Polykiselproduktion
kisel är det näst vanligaste elementet på jorden efter syre. Kisel finns vanligtvis i stora avlagringar som kvartsit, som ett silikat i kiseldioxid (SiO2). Även om dessa källor i allmänhet blandas med andra element (såsom järn) och därför orena, är kisel som en naturresurs mycket riklig.
produktion och rening av polykisel är det första steget i tillverkningsprocessen för att producera konventionella kiselsolceller. Tillverkningen av polysilikon börjar med en karbotermisk reduktion av SiO2. Kvartsit, källan till SiO2, blandas med kol—från material som kol, koks (bränsle), grafit eller trä—i en nedsänkt ljusbågsugn. Här värmer elektroder i ugnen som levererar en trefasström blandningen upp till ungefär 2000 cccvilket gör att SiO2 reduceras till smält kisel. Vid ytan av smältan är temperaturerna vanligtvis lägre (ungefär 1600 CCB) och reaktanterna reduceras för att bilda kiselkarbid (SiC),
SiO2 + 3C sic + 2CO(g) (1)
i denna destillationsliknande process sjunker SiC och SiO2 till de nedre, varmare delarna av ugnen. I de lägre regionerna, där temperaturen är högre (> 1780 CB), reagerar SiC och SiO2, vilket resulterar i elementär kisel-och kolmonoxidgas,
SiO2 + 3sic 3SI + 2CO (g) (2)
denna tyngre, smälta kiselsmältning släpps ut genom ugns botten. Denna kisel är ungefär 98% ren och benämnd metallurgisk kisel (MGS). Andra reaktioner som uppträder samtidigt i ugnen gör processen självförsörjande. I botten av ugnen reagerar resterande SiO2 och SiC också för att bilda kolmonoxid-och kiselmonoxidgas,
SiO2 + Sic 2C Sio(g) + 2CO (3)
de resulterande kiselmonoxidgaserna och kolmonoxidgaserna stiger tillbaka till ytan där de blandas för att producera kiseldioxid och kol, som återvinns som reaktanter i Eq. 1.
för att producera polykisel med högre renhet måste MGS renas ytterligare. I denna process males MGS först i en pulverform. Detta pulver injiceras sedan i en fluidiserad bäddreaktor vid högt tryck och hastighet. Vattenfri saltsyra (HCl) injiceras också i reaktorn tillsammans med en katalysator som bildar en serie klorosilaner och andra klorider. Den viktigaste föreningen som bildas i denna process är triklorosilan (SiHCl3),
Simgs + 3hcl 3sihcl3 + H2 (4)
genom fraktionerad destillation separeras triklorosilangasen från väte och gasformig HCl genom ett filter på toppen av reaktorn. Gasen förbereds sedan för Siemens-processen. I en Siemens-reaktor passerar grafitelektroder ström genom en U-formad kiselkärna (frö). Triklorsilan injiceras i reaktorn och genomgår vätereduktion i en liknande process som kemisk ångavsättning (CVD) för att bilda fast kisel och gasformig saltsyra. Fast polysilikon avsätts på och växer runt kiselfröet. När processen är klar extraheras den U-formade kärnan och polysilikon. Det resulterande polykiselet är också känt som kisel av elektronisk kvalitet med en renhet av 9N (99,999999999% Si) och uppdelat i mindre bitar redo för götproduktion.
en kort animering av processen visas nedan.
du har inte tillräckliga frihetsnivåer för att se den här videon. Stöd fri programvara och uppgradering.
Bs Xakalashe och M. Tangstad, ”Kiselbearbetning: från kvarts till kristallina kiselsolceller”, söder. Afrikansk Pyrometallurgi Int. Conf., ingen. Mars, s. 1-18, 2011.