सिलिकॉन धातुइलेक्ट्रॉनिक्स और सोलर के लिए: पॉलीसिलिकॉन का मार्ग

सौर कोशिकाओं और सेमीकंडक्टर वेफर्स के लिए अल्ट्रा- शुद्ध सिलिकॉन फीडस्टॉक पॉलीसिलिकॉन - - से उत्पन्न होता हैधातुकर्म - ग्रेड सिलिकॉन धातु. ऊर्जा गहन शुद्धिकरण प्रक्रियाओं जैसे कि सीमेंस प्रक्रिया और द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टर प्रौद्योगिकी के माध्यम से, सिलिकॉन धातु को 99% शुद्धता से 99.9999999% शुद्धता तक परिष्कृत किया जाता है, जिसमें बोरान, फास्फोरस, लोहा और एल्यूमीनियम के अशुद्धता स्तर को भागों में नियंत्रित किया जाता है {{4}प्रति{5}} बिलियन थ्रेसहोल्ड।

सेमीकंडक्टर और फोटोवोल्टिक उद्योग शुद्धता के मामले में सिलिकॉन के लिए सबसे अधिक मांग वाले अनुप्रयोगों का प्रतिनिधित्व करते हैं। जबकि एल्यूमीनियम फाउंड्री सिलिकॉन धातु को स्वीकार करते हैं जिसमें लोहा, एल्यूमीनियम और कैल्शियम का एक प्रतिशत अंश होता है, सौर सेल और माइक्रोचिप निर्माताओं को ऐसी सामग्री की आवश्यकता होती है जिसमें ये समान अशुद्धियाँ एक अरब या उससे कम में एक भाग तक कम हो जाती हैं। यह असाधारण शुद्धिकरण चुनौती एक साधारण कच्चे माल - से शुरू होती हैसिलिकॉन धातुजलमग्न {{0}आर्क भट्टियों - में उत्पादित किया जाता है और रासायनिक और भौतिक शोधन चरणों के एक झरने के माध्यम से आगे बढ़ता है जो भारी ऊर्जा और पूंजी की खपत करता है। इस मार्ग को समझना सिलिकॉन धातु खरीद, पॉलीसिलिकॉन विनिर्माण, या फोटोवोल्टिक आपूर्ति श्रृंखला प्रबंधन में शामिल किसी भी व्यक्ति के लिए आवश्यक है।

 

 

पवित्रता की सीढ़ी: धातुकर्म सिलिकॉन से इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड तक

क्रूड सिलिकॉन धातु से सेमीकंडक्टर ग्रेड पॉलीसिलिकॉन तक की यात्रा को बढ़ती शुद्धता की सीढ़ी के रूप में देखा जा सकता है, जिसमें प्रत्येक पायदान एक अलग प्रसंस्करण चरण और अनुप्रयोग सीमा का प्रतिनिधित्व करता है। "नाइन्स" - 6एन, 7एन, 9एन, 11एन - की शब्दावली शुद्धता प्रतिशत में लगातार नौ की संख्या को संदर्भित करती है और पूरे उद्योग में मानक शॉर्टहैंड है।

इस सीढ़ी पर प्रत्येक कदम पर प्रसंस्करण लागत, ऊर्जा खपत और पूंजी तीव्रता में तेजी से वृद्धि शामिल है। धातुकर्म सिलिकॉन के उत्पादन में प्रति किलोग्राम कुछ डॉलर की लागत आती है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉनिक - ग्रेड पॉलीसिलिकॉन, इसकी शुद्धि की जटिलता को दर्शाते हुए, कीमतों को अधिक परिमाण का आदेश देता है। इसलिए पॉलीसिलिकॉन उद्योग की आर्थिक संरचना शुद्धिकरण प्रौद्योगिकी की दक्षता और बिजली की लागत से काफी प्रभावित होती है जो परिचालन खर्चों पर हावी होती है।

