عملية تطوير السيليكون في الطاقة الشمسية

السيليكون أحادي البلورة والسيليكون متعدد البلورات

ا نوعين رئيسيين من السيليكون المستخدم في الصناعات الإلكترونية والطاقة المتجددة.

السيليكون أحادي البلورة (Monocrystalline Silicon)

السيليكون أحادي البلورة هو المادة الأساسية للمكونات الإلكترونية المنفصلة والدوائر المتكاملة المستخدمة في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة تقريباً. كما يعمل كمادة كهروضوئية ماصة للضوء في تصنيع الخلايا الشمسية.

الخصائص والإنتاج

يتكون من سيليكون تكون فيه الشبكة البلورية للمادة الصلبة بأكملها مستمرة وغير منقطعة حتى حوافها، وخالية من أي حدود حبيبية. يمكن تحضيره كأشباه موصلات ذاتية تتكون من سيليكون نقي للغاية، أو يمكن تطعيمه بعناصر أخرى مثل البورون أو الفوسفور لصنع سيليكون من النوع p أو النوع n.

طرق الإنتاج الرئيسية:

• عملية تشوخرالسكي: الطريقة الأكثر شيوعاً، حيث يتم غمس بلورة بذرة في السيليكون المنصهر وسحبها ببطء مع التدوير لتشكيل سبائك أسطوانية.
• نمو المنطقة العائمة: تمرير قضيب من السيليكون متعدد البلورات عبر ملف تسخين بتردد راديوي لإنشاء منطقة منصهرة موضعية.
• تقنيات بريدجمان: تحريك البوتقة عبر تدرج حراري لتبريدها من نهاية الحاوية التي تحتوي على البذرة.

التطبيقات

1. في الإلكترونيات: يُستخدم لإنتاج المكونات المنفصلة والدوائر المتكاملة (ICs). تُقطع السبائك إلى رقائق (Wafers) بسمك 0.75 مم تقريباً وتُصقل لبناء الأجهزة الإلكترونية الدقيقة عليها.
2. في الخلايا الشمسية: يُستخدم للأجهزة الكهروضوئية عالية الأداء. تتميز الخلايا أحادية البلورة بكفاءة تحويل أعلى مقارنة بالتقنيات التجارية الأخرى.

الكفاءة والحصة السوقية

الوصف	الخاصية
سجلت كفاءة مختبرية للخلايا أحادية الوصلة بنسبة 26.7%، وهي الأعلى بين تقنيات السيليكون التجارية.	الكفاءة
تتميز الخلايا بلون أسود داكن يساعد في امتصاص أفضل للفوتونات.	المظهر
كانت تبلغ حوالي 36% في عام 2013، وشهدت تقلبات بسبب انخفاض تكاليف السيليكون متعدد البلورات.	الحصة السوقية

السيليكون متعدد البلورات (Polycrystalline Silicon)

السيليكون متعدد البلورات (المعروف أيضاً باسم polysilicon أو poly-Si) هو شكل عالي النقاء من السيليكون يتكون من بلورات صغيرة متعددة.

الإنتاج والتقنيات

يتم إنتاجه من السيليكون ذو الدرجة المعدنية من خلال عملية تنقية كيميائية تسمى عملية سيمنز (Siemens process)، والتي تتضمن تقطير مركبات السيليكون المتطايرة وتفككها إلى سيليكون عند درجات حرارة عالية.

السيليكون المعدني المطور (UMG-Si): يُنتج كبديل منخفض التكلفة للسيليكون متعدد البلورات، حيث يستخدم عمليات تنقية معدنية بدلاً من الكيميائية، مما يقلل من استهلاك الطاقة والمعدات.

التطبيقات الرئيسية

• البوابات الموصلة: يُستخدم كمادة للبوابة الموصلة في تقنيات معالجة MOSFET و CMOS.
• الخلايا الشمسية: يعد المادة الخام الرئيسية في صناعة الخلايا الشمسية الكهروضوئية القائمة على السيليكون البلوري.
• المقاومات والموصلات: يُستخدم في الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) كمقاوم أو موصل أو تلامس أومي.

مقارنة بين السيليكون أحادي البلورة ومتعدد البلورات

السيليكون أحادي البلورة (Mono-Si)	السيليكون متعدد البلورات (Poly-Si)		وجه المقارنة
بلورة واحدة مستمرة ومنتظمة	بلورات صغيرة متعددة (حبيبات)		الهيكل البلوري
أعلى (تصل إلى 26.7%)	أقل (حوالي 22.3%)		الكفاءة
أغلى بسبب عملية الإنتاج البطيئة	أرخص وأسرع في الإنتاج		التكلفة
أسود داكن، شكل متجانس	أزرق، يظهر فيه حدود الحبيبات (تأثير الرقائق المعدنية)		المظهر

الجوانب الاقتصادية والبيئية

الشركات المصنعة والحصة السوقية 2026

تسيطر دول معينة على إنتاج السيليكون متعدد البلورات:

• الصين: 36.1%
• الولايات المتحدة: 25.9%
• ألمانيا: 21.6%
• كوريا الجنوبية: 11.4%

أكبر المنتجين: GCL-Poly (الصين)، Wacker Chemie (ألمانيا)، OCI (كوريا الجنوبية)، Hemlock Semiconductor (أمريكا).

التحديات والنفايات

• إغراق السوق: اتهمت الحكومة الصينية الشركات الأمريكية والكورية الجنوبية ببيع المنتج بأقل من التكلفة (الإغراق)، وفرضت تعريفا جمركية في عام 2013.
• النفايات البيئية: أدى النمو السريع في الصين إلى تقارير عن التخلص غير القانوني من رابع كلوريد السيليكون، وهو نفايات ناتجة عن عملية الإنتاج تتطلب إعادة تدوير مكلفة عند درجات حرارة عالية.

شرح عملية تطوير السيليكون في أنظمة الطاقة الشمسية

1.  تنقية السيليكون
2. يبدأ من السيليكون الخام (الرمل).
3. يتم تنقيته كيميائياً للحصول على بولي سيليكون عالي النقاء.
4. يستخدم غالباً:
   1. عملية Siemens
   1. أو تقنيات أحدث أقل تكلفة

 2. تحويله إلى بلورات

نوعان:

• أحادي البلورة:
  • يتم سحب بلورة واحدة من السيليكون المنصهر.
• متعدد البلورات:
  • يتم صب السيليكون في قوالب ليبرد إلى عدة بلورات.

3. تقطيع إلى رقائق (Wafers)

• يتم تقطيع الكتل إلى شرائح رقيقة جداً.
• هذه الشرائح هي أساس الخلايا الشمسية.

4. تصنيع الخلايا الشمسية

• يتم إضافة عناصر مثل:
  • البورون → نوع p
  • الفوسفور → نوع n
• تتكون وصلة PN Junction التي تولد الكهرباء عند الضوء.

5.  تجميع الألواح الشمسية

• يتم ربط الخلايا معاً.
• توضع داخل لوح محمي بالزجاج.
• تصبح جاهزة لإنتاج الكهرباء.