Polysiliciumproduktion
Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde. Silizium findet sich meist in großen Vorkommen als Quarzit, als Silikat in Siliziumdioxid (SiO2). Obwohl diese Quellen im Allgemeinen mit anderen Elementen (wie Eisen) gemischt und daher unrein sind, ist Silizium als natürliche Ressource sehr reichlich vorhanden.
Die Herstellung und Reinigung von Polysilizium ist der erste Schritt im Herstellungsprozess zur Herstellung herkömmlicher Siliziumsolarzellen. Die Herstellung von Polysilizium beginnt mit einer carbothermischen Reduktion von SiO2. Quarzit, die Quelle von SiO2, wird mit Kohlenstoff gemischt — aus Materialien wie Kohle, Koks (Brennstoff), Graphit oder Holz — in einem Unterflur-Elektroofen. Hier heizen Elektroden im Ofen, die einen Drehstrom liefern, das Gemisch auf etwa 2000 ° C auf, wodurch sich das SiO2 zu geschmolzenem Silizium reduziert. An der Oberfläche der Schmelze sind die Temperaturen normalerweise niedriger (ungefähr 1600 ° C) und die Reaktanten werden reduziert, um Siliziumkarbid (SiC) zu bilden,
SiO2 + 3C → SiC + 2CO (g) (1)
Bei diesem destillationsähnlichen Prozess steigen SiC und SiO2 in die unteren, heißeren Teile des Ofens ab. In den unteren Regionen, in denen die Temperaturen höher sind (> 1780 ° C), reagieren SiC und SiO2, was zu elementarem Silizium und Kohlenmonoxidgas führt,
SiO2 + 3SiC → 3Si + 2CO(g) (2)
Diese schwerere, geschmolzene Siliziumschmelze wird durch den Boden des Ofens entladen. Dieses Silizium ist ungefähr 98 % rein und wird als Metallurgical Grade Silicon (MGS) bezeichnet. Andere Reaktionen, die gleichzeitig im Ofen ablaufen, machen den Prozess autark. Am Boden des Ofens reagieren restliches SiO2 und SiC ebenfalls unter Bildung von Kohlenmonoxid und Siliciummonoxidgas,
SiO2 + SiC → SiO(g) + 2CO (3)
Die resultierenden Siliciummonoxid- und Kohlenmonoxidgase steigen zurück an die Oberfläche, wo sie sich zu Siliciumdioxid und Kohlenstoff vermischen, die als Reaktanten in Gl. 1.
Zur Herstellung von höherreinem Polysilizium muss das MGS weiter gereinigt werden. Dabei wird MGS zunächst zu einer pulverförmigen Form gemahlen. Dieses Pulver wird dann mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in einen Wirbelschichtreaktor injiziert. Wasserfreie Salzsäure (HCl) wird ebenfalls zusammen mit einem Katalysator in den Reaktor injiziert, wobei eine Reihe von Chlorsilanen und anderen Chloriden gebildet wird. Die wichtigste Verbindung, die in diesem Prozess gebildet wird, ist Trichlorsilan (SiHCl3),
Simgs + 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)
Durch fraktionierte Destillation wird das Trichlorsilangas durch einen Filter am Kopf des Reaktors von Wasserstoff und gasförmigem HCl getrennt. Das Gas wird dann für den Siemens-Prozess vorbereitet. In einem Siemens-Reaktor leiten Graphitelektroden Strom durch einen U-förmigen Siliziumkern (Seed). Trichlorsilan wird in den Reaktor injiziert und unterliegt einer Wasserstoffreduktion in einem ähnlichen Prozess wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), um festes Silizium und gasförmige Salzsäure zu bilden. Festes Polysilizium lagert sich auf dem Siliziumkeim ab und wächst um ihn herum. Sobald der Prozess abgeschlossen ist, werden der U-förmige Kern und das Polysilizium extrahiert. Das resultierende Polysilizium ist auch als elektronisches Silizium mit einer Reinheit von 9N (99,999999999% Si) bekannt und wird in kleinere Stücke zerlegt, die für die Ingotproduktion bereit sind.
Eine kurze Animation des Prozesses ist unten gezeigt.
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B. S. Xakalashe und M. Tangstad, „Siliziumverarbeitung: von Quarz zu kristallinen Siliziumsolarzellen“, Süd. African Pyromethallurgy Int. Conf., kein. März, S. 1-18, 2011.