शुद्धिकरण मार्ग 1: सीमेंस प्रक्रिया

सीमेंस प्रक्रिया, 1950 के दशक में विकसित हुई और अभी भी वैश्विक पॉलीसिलिकॉन उत्पादन के बहुमत के लिए जिम्मेदार है, असाधारण शुद्धता क्षमताओं के साथ एक बैच रासायनिक वाष्प जमाव प्रक्रिया है।

चरण एक: क्लोरोसिलेन संश्लेषण

चूर्णित धातुकर्म सिलिकॉन 300-350 डिग्री सेल्सियस पर एक तरल बिस्तर रिएक्टर में निर्जल हाइड्रोजन क्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया करके ट्राइक्लोरोसिलेन (SiHCl3) का उत्पादन करता है, जो सीमेंस जमाव के लिए प्राथमिक अग्रदूत है। इस प्रतिक्रिया से सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड (SiCl4), डाइक्लोरोसिलेन (SiH2Cl2), और हाइड्रोजन भी -उत्पादों के रूप में प्राप्त होता है। ट्राइक्लोरोसिलेन को अलग करने के लिए कच्चे उत्पाद को आसुत किया जाता है, जो पॉलीसिलिकॉन उत्पादन के लिए सबसे मूल्यवान अंश है। सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड, ऐतिहासिक रूप से एक अपशिष्ट उत्पाद है, जिसे तेजी से हाइड्रोजनीकरण के माध्यम से ट्राइक्लोरोसिलेन में परिवर्तित किया जाता है या धूमिल सिलिका का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता है, जिससे समग्र प्रक्रिया अर्थशास्त्र और पर्यावरणीय प्रदर्शन में सुधार होता है।

चरण दो: रासायनिक वाष्प जमाव

शुद्ध ट्राइक्लोरोसिलेन को वाष्पीकृत किया जाता है और एक रासायनिक वाष्प जमाव रिएक्टर में हाइड्रोजन के साथ मिलाया जाता है जिसमें ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड पर लगे पतले सिलिकॉन बीज की छड़ें होती हैं। छड़ों को प्रतिरोधक रूप से 1,000-1,150 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है, जहां ट्राइक्लोरोसिलेन प्रतिक्रिया के अनुसार विघटित हो जाता है:

मौलिक सिलिकॉन बीज की छड़ों पर एक पॉलीक्रिस्टलाइन परत के रूप में जमा होता है, जो 60-100 घंटों के दौरान व्यास में बढ़ता है जब तक कि वे 150-200 मिलीमीटर तक नहीं पहुंच जाते। उत्पाद द्वारा हाइड्रोजन क्लोराइड को कैप्चर किया जाता है, शुद्ध किया जाता है, और क्लोरोसिलेन संश्लेषण चरण में पुनर्चक्रित किया जाता है, जिससे एक बंद लूप रासायनिक प्रणाली बनती है।

चरण तीन: छड़ की कटाई और कुचलना

जमाव पूरा होने पर, रिएक्टर को ठंडा किया जाता है और पॉलीसिलिकॉन छड़ें हटा दी जाती हैं, सतह के संदूषण के लिए निरीक्षण किया जाता है, और क्रिस्टल विकास भट्टियों के आकार के टुकड़ों में कुचल दिया जाता है। परिणामी पॉलीसिलिकॉन आम तौर पर सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त 9N से 11N शुद्धता - प्राप्त करता है - बशर्ते कि बीज छड़ें, रिएक्टर आंतरिक भाग और प्रक्रिया गैसें कड़े स्वच्छता मानकों को पूरा करती हों। हैंडलिंग के दौरान या रिएक्टर घटकों से उत्पन्न कोई भी धातु संदूषण सामग्री को सौर श्रेणी में डाउनग्रेड कर सकता है या इसे उच्च अंत अनुप्रयोगों के लिए अनुपयोगी बना सकता है।

