Yükseltilmiş metalurjik sınıf (UMG) Silisyum

Siemens süreci, en yaygın olarak, fotovoltaik uygulamalar için silisyumu saflaştırmak için kullanılır. Bununla birlikte, arıtma işleminin kendisi enerji yoğun ve tehlikelidir.

Yükseltilmiş metalurjik sınıf (Upgraded metallurgical grade-UMG) silisyum, yönlü katılaştırma yoluyla güneş enerjisi sınıfı silisyum üretmenin alternatif bir yöntemidir. Bu işlem, safsızlıkları gidermek ve kalan silisyumu saflaştırmak için metallerin nispeten düşük ayrışma katsayılarından yararlanır. Bu işlemde kullanılan metalürjik sınıf silisyum MSS (metallurgical grade silicon -MGS), kimyasal saflaştırma için hazırlanan MGS ile aynı şekilde karbon termik reaksiyonlar yoluyla [ör. Akışkan yataklı reaktör (FBR) ve Siemens Prosesi kullanılarak] imal edilir .

Yükseltilmiş Metalurjik Sınıf silisyum üretimi üç farklı adımda yapılır;

1) MGS’nin UMG-1’i oluşturmak için bir külçe potasına dökülmesi, UMG-2’yi oluşturmak için diğer metalik safsızlıkların giderilmesi.

İlk adım, MGS’nin bir ingot potasına dökülmesini içerir. Pota tabanı, güneş sınıfı silisyum saflığına eşit veya ondan daha yüksek bir saflığa sahip silisyum tohumları ile kaplanmıştır. Daha sonra potanın tepesinden, MGS’yi eritmeye başlayan bir ısı kaynağı uygulanır, öyle ki silisyum tohum kristalleri eriyen son kristaller olur. Isı kaynağı daha sonra kaldırılır ve eriyik soğumaya başlar. Eriyik soğumaya başladığında, katılaşma genellikle potanın dibinde başlar ve yavaşça yukarı doğru hareket eden sıvı-katı bir arayüz oluşturur. Metalik safsızlıkların katılara göre erimiş sıvıya ayrılma olasılığı daha yüksek olduğundan, bu safsızlıklar külçenin tepesine taşınır ve cüruf olarak çıkarılır. Ortaya çıkan silikon, UMG-1 olarak adlandırılabilir.

İkinci adım, çoğu metal gibi düşük ayrışma katsayılı safsızlıkları gidermek için kullanılır. Fosfor, 0.35’lik nispeten yüksek bir ayrışma katsayısına sahiptir, bu da eriyikten çıkarılmasını çok zorlaştırır. Bu işlemde, UMG-1 bir elektrik ark fırınına aktarılır ve eriyikte yüksek oksijen konsantrasyonlarını önlemek için bir argon ortamında yeniden eritme işlemi gerçekleştirilir. Bir kez daha, metalik safsızlıkların ve fosforun eriyik içinde ayrılması, silisyumu 500 ppm’den daha az safsızlık içerecek şekilde saflaştırır. Elde edilen silisyum, UMG-2 olarak bilinir.

UMG-2 daha sonra plazma altında daha da saflaştırılmak üzere ikinci bir elektrik ark fırınına aktarılabilir. Bir plazmaya çarpmak ve onu sürdürmek için endüktif bir torçta voltaj oluşturmak için 0.1‑4 MHz’lik bir radyo frekansı aralığı kullanılır. Plazma genellikle klor, flor, argon, susuz hidroklorik asit veya hidroflorik asit kombinasyonunu içerir. Gaz karışımına buhar ve / veya hidrojen gazı da enjekte edilebilir. İlk plazma aşaması, reaksiyonlara göre bor ve / veya karbon safsızlıklarının giderilmesi için silisyumun oksitlenme işlemini içerir,

B + OH → BOH↑ or B + O + H → BOH↑(1)

C + O → CO↑ (2)

Bu plazma işlemi, bor (B) elementini sıvı eriyik yüzeyinden etkili bir şekilde uzaklaştırır. Bununla birlikte, oksijen girişi (buhardan), güneş pillerinin performansına zararlı olabilir. Bu nedenle, bir argon veya argon-hidrojen plazmasında ikinci bir oksijensizleştirici plazma işlemi silisyum oksit gazı formunda oksijenin gazdan dışarı atılmasını teşvik etmek için kullanılır,

Si + O → SiO ↑ veya SiO2 + Si → 2SiO (3)

Plazma işleminden sonra kalan silisyum, çok kristalli veya Czochralski UMG külçeleri dökmek için kullanılabilen güneş sınıfı silisyum.

[1] – L. X. Zhao, Z. Wang, Z. C. Guo, and C. Y. Li, “Low-temperature purification process of metallurgical silicon,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed., vol. 21, no. 5, pp. 1185–1192, 2011.

[2] – J. Safarian, G. Tranell, and M. Tangstad, “Processes for upgrading metallurgical grade silicon to solar grade silicon,” Energy Procedia, vol. 20, no. 1876, pp. 88–97, 2012.

[3] – Method of purifying metallurgical silicon by directional solidification, PCT/FR2007/001818.

[4] – A. K. Søiland et al., “Solar silicon from a metallurgical route by Elkem Solar – a viable alternative to virgin polysilicon,” 2012.

[5] – T. M. et Al, “UMG Silicon from the PHOTOSIL project – a status overview in 2011 on the way towards industrial production,” pp. 3–6, 2011.