Chemical decomposition of silanes for the production of solar grade silicon

• Autores: Gonzalo Del Coso Sánchez
• Directores de la Tesis: Antonio Luque López (dir. tes.), Carlos del Cañizo Nadal (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2010
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Gabriel Sala Pano (presid.), Ignacio Rey-Stolle Prado (secret.), Eugene E. Haller (voc.), Hugo J. Rodriguez San Segundo (voc.), Araceli Rodríguez Rodríguez (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen
  • español

    Esta Tesis Doctoral se centra en la reducción del coste y del consumo de energía durante el proceso de producción de silicio ultrapuro, el también llamado polisilicio. Estas reducciones ayudan a la tecnología fotovoltaica basada en silicio a alcanzar dos de sus principales objetivos para establecerse como una tecnología viable: bajos costes de producción y bajos tiempos de recuperación de la energía. Se ha definido una tecnología fotovoltaica, basada en silicio cristalino, y se han presentado sus costes de producción. Este análisis permite estimar el impacto de la reducción de costes de la materia prima, el polisilicio, en el producto final, el modulo fotovoltaico. También, mediante dicho análisis se ha podido estudiar el impacto sobre el coste del módulo de las dos principales vías para producir polisilicio: la vía química, con altos costes y altas calidades, y la vía metalúrgica, con menores costes y menores calidades. Este ejercicio de análisis muestra que la calidad de la materia prima (evaluada como la eficiencia de célula) es un inductor de coste muy importante. Como consequencia, esta Tesis Doctoral se centra en la vía química, capaz de producir polisilicio de mayor calidad, proponiendo alternativas y mejoras en el proceso para disminuir los costes de producción y el consumo energético. El análisis teórico del depósito de polisilicio en un reactor de depósito químico en fase vapor (CVD), presentado en esta memoria, comprende: (a) el estudio de las condiciones óptimas de depósito mediante la teoría fluido-mecánica; (b) el estudio de la radiación térmica de las varillas calientes de silicio por medio de la teoría de transferencia de calor por radiación; y (c) el estudio del calentamiento eléctrico de las varillas de silicio mediante la teoría electromagnética. Se ha presentado un modelo fluido-mecánico novedoso que propone expresiones analíticas para la tasa de crecimento de polisilicio sobre las varillas de silicio y para las pérdidas energéticas por convección. La condiciones óptimas de depósito, basadas en el criterio de minimización del consumo energético, se han obtenido del modelo. La transferencia de calor por radiación dentro del reactor CVD se ha analizado en detalle para tres configuraciones que son estado del arte: 36 varillas organizadas en 3 anillos, 48 varillas organizadas en 4 anillos y 60 varillas organizadas en 4 anillos. Se han propuesto alternativas para disminuir las pérdidas energéticas por radiación: aumentar la capacidad de los reactores, mejorar la reflectividad de la pared del reactor e introducir escudos térmicos dentro del reactor. Un inductor importante para la reducción del consumo energético es el diámetro máximo de la varilla cuando se para el proceso. La principal limitación para aumentar dicho diámetro máximo es el riesgo de que se funda el centro de la varilla. El modelo para el calentamiento eléctrico de las varillas, presentado en esta memoria, permite conocer el perfil de temperatura dentro de la varilla de silicio, deduciendo el diámetro de varilla límite, en el cual el centro de la varilla se funde. Se han propuesto en esta Tesis Doctoral dos alternativas para incrementar el diámetro máximo mediante la homogenización del perfil de temperaturas: incrementar la reflectividad de la pared, introducir escudos térmicos y utilizar fuentes de corriente de alta frecuencia para calentar las varillas de silicio. Se ha propuesto un proceso de depóstico completo, basado en las aproximaciones teóricas presentadas en esta Tesis y caracterizado por el bajo consumo energético. Se han detallado las condiciones de depósito y las condiciones eléctricas, tensión y corriente, para calentar las varillas en un reactor CVD de 36 varillas. El análisis teórico se ha equilibrado con trabajo experimental, usando tanto triclorosilano como silano como gases precursores. El trabajo experimental ha mostrado las dificultades para trabajar en la condiciones óptimas de trabajo, ya que pueden originarse dendritas. También el carácter corrosivo del triclorosilano se ha puesto de manifiesto durante la operación de reactor de depósito a escala de laboratorio, diseñado, desarrollado y construido en el Instituto de Energía Solar.

  • English

    This Doctoral Thesis comprises research on the reduction of cost and energy consumption of the production of ultrapurified silicon, so-called polysilicon. These respective reductions are essential to achieving two wider objectives for silicon based photovoltaic technology: low production cost and low energy payback time. A crystalline silicon photovoltaic module technology is defined and its production costs are presented. This allows cost and energy reduction measures to be compared and valued with regard to their impact on the final product. It further permits a cost-per-kilowatt comparison of the two main polysilicon production routes: the chemical route, with high quality and high cost; and the metallurgical route, with lower quality and lower cost. This costing exercise shows the quality of polysilicon (evaluated as the cell efficiency) to be an important driver for module cost-per-kilowatt reduction. Consequently, the presented research focuses on the high-quality chemical route. The presented theoretical analysis of polysilicon deposition in a CVD reactor consists in: (a) the study of the optimum deposition conditions by means of fluid mechanical theory; (b) the study of the thermal radiation of the hot silicon rods by means of thermal radiation heat transfer theory; and (c) the study of the electric heating of the silicon rod by means of electromagnetic theory. A novel fluid mechanical model is presented that proposes analytical expressions for the growth rate of polysilicon onto the silicon rods and for the energy loss by convection. The optimum deposition conditions, which reduce energy consumption, are derived from the model. The thermal radiation heat transfer within the CVD reactor is studied in detail for three state-of-the-art configurations: 36 rods arranged in 3 rings, 48 rods arranged in 3 rings and 60 rods arranged in 4 rings. Alternatives are presented regarding the reduction of the radiant energy loss during the polysilicon deposition: enlarge the reactor capacities, enhance the wall reflectivity and introduce thermal shields within the reactor vessel. An important factor affecting overall energy consumption is the maximum rod diam¬eter reached at the end of the process. The main limitation for increasing this maximum diameter is the risk of melting the rod core. The temperature profile within the silicon rod resulting from electrical heating is modelled, and the limiting diameter at which the core begins to melt is calculated. Two alternatives are proposed for increasing the maximum diameter by reducing the non-homogeneous temperature profile: increasing the wall re-flectivity/introducing thermal shields, and use of a high-frequency current source to heat the rods. Based on the presented theoretical study, a complete deposition process is proposed that is characterised by low energy consumption. The deposition conditions and the electrical conditions (current and voltage) for heating rods in a 36 rods CVD reactor are detailed. Finally, polysilicon deposition has been studied experimentally, and the practicability of the calculated optimum conditions has been tested. Silicon rods have been grown in the laboratory scale deposition reactor, designed, developed and constructed, in part by the author, at the Instituto de Energ´?a Solar, using trichlorosilane and silane as prescursor gases. The experiments show the difficulty in working under the optimum conditions: undesirable dendritic growth was observed, and the trichlorosilane was seen to corrode the reactor. Further experimental study is required in the future to fully understand the polysilicon deposition process in a CVD reactor.