Monokristal silikon (mono-Si veya c-Si), sürekli katı tek kristalden oluşan silikondur. Fotovoltaik (PV) uygulamaları için oluşturulan silisyum, tipik çapı 8 inç (~ 200 mm) olan silindirik bir formda büyütülür. Silindirin yüzeyi daha sonra sözde kare (pseudo-square) bir şekil elde etmek için kırpılır.
Bu külçeler, esasen p-tipi katkılı veya n-tipi katkılı silisyum olarak hazırlanabilir. P-tipi katkı (doping) tipik olarak bor kullanılarak elde edilirken, N-tipi doping fosfor kullanılarak elde edilir. Mono-Si’den üretilen güneş pilleri, tüm silisyum plaka (wafer) tabanlı güneş pillerinin tahmini olarak % 35’ini (% 30 p-tipi ve% 5 n-tipi) oluşturur [1]. Mono-Si kullanılan PV güneş pili üretiminin tipik kalınlığı 160‑190 μm aralığındadır. 2019’da en büyük mono-Si silikon gofret üreticisi Xi’an Longi Silicon Materials Corporation oldu.
Jan Czochralski’nin adını taşıyan Cz yöntemi, mono-Si üretiminin en yaygın yöntemidir. Bu yöntem, nispeten düşük bir termal stres direncine, kısa işlem süresine ve nispeten düşük maliyete sahiptir. Cz işlemi yoluyla büyütülen silisyum, ayrıca, safsızlıkların dahili olarak toplanmasına yardımcı olabilen nispeten yüksek bir oksijen konsantrasyonu ile karakterize edilir. Kristal çapının endüstri standardı, <100> kristalografik yönelimle 75‑210 mm’dir. Proses için besleme stoğu olarak en çok bor (p-tipi doping için) veya fosfor (n-tipi doping için) olmak üzere ilave katkı maddeli yüksek saflıkta polisilisyum (güneş sınıfı silisyum) malzeme kullanılır. Yüzeye tek bir kristal silisyum tohumu yerleştirilir, döndürülür ve kademeli olarak yukarı doğru çekilir. Bu, erimiş silisyumu eriyikten çekerek tohumdan sürekli tek bir kristal halinde katılaşabilir. Sıcaklık ve çekme hızı, kristalde tohum / eriyik temas şoku tarafından üretilebilen dislokasyonu ortadan kaldırmak için dikkatlice ayarlanır.
Hızın kontrol edilmesi, kristalin çapını da etkileyebilir. Tipik oksijen ve karbon konsantrasyonları sırasıyla [O] ≈ 5‑10 × 1017 cm-3 ve [C] ≈ 5‑10 × 1015 cm-3’tür. Silisyumdaki oksijenin [2] çözünürlük değişkenliğinden dolayı (silisyum erime noktasında 1018 cm-3’ten oda sıcaklığında birkaç büyüklük sırasına kadar), oksijen çökelebilir [3]. Çöktürülmeyen oksijen, elektriksel olarak aktif kusurlar haline gelebilir ve ayrıca oksijenden gelen termal vericiler, malzemenin direncini etkileyebilir. Alternatif olarak, çökelmiş oksijen, safsızlıkların dahili olarak toplanmasını kolaylaştırabilir. Bor katkılı p-tipi silisyumdaki oksijenin [Oi] interstisyel formu, silisyumun performansını ciddi şekilde etkileyebilir. Aydınlatma veya akım enjeksiyonu altında, interstisyel oksijen, arka plandaki katkı maddesi olan bor [4] ile bir bor-oksijen kusuru oluşturur. Bunun, tamamlanmış bir güneş hücresinin verimliliğini göreceli olarak% 10’a kadar düşürdüğü bilinmektedir.
Standart Cz işleminin diğer bir dezavantajı, katkı maddesi dağılımının külçe (ingot) boyunca tekdüze olmamasıdır. Çünkü bor (0.8) ve fosforun (0.3) ayrılma katsayısı aynı değildir. Bu, Cz çekme işleminin başlangıcında nispeten düşük bir katkı maddesi konsantrasyonu, dolayısıyla daha yüksek direnç ve çekme işleminin sonuna doğru daha yüksek bir katkı maddesi konsantrasyonu, dolayısıyla daha düşük direnç ile sonuçlanır. Nispeten düşük fosfor ayrıştırma süreci nedeniyle, bu esas olarak n-tipi mono-Si hücre tipleri için bir sorundur ve n-tipi külçeler için geniş bir direnç aralığı ile sonuçlanır.
Çz süreci ve takip eden külçe(ingot) ve plaka (wafer) kesim işlemi aşağıdaki animasyonda gösterilmektedir.
Cz işleminin bir başka çeşidi de “sürekli Cz” işlemidir. Sürekli Cz işleminde, külçe (ingot) çekme sırasında eriyiğe yeni malzeme eklenir. Bu, önemli ölçüde sığ potalara izin verir, pota duvarlarıyla etkileşimi azaltır ve ayrıca eriyikteki katkı maddesi konsantrasyonunu kontrol etmenizi sağlar ve sonuç olarak külçe içindeki katkı maddesi konsantrasyonu sabit olabilir. Bu, böylece artık başlangıç eriyik hacmiyle sınırlı kalmadığınız için daha uzun olan direnç açısından çok daha homojen külçelere yol açabilir. Bununla birlikte, sürekli Cz yönteminin bir dezavantajı, düşük bir ayrılma katsayısına sahip safsızlıkların, çekme işleminin son kısmında yüksek konsantrasyonlarla sonuçlanarak eriyik içinde oluşturulabilmesidir. Sürecin kısa bir animasyonu aşağıda gösterilmektedir.
[1] – International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) 10th Edition, 2019
