Proceso Siemens vs Ruta Metalúrgica

En el artículo anterior “Energía fotovoltaica: materiales utilizados y cómo se puede mejorar su eficiencia y costo”, discutimos el crecimiento del mercado de la energía fotovoltaica. Descubrimos que el principal impulsor de este crecimiento fueron los costes de amortización de las células fotovoltaicas.

Dado que la gran mayoría de las células fotovoltaicas están fabricadas con silicio (94% en 2015 según el Departamento de Energía de EE. UU.), La reducción de los costes de producción de silicio es fundamental para el mercado fotovoltaico. Para lograr este objetivo, los esfuerzos de investigación y desarrollo se centran en la reducción del consumo energético y las pérdidas de fabricación, lo que también ayuda a minimizar la huella ecológica de la energía fotovoltaica.

En este artículo, presentaremos el dos métodos principales de producción de silicio – el proceso Siemens y la vía metalúrgica – y explicar cómo difiere el consumo de energía entre ellos.

Diferentes grados de pureza del silicio

El silicio se purifica en diferentes pasos a partir de la materia prima, que suele ser arena de cuarzo. Los diferentes procesos conducen a diferentes niveles de consumo de energía y diferentes niveles de pureza. Las impurezas más comunes son Fe, Al, Ti, Mn, C, Ca, Mg, B, P. Los estándares en los límites de concentración varían según los elementos y los autores para el grado solar, pero podemos resumir los límites de concentración generales como :

Producción de silicio de grado metalúrgico

En la mayoría de los casos, el silicio utilizado para las células solares se deriva del silicio de grado metalúrgico. Este silicio de grado metalúrgico se produce reduciendo el sílice de la arena de cuarzo con carbono: SiO2 (l) + 2C (s) = Si (l) + 2CO (g).

A continuación, los electrodos de carbono se utilizan a menudo en un horno para crear temperaturas de alrededor de 2000 ° C, por lo que muchas impurezas se vuelven volátiles. Luego, el silicio líquido se recoge en la parte inferior del horno, se drena y se enfría, lo que da como resultado silicio de grado metalúrgico.

Las principales rutas para la producción de silicio

Las dos cadenas de procesos más importantes para purificar el silicio a partir del silicio de grado metalúrgico (MG-Si) son el proceso Siemens y la ruta metalúrgica:

El proceso de Siemens

El proceso de Siemens es el proceso dominante para la producción de silicio para electrónica y
fotovoltaica de MG-Si. Es similar a la destilación, de modo que el silicio reacciona con el gas HCl en un reactor a aproximadamente 300 ° C: Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g).

Luego, el gas triclorosilano se descompondrá térmicamente en varillas de silicio calentadas (> 1300 °) en una atmósfera de hidrógeno: SiHCl3 (g) + H2 (g) = Si (s) + 3HCl (g).

El silicio producido con este proceso será silicio de grado electrónico muy puro (EG-Si). Pero viene con costos energéticos muy altos y con importantes medidas de seguridad debido al manejo de hidrógeno y ácido clorhídrico. Dichos gastos son necesarios para cumplir con los requisitos de la industria electrónica.

Sin embargo, los requisitos de pureza del silicio para las células solares son menos estrictos. Por lo tanto, actualmente se están desarrollando y utilizando formas menos costosas y que requieren menos energía para producir silicio para el mercado fotovoltaico. Suelen agruparse en la categoría: “Ruta metalúrgica”.

La Ruta Metalúrgica

El término “vía metalúrgica” agrupa diferentes métodos de purificación donde el silicio permanece en fase líquida o sólida de Si durante el proceso de purificación. Está compuesto por un ciclo de diferentes pasos:

Solidificación direccional

La mayoría de las impurezas se pueden eliminar mediante un proceso llamado solidificación direccional. En el equilibrio termodinámico entre la fase sólida y la fase líquida del silicio, las impurezas tienden a concentrarse en la fase líquida. La masa fundida de silicio se calienta electromagnéticamente a la temperatura de fusión. Como resultado, la parte superior del crisol se llena con silicio líquido agitado electromagnéticamente mientras que la parte inferior se llena con silicio sólido.

El proceso se regula de tal manera que el frente de solidificación se mueve hacia arriba. Esto tiende a concentrar cada vez más las impurezas en la parte superior del crisol. La parte superior de la masa fundida se eliminará después de que el silicio se haya enfriado por completo. Por tanto, es importante optimizar el proceso de tal manera que se minimicen las pérdidas de silicio a eliminar y el consumo de energía.

Esto se puede lograr concentrando tanto como sea posible las impurezas en la parte superior del crisol y calentando y agitando la masa fundida en un tiempo más corto. Para ello, la combinación de experimentos y simulaciones numéricas es fundamental.

Este proceso funciona bien para todas las impurezas, excepto el boro y el fósforo, que necesitan otros tipos de procesos.

