Tesis:
Descomposicion química de silanos para la obtención de silicio de calidad solar. Chemical decomposition of silanes for the production of solar grade silicon.
- Autor: COSO SANCHEZ, Gonzalo del
- Título: Descomposicion química de silanos para la obtención de silicio de calidad solar. Chemical decomposition of silanes for the production of solar grade silicon.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/5153/
- Director/a 1º: LUQUE LOPEZ, Antonio
- Director/a 2º: CAÑIZO NADAL, Carlos del
- Resumen: 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 analíti¬cas 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.