Piin tuotanto
Pii on maapallon toiseksi runsain alkuaine hapen jälkeen. Pii esiintyy yleensä suurissa esiintymissä kvartsiittina, silikaattina piidioksidissa (SiO2). Vaikka nämä lähteet sekoittuvat yleensä muihin alkuaineisiin (kuten rautaan) ja ovat siksi epäpuhtaita, pii on luonnonvarana erittäin runsas.
monikiteisen piin tuotanto ja puhdistus on valmistusprosessin ensimmäinen vaihe perinteisten piin aurinkokennojen tuottamiseksi. Monikiteisen piin valmistus alkaa SiO2: n karbotermisellä pelkistyksellä. Kvartsiitti, SiO2: n lähde, sekoitetaan hiileen, joka on peräisin esimerkiksi hiilestä, koksista (polttoaineesta), grafiitista tai puusta, upotetussa valokaarisessa sähköuunissa. Tässä kolmivaihevirtaa tuottavan uunin elektrodit kuumentavat seoksen noin 2000 °C: seen, jolloin SiO2 pelkistyy sulaksi piiksi. Sulan pinnalla lämpötila on yleensä alempi (noin 1600 °C) ja reaktantit pelkistyvät piikarbidiksi (SiC),
SiO2 + 3c → SiC + 2CO (g) (1)
tässä tislauksen kaltaisessa prosessissa SiC ja SiO2 laskeutuvat uunin alempiin, kuumempiin osiin. Matalammilla alueilla, joissa lämpötila on korkeampi (> 1780 °C), SiC ja SiO2 reagoivat, jolloin syntyy alkuainepiitä ja hiilimonoksidikaasua,
SiO2 + 3SiC → 3SI + 2CO (g) (2)
tämä raskaampi, sula pii-sula purkautuu uunin pohjan läpi. Tämä pii on noin 98% puhdasta, ja sitä kutsutaan metallurgiseksi piiksi (MGS). Muut uunissa samanaikaisesti tapahtuvat reaktiot tekevät prosessista omavaraisen. Uunin pohjalla SiO2-ja SiC-jäännökset reagoivat myös muodostaen hiilimonoksidia ja piimonoksidikaasua,
SiO2 + SiC → SiO(g) + 2CO (3)
syntyvä piimonoksidi ja hiilimonoksidikaasu nousevat takaisin pinnalle, jossa ne sekoittuvat tuottaakseen piidioksidia ja hiiltä, jotka kierrätetään reagoivina aineina Eq: ssa. 1.
puhtaamman monikiteisen piin tuottamiseksi MGS on puhdistettava edelleen. Tässä prosessissa MGS jauhetaan ensin jauhemaiseen muotoon. Tämä jauhe ruiskutetaan leijukerrokseen reaktoriin suurella paineella ja nopeudella. Reaktoriin ruiskutetaan myös vedetöntä suolahappoa (HCl) yhdessä katalyytin kanssa muodostaen sarjan kloorisilaaneja ja muita klorideja. Tärkein tässä prosessissa muodostunut yhdiste on trikloorisilaani (SiHCl3),
Simgs + 3hcl → 3sihcl3 + H2 (4)
jakotislauksella trikloorisilaanikaasu erotetaan vedystä ja kaasumaisesta HCl: stä reaktorin yläosassa olevan suodattimen avulla. Tämän jälkeen kaasu valmistetaan Siemens-prosessia varten. Siemens-reaktorissa grafiittielektrodit kuljettavat virran U: n muotoisen piiytimen (siemenen) läpi. Reaktoriin ruiskutetaan trikloorisilaania, joka pelkistää vetyä vastaavassa prosessissa kuin kemiallinen kaasufaasipinnoitus (CVD), jolloin muodostuu kiinteää piitä ja kaasumaista suolahappoa. Kiinteä polysilikoni kerrostuu piin siemeneen ja kasvaa sen ympärillä. Kun prosessi on valmis, U-muotoinen ydin ja monikiteinen uutetaan. Tuloksena oleva monikiteinen tunnetaan myös nimellä elektroninen pii, jonka puhtaus on 9N (99.999999999% Si) ja joka jaetaan pienempiin osiin valmiina harkon tuotantoon.
alla on lyhyt animaatio prosessista.
sinulla ei ole riittävästi vapaustasoja tämän videon katsomiseen. Tuki ilmainen ohjelmisto ja päivittää.
B. S. Xakalashe ja M. Tangstad, ”Silicon processing: from quartz to critical silicon solar cells”, Etelä. African Pyrometallurgy Int. Conf., ole. Maaliskuuta 2011.