単結晶シリコン

単結晶シリコン（単結晶シリコンまたは単にモノSiとも呼ばれる）は、現代の電子機器や太陽光発電で広く使用されている重要な材料です。シリコンベースの個別部品や集積回路の基盤として、コンピューターからスマートフォンまで、ほぼすべての現代の電子機器で重要な役割を果たしています。さらに、モノSiは太陽電池の製造に非常に効率的な光吸収材料として役立つため、再生可能エネルギー分野では欠かせないものとなっています。

単結晶シリコンは、固体全体の結晶格子が連続しており、端まで途切れず、粒界がないシリコン（つまり単結晶）で構成されています。モノシリコンは、極めて純粋なシリコンのみで構成される真性半導体として作成することも、ホウ素やリンなどの他の元素を追加してドーピングしてp型またはn型シリコンにすることもできます。^{[1]単結晶シリコンは、その}半導体特性により、おそらくここ数十年、つまり「シリコン時代」で最も重要な技術材料です。^{[2]手頃な価格で入手できることは、}今日のエレクトロニクスとIT革命の基盤となっている電子デバイスの開発に不可欠でした。

単結晶シリコンは、薄膜太陽電池に使用される非結晶アモルファスシリコンや、微結晶と呼ばれる小さな結晶で構成される多結晶シリコンなどの他の同素体とは異なります。

単結晶シリコンは、通常、高純度の半導体グレードのシリコン（不純物は数ppmのみ）を溶かし、シードを使用して連続した単結晶の形成を開始するいくつかの方法のいずれかによって生成されます。このプロセスは通常、結晶の均一性に影響を与える不純物を避けるために、アルゴンなどの不活性雰囲気と石英などの不活性るつぼで実行されます。

最も一般的な製造技術はチョクラルスキー法で、正確に配向されたロッドに取り付けられた種結晶を溶融シリコンに浸す。次にロッドをゆっくりと引き上げながら同時に回転させ、引き上げられた材料を凝固させて、長さ最大2メートル、重量数百キログラムの単結晶円筒形のインゴットにします。乱流を制御および抑制するために磁場を適用して、結晶化の均一性をさらに向上させることもできます。^[3]その他の方法としては、多結晶シリコンロッドを高周波加熱コイルに通して局所的な溶融ゾーンを作成し、そこから種結晶インゴットを成長させるゾーン溶融法や、種を含む容器の端からるつぼを温度勾配に沿って移動させて冷却するブリッジマン技術があります。 ^[4]凝固したインゴットは、ウェーハ化と呼ばれるプロセスで薄いウェーハにスライスされます。ウェーハ化後の処理の後、ウェーハは製造に使用できるようになります。

多結晶インゴットの鋳造と比較すると、単結晶シリコンの生産は非常に時間がかかり、費用もかかります。しかし、優れた電子特性（粒界がないため電荷キャリアの流れが良くなり、電子の再結合を防ぐ^[5]）により、単結晶シリコンの需要は増加し続けており、集積回路や太陽光発電の性能が向上します。

単結晶シリコンの主な用途は、個別部品と集積回路の製造です。チョクラルスキー法で作られたインゴットは、厚さ約0.75 mmのウェハーにスライスされ、研磨されて通常の平らな基板になります。この基板上に、ドーピングやイオン注入、エッチング、さまざまな材料の堆積、フォトリソグラフィーによるパターン形成など、さまざまな微細加工プロセスを通じてマイクロエレクトロニクスデバイスが構築されます。

エレクトロニクスにとって、連続した単一の結晶は非常に重要です。なぜなら、粒界、不純物、結晶欠陥は材料の局所的な電子特性に大きな影響を与え、それが半導体デバイスの適切な動作を妨げ、機能性、性能、信頼性に影響を与えるからです。たとえば、結晶が完全でなければ、数十億^{[6]のトランジスタベースの回路がすべて確実に機能しなければならず、それらを1つのチップに統合してマイクロプロセッサを形成する}超大規模集積回路(VLSI)デバイスを構築することは事実上不可能です。そのため、エレクトロニクス業界では、シリコンの大型単結晶を生産する施設に多額の投資を行ってきました。

