A produção de silício de alta pureza (por exemplo, grau solar ou de grau eletrônico) requer silício de refino de grau metalúrgico (mg-Si, ~ 98-99% de pureza) através de processos de purificação avançada. Os principais métodos incluem:
1. Purificação hidrometalúrgica (lixiviação ácida)
Processo:
Mg-Si triturado é tratado com uma mistura de ácidos (por exemplo, HCl, HF ou H₂so₄) para dissolver impurezas (Fe, Al, CA, etc.).
Os reatores resistentes a ácidos são usados para evitar a contaminação.
Reações:
Fe +2 hcl → fecl 2+ h2 ↑ Fe +2 hcl → fecl2+h2 ↑
Resultado:Remove ~ 90% das impurezas metálicas, aumentando a pureza para ~ 99,9%.
2. Solidificação direcional
Princípio:As impurezas concentram -se na fase fundida durante o resfriamento controlado.
Processo:
O silício fundido é resfriado lentamente de uma extremidade, forçando as impurezas a migrar para o topo ou as bordas.
A seção central purificada é cortada e reutilizada.
Eficiência:Reduz as impurezas boro (b) e fósforo (p) aos níveis de peças por milhão (PPM).
3. Refino a vácuo
Processo:
O silício fundido é aquecido sob vácuo para evaporar impurezas voláteis (por exemplo, AL, CA, MG).
Os óxidos voláteis (por exemplo, SIO) também podem formar e escapar.
Aplicações:Eficaz para remover metais leves e gases.
4. Refino de zona (método da zona de flutuação)
Princípio:Uma zona fundida localizada se move através de uma haste de silício, carregando impurezas com ela.
Processo:
Uma haste de silício policristalino de alta pureza é aquecida usando bobinas de radiofrequência (RF).
Os passes repetidos criam silício monocristalino ultra-puro.
Pureza: Achieves >99,9999% (pureza 6N a 11n para semicondutores).
5. Processo Siemens (deposição de vapor químico, CVD)
Propósito:Produz polissilício para células solares e eletrônicos.
Passos:
Cloração:MG-Si reage com HCl para formar triclorosilano (SIHCL₃):
Si +3 hcl → Sihcl 3+ h2si +3 hcl → sihcl3+h2
Destilação:Sihcl₃ é purificado por destilação fracionária.
Decomposição:O SIHCL₃ de alta pureza é decomposto em hastes de silício aquecidas (~ 1.100 graus):
2SiHCl3 → 2SI +2 hcl+cl22sihcl3 → 2si +2 hcl+cl2
Saída:Polissilício ultra-puro (99.99999999%, 9N).
6. Eletrorrefinamento
Processo:
O silício impuro é usado como ânodo em um eletrólito de sal fundido (por exemplo, cacl₂).
Depósitos de silício puro no cátodo via eletrólise.
Vantagem:Eficaz para remover boro e fósforo.
7. Tratamento de escória
Processo:O silício fundido é misturado com uma escória (por exemplo, cao-sio₂) para absorver impurezas.
Mecanismo:As impurezas (por exemplo, B, P) particionam na fase de escória devido à afinidade química.
Os principais desafios na purificação de silício:
Remoção de boro e fósforo:Esses elementos são eletricamente ativos e degradam o desempenho do semicondutor.
Intensidade energética:Processos como o método Siemens requerem energia significativa e infraestrutura dispendiosa.
Custo vs. Trade-off de pureza:Maior pureza (por exemplo, grau eletrônico) exige exponencialmente mais recursos.
Aplicações baseadas em níveis de pureza:
| Nota | Pureza | Aplicações |
|---|---|---|
| Metalúrgico (mg-si) | 98–99% | Ligas de alumínio, silicones, produtos químicos |
| Graduação solar (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Células solares fotovoltaicas |
| Grada eletrônica (por exemplo, Si) | 99.9999999% (9N) | Semicondutores, microchips |
Considerações ambientais:
A lixiviação ácida produz resíduos perigosos (por exemplo, IC), exigindo neutralização e descarte seguro.
O processo Siemens gera subprodutos de cloro, necessitando de sistemas de reciclagem de circuito fechado.
Inovações:
Reatores de leito fluidizado (FBR):Uma alternativa de menor custo ao processo Siemens para silício de grau solar.
Silício metalúrgico atualizado (UMG-Si):Combina lixiviação, escrava e solidificação direcional para aplicações solares a custos reduzidos.
