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Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla Terra dopo l’ossigeno. Il silicio si trova solitamente in grandi depositi come quarzite, come silicato nel biossido di silicio (SiO2). Sebbene queste fonti siano generalmente mescolate con altri elementi (come il ferro) e quindi impure, il silicio come risorsa naturale è altamente abbondante.

La produzione e la purificazione del polisilicio è il primo passo nel processo di produzione per la produzione di celle solari al silicio convenzionali. La fabbricazione del polisilicio inizia con una riduzione carbotermica di SiO2. La quarzite, la fonte di SiO2, è mescolata con carbonio proveniente da materiali come carbone, coke (combustibile), grafite o legno—in un forno elettrico ad arco sommerso. Qui, gli elettrodi nel forno che forniscono una corrente trifase riscaldano la miscela fino a circa 2000 °C, causando la riduzione del SiO2 in silicio fuso. Sulla superficie del fuso, le temperature sono generalmente inferiori (circa 1600 °C) e i reagenti sono ridotti per formare carburo di silicio (SiC),

SiO2 + 3C → SiC + 2CO (g) (1)

In questo processo simile alla distillazione, il SiC e il SiO2 scendono nelle parti più basse e più calde del forno. Nelle regioni inferiori, dove le temperature sono più alte (> 1780 °C), SIC e SiO2 reagiscono, con conseguente silicio elementare e monossido di carbonio,

SiO2 + 3SiC → 3Si + 2CO(g) (2)

Questa fusione di silicio più pesante e fusa viene scaricata attraverso il fondo del forno. Questo silicio è circa il 98% puro e definito silicio metallurgico (MGS). Altre reazioni che si verificano simultaneamente nel forno rendono il processo autosufficiente. Nella parte inferiore del forno, SiO2 e SIC residui reagiscono anche per formare monossido di carbonio e monossido di silicio,

SiO2 + Sic → SiO(g) + 2CO (3)

I gas di monossido di silicio e monossido di carbonio risultanti risalgono alla superficie dove si mescolano per produrre biossido di silicio e carbonio, che vengono riciclati come reagenti in Eq. 1.

Per produrre polisilicio di maggiore purezza, il MGS deve essere ulteriormente purificato. In questo processo, MGS viene prima macinato in una forma in polvere. Questa polvere viene quindi iniettata in un reattore a letto fluido ad alta pressione e velocità. L’acido cloridrico anidro (HCl) viene anche iniettato nel reattore insieme a un catalizzatore, formando una serie di clorosilani e altri cloruri. Il composto più importante formato in questo processo è il triclorosilano (SiHCl3),

Simgs + 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)

Attraverso la distillazione frazionata, il gas triclorosilano viene separato dall’idrogeno e dall’HCl gassoso attraverso un filtro nella parte superiore del reattore. Il gas viene quindi preparato per il processo Siemens. In un reattore Siemens, elettrodi di grafite passano corrente attraverso un nucleo di silicio a forma di U (seme). Il triclorosilano viene iniettato nel reattore e subisce una riduzione dell’idrogeno in un processo simile alla deposizione chimica in vapore (CVD) per formare silicio solido e acido cloridrico gassoso. Il polisilicio solido si deposita e cresce attorno al seme di silicio. Una volta completato il processo, vengono estratti il nucleo a forma di U e il polisilicio. Il polisilicio risultante è anche noto come silicio di grado elettronico con una purezza di 9N (99,999999999% Si) e suddiviso in pezzi più piccoli pronti per la produzione di lingotti.

Di seguito viene mostrata una breve animazione del processo.

B. S. Xakalashe e M. Tangstad, “Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells,” Sud. Pirometallurgia africana Int. Conf., non. Marzo, pp. 1-18, 2011.