In this case study, we explore the use of MPE’s precision particle size reduction equipment for grinding silicon granules into seed for Fluidized Bed Reactors (FBRs). This process is key to producing an extremely pure silicon at a fraction of the energy when compared to other refining methods.
Un Gran-U-Lizer ingegnerizzato MPE con speciali rulli ceramici e superfici di contatto con prodotti non ferrosi utilizzato per il processo di riduzione dimensionale del silicio eccelle nel suo utilizzo per due motivi:
- Dimensiona i granuli di silicio in distribuzioni granulometriche strette (con un intervallo di 200-450 μm) ideali per i semi di silicio; questa è una delle variabili importanti per mantenere il processo FBR continuo.
- Mantiene la purezza del flusso di prodotto. La normale tecnologia di riduzione dimensionale conferirebbe livelli inaccettabili di contaminanti ferrosi e/o altri elementi non siliconici. I Gran-U-Lizers di MPE impartiscono una quantità significativamente inferiore di contaminanti rispetto a qualsiasi altra tecnologia di riduzione delle dimensioni. Questa differenza si traduce in una maggiore purezza del silicio, che si traduce in una maggiore redditività per il produttore.
Process Flow of Converting Silica to End Products, and Where MPE Fits in It
La silice non raffinata (tipicamente quarzo) viene prima trasformata in silicio di grado metallurgico (MG-Si). Quindi l “MG-Si viene trasformato in gas silano. Quindi i reattori a letto fluido (FBR), con l” aiuto di granulizzatori MPE, combinano gas silano, semi di silicio e idrogeno per produrre pezzi di silicio ultrapuro. I pezzi di silicio vengono quindi fusi in lingotti e tagliati in wafer. Questi chip finiscono in molti prodotti come celle solari, sensori per fotocamere e chip per computer.
What are FBRs?
Gli FBR sono una tecnologia di raffinazione relativamente più recente che trasforma il gas silano (SiH4) e il seme di silicio (Si) in granuli di silicio puri al 99,9999% (o superiori). I produttori quindi fondono i granuli di silicio estratti dal processo FBR in lingotti. I produttori di chip per computer, CPU, sensori di immagine e celle fotovoltaiche tagliano questi lingotti in wafer per creare i loro prodotti.
Gli FBR sono un’alternativa promettente al metodo Siemens (noto anche come processo Siemens), una tecnologia di produzione molto più comune per la produzione di silicio raffinato per ricavarne lingotti. Il metodo Siemens è una tecnologia relativamente matura, mentre gli FBR vengono utilizzati solo di recente su larga scala.
Un fattore chiave che distingue queste due tecnologie è il loro consumo di energia. Il metodo Siemens consuma enormi quantità di energia, e quindi questo tipo di impianti sono redditizi solo dove l’elettricità è abbondante e poco costosa. Gli FBR, al contrario, utilizzano il 90% in meno di energia per produrre la stessa quantità di silicio rispetto al metodo Siemens. Il minor consumo di elettricità significa che gli FBR possono essere gestiti in modo redditizio in molti paesi e regioni in cui altrimenti non sarebbe redditizio operare. Inoltre, gli FBR offrono anche molti vantaggi ambientali.
Why would producers choose the Siemens method over FBRs?
Gli FBR sono difficili da scalare e utilizzare. Gli ingegneri degli impianti hanno iniziato solo di recente a superare le sfide della scalabilità degli FBR, che si basano sulla fluidodinamica che avviene in un processo continuo , non in un processo batch come nel metodo Siemens. Poiché la tecnologia FBR è pronta per il mercato solo di recente e richiede un enorme investimento iniziale, al momento della pubblicazione di questo articolo, gli FBR rappresentano solo il 5% della produzione di silicio.
The Silicon market and importance of purity
Parte del successo (cioè della redditività) delle raffinerie è la loro capacità di produrre silicio di elevata purezza, se non semplicemente la massima purezza possibile. Il silicio di maggiore purezza, ad esempio, può essere utilizzato per celle solari con maggiore efficienza, ottenendo una maggiore potenza elettrica e durata del prodotto.
Gli usi comuni del silicio raffinato in base alla purezza sono:
- Il silicio policristallino è generalmente un minimo di purezza “6N” (un termine industriale a causa delle sei cifre: 99,9999%). Questo è comunemente usato nelle celle fotovoltaiche e quindi può anche essere indicato come silicio di grado solare (SiSG).
- Il silicio monocristallino (noto anche come silicio monocristallino) richiede intervalli da 9N a 11N. Anche questo è comunemente usato nelle celle fotovoltaiche (che hanno una maggiore efficienza [cioè l “uscita elettrica] e che generalmente durano più a lungo). I gradi più alti, come l” 11N, vengono utilizzati anche per produrre semiconduttori.
Gli FBR sono in grado di produrre silicio puro fino a 11N. Tuttavia, più puro è il silicio risultante, più importante è la contaminazione ridotta al minimo (ad esempio, basse parti per miliardo) durante la lavorazione del seme di silicio. La riduzione granulometrica di precisione, di cui l’MPE è il leader mondiale preminente, è di vitale importanza per la fluidodinamica all’interno degli FBR. Un modo per immaginare l’interno di un FBR è creare un ambiente in cui un solido (seme di silicio) e i gas (idrogeno e silano) si muovono insieme come un liquido. Pertanto, la riduzione di precisione delle dimensioni delle particelle di semi di silicio deve essere eseguita in modo accurato, con la minor contaminazione possibile e a un ritmo su scala industriale per far funzionare con successo un FBR.
How FBRs Work, and MPE’s Significance Behind FBRs
Gli FBR funzionano pompando gas silano e idrogeno in una camera insieme a piccoli semi di silicio altamente purificati. All “interno dell” FBR, il silano si rompe, gli atomi di silicio si depositano sul seme e il risultato sono granuli più grandi di silicio altamente puro (fino a 11N).
I granuli di silicio più grandi escono dall “FBR nella parte inferiore. La maggior parte di questi granuli viene portata via in un processo di fusione. Tuttavia, una piccola quantità di granuli di silicio viene deviata dal flusso di prodotti per diventare nuovamente seme di silicio con l” uso di un MPE Gran-U-Lizer. Il processo è molto più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri metodi di raffinazione, come il metodo Siemens. I vantaggi degli FBR si realizzano in diversi modi; Più regioni del mondo sono in grado di gestire impianti di raffinazione del silicio, riducendo il costo dei prodotti finali a base di silicio come celle solari e semiconduttori e riducendo le esternalità ambientali.
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