• Articles
• admin

silicium is het op één na meest voorkomende element op aarde na zuurstof. Silicium wordt meestal gevonden in grote afzettingen als kwartsiet, als een silicaat in siliciumdioxide (SiO2). Hoewel deze bronnen over het algemeen worden gemengd met andere elementen (zoals ijzer) en dus onzuiver zijn, is silicium als natuurlijke hulpbron zeer overvloedig.

de productie en zuivering van polysilicium is de eerste stap in het productieproces om conventionele zonnecellen van silicium te produceren. De fabricage van polysilicium begint met een carbothermische reductie van SiO2. Kwartsiet, de bron van SiO2, wordt gemengd met koolstof uit materialen zoals kolen, cokes (brandstof), grafiet of hout—in een elektrische oven onder water. Hier verwarmen elektroden in de oven die een driefasige stroom leveren het mengsel tot ongeveer 2000 °C, waardoor de SiO2 wordt gereduceerd tot gesmolten silicium. Aan het oppervlak van de smelt zijn de temperaturen meestal lager (ongeveer 1600 °C) en de reagentia worden gereduceerd tot siliciumcarbide(SIC),

SiO2 + 3C → SIC + 2CO (g) (1)

In dit destillatie‑achtige proces dalen de sic en SiO2 af naar de lagere, warmere delen van de oven. In de lagere regio ‘ s, waar de temperaturen hoger zijn (> 1780 °C), reageren SiC en SiO2, resulterend in elementair silicium-en koolmonoxidegas,

SiO2 + 3SiC → 3Si + 2CO (g) (2)

deze zwaardere, gesmolten silicium smelt wordt afgevoerd via de bodem van de oven. Dit silicium is ongeveer 98% zuiver en genoemd metallurgische rang silicium (MGS). Andere reacties die gelijktijdig in de oven optreden maken het proces zelfvoorzienend. Op de bodem van de oven reageren de resterende SiO2 en SiC ook om koolmonoxide en siliciummonoxidegas te vormen,

SiO2 + SIC → SiO(g) + 2CO (3)

de resulterende siliciummonoxide en koolmonoxidegassen komen terug naar het oppervlak waar ze zich mengen om siliciumdioxide en koolstof te produceren, die als reagentia in Eq worden gerecycleerd. 1.

om polysilicium met een hogere zuiverheid te produceren, moeten de MGS verder worden gezuiverd. In dit proces, wordt MGS eerst gemalen in een poedervorm. Dit poeder wordt vervolgens geïnjecteerd in een wervelbedreactor bij hoge druk en snelheid. Watervrij zoutzuur (HCl) wordt ook geïnjecteerd in de reactor samen met een katalysator, de vorming van een reeks chlorosilanen en andere chloriden. De belangrijkste verbinding die in dit proces wordt gevormd is trichloorsilaan (SiHCl3),

Simgs + 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)

door gefractioneerde destillatie wordt het trichloorsilaangas gescheiden van waterstof en gasvormig HCl via een filter aan de bovenkant van de reactor. Het gas wordt vervolgens klaargemaakt voor het Siemens-proces. In een Siemens-reactor gaan grafietelektroden stroom door een U-vormige siliciumkern (zaad). Trichloorsilaan wordt in de reactor geïnjecteerd en ondergaat waterstofreductie in een soortgelijk proces als chemische afzetting uit de dampfase (CVD) om vast silicium en gasvormig zoutzuur te vormen. Vaste polysilicium afzettingen op en groeit rond het silicium zaad. Zodra het proces is voltooid, worden de U-vormige kern en polysilicium geëxtraheerd. Het resulterende polysilicium is ook bekend als elektronische kwaliteit silicium met een zuiverheid van 9N (99,999999999% Si) en opgesplitst in kleinere stukken klaar voor ingots productie.

een korte animatie van het proces wordt hieronder getoond.

B. S. Xakalashe and M. Tangstad, “Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells,” South. Afrikaanse Pyromethallurgie Int. Conf., geen. Maart, blz. 1-18, 2011.