La influencia del contenido de impurezas en el rendimiento del silicio metálico.

metal de silicioLos grados se caracterizan por "códigos numéricos" que representan el contenido máximo permitido (en partes por diez mil) de hierro (Fe), aluminio (Al) y calcio (Ca). La correspondencia y la base estándar de los grados centrales son los siguientes (consulte GB/T 2881-2014 y ASTM E478-22):

Nota:ppm son partes por millón, 1%=10000ppm; Los grados internacionales (como ASTM) tienen expresiones ligeramente diferentes, pero la lógica de codificación de impurezas es consistente.

(1) Hierro (Fe): influencia central en las propiedades eléctricas y la tenacidad de la aleación

Mecanismo:El hierro forma compuestos intermetálicos como FeSi₂ y Fe₃Si en silicio metálico. Estos compuestos son fases semiconductoras o conductoras, que destruirán la integridad de la red del silicio, lo que provocará un aumento significativo de la resistividad (por ejemplo, cuando el contenido de Fe aumenta de 100 ppm a 500 ppm, la resistividad del silicio metálico aumenta de 2000 Ω・cm a más de 8000 Ω・cm). Diferencias de adaptabilidad de la industria:

Campo semiconductor/fotovoltaico:El Fe debe controlarse por debajo de 100 ppm (p. ej.,Silicio metálico grado 1101), de lo contrario, se reducirá la vida útil del portador en las obleas de silicio y se reducirá entre un 0,5% y un 1% la eficiencia de conversión de las células fotovoltaicas;

Campo de aleación de aluminio:Una cantidad adecuada de Fe (300-500 ppm) puede formar una fase de refuerzo dispersa, mejorando la resistencia de la aleación, pero exceder las 800 ppm generará una fase gruesa de FeAl₃, lo que resultará en una disminución del 20%-30% en la tenacidad de la aleación y un fácil agrietamiento durante el procesamiento.

(2) Aluminio (Al): Equilibrio de requisitos de conductividad y rendimiento de la aleación

Mecanismo de influencia:El aluminio forma una solución sólida de Al-Si con silicio, lo que mejora la fluidez de la fundición y la resistencia de la aleación. Sin embargo, el radio atómico del aluminio difiere significativamente del del silicio y la solución sólida provocará una distorsión de la red, lo que reducirá la conductividad. Diferencias de compatibilidad de la industria:
Aleaciones de aluminio para automóviles (p. ej., aleación 6061 para ruedas): Metal de silicio grado 441(Al menor o igual a 400 ppm). Al y Si optimizan sinérgicamente el rendimiento de la fundición, aumentando la tasa de calificación de formación de ruedas entre un 10% y un 15%.
Aleaciones eléctricas de aluminio (p. ej., aleación 1350 para alambres y cables):Grados a continuación2202 Silicio metálico(Al menor o igual a 200 ppm) debe seleccionarse; de lo contrario, la conductividad cae del 62% IACS a menos del 58% IACS, incumpliendo los requisitos de eficiencia de transmisión de energía.

(3) Calcio (Ca): Afecta la estabilidad química y la compatibilidad del proceso.

Mecanismo de influencia:El calcio existe en el silicio metálico como CaSi₂, exhibe una fuerte reactividad química y reacciona fácilmente con oxígeno, azufre y otros elementos para formar compuestos de bajo-punto de fusión- (p. ej., CaO・SiO₂, punto de fusión 1464 grados). Diferencias de compatibilidad de la industria:
Síntesis de organosilicio:El contenido de Ca debe controlarse por debajo de 30 ppm (p. ej.,Grado de silicio metálico 3303), de lo contrario, catalizará reacciones secundarias, lo que provocará una distribución desigual del peso molecular del polímero de organosilicio y una disminución del 15 % al 20 % en la resistencia a la tracción.
Desoxidación de la acería:Cantidades apropiadas de Ca (100-300 ppm) pueden mejorar la fluidez del acero fundido y aumentar la tasa de desulfuración entre un 10% y un 15%, pero niveles superiores a 500 ppm generarán la fase dura y quebradiza de CaC₂, lo que reducirá la tenacidad al impacto del acero.

