Силицон Металза електронику и соларну енергију: Пут до полисилицијума

Полисилицијум - ултра-сировина од чистог силицијума за соларне ћелије и полупроводничке плочице - потиче изметалуршки{0}}силицијумски метал. Путем енергетски{1}}интензивних процеса пречишћавања, као што су Сиеменсов процес и технологија реактора са флуидизованим слојем, метал силицијум се рафинише са чистоће од 99% до 99,9999999% чистоће, са нивоима нечистоћа бора, фосфора, гвожђа и алуминијума који се контролишу до{4}одрживих делова{5}

Полупроводничка и фотонапонска индустрија представљају најзахтевније примене силицијума у ​​погледу чистоће. Док ливнице алуминијума прихватају метал силицијум који садржи фракције од процента гвожђа, алуминијума и калцијума, произвођачи соларних ћелија и микрочипова захтевају материјал у коме су те исте нечистоће сведене на један део у милијарду или мање. Овај изузетан изазов пречишћавања почиње са скромним сировим материјалом -силицијум металпроизводи се у -лучним пећима - и пролази кроз низ корака хемијске и физичке рафинације који троше огромну енергију и капитал. Разумевање овог пута је од суштинског значаја за све који су укључени у набавку силицијумских метала, производњу полисилицијума или управљање фотонапонским ланцем снабдевања.

 

 

Мердевине чистоће: од металуршког силицијума до електронске класе

Пут од сировог силицијумског метала до полисилицијума -класе полупроводника може се замислити као лествица све веће чистоће, при чему свака пречка представља посебну фазу обраде и праг примене. Терминологија „деветки“ - 6Н, 7Н, 9Н, 11Н - односи се на број узастопних деветки у проценту чистоће и представља стандардну скраћеницу у читавој индустрији.

Сваки корак на овој лествици укључује експоненцијална повећања трошкова обраде, потрошње енергије и капиталног интензитета. Производња металуршког силицијума кошта неколико долара по килограму. Насупрот томе, електронски-полисилицијум налаже цене за ред величине, што одражава сложеност његовог пречишћавања. Економска структура индустрије полисилицијума је стога под великим утицајем ефикасности технологије пречишћавања и трошкова електричне енергије који доминирају оперативним трошковима.

Пут пречишћавања 1: Сиеменсов процес

Сименсов процес, развијен 1950-их и који још увек чини већину глобалне производње полисилицијума, је серијски процес хемијског таложења паре са изванредним могућностима чистоће.

Први корак: Синтеза хлоросилана

Металуршки силицијум у праху реагује са анхидрованим хлороводоником у реактору са флуидизованим слојем на 300–350 степени Целзијуса да би се добио трихлоросилан (СиХЦл3), примарни прекурсор за Сиеменсово таложење. Ова реакција такође даје силицијум тетрахлорид (СиЦл4), дихлоросилан (СиХ2Цл2) и водоник као -производе. Сирови производ се дестилује да би се издвојио трихлоросилан, који је највреднија фракција за производњу полисилицијума. Силицијум тетрахлорид, који је историјски био отпадни производ, све више се претвара назад у трихлоросилан путем хидрогенације или се користи за производњу испареног силицијум диоксида, побољшавајући укупну економичност процеса и еколошке перформансе.

Други корак: хемијско таложење паре

Пречишћени трихлоросилан се испарава и меша са водоником у реактору за хемијско таложење паре који садржи танке силиконске шипке за семе постављене на графитне електроде. Штапови се отпорно загревају на 1.000-1.150 степени Целзијуса, где се трихлоросилан разлаже према реакцији:

Елементарни силицијум се таложи као поликристални слој на шипке за семе, које расту у пречнику током 60-100 сати док не достигну 150-200 милиметара. Нуспроизвод хлороводоника-се хвата, пречишћава и рециклира у корак синтезе хлоросилана, стварајући затворени-хемијски систем.

Трећи корак: Берба и дробљење штапа

По завршетку депозиције, реактор се хлади и полисилицијумске шипке се уклањају, прегледају да ли има површинске контаминације и дробе се у комаде величине за пећи за раст кристала. Добијени полисилицијум обично постиже чистоћу од 9Н до 11Н - адекватну за примене у полупроводницима - под условом да семенске шипке, унутрашњост реактора и процесни гасови испуњавају строге стандарде чистоће. Било која метална контаминација унесена током руковања или из компоненти реактора може да смањи материјал на соларну-класу или да га учини неупотребљивим за најквалитетније-прилике.

