De productie van hoog-zuiver silicium (bijv. Solar-grade of elektronische kwaliteit) vereist het verfijnen van silicium met metallurgische kwaliteit (Mg-Si, ~ 98–99% zuiverheid) door geavanceerde zuiveringsprocessen. Belangrijkste methoden zijn onder meer:
1. Hydrometallurgische zuivering (zure uitloging)
Proces:
Crushed Mg-Si wordt behandeld met een mengsel van zuren (bijv. HCl, HF of H₂so₄) om onzuiverheden op te lossen (Fe, AL, CA, enz.).
Zuurbestendige reactoren worden gebruikt om verontreiniging te voorkomen.
Reacties:
Fe +2 HCl → Fecl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → FECL2+H2 ↑
Resultaat:Verwijdert ~ 90% van de metalen onzuiverheden en verhoogt de zuiverheid tot ~ 99,9%.
2. Directionele stolling
Beginsel:Onzuiverheden concentreren zich in de gesmolten fase tijdens gecontroleerde koeling.
Proces:
Gesmolten silicium wordt langzaam afgekoeld van het ene uiteinde en dwingt onzuiverheden om naar de bovenkant of randen te migreren.
Het gezuiverde centrale gedeelte wordt gesneden en hergebruikt.
Efficiëntie:Vermindert boor (B) en fosfor (P) onzuiverheden tot delen per miljoen (PPM) niveaus.
3. Stofzuiger
Proces:
Gesmolten silicium wordt onder vacuüm verwarmd om vluchtige onzuiverheden te verdampen (bijv. Al, Ca, Mg).
Vluchtige oxiden (bijv. SIO) kunnen ook vormen en ontsnappen.
Toepassingen:Effectief voor het verwijderen van lichtmetalen en gassen.
4. Zone Refining (Float Zone -methode)
Beginsel:Een gelokaliseerde gesmolten zone beweegt door een siliciumstaaf en draagt onzuiverheden mee.
Proces:
Een polykristallijne siliciumstaaf met hoge zuiverheid wordt verwarmd met behulp van radiofrequentie (RF) spoelen.
Herhaalde passen creëren ultrazuiver monokristallijn silicium.
Zuiverheid: Achieves >99,9999% (6n tot 11n zuiverheid voor halfgeleiders).
5. Siemens -proces (chemische dampafzetting, CVD)
Doel:Produceert polysilicium voor zonnecellen en elektronica.
Stappen:
Chlorering:Mg-Si reageert met HCl om trichloorsilaan te vormen (Sihcl₃):
Si +3 HCl → SiHCl 3+ H2Si +3 HCl → SiHCl3+H2
Distillatie:Sihcl₃ wordt gezuiverd via fractionele destillatie.
Ontleding:Hoge zuiverheid SIHCL₃ wordt afgebroken op verwarmde siliciumstaven (~ 1,100 graden):
2SiHCl3 → 2Si +2 HCl+CL22SiHCl3 → 2Si +2 HCl+CL2
Uitvoer:Ultra-bure Polysilicon (99.99999999%, 9n).
6. Elektroraffinage
Proces:
Onzuiver silicium wordt gebruikt als de anode in een gesmolten zout elektrolyt (bijv. CaCl₂).
Pure siliciumafzettingen op de kathode via elektrolyse.
Voordeel:Effectief voor het verwijderen van boor en fosfor.
7. Slakkenbehandeling
Proces:Gesmolten silicium wordt gemengd met een slak (bijv. Cao-sio₂) om onzuiverheden te absorberen.
Mechanisme:Onzuiverheden (bijv. B, P) verdelen in de slakfase vanwege chemische affiniteit.
Belangrijke uitdagingen in siliciumzuivering:
Boor- en fosforverwijdering:Deze elementen zijn elektrisch actief en degraderen de prestaties van halfgeleiders af.
Energie -intensiteit:Processen zoals de Siemens -methode vereisen aanzienlijke energie en dure infrastructuur.
Kosten versus zuiverheid afweging:Hogere zuiverheid (bijv. Elektronische kwaliteit) vereist exponentieel meer middelen.
Toepassingen op basis van zuiverheidsniveaus:
| Cijfer | Zuiverheid | Toepassingen |
|---|---|---|
| Metallurgical (Mg-Si) | 98–99% | Aluminiumlegeringen, siliconen, chemicaliën |
| Solar-grade (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Fotovoltaïsche zonnecellen |
| Elektronische kwaliteit (EG-SI) | 99.9999999% (9N) | Halfgeleiders, microchips |
Milieuoverwegingen:
Zure uitloging produceert gevaarlijk afval (bijv. HF), die neutralisatie en veilige verwijdering vereist.
Het Siemens-proces genereert chloorbijproducten, waardoor gesloten-lus recyclingsystemen nodig zijn.
Innovaties:
Gluïdiseerde bedreactoren (FBR):Een goedkoper alternatief voor het Siemens-proces voor silicium voor zonnepanonnen.
Verbeterde metallurgisch silicium (UMG-SI):Combineert uitloging, slakken en directionele stolling voor zonnetoepassingen tegen lagere kosten.
