Kísil málmurfyrir rafeindatækni og sólarorku: leiðin til fjölkísils

Pólýkísil - ofur-hreinn sílikon hráefni fyrir sólarsellur og hálfleiðaraplötur - kemur frámálmvinnslu-kísilmálmur. Með -orkufrekum hreinsunarferlum eins og Siemens ferlinu og fljótandi rúmkljúfatækni, er kísilmálmur hreinsaður úr 99% hreinleika í 99,9999999% hreinleika, með óhreinindum bórs, fosfórs, járns og áls stjórnað að þröskuldshlutum{{4}milljónar.

Hálfleiðara- og ljósvakaiðnaðurinn táknar mest krefjandi notkun kísils hvað varðar hreinleika. Á meðan álsteypur samþykkja kísilmálm sem inniheldur prósentuhluti af járni, áli og kalsíum, þurfa sólarsellu- og örflöguframleiðendur efnis þar sem þessi sömu óhreinindi eru lækkuð niður í einn hluta af milljarði eða minna. Þessi einstaka hreinsunaráskorun hefst með auðmjúku hráefni -sílikon málmurframleitt í kafi -bogaofnum - og gengur í gegnum efnafræðilega og eðlisfræðilega hreinsunarþrep sem eyða gríðarlegri orku og fjármagni. Skilningur á þessari leið er nauðsynlegur fyrir alla sem taka þátt í innkaupum á kísilmálmi, framleiðslu á fjölkísil eða stjórnun ljósvaka.

 

 

Hreinleikastiginn: Frá málmvinnslukísil til rafrænnar einkunnar

Hægt er að sjá ferðina frá óhreinum kísilmálmi til hálfleiðara-fjölkísils sem stiga með auknum hreinleika, þar sem hver þrep táknar sérstakt vinnslustig og notkunarþröskuld. Hugtökin „Níur“ - 6N, 7N, 9N, 11N - vísar til fjölda níuna í röð í hreinleikaprósentu og er staðlað stytting í greininni.

Hvert skref upp á þennan stiga felur í sér veldishækkun á vinnslukostnaði, orkunotkun og fjármagnsstyrk. Málmvinnslukísill kostar nokkra dollara á hvert kíló í framleiðslu. Pólýkísil úr rafrænum-gráðu skipar hins vegar verð um stærðargráðu hærra, sem endurspeglar hversu flókin hreinsun þess er. Efnahagsleg uppbygging fjölkísiliðnaðarins er því undir miklum áhrifum af hagkvæmni hreinsunartækni og þeim raforkukostnaði sem er ráðandi í rekstrarkostnaði.

Hreinsunarleið 1: Siemens ferlið

Siemens ferlið, þróað á fimmta áratugnum og stendur enn undir meirihluta heimsframleiðslu pólýkísils, er lotuefnafræðileg gufuútfellingarferli með óvenjulega hreinleikahæfileika.

Skref eitt: Klórsílanmyndun

Pulverized málmvinnslukísill hvarfast við vatnsfrítt vetnisklóríð í vökvabeðs reactor við 300–350 gráður á Celsíus til að framleiða tríklórsílan (SiHCl3), aðal undanfara Siemens útfellingar. Þetta hvarf gefur einnig kísiltetraklóríð (SiCl4), díklórsílan (SiH2Cl2) og vetni sem aukaafurðir. Hráafurðin er eimuð til að aðskilja tríklórsílan, sem er verðmætasta brotið til framleiðslu á fjölkísil. Kísiltetraklóríð, sem sögulega hefur verið úrgangsefni, er í auknum mæli breytt aftur í tríklórsílan með vetnun eða notað til að framleiða reykt kísil, sem bætir heildarhagkvæmni ferla og umhverfisárangur.

Skref tvö: Efnafræðileg gufuútfelling

Hreinsað tríklórsílan er gufað upp og blandað saman við vetni í efnagufuútfellingarofni sem inniheldur grannar kísilfræstangir festar á grafít rafskaut. Stafirnar eru hitaðar með viðnám í 1.000–1.150 gráður á Celsíus, þar sem tríklórsílan brotnar niður í samræmi við hvarfið:

Kísill frumefni sest sem fjölkristallað lag á fræstangirnar sem vaxa í þvermál á 60–100 klukkustundum þar til þær ná 150–200 millimetrum. Vetnisklóríð aukaafurðin er fangað, hreinsað og endurunnið í klórsílan myndun skrefsins, sem skapar lokað-lykkju efnakerfi.

