उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन (जैसे, सौर-ग्रेड या इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड) के उत्पादन को उन्नत शुद्धिकरण प्रक्रियाओं के माध्यम से धातुकर्म-ग्रेड सिलिकॉन (एमजी-सी, ~ 98-99% शुद्धता) को परिष्कृत करने की आवश्यकता होती है। प्रमुख तरीकों में शामिल हैं:
1. हाइड्रोमेटर्जिकल शुद्धि (एसिड लीचिंग)
प्रक्रिया:
कुचल एमजी-एसआई को एसिड (जैसे, एचसीएल, एचएफ, या h₂so₄) के मिश्रण के साथ व्यवहार किया जाता है ताकि अशुद्धियों (Fe, Al, Ca, आदि) को भंग किया जा सके।
संदूषण से बचने के लिए एसिड-प्रतिरोधी रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है।
प्रतिक्रियाएं:
Fe +2 hcl → fecl 2+ h2 ↑ fe +2 hcl → fecl2+h2 ↑
परिणाम:~ 90% धातु अशुद्धियों को हटा देता है, शुद्धता को ~ 99.9% तक बढ़ाता है।
2. दिशात्मक जमना
सिद्धांत:अशुद्धियां नियंत्रित शीतलन के दौरान पिघले हुए चरण में ध्यान केंद्रित करती हैं।
प्रक्रिया:
पिघले हुए सिलिकॉन को धीरे -धीरे एक छोर से ठंडा किया जाता है, जिससे अशुद्धियों को शीर्ष या किनारों पर पलायन करने के लिए मजबूर किया जाता है।
शुद्ध केंद्रीय खंड काटा और पुन: उपयोग किया जाता है।
क्षमता:बोरॉन (बी) और फास्फोरस (पी) अशुद्धियों को पार्ट्स-प्रति मिलियन (पीपीएम) स्तरों तक कम कर देता है।
3. वैक्यूम रिफाइनिंग
प्रक्रिया:
वाष्पशील अशुद्धियों (जैसे, एएल, सीए, एमजी) को वाष्पित करने के लिए पिघला हुआ सिलिकॉन को वैक्यूम के तहत गरम किया जाता है।
वाष्पशील ऑक्साइड (जैसे, एसआईओ) भी बन सकते हैं और बच सकते हैं।
आवेदन:प्रकाश धातुओं और गैसों को हटाने के लिए प्रभावी।
4. ज़ोन रिफाइनिंग
सिद्धांत:एक स्थानीयकृत पिघला हुआ क्षेत्र एक सिलिकॉन रॉड के माध्यम से चलता है, इसके साथ अशुद्धियों को ले जाता है।
प्रक्रिया:
एक उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन रॉड को रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) कॉइल का उपयोग करके गर्म किया जाता है।
बार-बार पास अल्ट्रा-प्यूर मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन बनाते हैं।
शुद्धता: Achieves >99.9999% (अर्धचालकों के लिए 6n से 11n पवित्रता)।
5. सीमेंस प्रक्रिया (रासायनिक वाष्प जमाव, सीवीडी)
उद्देश्य:सौर कोशिकाओं और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए पॉलीसिलिकॉन का उत्पादन करता है।
चरण:
क्लोरीनीकरण:Mg-Si ट्राइक्लोरोसिलन (SIHCL) बनाने के लिए HCl के साथ प्रतिक्रिया करता है:
Si +3 hcl → sihcl 3+ h2si +3 hcl → sihcl3+h2
आसवन:SIHCL को आंशिक आसवन के माध्यम से शुद्ध किया जाता है।
अपघटन:उच्च-शुद्धता SIHCL₃ को गर्म सिलिकॉन छड़ (~ 1,100 डिग्री) पर विघटित किया जाता है:
2SIHCL3 → 2SI +2 HCl+CL22SIHCl3 → 2Si +2 HCl+Cl2
आउटपुट:अल्ट्रा-प्यूर पॉलीसिलिकॉन (99.9999999%, 9N)।
6. बिजली का
प्रक्रिया:
इंप्रूर सिलिकॉन का उपयोग पिघले हुए नमक इलेक्ट्रोलाइट (जैसे, Cacl₂) में एनोड के रूप में किया जाता है।
इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से कैथोड पर शुद्ध सिलिकॉन जमा।
फ़ायदा:बोरान और फास्फोरस को हटाने के लिए प्रभावी।
7. स्लैग उपचार
प्रक्रिया:पिघला हुआ सिलिकॉन अशुद्धियों को अवशोषित करने के लिए एक स्लैग (जैसे, काओ-सियो) के साथ मिलाया जाता है।
तंत्र:रासायनिक आत्मीयता के कारण स्लैग चरण में अशुद्धियां (जैसे, बी, पी) विभाजन।
सिलिकॉन शुद्धि में प्रमुख चुनौतियां:
बोरॉन और फास्फोरस हटाने:ये तत्व विद्युत रूप से सक्रिय हैं और अर्धचालक प्रदर्शन को नीचा दिखाते हैं।
ऊर्जा घनत्व:सीमेंस विधि जैसी प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा और महंगी बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है।
लागत बनाम शुद्धता व्यापार बंद:उच्च शुद्धता (जैसे, इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड) तेजी से अधिक संसाधनों की मांग करता है।
शुद्धता स्तरों के आधार पर आवेदन:
| श्रेणी | पवित्रता | अनुप्रयोग |
|---|---|---|
| धातु-सी-एसआई | 98–99% | एल्यूमीनियम मिश्र, सिलिकोन, रसायन |
| सौर-ग्रेड (सोग-सी) | 99.9999% (6N) | फोटोवोल्टिक सौर कोशिकाएं |
| इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड (ईजी-सी) | 99.9999999% (9N) | अर्धचालक, माइक्रोचिप्स |
पर्यावरणीय विचार:
एसिड लीचिंग खतरनाक अपशिष्ट (जैसे, एचएफ) का उत्पादन करता है, जिसमें तटस्थता और सुरक्षित निपटान की आवश्यकता होती है।
सीमेंस प्रक्रिया क्लोरीन बायप्रोडक्ट्स उत्पन्न करती है, जो बंद-लूप रीसाइक्लिंग सिस्टम की आवश्यकता होती है।
नवाचार:
द्रवित बेड रिएक्टर (FBR):सौर-ग्रेड सिलिकॉन के लिए सीमेंस प्रक्रिया के लिए एक कम लागत वाला विकल्प।
उन्नत मेटालर्जिकल सिलिकॉन (UMG-SI):कम लागत पर सौर अनुप्रयोगों के लिए लीचिंग, स्लैगिंग और दिशात्मक जमने को जोड़ती है।
