...

Produkcja polikrzemu

12 listopada 2021
Produkcja polikrzemu

Krzemowe moduły fotowoltaiczne stanowią około 90% modułów fotowoltaicznych produkowanych i sprzedawanych na całym świecie. Krzem jest drugim po tlenie najliczniejszym pierwiastkiem na Ziemi. Krzem zwykle znajduje się w dużych złożach jako kwarcyt lub jako krzemian w dwutlenku krzemu (SiO2). Chociaż zazwyczaj jest zmieszany z innymi pierwiastkami (takimi jak żelazo) i dlatego źródła te są nieczyste, krzem jako surowiec naturalny występuje w dużej obfitości.

Produkcja i oczyszczanie polikrzemu w procesie produkcyjnym to pierwszy krok do powstania konwencjonalnych krzemowych ogniw słonecznych. Wytwarzanie polikrzemu rozpoczyna się od karbotermicznej redukcji SiO2 . Kwarcyt, źródło SiO2, jest mieszany z węglem – pozyskiwanym z materiałów takich jak węgiel, koks (paliwo), grafit lub drewno – w piecu elektrycznym z łukiem krytym. Tutaj elektrody w piecu dostarczające prąd trójfazowy podgrzewają mieszaninę do około 2000 °C, powodując redukcję SiO2 do stopionego krzemu. Na powierzchni stopu temperatury są zwykle niższe (około 1600 °C), a reagenty są redukowane do węglika krzemu (SiC):

SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO (g) (1)

W tym procesie podobnym do destylacji SiC i SiO2 schodzą do niższych, gorętszych części pieca. W niższych regionach, gdzie temperatury są wyższe (> 1780 °C), SiC i SiO2 reagują, w wyniku czego powstaje pierwiastkowy krzem i gazowy tlenek węgla:

SiO2 + 3 SiC → 3 Si + 2 CO (G) (2)

Ten cięższy, stopiony stop krzemu jest odprowadzany przez dno pieca. Krzem ten jest w około 98% czysty i określany jako krzem metalurgiczny (MGS). Inne reakcje zachodzące jednocześnie w piecu sprawiają, że proces jest samowystarczalny. Na dnie pieca resztkowe SiO2 i SiC również reagują, tworząc gazowy tlenek węgla i tlenek krzemu:

SiO2 + SiC → SiO (g) + 2 CO (3)

Powstałe gazy tlenku krzemu i tlenku węgla wracają na powierzchnię, gdzie mieszają się, aby wytworzyć dwutlenek krzemu i węgiel, które są zawracane jako reagenty w równaniu 1.

Aby wytworzyć polikrzem o wyższej czystości, MGS musi być dalej oczyszczany. W tym procesie MGS jest najpierw mielony do postaci sproszkowanej. Ten proszek jest następnie wstrzykiwany do reaktora ze złożem fluidalnym pod wysokim ciśnieniem i prędkością. Bezwodny kwas chlorowodorowy (HCl) jest również wstrzykiwany do reaktora wraz z katalizatorem, w wyniku czego tworzy szereg chlorosilanów i innych chlorków. Najważniejszym związkiem powstającym w tym procesie jest trichlorosilan (SiHCl3), SiMg + 3 HCl → 3 SiHCl3 + H2 (4)


Poprzez destylację frakcyjną gazowy trichlorosilan jest oddzielany od wodoru i gazowego HCl przez filtr w górnej części reaktora. Gaz jest następnie przygotowywany do procesu Siemensa.
W reaktorze Siemensa elektrody grafitowe przepuszczają prąd przez rdzeń krzemowy w kształcie litery U (ziarno). Trichlorosilan jest wstrzykiwany do reaktora i podlega redukcji wodoru w procesie podobnym do chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), w wyniku czego powstaje stały krzem i gazowy kwas chlorowodorowy. Stały polikrzem osadza się na nasionach krzemu i rośnie wokół nich. Po zakończeniu procesu rdzeń w kształcie litery U i polikrzem są ekstrahowane. Powstały polikrzem jest również znany jako krzem klasy elektronicznej o czystości 9N (99,999999999% Si) i podzielony na mniejsze kawałki gotowe do produkcji wlewków.

Źródło: https://pv-manufacturing.org/

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika