Výroba vysokokvalitného kremíka (napr. Solar-Grade alebo Electronic-Grade) vyžaduje rafináciu kremíka metalurgického stupňa (MG-SI, ~ 98–99% čistota) prostredníctvom pokročilých procesov čistenia. Kľúčové metódy zahŕňajú:
1. Hydrometalurgické čistenie (vylúhovanie kyseliny)
Proces:
Drvená Mg-Si sa ošetrí zmesou kyselín (napr. HCl, HF alebo H₂so₄), aby sa rozpustili nečistoty (Fe, Al, CA atď.).
Na zabránenie kontaminácie sa používajú reaktory odolné voči kyseline.
Reakcie:
Fe +2 HCl → fecl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → FECL2+H2 ↑
Výsledok:Odstráni ~ 90% kovových nečistôt, čím sa zvýši čistota na ~ 99,9%.
2. Smerová tuhosť
Princíp:Nečistoty sa koncentrujú v roztavenej fáze počas kontrolovaného chladenia.
Proces:
Z jedného konca sa pomaly ochladzuje roztavený kremík, čo núti migrovať nečistoty na vrchol alebo hrany.
Purifikovaná centrálna časť je rezaná a opätovne použitá.
Účinnosť:Znižuje bóru (B) a fosfor (P) nečistoty na hladiny častí za milión (PPM).
3. Vylepšovanie vákua
Proces:
Roztavený kremík sa zahrieva vo vákuu, aby sa odparil prchavé nečistoty (napr. Al, CA, MG).
Prchavé oxidy (napr. SIO) sa tiež môžu tvoriť a uniknúť.
Aplikácie:Účinné na odstránenie svetlých kovov a plynov.
4. Rafinácia zóny (Metóda Float Zone)
Princíp:Lokalizovaná roztavená zóna sa pohybuje cez kremíkovú tyč a má so sebou nečistoty.
Proces:
Vysoko čistotná polykryštalická kremíková tyč sa zahrieva pomocou cievok rádiofrekvencie (RF).
Opakované prihrávky vytvárajú ultra-puturstvový monokryštalický kremík.
Čistota: Achieves >99,9999% (6n až 11n čistota pre polovodiče).
5. Siemens Process (Chemical Pary Deposition, CVD)
Účel:Produkuje polysilikón pre solárne články a elektroniku.
Kroky:
Chlorácia:Mg-Si reaguje s HCl za vzniku trichlórozilánu (Sihcl₃):
Si +3 HCl → Sihcl 3+ H2Si +3 HCl → Sihcl3+H2
Destilácia:Sihcl₃ sa čistí frakčnou destiláciou.
Rozklad:Vysoko čistota Sihcl₃ sa rozkladá na vyhrievané kremíkové tyče (~ 1 100 stupňov):
2SIHCl3 → 2Si +2 HCl+CL22SIHCl3 → 2Si +2 HCl+CL2
Výstup:Ultra-bure polysilikón (99,9999999%, 9n).
6. Elektrotefinovanie
Proces:
Imbul Silikón sa používa ako anóda v elektrolyte roztavenej soli (napr. CACL₂).
Čisté usadeniny kremíka na katóde pomocou elektrolýzy.
Výhoda:Účinné na odstránenie bóru a fosforu.
7. Ošetrenie trosky
Proces:Roztavený kremík sa zmieša s troskou (napr. Cao-Sio₂), aby sa absorbovali nečistoty.
Mechanizmus:Nečistoty (napr. B, P) rozdeľujú do fázy trosky v dôsledku chemickej afinity.
Kľúčové výzvy pri čistení kremíka:
Odstránenie bóru a fosforu:Tieto prvky sú elektricky aktívne a degradujú polovodičový výkon.
Intenzita energie:Procesy, ako je metóda Siemens, si vyžadujú značnú energiu a nákladnú infraštruktúru.
Cena vs. kompromis čistoty:Vyššia čistota (napr. Elektronická trieda) vyžaduje exponenciálne viac zdrojov.
Aplikácie založené na úrovniach čistoty:
| Známka | Čistota | Žiadosti |
|---|---|---|
| Metalurgical (MG-SI) | 98–99% | Hliníkové zliatiny, silikóny, chemikálie |
| Solárna úroveň (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Fotovoltaické solárne články |
| Elektronická úroveň (EG-SI) | 99.9999999% (9N) | Polovodiče, mikročipy |
Environmentálne úvahy:
Vylúhovanie kyseliny produkuje nebezpečný odpad (napr. HF), ktorý si vyžaduje neutralizáciu a bezpečnú likvidáciu.
Proces Siemens generuje vedľajšie produkty chlóru, čo si vyžaduje recyklačné systémy s uzavretou slučkou.
Inovácie:
Fluidné reaktory lôžka (FBR):Nižšia nákladná alternatíva k procesu Siemens pre kremík slnečného stupňa.
Vylepšené metalurgické kremík (UMG-SI):Kombinuje vylúhovanie, trosky a smerové tuhé silovanie solárnych aplikácií za znížené náklady.
