Polisilisyum (çok kristalli Silisyum, multi-Si, Poli-Si veya polysilikon) Üretimi

Silisyum, oksijenden sonra Dünya’da en çok bulunan ikinci elementtir. Silisyum, genellikle silisyum dioksit (SiO₂) içinde bir silikat olarak, kuvarsit olarak büyük yataklarda bulunur. Doğal bir kaynak olarak oldukça bol miktarda bulunan silisyum, genellikle diğer elementlerle (demir elementi gibi) karışmış olup, bu nedenle saflığını yitirmiştir.

Polisilisyum üretimi ve saflaştırılması, geleneksel silisyum (fotovoltaik) “güneş hücreleri” üretmek için üretim sürecinde ilk adımdır. Polisilisyum üretimi ve saflaştırılması, geleneksel silisyum güneş hücreleri üretmek için üretim sürecinde ilk adımdır. Polisilisyum üretimi, Silisyumdioksit (SiO₂)’in karbotermik indirgemesi ile başlar. SiO₂ kaynağı olan kuvarsit, tozaltı “ark elektrik ocağında(fırınında)“; kömür, kok (yakıt), grafit veya odun gibi malzemelerden elde edilen karbonla karıştırılır. Burada, üç fazlı akım sağlayan fırındaki elektrotlar, karışımı yaklaşık 2000 ° C’ye kadar ısıtarak SiO₂‘nin erimiş silisyuma indirgenmesine neden olur. Eriyik yüzeyinde, sıcaklıklar genellikle daha düşüktür (yaklaşık 1600 ° C) ve reaktantlar, silisyum karbür (SiC) oluşturmak için indirgenir,

SiO₂  + 3C → SiC + 2CO_(g)                (1)

Bu damıtma benzeri işlemde, SiC ve SiO₂ fırının aşağı katmanlarındaki daha sıcak kısımlarına iner. Sıcaklığın daha yüksek olduğu (> 1780 ° C) alt bölgelerde SiC ve SiO₂ reaksiyona girerek elementsel silisyum ve karbon monoksit gazı ortaya çıkar,

SiO₂  + 3SiC → 3Si + 2CO_(g)             (2)

Bu daha ağır, erimiş silisyum eriyiği, fırının tabanından boşaltılır. Bu silisyum yaklaşık % 98 saftır ve metalurjik sınıf silisyum (MGS) olarak adlandırılır. Fırında eşzamanlı olarak meydana gelen diğer reaksiyonlar, işlemi kendi kendine yeterli hale getirir. Fırının dibinde artık SiO₂ ve SiC de reaksiyona girerek karbon monoksit ve silisyum monoksit gazı oluşturur,

SiO₂  + SiC → SiO_(g) + 2CO    (3)

Ortaya çıkan silisyum monoksit ve karbon monoksit gazları, Denklem 1’de reaktant olarak geri dönüştürülen silisyumdioksit ve karbon üretmek için karıştıkları yüzeye geri yükselir.

Daha yüksek saflıkta polisilisyum üretmek için metalurjik sınıf silisyum-MGS’nin daha fazla saflaştırılması gerekir. Bu süreçte MGS önce toz haline getirilir. Bu toz daha sonra yüksek basınç ve hızda akışkan yataklı bir reaktöre enjekte edilir. Susuz hidroklorik asit (HCl) de bir katalizörle birlikte reaktöre enjekte edilerek bir dizi klorosilanlar ve diğer klorürler oluşturur. Bu süreçte oluşan en önemli bileşik triklorosilandır (SiHCl3),

Si_mgs+ 3HCL → 3SiHCl3 + H2 (4)

Fraksiyonel damıtma yoluyla, triklorosilan gazı, reaktörün tepesindeki bir filtre aracılığıyla hidrojen ve gaz halindeki HCl’den ayrılır. Gaz daha sonra Siemens süreci için hazırlanır. Bir Siemens reaktöründe, grafit elektrotlar akımı U-şekilli bir silisyum çekirdekten (tohum) geçirir. Triklorosilan reaktöre enjekte edilir ve katı silikon ve gazlı hidroklorik asit oluşturmak için kimyasal buhar biriktirmeye (chemical vapour deposition-CVD) benzer bir işlemde hidrojen indirgemesine uğrar.

Katı polisilisyum, silisyum çekirdeğinin üzerinde birikir ve etrafında büyür. İşlem tamamlandığında, U şeklindeki çekirdek ve polisilisyum çıkarılır. Elde edilen polisilisyum, 9N (% 99.999999999 Si) saflığa sahip ve külçe üretimi için hazır daha küçük parçalara bölünmüş elektronik sınıf silisyum olarak da bilinir.

Sürecin kısa bir animasyonu aşağıda gösterilmektedir:

Kaynak: B. S. Xakalashe and M. Tangstad, “Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells,” South. African Pyromethallurgy Int. Conf., no. March, pp. 1–18, 2011