El Silicio. Proceso de obtención

El silicio es el elemento, tras el oxígeno, másabundante y distribuido por nuestro planeta,pero no se encuentra aislado sinocombinado con oxígeno1.El silicio para uso industrial parte de la cuarcitaque es en un 90% óxido de silicio SiO2.

Obtención del silicio metalúrgico

El silicio se separa de la cuarcita (arena) en un procesometalúrgico de reducción, introduciéndola en hornos de arco eléctrico (un clisol donde están colocados dos electrodos de carbón, cuando se hace pasar una corriente eléctrica por los electrodos se produce un arco eléctrico que puede alcanzar temperaturas de 2000º C. A estas temperaturas la cuarcita pasa a estado liquido y este fundido se extrae por la parte inferior del clisol) junto al carbón y sílice en exceso para prevenir la formación o acumulación de SiC. El SiC o carborundum es un abrasivo de dureza similar a la del diamante.

SiO2 + 2C ® Si(l) + 2CO; 2000°CSiO2 + 2SiC ® 3Si(l) + 2CO

para romper los enlaces entre el silicio y el oxígeno, es sólo posible a partir de los 2000°C.

Electrodos fundiendo la cuarcita y el carbón.

Horno de silicio metalúrgico

De esta forma se obtiene un silicio de purezade más del 99% (1000 ppm2). Este silicio asíobtenido se denomina de grado metalúrgicoy es adecuado para esta industria queobtiene con él aleaciones especiales, perono lo es para la industria de los semiconductoresque requiere una alta pureza, ni tampocopara la industria solar fotovoltaica querequiere una pureza intermedia (del orden de10 ppm).

Obtención del silicio de grado electrónico (o solar)

Estas altas purezas se consiguen en dos pasos, primero pasando el silicio metalúrgico a gas en un proceso químico:En un segundo paso, se extrae del gas de silicio (triclorosilano), el silicio ultrapuro, al depositarse éste alrededor de un soporte semilla de silicio.Este proceso consiste generalmente en hacer que el silicio se deposite sobre la barra base de silicio dentro de un reactor que está a una alta temperatura, y en el que se introduce el triclorosilano con hidrógeno (proceso Siemens).

De polisilicio a lingotes.

PROCESO SIEMENS

Se utiliza un proceso de Siemens modificado para producir polisilicio. La modificación del los resultados de Siemens en el proceso de aumento de la utilización de ECT, requiere menos electricidad y también es más ecológico, se producen menos contaminantes que en el proceso del reactor originales Siemens.

El proceso incluye cuatro pasos:

HIDROCLORACIÓN:

Se combina el STC con gas hidrógeno, para producir TCS. HCl, un subproducto de este proceso, se mezclará con silicio metalúrgico al mismo tiempo, para producir más TCS.

Destilación

Implica la separación de los no usados del HCl y SCT del TCS a través de la destilación y la condensación.

Deposición de poli

El TCS se introduce en un reactor con hidrógeno y una gran corriente eléctrica, hasta que se deposita en forma de piedras.

Sistema de ventilación de recuperación de gas.

El sistema de ventilación CDI de recuperación de gas combina la compresión, la condensación criogénica, reacción catalítica, la destilación, absorción y absorción ambiente criogénico, para separar la corriente de escape en componentes que son fácilmente reciclables.

Conjunto de reactores Siemens

Reactor de lecho fluido

Columnas de Destilación

MÉTODO DUPONTObtención de silicio grado electrónico o solar.

SiCl4 + 2 Zn → Sí + 2 ZnCl2

Método Czochralski

PROCESOS ANTIGUOS Y ACTUALESUtilización del silicio:

-primera generación: proceso de difusión con obleas de silicio-segunda generación: basan en el uso de depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas con concentradores.-tercera generación: se están estudiando dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos, cuerdas cuánticas, etc.) y dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un potencial de más del 45% de eficiencia.-hipotetica cuarta generación:en una tecnología fotovoltaica compuesta en las que se mezclan, conjuntamente, nanopartículas con polímeros para fabricar una capa simple multiespectral.

Pese a que todavía es pequeña la oferta comercial, el actual mercado fotovoltaico crece de forma contundente a un ritmo superior al 17% anual. Aunque las empresas se desarrollan sujetas una competencia muy dura, se están produciendo grandes y significativos avances para articular el mercado. Pero ahora, la inercia existente favorece a las fuentes energéticas más contaminantes debido al incorrecto funcionamiento de un sistema de precios que no refleja su autentico coste real económico, social y medioambiental. No obstante, todo el sector de la energía evoluciona amparado sobre la importancia que hoy por hoy tiene la liberalización económica y la protección del entorno natural.

PROCESOS REALIZADOS EN MÉXICO

Las actividades en nuestro país relacionadas con la tecnología fotovoltaica (FV) se iniciaron a mediados de los setentas.

PLANTAS:-planta piloto en CINVESTAV, Instituto Politecnico Nacional-planta piloto en ESFM-IPN-CIE de la UNAM-Instituto de Investigaciones Eléctricas de la CFE y otras

Por ejemplo:En México actualmente si se fabrican las celdas solares en MITSUBISHI México.Aunque en México aun no se establece un mercado extenso que fabriquen celdas solares.

Mitsubishi Heavy Industries de México, SA de CV.Paseo de la Reforma No. 265 Piso 18, Col. Cuauhtemoc 06500. Mexico,D.F. MEXICOTel: (55)55.11.41.93, Fax: (55)55.11.34.25

Células fotovoltaicas de polímeros

• Células solares orgánicas que producen electricidad a partir de la luz con la ayuda de polímeros semiconductores.

• Basadas en macromoléculas orgánicas derivadas de la petroquímica, cuyos procesos de fabricación gastan mucha menos energía que la utilizada para las células basadas en semiconductores minerales

• Carácter flexible las hace muy adecuadas para la integración en materiales flexibles o polímeros orgánicos o en siliconas, incluso en fibras textiles

Principio de funcionamiento

• El efecto fotovoltaico de los semiconductores orgánicos es más complicada de describir que la de las células de semiconductores minerales.

•Se trata de los diferentes orbitales moleculares, algunos ocupando el papel de banda de valencia, otros de banda de conducción, entre dos moléculas distintas, que actúan, una como donante de electrones y la otra como aceptor, organizadas en torno a una heterounión como en el caso de los minerales semiconductores.

•Las moléculas que sirven de donantes de electrones se caracterizan por la presencia de electrones π, por lo general en un polímero conjugado llamado de « tipo p ».

• Estos electrones pueden ser excitados por los fotones visibles o cerca del espectro visible, haciéndoles pasar de la orbita molecular alto ocupada al orbital molecular bajo vacante: es lo que se llama la transición π-π *

• Corresponde según la analogía con los minerales semiconductores, a la inyección de los transportadores en la banda de conducción a través de la banda prohibida.

• La energía necesaria para esta transición determina la longitud de onda máxima que puede ser convertida en energía eléctrica por el polímero conjugado.

• Al contrario de lo que ocurre en los semiconductores inorgánicos, los pares de electrones - hueco en un material orgánico, se encuentran cerca, con un fuerte acoplamiento, la disociación de los excitones se alcanza en la interfase con un material aceptor de electrones en el marco del efecto de un gradiente de potencial químico en el origen de la fuerza electromotriz del dispositivo. Estos aceptores de electrones se conocen como «de tipo n».

Materiales