Þriðja skref: Stöng uppskera og mylja

Þegar útfellingunni er lokið er kjarnaofninn kældur og pólýkísilstangirnar fjarlægðar, skoðaðar með tilliti til yfirborðsmengunar og muldar í bita sem eru að stærð fyrir kristalvaxtarofna. Fjölkísillinn sem myndast nær venjulega 9N til 11N hreinleika - sem er fullnægjandi fyrir notkun á hálfleiðurum - að því tilskildu að fræstangir, innra hlutar kjarnaofnsins og vinnslulofttegundir uppfylli strönga hreinleikastaðla. Öll málmmengun sem kemur fram við meðhöndlun eða frá kjarnahlutum getur fært efni niður í- sólarorku eða gert það ónothæft fyrir hágæða forrit.

Orkustyrkur og umhverfissnið

Siemens ferlið er óvenju orkufrekt-. Raforkunotkun fyrir útfellingu eingöngu er á bilinu 40 til 60 kílóvatt-stundir á hvert kíló af pólýkísil, með viðbótarorku sem þarf til klórsílanmyndunar, eimingar og endurvinnslu vetnis. Þessi orkustyrkur hefur drifið áfram þróun annarra ferla og landfræðilegrar styrks fjölkísilframleiðslu á svæðum með litlum-rafmagni -, einkum vatnsafls- og kolaorku-orku í Kína, og jarðvarma og vatnsafls á ákveðnum öðrum framleiðslusvæðum.

Hreinsunarleið 2: Fluidised Bed Reactor (FBR) Tækni

Vökvabeðs reactor býður upp á val við lotu Siemens ferli, með hugsanlegum kostum í orkunýtni, stöðugri notkun og vöruformi.

Meginregla rekstrar

Í FBR ferlinu er sílangasi (SiH4) eða tríklórsílan sett inn í lóðréttan reactor sem inniheldur rúm af litlum kísilfræögnum sem vökvað er með gasstraumi upp á við. Rúmið er hitað í 600–900 gráður á Celsíus fyrir niðurbrot sílans eða hærra hitastig fyrir tríklórsílan. Kísill sest út á fræagnirnar, sem vaxa að stærð þar til þær ná markmiðsþvermáli - venjulega 1–2 millimetra - en þá eru þær teknar út úr reactorinu sem kornótt pólýkísilafurð. Ferskum fræögnum er stöðugt bætt við til að viðhalda birgðum í rúminu, sem gerir stöðuga{10}}stöðu stöðuga notkun.

Kostir yfir Siemens lotuvinnslu

FBR ferlið býður upp á nokkra sannfærandi kosti. Í fyrsta lagi er orkunotkun verulega minni - venjulega 20–30 kílóvatt-stundir á hvert kíló - vegna þess að útfellingarhitastigið er lægra og hituð kísilmassi er minni. Í öðru lagi útilokar samfelld rekstur hitauppstreymi og niður í miðbæ sem tengist Siemens lotuofnum, sem bætir framleiðni vinnuafls og afköst. Í þriðja lagi er kornvöruformið beint samhæft við stöðuga kristalvaxtarofna, sem útilokar mulningarþrepið og tengda mengunarhættu. Að lokum dregur minna hitað yfirborðsflatarmál úr mögulegum uppsprettum málmmengunar.

Áskoranir og takmarkanir

Þrátt fyrir þessa kosti stendur FBR tækni frammi fyrir verulegum áskorunum. Sílan er pyrophoric og krefst mjög varkárrar meðhöndlunar. Veggútfelling - kísilhúðun á innri kjarnaofnsins - dregur úr skilvirkni og krefst reglubundins viðhalds. Hreinleiki vörunnar, þótt fullnægjandi sé fyrir notkun sólarorku-, hefur í gegnum tíðina átt í erfiðleikum með að passa við hæstu forskriftir hálfleiðara- sem náðst hafa með bjartsýni Siemens ferla. Þar af leiðandi hefur FBR-framleitt pólýkísil fundið aðalmarkað sinn í ljósavirkjum, þar sem kostnaður-hagkvæmni vegur þyngra en jaðarmunur á hreinleika.