単結晶シリコンは、高性能太陽光発電(PV) デバイスにも使用されています。マイクロエレクトロニクス用途に比べて構造上の欠陥に対する要求がそれほど厳しくないため、太陽電池には低品質のソーラーグレードシリコン (Sog-Si) が使用されることがよくあります。それにもかかわらず、単結晶シリコン太陽光発電業界は、エレクトロニクス業界向けのより高速な単結晶シリコン製造方法の開発から大きな恩恵を受けています。

単結晶シリコンは、PV技術の中で2番目に普及しており、姉妹品である多結晶シリコンに次ぐ位置にあります。多結晶シリコンの生産率が大幅に高く、コストが着実に低下しているため、単結晶シリコンの市場シェアは減少しています。2013年には、単結晶太陽電池の市場シェアは36%で、太陽光発電容量は12.6GWでした^[7]が、2016年には市場シェアは25%を下回りました。市場シェアが低下したにもかかわらず、2016年に生産された同等の単結晶シリコンPV容量は20.2GWであり、太陽光発電技術の全体的な生産が大幅に増加したことを示しています。^[8]

記録された単接合セルの実験室効率は26.7%で、単結晶シリコンはすべての商用PV技術の中で最も高い確認済み変換効率を持ち、多結晶シリコン(22.3%)や、CIGSセル(21.7%)、CdTeセル(21.0%)、a-Siセル(10.2%)などの確立された薄膜技術を上回っています。単結晶シリコンのソーラーモジュール効率は、対応するセルの効率よりも常に低いのですが、2012年にようやく20%のマークを超え、2016年には24.4%に達しました。^[9]この高い効率は、単結晶に再結合サイトがないことと、多結晶シリコンの特徴的な青い色調と比較して黒色であるため光子の吸収が良くなることが主な理由です。多結晶セルよりも高価なため、単結晶シリコンセルは、重量や利用可能な領域の制限が主な考慮事項となるアプリケーションに役立ちます。

生産率が低いことに加え、製造工程で無駄になる材料についても懸念がある。スペース効率の高いソーラーパネルを作るには、円形のウェーハ（チョクラルスキー法で作られた円筒形のインゴットの製品）を八角形のセルに切断して、密集させて詰め込む必要がある。残った材料はPVセルの製造には使われず、廃棄されるか、インゴット製造に戻って溶解することでリサイクルされる。さらに、モノシリコンセルは入射面から20μm以内の光子の大部分を吸収できるが、インゴットの切断工程の制限により、市販のウェーハの厚さは一般的に約200μmである。しかし、技術の進歩により、2026年までにウェーハの厚さは140μmまで薄くなると予想されている。^[10]

再利用可能なシリコン基板上に気体層を成長させる直接ウェーハエピタキシャル成長法など、他の製造方法も研究されている。新しいプロセスでは、品質や効率を損なうことなく、より薄いウェーハに加工できる正方形の結晶を成長させることが可能になり、従来のインゴットの切断方法による廃棄物を排除できる可能性がある。^[11]

単結晶シリコンは、太陽光発電技術で使用される 他の形態のシリコン、特に多結晶シリコンやアモルファスシリコンとは大きく異なります。

• 多結晶シリコン: 多数の小さな結晶 (微結晶) から構成される多結晶シリコンは、製造コストは単結晶シリコンより安価ですが、電子機器と太陽電池の両方で効率は単結晶シリコンより劣ります。その電気伝導性は粒界によって妨げられ、全体的な性能が低下します。
• アモルファス シリコン:非結晶性で主に薄膜太陽電池に使用されるアモルファス シリコンは軽量で柔軟性がありますが、単結晶シリコンに比べて効率がはるかに低くなります。効率よりもスペースや柔軟性が重要となるニッチな用途で使用されることが多いです。

ウィキメディア・コモンズには、単結晶シリコン太陽電池に関連するメディアがあります。

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  シリコンの結晶構造はダイヤモンド立方体を形成する
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  インテルが単結晶シリコンウェハ上に製造したVLSIデバイス
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  太陽電池の比較：ポリシリコン（左）とモノシリコン（右）