Tecnologías de producción de poli silicio para aplicaciones fotovoltaicas

La rápida producción actual de poli silicio probablemente generará un sobre suministro en los próximos años, lo cual impulsará a los fabricantes de poli silicio hacia procesos innovadores y reducir los costes de operación para prepararse ante una oleada de nueva demanda. La drástica caída de los precios experimentada en 2009 continúa a menor ritmo, y los productores de poli silicio se están orientando para suministrar producto de alta pureza a un mercado cada vez más dominado por las células solares fotovoltaicas.

El mercado del silicio para aplicaciones fotovoltaicas se ha disparado en la última década. En 2000, la demanda de silicio solar era de unas 3,800 toneladas métricas, un total que creció hasta 42,000 en 2008. Las previsiones apuntan a que la industria de semiconductores crezca alrededor del 5 – 9 % anual en los próximos años, y el crecimiento del mercado solar puede tener un crecimiento que exceda el 40 % anual durante múltiples años, aunque la trayectoria es incierta.

No obstante, el incremento en la capacidad de producción fotovoltaica ha provocado un aumento en la producción de poli silicio. Los principales fabricantes están implicados en procesos de expansión.

Junto con una demanda creciente, los estímulos fiscales han contribuido a la expansión. Destacamos que Estados Unidos invirtió $ 1.000 millones en créditos fiscales a la industria solar para la creación de puestos de trabajo.

Caídas de precios

Los cambios en la industria de energía solar y la rápida producción han impactado en los precios significativamente. Los precios de silicio puro se elevaron intensamente en 2007 y 2008 debido a la escasez de material – en 2008, los precios del poli silicio estaban por encima de $400/kg. Los precios cayeron a plomo en 2009, llegando a $50 – 55/kg en promedio a final de año. Los precios se espera continúen cayendo los próximos tres años, aunque no con la intensidad de 2009. A finales de 2012, algunos observadores apuntan por unos precios que estarían alrededor de $40/kg.

La expansión de la capacidad de producción probablemente provoque un sobre suministro en los próximos años, aunque las cosas pueden cambiar si la energía fotovoltaica tiene éxito en convertirse en una alternativa viable a la energía convencional derivada. Dependiendo de una serie de factores, la paridad con la red para la energía solar puede alcanzarse con costes de producción de alrededor de $0.15/kWh.

Parece haber pocas dudas de que la producción de poli silicio dominará el mercado en los próximos años.

Procesos de producción del silicio

Las compañías de silicio de alta pureza están explorando mejoras en el proceso de fabricación principalmente por dos aproximaciones de deposición de vapor químico – una aproximación de producción establecida conocida como proceso Siemens, y un esquema de fabricación basado en reactores de lecho fluidizado (FB). Parece probable que versiones mejoradas de los dos tipos de procesos estén en la industria de producción de poli silicio en un futuro próximo.

Proceso Siemens – El reactor Siemens se desarrolló a finales de los 50 y ha sido la ruta histórica de producción dominante. En 2009, alrededor del 80 % del poli silicio fabricado se hizo a través del proceso de tipo Siemens. La aproximación Siemens implica la deposición del silicio de una mezcla de triclorosilano purificado o gas silano, además del exceso de hidrógeno, en filamentos en forma de horquilla de cristales de poli silicio de alta pureza. El crecimiento del silicio ocurre en el interior de un “recinto campana”, que contiene los gases. Los filamentos, que se parecen a un circuito eléctrico en serie, se calientan a la temperatura de deposición del vapor por una corriente directa externa. Cuando los gases entran en el recinto campana, las altas temperaturas (1100 – 1175 ºC) en la superficie de los filamentos de semilla de silicio, con la ayuda de hidrógeno, originan que el triclorosilano reduzca a silicio elemental y se deposite como una película de capa delgada en los filamentos de semilla calientes. HCl se forma como subproducto.

El control de la temperatura es crítico para el proceso – la temperatura del gas y los filamentos deben ser lo bastante altas como para que el silicio del gas se deposite en la superficie sólida del filamento, pero la temperatura no puede ser demasiado alta porque el filamento comenzaría a fundirse. Además, la tasa de deposición no debe ser demasiado rápida, ya que el silicio no se depositaría uniformemente, de forma policristalina.

Proceso de lecho fluidizado – Varias compañías están desarrollando procesos de producción de poli silicio basados en reactores de lecho fluidizado. La aproximación FB para la producción de poli silicio tiene sus orígenes en un programa de los años 80 financiado por el U.S. Department of Energy, cuyo propósito era idear métodos menos intensivos en consumo energético para producir silicio. La aproximación FB para la producción de silicio ofrece la capacidad para producción continua, en oposición a la producción por lotes de la ruta Siemens. Además, los reactores de poli silicio FB consumen menos energía. Este proceso puede consumir solamente el 10 % de energía requerido para hacer funcionar el proceso Siemens.

En un proceso FB, tetrahidrosilano o triclorosilano y gases de hidrógeno son continuamente introducidos en el fondo del reactor a temperaturas y presiones moderadamente elevadas. Las partículas de silicio de alta pureza se insertan desde la parte superior y quedan suspendidas por el flujo ascendente de los gases. Cuando el reactor opera a altas temperaturas (750 ºC), el gas silano reduce a silicio elemental, que se deposita en la superficie de las partículas de semilla. Cuando los cristales de semilla crecen, caen en el fondo del reactor, de donde se extraen continuamente. Para compensar la retirada de gránulos de silicio, se inyectan nuevo cristales en la parte superior del reactor.

Proceso New feedstock for FB: Una compañía en proceso de desarrollo, llamada Peak sun Silicon Crop. Está trabajando en un proceso FB basado en tribromosilano (TBS) como materia prima, en vez de silano o triclorosilano. La inclusión de átomos de bromuro masivamente como materia prima ofrece varias ventajas clave. Se consigue una tolerancia más amplia de temperaturas y presiones que el estricto control que debe ejercerse en otros procesos. El proceso TBS también opera a temperaturas inferiores, lo cual permite ahorrar energía.

La aproximación TBS – FB también ayuda a eludir la formación de polvo de silicio amorfo a través de una ruta de nucleación homogénea, un desafío significativo encontrado por las operaciones del reactor de silicio que usan silano o tricloro silano como gas de alimentación.

Tecnologías de cristalización: Otro proceso clave en la fabricación de silicio de alta pureza implica un paso de re-cristalización que convierte material poli cristalino en monocristalino. El proceso es más importane actualmente para silicio de grado semiconductor, ya que el silicio poli cristalino es conveniente para células fotovoltaicas.

Los fabricantes típicamente usan alguna variación del llamado proceso Czochralski, en el que el cristal de semilla se introduce en silicio fundido y lentamente se retira para generar una masa de silicio monocristalino.

Tecnología UGB:

Otra aproximación tecnológica a la producción de polisilicio que parece estar menguando es el silicio de grado metalúrgico actualizado (UMG). UMG se produce fundiendo silicio de grado metalúrgico y recristalizándolo lentamente y direccionalmente. Esta aproximación ofrecería una ruta menos cara para obtener el material pero no será viable en ambientes donde los métodos de alta pureza son competitivos en costes.

Bibliografía: Polysilicon production. Chemical engineering April 2010

Palabras clave: Chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor deposition (CVD), fluidized bed (FB) reactor, upgraded metallurgical grade (UMG)