Óhreinindi: The Enemies of Electronic-Grade Silicon

Óhreinindasnið upphafsinssílikon málmurhefur mikil áhrif á skilvirkni, afrakstur og hagkvæmni hreinsunar pólýkísils. Sum óhreinindi er tiltölulega auðvelt að fjarlægja; aðrir eru ótrúlega lífseigir.

Bór og fosfór: The Dopant Dilemma

Bór og fosfór eru tvö mikilvægustu óhreinindin í framleiðslu fjölkísils, ekki vegna þess að þau eru til staðar í hæsta styrk heldur vegna þess að þau hegða sér sem rafmagnsdópefni í kristalluðum kísil. Bór skapar p-gerð leiðni; fosfór skapar n-gerð leiðni. Í sólarrafhlöðum er grunnefnið viljandi dópað með bór til að búa til p-kísill, en of mikið bór frá upphafsmálmvinnslukísilnum getur ofjöfnuð vísvitandi lyfjanotkun, dregið úr frumuspennu og umbreytingarskilvirkni. Í hálfleiðurum diskum verður að stjórna bæði bór og fosfór að undir-ppb stigum vegna þess að nákvæm lyfjagjöf á diskum er framkvæmt viljandi með há-hreinleika dópefnagjafa og hvers kyns bakgrunnsmengun stangast á við þessa stjórn.

Fjarlæging bórs og fosfórs úr sílikoni er alræmt erfitt vegna þess að báðir þættir hafa aðskilnaðarstuðla nálægt einingu meðan á stefnustorknun stendur, sem þýðir að þeir skiptast ekki auðveldlega í annað hvort fastan eða fljótandi sílikon. Sérhæfðar aðferðir eins og sýruskolun, gjallhreinsun, plasmameðhöndlun og hreinsun leysiefna hafa verið þróuð til að draga úr bór og fosfór fyrir myndun klórsílan, en engin er eins skilvirk eða hagkvæm og hreinsun annarra málmóhreininda.

Málmóhreinindi: Járn, ál og kalsíum

Járn, ál og kalsíum eru ríkjandi málmóhreinindi í málmvinnslukísil, venjulega til staðar í 0,1–0,5% samanlagt. Sem betur fer er tiltölulega einfalt að fjarlægja þessi óhreinindi með stefnustýrðri storknun - einnig þekkt sem hleifasteypa eða blokkkristöllun - vegna þess að aðskilnaðarstuðlar þeirra styðja mjög höfnun frá vaxandi föstu kísilkristalla yfir í vökvann sem eftir er. Margar stefnubundnar storknunarleiðir geta dregið úr málmóhreinindum um nokkrar stærðargráður. Þessi meginregla liggur til grundvallar "sólar-gráðu sílikon" hreinsunarleiðinni, þar sem málmvinnslukísill er uppfærður með gjallhreinsun, sýruútskolun og stefnustýringu til að ná 6N hreinleika án þess að fara í gegnum orkufreka-klórsílan efnafræði.

Bílstjóri fyrir eftirspurn eftir ljósvökva

Alheimsútvíkkun á raforkugetu sólarorku hefur skapað öfluga og viðvarandi eftirspurn eftir kísilmálmi, pólýkísil og allri uppstreymis aðfangakeðjunni. Sérhver kristallaður kísilsólarfrumur - hvort sem er einkristallaður eða fjölkristallaður - byrjar sem fjölkísill sem er unnin úr málmvinnslukísil. Ljósvökvaiðnaðurinn er því mikilvægur eftirspurnargeiri fyrir kísilmálmframleiðendur með mikla-hreinleika.