ऊर्जा की तीव्रता और पर्यावरण प्रोफ़ाइल

सीमेंस प्रक्रिया असाधारण रूप से ऊर्जा-गहन है। केवल जमाव के लिए विद्युत ऊर्जा की खपत प्रति किलोग्राम पॉलीसिलिकॉन 40 से 60 किलोवाट {{4} घंटे) तक होती है, जिसमें क्लोरोसिलेन संश्लेषण, आसवन और हाइड्रोजन रीसाइक्लिंग के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस ऊर्जा तीव्रता ने वैकल्पिक प्रक्रियाओं के विकास और कम लागत वाली बिजली - वाले क्षेत्रों में पॉलीसिलिकॉन उत्पादन की भौगोलिक एकाग्रता को प्रेरित किया है, विशेष रूप से चीन में जलविद्युत और कोयले से चलने वाली ऊर्जा, और कुछ अन्य उत्पादक क्षेत्रों में भू-तापीय और जलविद्युत।

शुद्धिकरण मार्ग 2: द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टर (एफबीआर) प्रौद्योगिकी

द्रवयुक्त बेड रिएक्टर ऊर्जा दक्षता, निरंतर संचालन और उत्पाद फॉर्म फैक्टर में संभावित लाभ के साथ बैच सीमेंस प्रक्रिया का एक विकल्प प्रदान करता है।

संचालन का सिद्धांत

एफबीआर प्रक्रिया में, सिलेन गैस (SiH4) या ट्राइक्लोरोसिलेन को एक ऊर्ध्वाधर रिएक्टर में पेश किया जाता है जिसमें ऊपर की ओर गैस धारा द्वारा द्रवित छोटे सिलिकॉन बीज कणों का एक बिस्तर होता है। सिलेन अपघटन के लिए बिस्तर को 600-900 डिग्री सेल्सियस या ट्राइक्लोरोसिलेन के लिए उच्च तापमान तक गर्म किया जाता है। सिलिकॉन बीज कणों पर जमा होता है, जो आकार में तब तक बढ़ता है जब तक कि वे लक्ष्य व्यास - आमतौर पर 1-2 मिलीमीटर - तक नहीं पहुंच जाते, जिस बिंदु पर उन्हें रिएक्टर से दानेदार पॉलीसिलिकॉन उत्पाद के रूप में निकाल लिया जाता है। बिस्तर सूची को बनाए रखने के लिए ताजा बीज कणों को लगातार जोड़ा जाता है, जिससे स्थिर स्थिति में निरंतर संचालन सक्षम हो जाता है।

सीमेंस बैच प्रसंस्करण पर लाभ

एफबीआर प्रक्रिया कई आकर्षक लाभ प्रदान करती है। सबसे पहले, ऊर्जा की खपत काफी कम है - आम तौर पर 20-30 किलोवाट {{4}घंटे प्रति किलोग्राम - क्योंकि जमाव तापमान कम होता है और गर्म सिलिकॉन द्रव्यमान छोटा होता है। दूसरा, निरंतर संचालन सीमेंस बैच रिएक्टरों से जुड़े थर्मल साइक्लिंग और डाउनटाइम को समाप्त करता है, जिससे श्रम उत्पादकता और थ्रूपुट में सुधार होता है। तीसरा, दानेदार उत्पाद का रूप निरंतर क्रिस्टल विकास भट्टियों के साथ सीधे संगत है, जो क्रशिंग चरण और संबंधित संदूषण जोखिम को समाप्त करता है। अंत में, छोटा गर्म सतह क्षेत्र धातु संदूषण के संभावित स्रोतों को कम कर देता है।

चुनौतियाँ और सीमाएँ

इन फायदों के बावजूद, एफबीआर तकनीक को महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। सिलेन पायरोफोरिक है और इसे अत्यधिक सावधानी से संभालने की आवश्यकता होती है। रिएक्टर के आंतरिक भाग पर दीवार जमाव - सिलिकॉन चढ़ाना - दक्षता कम कर देता है और समय-समय पर रखरखाव की आवश्यकता होती है। उत्पाद की शुद्धता, सौर ऊर्जा ग्रेड अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त होते हुए भी, ऐतिहासिक रूप से अनुकूलित सीमेंस प्रक्रियाओं द्वारा प्राप्त उच्चतम अर्धचालक ग्रेड विनिर्देशों से मेल खाने के लिए संघर्ष करती रही है। नतीजतन, एफबीआर - उत्पादित पॉलीसिलिकॉन ने फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में अपना प्राथमिक बाजार पाया है, जहां लागत - दक्षता लाभ सीमांत शुद्धता अंतर से अधिक है।

अशुद्धियाँ: इलेक्ट्रॉनिक - ग्रेड सिलिकॉन के दुश्मन

आरंभ की अशुद्धता प्रोफ़ाइलसिलिकॉन धातुपॉलीसिलिकॉन शुद्धिकरण की दक्षता, उपज और अर्थशास्त्र को गहराई से प्रभावित करता है। कुछ अशुद्धियाँ दूर करना अपेक्षाकृत आसान है; अन्य लोग उल्लेखनीय रूप से दृढ़ हैं।

बोरोन और फॉस्फोरस: डोपेंट दुविधा

पॉलीसिलिकॉन उत्पादन में बोरान और फॉस्फोरस दो सबसे महत्वपूर्ण अशुद्धियाँ हैं, इसलिए नहीं कि वे उच्चतम सांद्रता में मौजूद हैं, बल्कि इसलिए कि वे क्रिस्टलीय सिलिकॉन में विद्युत डोपेंट के रूप में व्यवहार करते हैं। बोरोन p-प्रकार की चालकता बनाता है; फॉस्फोरस n-प्रकार की चालकता बनाता है। सौर कोशिकाओं में, बेस सामग्री को जानबूझकर पी - प्रकार का सिलिकॉन बनाने के लिए बोरॉन के साथ डोप किया जाता है, लेकिन शुरुआती धातुकर्म सिलिकॉन से अत्यधिक बोरॉन जानबूझकर डोपिंग की भरपाई कर सकता है, जिससे सेल वोल्टेज और रूपांतरण दक्षता कम हो सकती है। सेमीकंडक्टर वेफर्स में, बोरोन और फॉस्फोरस दोनों को उप{6}}पीपीबी स्तर तक नियंत्रित किया जाना चाहिए क्योंकि वेफर्स की सटीक डोपिंग जानबूझकर उच्च शुद्धता वाले डोपेंट स्रोतों के साथ की जाती है, और कोई भी पृष्ठभूमि संदूषण इस नियंत्रण को विफल कर देता है।

सिलिकॉन से बोरॉन और फॉस्फोरस को निकालना बेहद मुश्किल है क्योंकि दोनों तत्वों में दिशात्मक जमने के दौरान अलगाव गुणांक एकता के करीब होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे आसानी से ठोस या तरल सिलिकॉन में विभाजित नहीं होते हैं। क्लोरोसिलेन संश्लेषण से पहले बोरॉन और फास्फोरस को कम करने के लिए एसिड लीचिंग, स्लैग रिफाइनिंग, प्लाज्मा उपचार और विलायक रिफाइनिंग जैसी विशेष तकनीकें विकसित की गई हैं, लेकिन अन्य धातु अशुद्धियों के शुद्धिकरण के रूप में कोई भी उतना कुशल या किफायती नहीं है।

धात्विक अशुद्धियाँ: लोहा, एल्युमीनियम और कैल्शियम

धातुकर्म सिलिकॉन में लोहा, एल्युमीनियम और कैल्शियम प्रमुख धात्विक अशुद्धियाँ हैं, जो आमतौर पर संयुक्त रूप से 0.1-0.5% मौजूद होती हैं। सौभाग्य से, इन अशुद्धियों को दिशात्मक ठोसकरण के माध्यम से निकालना अपेक्षाकृत सरल है - जिसे पिंड कास्टिंग या ब्लॉक क्रिस्टलीकरण - के रूप में भी जाना जाता है क्योंकि उनके पृथक्करण गुणांक बढ़ते ठोस सिलिकॉन क्रिस्टल से शेष तरल में अस्वीकृति का दृढ़ता से समर्थन करते हैं। एकाधिक दिशात्मक ठोसकरण पास परिमाण के कई क्रमों द्वारा धातु की अशुद्धियों को कम कर सकते हैं। यह सिद्धांत "सौर ग्रेड सिलिकॉन" शुद्धिकरण मार्ग को रेखांकित करता है, जिसमें धातुकर्म सिलिकॉन को स्लैग शोधन, एसिड लीचिंग और दिशात्मक ठोसकरण के माध्यम से उन्नत किया जाता है ताकि ऊर्जा गहन क्लोरोसिलेन रसायन विज्ञान के माध्यम से आगे बढ़ने के बिना 6N शुद्धता प्राप्त की जा सके।

