utrustning för initial kapning och kvadrering av göt.

Under mekanisk bearbetning skärs de första delarna ut ur götet, lämpliga (när det gäller deras strukturella, geometriska och elektriska egenskaper) för tillverkning av enheter. Därefter kalibreras enkristallkisel avsett för tillverkning av elektroniska enheter (elektroniskt kisel) till en förutbestämd diameter. I vissa fall görs ett bassnitt på generatrisen för den erhållna cylindern, parallellt med ett av de kristallografiska planen.

Enkristallkisel avsett för tillverkning av fotoelektriska omvandlare utsätts inte för kalibrering, utan den så kallade kvadreringen utförs. Vid kvadratursättning skärs segment från cylinderns generatris till en hel kvadrat eller ofullständig kvadrat (pseudo-kvadrat), som bildas av symmetriskt placerade ofullständiga sidor av kvadraten med en diagonal som är större än diametern på götet, anslutna längs bågen för cylinderns återstående generatris. På grund av kvadrering tillhandahålls en mer rationell användning av området där pseudo-fyrkantiga kiselwafers är installerade.

Multisilikon

Multikisel inkluderar rektangulära block av polykristallint kisel som erhållits i stora rektangulära deglar (behållare) genom metoden för riktad kristallisation. Under kristallisationen minskar temperaturen på kiselsmältan i degeln (behållaren) gradvis i höjdled, varvid kristalliterna växer åt ena hållet, växer gradvis och tränger undan mindre kristalliter. Kornstorleken på en polykristall som odlas på detta sätt kan nå 5–10 mm i tvärsnittet vinkelrätt mot tillväxtriktningen.

De resulterande blocken skärs för att avlägsna kantsektionerna som innehåller partiklarna i degeln (fodret), och det resulterande blocket skärs till fyrkantiga prismor med dimensionerna 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm in beroende på vilken teknik som används [1] .

Får

Kristallint kisel framställs genom omkristallisation av polykristallint kisel eller umg-kisel, inte blandat eller blandat i en eller annan proportion med kiselskrot. Omkristallisation utförs med en av de kända metoderna. De vanligaste är Czochralski-metoden och metoden för riktad kristallisation av smältan i en degel. I mindre utsträckning, för att erhålla de renaste kristallerna med maximal elektrisk resistivitet och livslängd för mindre laddningsbärare, används zonsmältningsmetoden .

Applikation

Oavsett typ och ursprung för kristallint kisel skärs de erhållna fyrkantiga, pseudo-kvadratiska prismorna och kiselcylindrarna till plattor, på vilka olika elektroniska enheter skapas genom epitaxi och fotolitografi (den så kallade plana teknologin ). På basis av kiselwafers kan membranfilter och konsthantverk också tillverkas med samma metoder.

Anteckningar

1. ↑ Linjer för tillverkning av anordningar görs initialt för en viss standardstorlek på arbetsstycket (plåten). Den nominella storleken (diametern) kännetecknar både tekniken och tekniknivån. Till exempel, vid tiden för Sovjetunionens kollaps, arbetade en teknik baserad på användningen av monokiselgöt med en diameter på 100 mm i landet, i främmande länder - 200 mm. Under 2010-talet fasade globala tillverkare gradvis ut 135 mm-tekniklinjerna, med fokus på elektronisk kiselteknologi på diametrar på 300 mm, solenergiteknik på 200 mm. Åren 1997–2000 genomfördes ett projekt i Japan för att erhålla dislokationsfria göt med en diameter på 400–450 mm, men produktionstekniken gick inte i serie, eftersom det inte var möjligt att uppnå tillräcklig kontroll över fördelningen av föroreningar över kristalltvärsnittet. De nominella diametrarna på göt som odlas för produktion av fotovoltaiska omvandlare (PVC) är vanligtvis lägre än nivån för elektronisk kiselteknologi. Detta beror på det faktum att föråldrade linjer för produktion av enheter som inte har utarbetat sin resurs ursprungligen överfördes till produktion av solceller.