El dióxido de silicio (SiO2) es el mineral más abundante en la corteza terrestre. La fabricación del silicio hiperpuro para la energía fotovoltaica se produce en dos etapas. El oxígeno se elimina para producir silicio de grado metalúrgico. Se refina aún más para producir silicio de grado semiconductor. Un grado intermedio con niveles de impureza entre el silicio metalúrgico y el silicio de grado semiconductor es a menudo denominado silicio de grado solar.
Silicio de Grado Metalúrgico
La sílice es la forma de dióxido de silicio (SiO2) y se produce naturalmente en forma de cuarzo. Mientras que la arena de la playa también es en gran parte de cuarzo, la materia prima más común para el grado electrónico es la roca de cuarzo de alta pureza. Idealmente, la sílice tiene bajas concentraciones de hierro, aluminio y otros metales. La sílice se reduce (se elimina oxígeno) a través de una reacción con carbón en forma de carbón y calentándolo a 1500-2000 ° C en un horno de arco eléctrico.
SiO2 + C → Si + CO2
El silicio resultante es metal de grado de silicio (MG-Si). Es 98% puro y se utiliza ampliamente en la industria metalúrgica.
Una producción aún mayor de silicio está en forma de ferrosilicio que se fabrica usando un proceso similar al descrito anteriormente, pero se realiza en presencia de hierro. Ferrosilicio se utiliza externamente en la fabricación de metales. En 2013, la producción total de silicio fue de 7,6 millones de toneladas y el 80% de esa cantidad fue en forma de ferrosilicio.1
De los 1,8 millones de toneladas de silicio metalúrgico producido en 2010, el 12% fue para la producción de células solares de silicio.2
El silicio metalúrgico (MG) se produce a razón de millones de toneladas / año a un bajo costo económico de pocos $ / kg y un coste de energía de 14-16 kWh / kg. Como tal, es 98-99% puro, con una contaminación importante de carbono, metales alcalinos y metales de transición, y cientos de ppmw de B y P.3
Los metales de transición en el silicio introducen niveles profundos en la banda prohibida y la alta actividad de recombinación hace que el silicio de grado metalúrgico no sea adecuado para uso en electrónica. Además, las impurezas de dopante de boro y fósforo son demasiado altas en concentración (> 50-100 ppmw) para permitir procedimientos de compensación adecuados 4
Los niveles de impurezas en el silicio de grado metalúrgico [5] varían ampliamente debido a la variación del proceso y la fuente de materias primas de sílice y carbono.
Silicio de Grado Electrónico
Una pequeña cantidad del silicio de grado metalúrgico se refina aún más para la industria de semiconductores. El MG-Si en polvo se hace reaccionar con HCl anhídrido a 300 ° C en un reactor fluidizado para formar SiHCl3
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
Durante esta reacción, impurezas tales como Fe, Al y B reaccionan para formar sus haluros (por ejemplo, FeCl3, AlCl3 y BCl3). El SiHCl3 tiene un bajo punto de ebullición de 31,8 °C y se utiliza la destilación para purificar el SiHCl3 de las impurezas. El SiHCl3 resultante tiene ahora impurezas eléctricamente activas (tales como Al, P, B, Fe, Cu o Au) de menos de 1 ppba.
Finalmente, el SiHCl3 puro se hace reaccionar con hidrógeno a 1100 °C durante ~ 200 - 300 horas para producir una forma de silicio muy pura.
SiHCl3 + H2 →Si + 3 HCl
La reacción tiene lugar dentro de grandes cámaras de vacío y el silicio se deposita sobre barras de polisilicio fino (silicio con granos pequeños) para producir barras de polisilicio de alta pureza de 150-200 mm de diámetro. El proceso fue desarrollado por primera vez por Siemens en los años 60 y es denominado a menudo como el proceso de Siemens.
Las varillas resultantes de silicio de grado semiconductor se rompen para formar la materia prima para el proceso de cristalización. La producción de silicio de grado semiconductor requiere una gran cantidad de energía. Las células solares pueden tolerar mayores niveles de impurezas que en la fabricación de circuitos integrados y hay propuestas para procesos alternativos para crear un silicio de "grado solar".
- 1. «Minerals Yearbook, Vol. I, Metals & Minerals:». U.S. Government Printing Office, p. 144, 2013.
- 2. «Silicon and Ferrosilicon: Global Industry Markets and Outlook, 13th edition», Roskill, London, 2011.
- 3. «Towards solar grade silicon: Challenges and benefits for low cost photovoltaics», Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 94, n.º 9, pp. 1528 - 1533, 2010.
- 4. «On the Effect of Impurities on the Photovoltaic Behavior of Solar-Grade Silicon», Journal of The Electrochemical Society, vol. 131, n.º 9, p. 2128, 1984.
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