Eliminación de fósforo al vacío

Este proceso se basa en el hecho de que bajo vacío, el fósforo tiende a volatilizarse mucho más que el silicio del silicio líquido. El silicio se calienta electromagnéticamente a un estado líquido y se agita al vacío. Los desafíos son obtener un vacío suficiente y los datos termodinámicos correctos para calibrar el proceso correctamente.

Eliminación de boro con gas y plasma.

Se están utilizando e investigando dos procesos similares para eliminar el boro: procesos con plasma y gas frío. En ambos casos, el silicio se calienta electromagnéticamente hasta el estado líquido y se agita para homogeneizar el silicio en temperatura y composición. Los átomos de oxígeno e hidrógeno reaccionarán con el boro en el silicio líquido, que se eliminará predominantemente en forma de HBO (g). Los átomos de silicio también van a reaccionar con los átomos de oxígeno, pero en menor medida. Esto disminuye la concentración de boro en el silicio líquido.

Los desafíos son minimizar el consumo de energía (minimizando el tiempo de calentamiento) y las pérdidas de silicio. En este sentido, las principales áreas de investigación son la simulación y modelización de los complejos fenómenos de transporte que involucran aerosoles de sílice, la modelización del plasma y el control de la concentración de oxígeno en el baño, así como el aumento de la precisión de los datos termodinámicos.

En relación con los gases fríos, los procesos de plasma aumentan el consumo de energía por unidad de tiempo, debido a las altas temperaturas, pero disminuyen algunos problemas de obstrucción por aerosoles de sílice.

Eliminación de boro.

Eliminación de impurezas con refinado de escoria

El refinado de escoria es un proceso que compite con los otros procesos presentados para la remoción de boro. En este proceso, una escoria generalmente hecha de CaO-SiO se coloca en la parte superior del silicio líquido calentado. Absorbe el boro del silicio líquido.

En comparación con los procesos de plasma y gas frío, la ventaja es que se eliminan otras impurezas. Sin embargo, la desventaja es el consumo de grandes cantidades de escoria que deben estar limpias de impurezas, especialmente de boro. La investigación actual se centra en diferentes composiciones de escoria y datos termodinámicos.

Desde silicio de grado solar hasta paneles solares

El silicio se cristaliza en un monocristal (mayor rendimiento) o en un lingote multicristalino. Se está investigando la cristalización en monocristales directamente en el horno, ya que este método podría reducir los costos de paneles fotovoltaicos de silicio monocristales más eficientes.

El último paso es cortar, y ahí es donde ocurren muchas pérdidas de silicio. Las varillas de silicona se cortan en finas láminas con diferentes técnicas, como con láser o con cuchillas de diamante. Esto provoca más pérdidas de silicio que deben reciclarse. Además, las rebanadas de las varillas de los cilindros deben tener forma cuadrada, lo que provoca pérdidas adicionales. La investigación actual se centra en dar una forma rectangular a las varillas de silicio para minimizar esas pérdidas, lo que reduciría el costo de los paneles solares finales.

Conclusión

El refinado de silicio es un campo de investigación amplio y muy activo que tiene un gran potencial para reducir los costes y la huella ecológica de la energía fotovoltaica. En cada etapa del proceso de producción de silicio para células fotovoltaicas, hay áreas en las que se pueden reducir las pérdidas de fabricación y los requisitos de energía.

El proceso de Siemens, que produce silicio muy puro, sigue siendo dominante. Sin embargo, la vía metalúrgica continúa ganando terreno porque generalmente es más barata y ofrece el mayor potencial de ahorro de energía y costos en el proceso de producción.

Referencias:

[1] Libro de datos de energías renovables. Informe técnico, Departamento de Energía de EE. UU., 2015.
[2] SAFARIAN, Jafar, TRANELL, Gabriella, et TANGSTAD, Merete. Procesos para mejorar el silicio de grado metalúrgico a silicio de grado solar. Energy Procedia, 2012, vol. 20, pág. 88-97.
[3] VADON, Mathieu, Extraction de bore par oxydation du silicium liquide pour applications photovoltaïques, Université de Grenoble, Ph.D. tesis, 2018
[4] NOURI, Ahmed, Estudio numérico y experimental de la cristalización del silicio mediante el proceso Kyropoulos para aplicaciones fotovoltaicas, Université de Grenoble, Ph.D. tesis, 2018
[5] ALTENBEREND, Jochen, Cinética del proceso de refinación de plasma de silicio para células solares: estudio experimental con espectroscopia, Ph.D. tesis, 2013
[6] CECCAROLI, Bruno, OVRELID, Eivind, et PIZZINI, Sergio (ed.). Procesos de silicio solar: tecnologías, desafíos y oportunidades. Prensa CRC, 2016

Este artículo es obra del autor invitado que se muestra arriba. El autor invitado es el único responsable de la veracidad y legalidad de su contenido. El contenido del artículo y las opiniones expresadas en el mismo pertenecen únicamente a este autor y no reflejan las opiniones de Matmatch ni de ningún empleador, institución académica, sociedad profesional u organización actual o pasada con la que el autor esté actualmente o estuvo afiliado anteriormente.

También te puede interesar:

Echa un vistazo a estos otros temas