Production de silicium polycristallin
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur Terre après l’oxygène. Le silicium se trouve généralement dans de grands dépôts sous forme de quartzite, sous forme de silicate dans le dioxyde de silicium (SiO2). Bien que ces sources soient généralement mélangées à d’autres éléments (tels que le fer) et donc impures, le silicium en tant que ressource naturelle est très abondant.
La production et la purification du silicium polycristallin constituent la première étape du processus de fabrication de cellules solaires au silicium conventionnelles. La fabrication du silicium polycristallin commence par une réduction carbothermique de SiO2. Le quartzite, source de SiO2, est mélangé à du carbone – provenant de matériaux tels que le charbon, le coke (combustible), le graphite ou le bois — dans un four électrique à arc submergé. Ici, les électrodes du four alimentant un courant triphasé chauffent le mélange jusqu’à environ 2000 ° C, provoquant la réduction du SiO2 en silicium fondu. À la surface de la masse fondue, les températures sont généralement plus basses (environ 1600 ° C) et les réactifs sont réduits pour former du carbure de silicium (SiC),
SiO2 + 3C → SiC + 2CO (g) (1)
Dans ce processus semblable à celui de la distillation, le SiC et le SiO2 descendent vers les parties plus basses et plus chaudes du four. Dans les régions inférieures, où les températures sont plus élevées (> 1780 ° C), le SiC et le SiO2 réagissent, ce qui donne du silicium élémentaire et du monoxyde de carbone gazeux,
SiO2 + 3SiC → 3Si + 2CO (g) (2)
Ce silicium fondu plus lourd est évacué par le fond du four. Ce silicium est d’environ 98% pur et appelé silicium de qualité métallurgique (MGS). D’autres réactions se produisant simultanément dans le four rendent le procédé autosuffisant. En bas du four, le SiO2 et le SiC résiduels réagissent également pour former du monoxyde de carbone et du monoxyde de silicium gazeux,
SiO2 + SiC → SiO(g) + 2CO(3)
Les gaz de monoxyde de silicium et de monoxyde de carbone qui en résultent remontent à la surface où ils se mélangent pour produire du dioxyde de silicium et du carbone, qui sont recyclés comme réactifs en Éq. 1.
Pour produire du silicium polycristallin de pureté supérieure, le MGS doit être purifié davantage. Dans ce processus, le MGS est d’abord broyé sous forme de poudre. Cette poudre est ensuite injectée dans un réacteur à lit fluidisé à haute pression et vitesse. L’acide chlorhydrique anhydre (HCl) est également injecté dans le réacteur avec un catalyseur, formant une série de chlorosilanes et d’autres chlorures. Le composé le plus important formé dans ce procédé est le trichlorosilane (SiHCl3),
Simgs + 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)
Par distillation fractionnée, le gaz trichlorosilane est séparé de l’hydrogène et du HCl gazeux à travers un filtre en haut du réacteur. Le gaz est ensuite préparé pour le procédé Siemens. Dans un réacteur Siemens, des électrodes en graphite font passer le courant à travers un noyau de silicium en forme de U (graine). Le trichlorosilane est injecté dans le réacteur et subit une réduction de l’hydrogène dans un processus similaire au dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour former du silicium solide et de l’acide chlorhydrique gazeux. Le silicium polycristallin solide se dépose sur la graine de silicium et se développe autour de celle-ci. Une fois le processus terminé, le noyau en forme de U et le silicium polycristallin sont extraits. Le silicium polycristallin résultant est également connu sous le nom de silicium de qualité électronique avec une pureté de 9N (99,999999999% Si) et décomposé en plus petits morceaux prêts pour la production de lingots.
Une courte animation du processus est présentée ci-dessous.
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B. S. Xakalashe et M. Tangstad, « Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells », Sud. Pyrométhallurgie Africaine Int. Conf., aucun. Mars, pp. 1-18, 2011.