Producción de polisilicio
El silicio es el segundo elemento más abundante en la Tierra después del oxígeno. El silicio se encuentra generalmente en depósitos grandes como cuarcita, como silicato en dióxido de silicio (SiO2). Aunque estas fuentes generalmente se mezclan con otros elementos (como el hierro) y, por lo tanto, son impuras, el silicio como recurso natural es muy abundante.
La producción y purificación de polisilicio es el primer paso en el proceso de fabricación para producir células solares de silicio convencionales. La fabricación de polisilicio comienza con una reducción carbotérmica de SiO2. La cuarcita, fuente de SiO2, se mezcla con carbono procedente de materiales como carbón, coque (combustible), grafito o madera, en un horno eléctrico de arco sumergido. Aquí, los electrodos en el horno que suministran una corriente trifásica calientan la mezcla hasta aproximadamente 2000 °C, haciendo que el SiO2 se reduzca a silicio fundido. En la superficie de la masa fundida, las temperaturas suelen ser más bajas (aproximadamente 1600 °C) y los reactivos se reducen para formar carburo de silicio (SiC),
SiO2 + 3C → SiC + 2CO (g) (1)
En este proceso similar a la destilación, el SiC y el SiO2 descienden a las partes más bajas y calientes del horno. En las regiones más bajas, donde las temperaturas son más altas (> 1780 °C), el SiC y el SiO2 reaccionan, dando como resultado silicio elemental y gas monóxido de carbono,
SiO2 + 3SiC → 3Si + 2CO (g) (2)
Esta masa fundida de silicio fundido más pesada se descarga a través de la parte inferior del horno. Este silicio es aproximadamente 98% puro y se denomina silicio de grado metalúrgico (MGS). Otras reacciones que ocurren simultáneamente en el horno hacen que el proceso sea autosuficiente. En el fondo del horno, el SiO2 y el SiC residuales también reaccionan para formar monóxido de carbono y gas monóxido de silicio,
SiO2 + SIC → SiO(g) + 2CO (3)
El monóxido de silicio y los gases de monóxido de carbono resultantes vuelven a la superficie, donde se mezclan para producir dióxido de silicio y carbono, que se reciclan como reactivos en la Ec. 1.
Para producir polisilicio de mayor pureza, el MGS debe purificarse aún más. En este proceso, el MGS se muele primero en forma de polvo. Este polvo se inyecta en un reactor de lecho fluidizado a alta presión y velocidad. El ácido clorhídrico anhidro (HCl) también se inyecta en el reactor junto con un catalizador, formando una serie de clorosilanos y otros cloruros. El compuesto más importante formado en este proceso es el triclorosilano (SiHCl3),
Simgs + 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)
Mediante destilación fraccionada, el gas triclorosilano se separa del hidrógeno y el HCl gaseoso a través de un filtro en la parte superior del reactor. El gas se prepara para el proceso Siemens. En un reactor Siemens, los electrodos de grafito pasan corriente a través de un núcleo de silicio en forma de U (semilla). El triclorosilano se inyecta en el reactor y se somete a una reducción de hidrógeno en un proceso similar al de la deposición química en fase de vapor (CVD) para formar silicio sólido y ácido clorhídrico gaseoso. El polisilicio sólido se deposita y crece alrededor de la semilla de silicio. Una vez que se completa el proceso, se extrae el núcleo en forma de U y el polisilicio. El polisilicio resultante también se conoce como silicio de grado electrónico con una pureza de 9N (99,999999999% Si) y se divide en piezas más pequeñas listas para la producción de lingotes.
A continuación se muestra una breve animación del proceso.
No tienes suficientes niveles de libertad para ver este vídeo. Soporte de software gratuito y actualización.
B. S. Xakalashe y M. Tangstad,» Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells, » South. African Pyromethallurgy Int. Conf., no. Marzo, pp 1-18, 2011.