硅的精炼

二氧化硅（SiO2）是地壳中最丰富的矿物质。  用于光伏发电的超纯硅的制造分两个阶段进行。除去氧以生产冶金级硅。经过进一步精炼可生产半导体级硅。杂质水平介于冶金级硅和半导体级硅之间的中间等级通常称为太阳能级硅。

冶金级硅

二氧化硅是硅 (SiO2) 的氧化物形式，以石英的形式天然存在。虽然海滩沙也主要是石英，但电子级硅最常见的原材料是高纯度石英岩。  理想情况下，二氧化硅含有低浓度的铁、铝和其他金属。通过与煤、木炭形式的碳反应并在电极电弧炉中加热至 1500-2000 °C，二氧化硅被还原（除去氧）。

SiO2 + C → Si + CO2

所得硅为冶金级硅（MG-Si）。它的纯度为 98%，广泛用于冶金工业。

硅的产量更大的是硅铁，其制造工艺与上述工艺类似，但过程中也需要用到铁。硅铁广泛用于金属制造。 2013 年，硅总产量为 760 万吨，其中 80% 为硅铁。1

percentange of metallurgical grade silicon for solar production

2010 年生产的 180 万吨冶金级硅中，12% 用于生产硅太阳能电池。2

冶金级 (MG) 硅的产量为数百万吨/年，经济成本低至每公斤几美元，能源成本为 14-16 千瓦时/公斤。其纯度为 98-99%，主要杂质为碳、碱土金属和过渡金属，以及数百 ppmw 的硼和磷。3

硅中的过渡金属导致带隙深能级，并且高复合活性使得冶金级硅不适合用于电子产品。此外，硼和磷掺杂剂杂质的浓度太高 (>50–100 ppmw)，无法进行适当的补偿程序 4

由于工艺变化以及二氧化硅和碳的原材料来源，冶金级硅中的杂质含量 5 差异很大。

电子级硅

少量冶金级硅被进一步精炼以用于半导体工业。粉末状 MG-Si 在流化床反应器中于 300 °C 下与无水 HCl 反应生成 SiHCl3

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

在此反应期间，Fe、Al 和 B 等杂质发生反应，形成卤化物（例如 FeCl3、AlCl3 和BCl3）。 SiHCl3 的沸点较低，为 31.8 °C，采用蒸馏法可从杂质卤化物中纯化得到 SiHCl3。所得 SiHCl3 现在的电活性杂质（例如 Al、P、B、Fe、Cu 或 Au）含量低于 1 ppba。

最后，纯 SiHCl3 与氢气在 1100°C 下反应约 200 – 300 小时，生成非常纯净的硅。

SiHCl3 + H2 →Si + 3 HCl

反应在大型真空炉进行，硅沉积在细多晶硅棒（小晶粒硅）上，生产直径 150-200mm 的高纯度多晶硅棒。该工艺首先由西门子公司于20世纪60年代开发，通常被称为西门子法。

将所得半导体级硅棒打碎，形成结晶过程的原料。半导体级硅的生产需要大量能源。与集成电路制造相比，太阳能电池可以承受更高水平的杂质，并且有人建议采用替代工艺来制造“太阳能级”硅。