(4) Trazas de impurezas (fósforo, boro): un "impacto fatal" en los campos-de alta gama

El fósforo y el boro se consideran "impurezas traza críticas" en el silicio metálico. Incluso en concentraciones inferiores a 1 ppm, pueden alterar significativamente el rendimiento:
En el campo de los semiconductores:El boro es un dopante de tipo P-y el boro es un dopante de tipo N-. Las trazas de impurezas pueden provocar una conductividad descontrolada de las obleas de silicio, lo que reduce el rendimiento del chip en más de un 30 %. Deben controlarse por debajo de 0,1 ppm (estándar de silicio metálico de grado electrónico-.
En el campo fotovoltaico:Las concentraciones de P y boro superiores a 0,5 ppm pueden formar centros de recombinación, lo que reduce la vida útil del portador fotogenerado. Se debe utilizar silicio metálico de grado fotovoltaico- (P menor o igual a 0,3 ppm, B menor o igual a 0,3 ppm).

(1) Proceso de control central

Purificación de Materias Primas:

Se selecciona arena de cuarzo de alta-pureza (SiO₂ mayor o igual al 99,9%) y agente reductor de baja-impureza (cenizas de coque de petróleo menor o igual al 0,5%) para reducir la introducción de impurezas desde la fuente;

Control de fundición:

Se adopta un proceso de refinación en horno de arco sumergido. Al ajustar la posición del electrodo y la atmósfera del horno, se promueve la reacción y separación de impurezas con la escoria. La tasa de eliminación de Fe y Al puede alcanzar el 60% -70%;

Purificación post-tratamiento:

El silicio metálico-de alta gama (como el de grado electrónico) debe lavarse con ácido-(mezcla de ácido clorhídrico + ácido fluorhídrico) y fundirse al vacío. La tasa de eliminación de trazas de impurezas es mayor o igual al 99%.

(2) Métodos de detección autorizados

Impurezas comunes (Fe, Al, Ca):

Se utiliza ICP-OES (Espectrómetro de Emisión Óptica de Plasma Acoplado Inductivamente), con un límite de detección de 1 ppm y un error Menor o igual al 5%;

Trazas de impurezas (P, B):

Se utiliza ICP-MS (espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente), con un límite de detección de 0,01 ppm, que cumple con los requisitos de grado de semiconductor-;

Detección rápida en-sitio:

Se utiliza espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF), lo que completa la detección del contenido de impurezas principales en 10 minutos, lo que es adecuado para la inspección de calidad de la producción industrial.

(1) Industria de semiconductores/electrónica
 Requisitos de selección:Utilice grado 1101 o pureza superior, Fe menor o igual a 100 ppm, Al menor o igual a 100 ppm, Ca menor o igual a 10 ppm, P menor o igual a 0,1 ppm, B menor o igual a 0,1 ppm;
 Requisitos básicos:Garantizar la integridad de la red y la estabilidad del rendimiento eléctrico, evitando fallos del dispositivo causados ​​por impurezas.

(2) Industria Fotovoltaica
 Requisitos de selección:Utilice 2202 o grado especial fotovoltaico-, Fe menor o igual a 200 ppm, Al menor o igual a 200 ppm, Ca menor o igual a 20 ppm, P menor o igual a 0,3 ppm, B menor o igual a 0,3 ppm;
 Requisitos básicos:Equilibrar la eficiencia y el costo de la conversión; El contenido de impurezas debe coincidir con los procesos de corte de obleas de silicio y de fabricación de baterías.

(3) Industria del organosilicio
 Requisitos de selección:Utilice grado 3303 o 441, Fe menor o igual a 400 ppm, Al menor o igual a 400 ppm, Ca menor o igual a 30 ppm;
 Requisitos básicos:Evite reacciones secundarias catalizadas por impurezas-y garantice un rendimiento constante de los productos de organosilicio.

(4) Industria metalúrgica/aleaciones de aluminio
 Requisitos de selección:UsarMetal de silicio de grado 553.(Fe menor o igual a 500 ppm, Al menor o igual a 500 ppm, Ca menor o igual a 300 ppm) para la construcción de aleaciones de aluminio, yGrado de silicio 441para aleaciones de aluminio para automóviles;