La producción de silicio de alta pureza (p. Ej., Grado solar o de grado electrónico) requiere un refinado de silicio de grado metalúrgico (Mg-Si, ~ 98–99% de pureza) a través de procesos de purificación avanzados. Los métodos clave incluyen:
1. Purificación hidrometalúrgica (lixiviación ácida)
Proceso:
La mg-Si triturada se trata con una mezcla de ácidos (p. Ej., HCl, HF o H₂so₄) para disolver impurezas (Fe, Al, CA, etc.).
Los reactores resistentes al ácido se utilizan para evitar la contaminación.
Reacciones:
Fe +2 HCl → FECL 2+ H2 ↑ Fe +2 Hcl → FeCl2+H2 ↑
Resultado:Elimina ~ 90% de las impurezas metálicas, aumentando la pureza a ~ 99.9%.
2. Solidificación direccional
Principio:Las impurezas se concentran en la fase fundida durante el enfriamiento controlado.
Proceso:
El silicio fundido se enfría lentamente de un extremo, lo que obliga a las impurezas a migrar a la parte superior o bordes.
La sección central purificada se corta y se reutiliza.
Eficiencia:Reduce las impurezas de boro (b) y fósforo (P) a los niveles de partes por millón (ppm).
3. Refinación de vacío
Proceso:
El silicio fundido se calienta al vacío para evaporar las impurezas volátiles (p. Ej., AL, CA, Mg).
Los óxidos volátiles (EG, SIO) también pueden formarse y escapar.
Aplicaciones:Efectivo para eliminar metales y gases ligeros.
4. Refinamiento de zona (método de zona flotante)
Principio:Una zona fundida localizada se mueve a través de una barra de silicio, llevando impurezas con ella.
Proceso:
Una varilla de silicio policristalina de alta puridad se calienta usando bobinas de radiofrecuencia (RF).
Los pases repetidos crean silicio monocristalino ultra pure.
Pureza: Achieves >99.9999% (6n a 11n pureza para semiconductores).
5. Proceso de Siemens (deposición de vapor químico, CVD)
Objetivo:Produce polisilicio para células solares y electrónica.
Pasos:
Cloración:Mg-Si reacciona con HCl para formar triclorosilano (Sihcl₃):
Si +3 Hcl → Sihcl 3+ H2SI +3 HCl → Sihcl3+H2
Destilación:SiHCl₃ se purifica mediante destilación fraccional.
Descomposición:SIHCL₃ de alta pureza se descompone en varillas de silicio calentadas (~ 1,100 grados):
2SIHCL3 → 2SI +2 HCL+CL22SIHCL3 → 2SI +2 HCL+CL2
Producción:Polisilicón Ultra-Pure (99.9999999%, 9n).
6. Electrorefinimiento
Proceso:
El silicio impuro se usa como ánodo en un electrolito de sal fundido (p. Ej., CaCl₂).
Depósitos de silicio puro en el cátodo a través de la electrólisis.
Ventaja:Efectivo para eliminar boro y fósforo.
7. Tratamiento de escoria
Proceso:El silicio fundido se mezcla con una escoria (p. Ej., Cao-sio₂) para absorber las impurezas.
Mecanismo:Las impurezas (p. Ej., B, P) particionan en la fase de escoria debido a la afinidad química.
Desafíos clave en la purificación de silicio:
Eliminación de boro y fósforo:Estos elementos son eléctricamente activos y degradan el rendimiento de los semiconductores.
Intensidad energética:Los procesos como el método Siemens requieren energía significativa e infraestructura costosa.
Costo vs. compensación de pureza:Una mayor pureza (por ejemplo, grado electrónico) exige exponencialmente más recursos.
Aplicaciones basadas en los niveles de pureza:
| Calificación | Pureza | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Metalúrgico (MG-Si) | 98–99% | Aleaciones de aluminio, siliconas, productos químicos |
| Grado solar (SOG-Si) | 99.9999% (6N) | Células solares fotovoltaicas |
| De grado electrónico (p. Ej.) | 99.9999999% (9N) | Semiconductores, microchips |
Consideraciones ambientales:
La lixiviación ácida produce desechos peligrosos (por ejemplo, HF), que requieren neutralización y eliminación segura.
El proceso Siemens genera subproductos de cloro, lo que requiere sistemas de reciclaje de circuito cerrado.
Innovaciones:
Reactores de lecho fluidizado (FBR):Una alternativa de menor costo al proceso Siemens para silicio de grado solar.
Silicón metalúrgico mejorado (UMG-Si):Combina la lixiviación, la escoria y la solidificación direccional para aplicaciones solares a costos reducidos.