Frá pólýkísil til sólarsellu

Framleiðslukeðjan frá pólýkísil til fullunnar sólarsellu tekur til nokkurra aðskildra stiga. Pólýkísilklumpum er hlaðið í kristalvaxtarofna - annaðhvort Czochralski togarar fyrir einkristallaða hleifa eða stefnustýrða storknunarofna fyrir fjölkristallaða blokka. Kísilhleifarnir sem myndast eru sagaðir í þunnar oblátur, venjulega 160–180 míkrómetrar á þykkt, með demantvírsög. Þessar oblátur gangast undir yfirborðsáferð, lyfjameðferð, and-endurskinshúð og málmvinnslu til að mynda ljósafrumur. Heil sólareining inniheldur 60–144 frumur sem eru samtengdar og hjúpaðar á milli glers og fjölliða bakplötu.

Kísilmálmgæði og frumuafköst

Hreinleiki upphafskísilmálmsins hefur áhrif á frammistöðu sólar frumna með mörgum aðferðum. Málmóhreinindi - járn, króm, nikkel, kopar - skapa djúpt- rafeindaástand innan kísilbandsbilsins sem virka sem endurröðunarstöðvar, draga úr líftíma minnihluta burðarberans og þar með getu frumunnar til að breyta ljóseindum í rafstraum. Kolefnis- og súrefnisóhreinindi geta fallið út sem kísilkarbíð og kísildíoxíð agnir við kristalvöxt, sem skapar byggingargalla og flutningsleiðir sem rýra skilvirkni frumna. Þó að sólar-pólýkísil þolir hærra magn óhreininda en rafrænt-efni, þá þéttir stanslaus þrýstingur til að bæta skilvirkni frumna og draga úr kostnaði á watt stöðugt viðunandi óhreinindaglugga.

Aðfangakeðjuþol

Pólýkísilbirgðakeðjan hefur upplifað verulegt sveiflur undanfarinn áratug, þar sem tímabil mikillar skorts hefur fylgt eftir með offramboði og verðhruni. Þessar hringrásir hafa undirstrikað mikilvægi þess að birgðakeðja seiglu fyrir framleiðendur ljósvaka. Samþættir framleiðendur - þeir sem stjórna kísilmálmframleiðslu, pólýkísilhreinsun og oblátaframleiðslu - hafa reynst þolinmóðari fyrir truflun á framboði en hreinir-leiksalar. Fyrir sjálfstæða kísilmálmframleiðendur felur ljósvakageirinn í sér bæði tækifæri og áhættu: Umfang eftirspurnar er gríðarlegt, en gæðaforskriftir og verðsveiflur krefjast vandaðs vals viðskiptavina og samningsskipulags.

Val á hráefni fyrir framleiðendur polysilikon

Pólýkísilframleiðendur beita töluverðu geðþótta við val á kísilmálmhráefni sínu, jafnvægi á hreinleika, verð, framboð og áreiðanleika birgja.

Einkunnarlýsingar

Hár-hreinleiki málmvinnslukísilgæða eins og 2202 og 3303 eru algengustu hráefnin fyrir fjölkísilframleiðslu. Einkunn 2202 tilgreinir hámarks járninnihald 0,20%, ál 0,20% og kalsíum 0,02%. Einkunn 3303 leyfir 0,30% járn, 0,30% ál og 0,03% kalsíum. Sumir framleiðendur pólýkísils for-hæfa birgja kísilmálms með víðtækum prófunum á óhreinindaprófílum, kornastærðardreifingu og samkvæmni-í-lotu. Framleiðendur rafræns-pólýkísils geta sett viðbótartakmarkanir á bór, fosfór og kolefni umfram staðlaðar forskriftir.

For-Hreinsunarvalkostir

Framleiðendur sem leitast við að draga úr hreinsunarálagi í kjölfarið nota í auknum mæli málmvinnslufor-meðhöndlun á kísilmálmi fyrir myndun klórsílan. Sýruskolun með salt- og flúorsýrublöndur fjarlægir yfirborðsoxíðlög og leysir upp óhreinindi úr málmi. Slaghreinsun með kalsíumsílíkati eða kalsíumaluminat gjalli nýtir varmafræðilega val tiltekinna óhreininda fyrir gjallfasann fram yfir bráðið sílikon. Plasmameðhöndlun með oxandi lofttegundum getur rokkað bór og fosfór við hærra hitastig. Hver þessara aðferða eykur kostnað og flókið en getur bætt heildarafrakstur ferlisins og dregið úr orkunotkun á síðasta framleiðslustigi pólýkísils.