La producció de silici d’alta puresa (per exemple, de grau solar o de grau electrònic) requereix perfeccionar el silici de grau metal·lúrgic (mg-si, ~ 98–99% de puresa) mitjançant processos avançats de purificació. Els mètodes clau inclouen:
1. Purificació hidrometalúrgica (lixiviació àcida)
Procés:
Mg-Si triturat es tracta amb una barreja d’àcids (per exemple, HCl, HF o H₂so₄) per dissoldre les impureses (Fe, Al, Ca, etc.).
Els reactors resistents a l’àcid s’utilitzen per evitar la contaminació.
Reaccions:
Fe +2 HCl → FECL 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → FECL2+H2 ↑
Resultat:Elimina el 90% de les impureses metàl·liques, augmentant la puresa fins al 99,9%.
2. Solidificació direccional
Principi:Les impureses es concentren en la fase fos durant el refredament controlat.
Procés:
El silici fos es refreda lentament des d’un extrem, obligant les impureses a migrar a la part superior o a les vores.
La secció central purificada es talla i es reutilitza.
Eficiència:Redueix les impureses de bor (B) i fòsfor (P) als nivells de parts per milió (PPM).
3. Refinació de buit
Procés:
El silici fos s’escalfa al buit per evaporar impureses volàtils (per exemple, al, CA, MG).
Els òxids volàtils (per exemple, SiO) també es poden formar i escapar.
Aplicacions:Efectiu per eliminar metalls i gasos lleugers.
4. Refining de zones (mètode de zona flotant)
Principi:Una zona fos localitzada es mou a través d’una vareta de silici, portant impureses amb ella.
Procés:
Una vareta de silici policristal·lina d’alta puresa s’escalfa mitjançant bobines de radiofreqüència (RF).
Les passades repetides creen un silici monocristal·lí ultra-pur.
Puresa: Achieves >99.9999% (puresa de 6n a 11n per a semiconductors).
5. Procés de Siemens (deposició de vapor químic, CVD)
Finalitat:Produeix polisílic per a cèl·lules solars i electrònica.
Passos:
Cloració:Mg-Si reacciona amb HCl per formar triclorosilà (Sihcl₃):
Si +3 HCl → SiHcl 3+ H2Si +3 HCl → SiHcl3+H2
Destil·lació:Sihcl₃ es purifica mitjançant la destil·lació fraccionada.
Descomposició:Sihcl₃ d'alta puresa es descompon en varetes de silici escalfades (~ 1.100 graus):
2SiHCl3 → 2Si +2 HCl+Cl22SiHCl3 → 2Si +2 HCl+Cl2
Sortida:Polisílic ultra-pure (99.9999999%, 9n).
6. Electrorefining
Procés:
El silici impur s’utilitza com a ànode en un electròlit de sal fos (per exemple, cacl₂).
Dipòsits de silici pur al càtode mitjançant electròlisi.
Avantatge:Efectiu per eliminar el bor i el fòsfor.
7. Tractament de les escenaris
Procés:El silici fos es barreja amb una escòria (per exemple, cao-siio₂) per absorbir les impureses.
Mecanisme:Impureses (per exemple, B, P) Partició a la fase de l'escòria a causa de l'afinitat química.
Reptes clau en la purificació de silici:
Eliminació de bor i fòsfor:Aquests elements són actius elèctricament i degraden el rendiment de semiconductors.
Intensitat energètica:Processos com el mètode Siemens requereixen una energia important i una infraestructura costosa.
Cost vs. Complex de puresa:La puresa més elevada (per exemple, el grau electrònic) exigeix exponencialment més recursos.
Aplicacions basades en nivells de puresa:
| Grau | Puresa | Aplicacions |
|---|---|---|
| Metal·lúrgic (mg-si) | 98–99% | Aliatges d'alumini, silicones, productes químics |
| De qualitat solar (SOG-Si) | 99.9999% (6N) | Cèl·lules solars fotovoltaiques |
| De grau electrònic (eg-si) | 99.9999999% (9N) | Semiconductors, microxips |
Consideracions mediambientals:
La lixiviació àcida produeix residus perillosos (per exemple, HF), que requereixen neutralització i eliminació segura.
El procés de Siemens genera subproductes de clor, necessitant sistemes de reciclatge de llaç tancat.
Innovacions:
Reactors de llit fluiditzats (FBR):Una alternativa de baix cost al procés de Siemens per al silici de qualitat solar.
Silicon metal·lúrgic actualitzat (umg-si):Combina lixiviació, escòria i solidificació direccional per a aplicacions solars a costos reduïts.