फोटोवोल्टिक मांग चालक

सौर फोटोवोल्टिक क्षमता के वैश्विक विस्तार ने सिलिकॉन धातु, पॉलीसिलिकॉन और संपूर्ण अपस्ट्रीम आपूर्ति श्रृंखला के लिए एक शक्तिशाली और निरंतर मांग पैदा की है। प्रत्येक क्रिस्टलीय सिलिकॉन सौर सेल - चाहे मोनोक्रिस्टलाइन हो या पॉलीक्रिस्टलाइन - धातुकर्म सिलिकॉन से प्राप्त पॉलीसिलिकॉन के रूप में शुरू होता है। इसलिए फोटोवोल्टिक उद्योग उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन धातु उत्पादकों के लिए एक महत्वपूर्ण मांग क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है।

पॉलीसिलिकॉन से लेकर सोलर सेल तक

पॉलीसिलिकॉन से तैयार सौर सेल तक विनिर्माण श्रृंखला में कई अलग-अलग चरण शामिल हैं। पॉलीसिलिकॉन टुकड़ों को क्रिस्टल ग्रोथ भट्टियों - में या तो मोनोक्रिस्टलाइन सिल्लियों के लिए Czochralski पुलर्स या मल्टीक्रिस्टलाइन ब्लॉकों के लिए दिशात्मक ठोसीकरण भट्टियों में लोड किया जाता है। परिणामी सिलिकॉन सिल्लियों को हीरे के तार आरी का उपयोग करके, आमतौर पर 160-180 माइक्रोमीटर मोटे पतले वेफर्स में काटा जाता है। ये वेफर्स फोटोवोल्टिक कोशिकाओं को बनाने के लिए सतह की बनावट, डोपिंग, एंटी-परावर्तन कोटिंग और धातुकरण से गुजरते हैं। एक पूर्ण सौर मॉड्यूल में 60-144 सेल होते हैं जो ग्लास और पॉलिमर बैकशीट के बीच परस्पर जुड़े और संपुटित होते हैं।

सिलिकॉन धातु की गुणवत्ता और सेल प्रदर्शन

शुरुआती सिलिकॉन धातु की शुद्धता कई तंत्रों के माध्यम से सौर सेल के प्रदर्शन को प्रभावित करती है। धात्विक अशुद्धियाँ - लोहा, क्रोमियम, निकल, तांबा - सिलिकॉन बैंडगैप के भीतर गहरी {3}स्तरीय इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाएँ बनाती हैं जो पुनर्संयोजन केंद्र के रूप में कार्य करती हैं, अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल को कम करती हैं और इस प्रकार फोटॉन को विद्युत प्रवाह में परिवर्तित करने की सेल की क्षमता को कम करती हैं। कार्बन और ऑक्सीजन की अशुद्धियाँ क्रिस्टल वृद्धि के दौरान सिलिकॉन कार्बाइड और सिलिकॉन डाइऑक्साइड कणों के रूप में अवक्षेपित हो सकती हैं, जिससे संरचनात्मक दोष और शंटिंग पथ बनते हैं जो सेल दक्षता को ख़राब करते हैं। जबकि सोलर {{6} ग्रेड पॉलीसिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड सामग्री की तुलना में उच्च अशुद्धता स्तर को सहन करता है, सेल दक्षता में सुधार और प्रति वाट लागत को कम करने का निरंतर दबाव स्वीकार्य अशुद्धता विंडो को लगातार मजबूत करता है।

