Proceso metalúrgico:
Obtención de Si-GM
El punto de partida imprescindible para producir Si-GS,
es obtener silicio grado metalúrgico (Si = 97-98%).
La tecnología más usada a escala mundial
se basa en la reducción carbotérmica de los
minerales de sílice (fundamentalmente cuarcita, arena
sílice y cuarzo) empleando hornos de arco eléctrico
con electrodo sumergido, que involucra una energía durante
el proceso entre 10.8 y 12.0 kWh por kg de Si-GM (~11,4 GWh/t),
pero se ha reportado más comúnmente consumos
energético de 13 kWh/(kg de Si-GM, 97-99%). Desde el punto
de vista teórico la reducción del óxido de
silicio (SiO2) con carbono (C) a temperaturas superotes a los
2000 ºC involucra una energía equivalente a 6,36
kWh/(kg de Si-GM). SiO2 +2C = Si + 2CO
En la práctica, la energía empleada en la
reducción carbotérmica es de 1.7 a 2.04 veces
superior a la teórica. Los rendimientos en la
producción de Si-GM reportados respecto al mineral de
sílice (SiO2) oscilan entre 75 y 85% del
teórico.
En la figura se expone un esquema de los pasos del
proceso de obtención de silicio grado metalúrgico a
partir de del mineral de sílice. El consumo
energético en todo el ciclo se calcula entre 15 y 18 MW
por tonelada de silicio metalúrgico obtenido listo para
ser transportado a la industria metalúrgica del aluminio o
a la química o a la electrónica o
fotovoltaica.
Extracción del silicio puro del Si-GM
A partir del silicio de grado metalúrgico finamente triturado y mediante un proceso químico de varias etapas y bastante complicado se obtiene el Si-GS.
Los procesos tecnológicamente más difundidos se basan primeramente en hacer reaccionar el Si-GM a altas temperatura (300 ºC) con cloruro de hidrógeno anhidro en presencia de un catalizador para obtener triclorsilano (SiHCl3) según la reacción (1) o a altas presiones con dihidrógeno (2) acorde a las reacciones:
Durante la reacción (1) se pueden formar otros
compuestos como tetracloruro de silicio (SiCl4) o cloruros de las
impurezas acorde a la ecuación (3).
El triclorosilano es líquido a temperatura ambiente (25ºC), siendo su temperatura de ebullición
de 31.7 °C, temperatura muy inferior a las temperaturas de
ebullición de muchas impurezas presentes en el Si-GM. El
SiHCl3 puede purificarse mediante por un proceso iterativo de destilación , que
consiste en calentar el líquido con control estricto de
temperatura condensando y recogiendo el gas que se produce a un
valor específico de temperatura. Si este proceso se
realiza varias veces sucesivamente, incrementado así la
pureza del líquido recolectado.
Obtención de silicio de alta pureza (polisilicio = feedstock)
El segundo paso consta en la descomposición térmica de triclorosilano (SiHCl3) en una atmósfera de dihidrógeno, tecnología más difundida (reacción (4) inversa de la (3)), obteniéndose el silicio denominado "polisilicico" de grado electrónico (Si-GE) de alta pureza (0,001 ppm). La reacción de la descomposición sería:
El triclorosilano mezclado con hidrógeno se
introduce en el reactor, en el cual es calentado
eléctricamente entre 900 y 1100ºC,
descomponiéndose catalíticamente. El silicio
formado inicialmente sirve como centro de nucleación, es
decir, que sobre su superficie de los granos (soporte semilla) se
favorece la condensación posterior de silicio. El proceso
puede durar varias horas para realizarse. Este proceso puede ser
más eficiente, si en el reactor se coloca una varilla base
silicio adhiriéndose sobre su superficie
epítaxialmente a una velocidad de no mayor de 1 mm/h. El
material obtenido por deposiciones reiteradas se denomina
policilicio, que presenta una alta pureza, pero todavía no
puede ser usado para dispositivos electrovoltaicos, detectores de radiación, debido a que es policristalino.
El polisilicio ultra puro 99.999999% (denominado en inglés "polysilicon" o "silicon feedstock") de estructura policristalina se muele a tamaños de guijarros para ser vendido a la industria de semiconductores, pero las piezas pequeñas o el polvo de silicio se venden a la industria solar, junto con el silicio depositado cerca de las partes internas de los equipos del proceso, así como el rechazo de la producción que no cumpla con las especificaciones de la industria electrónica.
Aplicaciones del Si
El Si debe presentar como requisito una pureza de 99 % (impurezas 100 ppm). Este silicio es adecuado para la industria básica, donde se obtiene con él aceros, aleaciones especiales del aluminio y productos de silicona de diferentes tipos, pero aun esa pureza del Si no es suficiente para la industria fotovoltaica.
Extracción del silicio puro del Si-GM
A partir del silicio de grado metalúrgico finamente triturado y mediante un proceso químico de varias etapas y bastante complicado se obtiene el Si-GS.
Los procesos tecnológicamente más difundidos se basan primeramente en hacer reaccionar el Si-GM a altas temperatura (300 ºC) con cloruro de hidrógeno anhidro en presencia de un catalizador para obtener triclorsilano (SiHCl3) según la reacción (1) o a altas presiones con dihidrógeno (2) acorde a las reacciones:
Obtención de silicio de alta pureza (polisilicio = feedstock)
El segundo paso consta en la descomposición térmica de triclorosilano (SiHCl3) en una atmósfera de dihidrógeno, tecnología más difundida (reacción (4) inversa de la (3)), obteniéndose el silicio denominado "polisilicico" de grado electrónico (Si-GE) de alta pureza (0,001 ppm). La reacción de la descomposición sería:
El polisilicio ultra puro 99.999999% (denominado en inglés "polysilicon" o "silicon feedstock") de estructura policristalina se muele a tamaños de guijarros para ser vendido a la industria de semiconductores, pero las piezas pequeñas o el polvo de silicio se venden a la industria solar, junto con el silicio depositado cerca de las partes internas de los equipos del proceso, así como el rechazo de la producción que no cumpla con las especificaciones de la industria electrónica.
Aplicaciones del Si
El Si debe presentar como requisito una pureza de 99 % (impurezas 100 ppm). Este silicio es adecuado para la industria básica, donde se obtiene con él aceros, aleaciones especiales del aluminio y productos de silicona de diferentes tipos, pero aun esa pureza del Si no es suficiente para la industria fotovoltaica.