Енергетски интензитет и еколошки профил

Сиеменсов процес је изузетно енергетски{0}}интензиван. Потрошња електричне енергије само за таложење креће се од 40 до 60 киловат-сати по килограму полисилицијума, уз додатну енергију која је потребна за синтезу хлоросилана, дестилацију и рециклажу водоника. Овај енергетски интензитет подстакао је развој алтернативних процеса и географску концентрацију производње полисилицијума у ​​регионима са ниском-јефтином електричне енергије -, посебно хидроелектране и енергије на угаљ-у Кини, и геотермалне и хидроенергије у неким другим регионима производње.

Пут пречишћавања 2: технологија реактора са флуидизованим слојем (ФБР).

Реактор са флуидизованим слојем нуди алтернативу серијском Сиеменс процесу, са потенцијалним предностима у енергетској ефикасности, континуираном раду и фактору облика производа.

Принцип рада

У ФБР процесу, силан гас (СиХ4) или трихлоросилан се уводи у вертикални реактор који садржи слој малих честица семена силицијума које се флуидизују узлазном струјом гаса. Кревет се загрева на 600–900 степени Целзијуса за разградњу силана или на више температуре за трихлоросилан. Силицијум се таложи на честице семена, које расту у величини све док не достигну циљни пречник - обично 1–2 милиметра - у ком тренутку се повлаче из реактора као гранулирани полисилицијумски производ. Свеже честице семена се непрестано додају ради одржавања инвентара кревета, омогућавајући стабилан{10}}континуирани рад.

Предности у односу на Сиеменс пакетну обраду

ФБР процес нуди неколико убедљивих предности. Прво, потрошња енергије је знатно нижа - типично 20–30 киловат-сати по килограму - јер је температура таложења нижа, а маса загрејаног силицијума мања. Друго, континуирани рад елиминише термичке циклусе и застоје повезане са Сиеменс серијским реакторима, побољшавајући продуктивност рада и пропусност. Треће, грануларни облик производа је директно компатибилан са пећима за континуирани раст кристала, елиминишући корак дробљења и повезан ризик од контаминације. Коначно, мања загрејана површина смањује потенцијалне изворе металне контаминације.

Изазови и ограничења

Упркос овим предностима, ФБР технологија се суочава са значајним изазовима. Силан је пирофоран и захтева изузетно пажљиво руковање. Таложење са зида - силиконом на унутрашњост реактора - смањује ефикасност и захтева периодично одржавање. Чистоћа производа, иако је адекватна за соларне-прилике, историјски се борила да одговара највишим спецификацијама полупроводника-постигнутим оптимизованим Сиеменс процесима. Сходно томе, ФБР-произведен полисилицијум је нашао своје примарно тржиште у фотонапонским апликацијама, где предности{9}}економичне ефикасности надмашују маргиналне разлике у чистоћи.

Нечистоће: непријатељи електронског{0}}силицијума

Профил нечистоћа стартногсилицијум металдубоко утиче на ефикасност, принос и економичност пречишћавања полисилицијума. Неке нечистоће се релативно лако уклањају; други су изузетно упорни.

Бор и фосфор: Допантна дилема

Бор и фосфор су две најкритичније нечистоће у производњи полисилицијума, не зато што су присутни у највећим концентрацијама, већ зато што се понашају као електрични додаци у кристалном силицијуму. Бор ствара проводљивост п-типа; фосфор ствара проводљивост типа н-. У соларним ћелијама, основни материјал је намерно допиран бором да би се створио п- силицијум, али вишак бора из почетног металуршког силицијума може прекомерно компензовати намерно допирање, смањујући напон ћелије и ефикасност конверзије. У полупроводничким плочицама, и бор и фосфор се морају контролисати на нивое испод-ппб јер се прецизно допирање плочица врши намерно са изворима допанта високе{7}}чистоће, а свака позадинска контаминација поништава ову контролу.

Уклањање бора и фосфора из силицијума је изузетно тешко јер оба елемента имају коефицијенте сегрегације блиске јединици током усмереног очвршћавања, што значи да се не раздвајају лако на чврсти или течни силицијум. Специјализоване технике као што су кисело лужење, рафинирање шљаке, третман плазмом и рафинација растварачем су развијене да би се смањио бор и фосфор пре синтезе хлоросилана, али ниједна није тако ефикасна или економична као пречишћавање других металних нечистоћа.

Металне нечистоће: гвожђе, алуминијум и калцијум

Гвожђе, алуминијум и калцијум су доминантне металне нечистоће у металуршком силицијуму, обично присутне у 0,1–0,5% комбиновано. На срећу, ове нечистоће се релативно лако уклањају путем усмереног очвршћавања - такође познатог као ливење ингота или кристализација блокова - јер њихови коефицијенти сегрегације снажно фаворизују одбацивање растућег чврстог кристала силицијума у ​​преосталу течност. Вишеструко усмерено очвршћавање може смањити металне нечистоће за неколико редова величине. Овај принцип лежи у основи пута пречишћавања „соларног-силицијума“, у коме се металуршки силицијум унапређује рафинацијом шљаке, киселим лужењем и усмереним очвршћавањем да би се постигла чистоћа 6Н без наставка енергетски-интензивне хемије хлоросилана.