आपूर्ति श्रृंखला लचीलापन

पिछले एक दशक में पॉलीसिलिकॉन आपूर्ति श्रृंखला में महत्वपूर्ण अस्थिरता का अनुभव हुआ है, जिसमें गंभीर कमी के बाद अत्यधिक आपूर्ति और कीमतों में गिरावट आई है। इन चक्रों ने फोटोवोल्टिक निर्माताओं के लिए आपूर्ति श्रृंखला लचीलेपन के महत्व को रेखांकित किया है। सिलिकॉन धातु उत्पादन, पॉलीसिलिकॉन शुद्धिकरण और वेफर विनिर्माण को नियंत्रित करने वाले एकीकृत निर्माता - शुद्ध व्यापारियों की तुलना में आपूर्ति व्यवधानों के प्रति अधिक लचीले साबित हुए हैं। स्वतंत्र सिलिकॉन धातु उत्पादकों के लिए, फोटोवोल्टिक क्षेत्र एक अवसर और जोखिम दोनों का प्रतिनिधित्व करता है: मांग का पैमाना बहुत बड़ा है, लेकिन गुणवत्ता विनिर्देशों और मूल्य अस्थिरता के लिए सावधानीपूर्वक ग्राहक चयन और अनुबंध संरचना की आवश्यकता होती है।

पॉलीसिलिकॉन उत्पादकों के लिए फीडस्टॉक चयन

पॉलीसिलिकॉन निर्माता अपने सिलिकॉन धातु फीडस्टॉक का चयन करने, शुद्धता, कीमत, उपलब्धता और आपूर्तिकर्ता विश्वसनीयता को संतुलित करने में काफी विवेक का प्रयोग करते हैं।

ग्रेड विशिष्टताएँ

2202 और 3303 जैसे उच्च शुद्धता वाले धातुकर्म सिलिकॉन ग्रेड पॉलीसिलिकॉन उत्पादन के लिए सबसे आम फीडस्टॉक हैं। ग्रेड 2202 अधिकतम लौह सामग्री 0.20%, एल्यूमीनियम 0.20% और कैल्शियम 0.02% निर्दिष्ट करता है। ग्रेड 3303 0.30% आयरन, 0.30% एल्यूमीनियम और 0.03% कैल्शियम की अनुमति देता है। कुछ पॉलीसिलिकॉन उत्पादक अशुद्धता प्रोफाइल, कण आकार वितरण और बैच {{15} से - बैच स्थिरता के व्यापक परीक्षण के माध्यम से सिलिकॉन धातु आपूर्तिकर्ताओं को पूर्व-योग्य बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनिक - ग्रेड पॉलीसिलिकॉन के निर्माता मानक ग्रेड विनिर्देशों से परे बोरॉन, फॉस्फोरस और कार्बन पर अतिरिक्त प्रतिबंध लगा सकते हैं।

पूर्व-शुद्धिकरण विकल्प

डाउनस्ट्रीम शुद्धिकरण बोझ को कम करने की चाहत रखने वाले निर्माता क्लोरोसिलेन संश्लेषण से पहले सिलिकॉन धातु के धातुकर्म पूर्व-उपचार को तेजी से नियोजित कर रहे हैं। हाइड्रोक्लोरिक और हाइड्रोफ्लोरिक एसिड मिश्रण के साथ एसिड लीचिंग सतह ऑक्साइड परतों को हटा देती है और उजागर धातु की अशुद्धियों को घोल देती है। कैल्शियम सिलिकेट या कैल्शियम एल्यूमिनेट स्लैग के साथ स्लैग शोधन पिघले हुए सिलिकॉन पर स्लैग चरण के लिए कुछ अशुद्धियों की थर्मोडायनामिक प्राथमिकता का फायदा उठाता है। ऑक्सीडेटिव गैसों के साथ प्लाज्मा उपचार ऊंचे तापमान पर बोरान और फास्फोरस को अस्थिर कर सकता है। इनमें से प्रत्येक तकनीक लागत और जटिलता जोड़ती है लेकिन समग्र प्रक्रिया उपज में सुधार कर सकती है और अंतिम पॉलीसिलिकॉन उत्पादन चरण में ऊर्जा खपत को कम कर सकती है।