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.