Фотонапонски покретач потражње

Глобална експанзија соларних фотонапонских капацитета створила је моћну и трајну потражњу за металним силицијумом, полисилицијумом и читавим узводним ланцем снабдевања. Свака соларна ћелија од кристалног силицијума - било монокристална или поликристална - почиње као полисилицијум добијен од металуршког силицијума. Фотонапонска индустрија стога представља критичан сектор потражње за произвођачима силицијумских метала-високе чистоће.

Од полисилицијума до соларне ћелије

Производни ланац од полисилицијума до готових соларних ћелија укључује неколико различитих фаза. Комадићи полисилицијума се убацују у пећи за раст кристала - или Цзоцхралски извлакачи за монокристалне инготе или пећи усмерене очвршћавања за мултикристалне блокове. Добијени силицијумски инготи се секу на танке плочице, обично дебљине 160–180 микрометара, помоћу тестера са дијамантском жицом. Ове плочице се подвргавају површинској текстури, допингу, премазивању против рефлексије и метализацији да би се формирале фотонапонске ћелије. Комплетан соларни модул садржи 60–144 ћелије међусобно повезане и инкапсулиране између стакла и полимерног задњег слоја.

Квалитет силицијумског метала и перформансе ћелије

Чистоћа почетног силицијумског метала утиче на перформансе соларних ћелија кроз више механизама. Металне нечистоће - гвожђе, хром, никл, бакар - стварају електронска стања дубоког-нивоа унутар силицијумског појаса који делују као рекомбинациони центри, смањујући животни век мањинског носача, а самим тим и способност ћелије да претвара фотоне у електричну струју. Нечистоће угљеника и кисеоника могу да се таложе као честице силицијум карбида и силицијум диоксида током раста кристала, стварајући структурне дефекте и ранжирне путеве који смањују ефикасност ћелије. Док полисилицијум соларног{6}}класа толерише веће нивое нечистоћа од материјала за електронски{7}}, немилосрдни притисак за побољшање ефикасности ћелија и смањење цене по вату континуирано сужава прихватљиве прозоре за нечистоће.

Отпорност ланца снабдевања

Ланац набавке полисилицијума је доживео значајну волатилност током протекле деценије, са периодима озбиљне несташице праћене прекомерном залихама и колапсом цена. Ови циклуси су нагласили важност отпорности ланца снабдевања за произвођаче фотонапонских уређаја. Интегрисани произвођачи - они који контролишу производњу силицијумског метала, пречишћавање полисилицијума и производњу плочица - показали су се отпорнијим на прекиде у снабдевању од продаваца чистог -продавца. За независне произвођаче силицијумских метала, фотонапонски сектор представља и прилику и ризик: обим потражње је огроман, али спецификације квалитета и волатилност цена захтевају пажљив одабир купаца и структурирање уговора.

Избор сировине за произвођаче полисилицијума

Произвођачи полисилицијума имају значајну дискрецију у одабиру сировине за метал силицијум, балансирајући чистоћу, цену, доступност и поузданост добављача.

Спецификације разреда

Металуршки силицијум високе{0}}врсте, као што су 2202 и 3303, најчешћи су сировине за производњу полисилицијума. Степен 2202 одређује максимални садржај гвожђа од 0,20%, алуминијума од 0,20% и калцијума од 0,02%. Степен 3303 дозвољава 0,30% гвожђа, 0,30% алуминијума и 0,03% калцијума. Неки произвођачи полисилицијума пре-квалификују добављаче силицијумских метала путем опсежног тестирања профила нечистоћа, расподеле величине честица и конзистентности-до{16}}серије. Произвођачи полисилицијума електронског{18}}врсте могу наметнути додатна ограничења за бор, фосфор и угљеник ван стандардних спецификација квалитета.

Пре{0}}Опције пречишћавања

Произвођачи који желе да смање оптерећење пречишћавањем све више користе металуршки пред{0}}третман силицијумског метала пре синтезе хлоросилана. Киселинско лужење мешавинама хлороводоничне и флуороводоничне киселине уклања површинске слојеве оксида и раствара изложене металне нечистоће. Рафинирање шљаке са калцијум-силикатом или шљаком калцијум алумината користи термодинамичку предност одређених нечистоћа за фазу шљаке у односу на растопљени силицијум. Третман плазмом оксидативним гасовима може да испари бор и фосфор на повишеним температурама. Свака од ових техника додаје трошкове и сложеност, али може побољшати укупан принос процеса и смањити потрошњу енергије у завршној фази производње полисилицијума.