Currently the cost of solar grade silicon accounts for approximately one third of the total solar cell cost, therefore a new silicon refining process is being proposed with the goal of lowering the cost of producing solar grade silicon. In this new process, Si-Cu alloys were used as the silicon source. One to one molar ratio H2-HCl gas mixtures were used as transport agents to extract Si out from the Si-Cu alloy at about 300-700oC, with following reaction taking place: Si+3HCl(g)=HSiCl3(g)+H2(g) While at about 1000-1300oC, pure Si deposits onto a hot silicon rod according to: Si+3HCl(g)=HSiCl3(g)+H2(g) The role of the copper in the alloy was to trap impurities in the Si and catalyze the gas solid reaction. A study on determining the rate limiting step and impurity behavior was done. A possible silicon extraction reaction mechanism was also addressed.

Currently the cost of solar grade silicon accounts for approximately one third of the total solar cell cost, therefore a new silicon refining process is being proposed with the goal of lowering the cost of producing solar grade silicon. In this new process, Si-Cu alloys were used as the silicon source. One to one molar ratio H2-HCl gas mixtures were used as transport agents to extract Si out from the Si-Cu alloy at about 300-700oC, with following reaction taking place: Si+3HCl(g)=HSiCl3(g)+H2(g) While at about 1000-1300oC, pure Si deposits onto a hot silicon rod according to: Si+3HCl(g)=HSiCl3(g)+H2(g) The role of the copper in the alloy was to trap impurities in the Si and catalyze the gas solid reaction. A study on determining the rate limiting step and impurity behavior was done. A possible silicon extraction reaction mechanism was also addressed.

Novas rotas para obtenção de silício grau solar a partir de silício grau metalúrgico estão em desenvolvimento e a solidificação direcional é uma etapa presente em todos os processos propostos. O refino de silício por solidificação direcional baseia-se no fenômeno de macrossegregação das impurezas. Experimentos de solidificação direcional transiente foram realizados em condições estáticas utilizando um equipamento projetado no âmbito desse trabalho. A partir de um experimento de referência, foram avaliadas as influências da alteração do material da base do cadinho, altura do lingote e condição de resfriamento do forno. Para estudo das condições de solidificação e dos mecanismos envolvidos no fenômeno de macrossegregação de solutos foi proposto e implementado um modelo matemático. Esse modelo considera as equações gerais de transporte no caso unidirecional e o transporte de espécies químicas por difusão macroscópica e convecção. A convecção foi tratada a luz da teoria da camada estagnada a frente da interface sólido-líquido. Variáveis como velocidade da interface sólido-líquido, gradiente de temperatura, perfis de concentração de soluto e de fração de sólido foram obtidos com o modelo matemático utilizando as temperaturas medidas no silício durante os experimentos de solidificação como condições de contorno do modelo. Os resultados experimentais mostraram que sob algumas condições foram obtidos lingotes com macroestrutura típica de solidificação unidirecional e, além disso, as microestruturas mostraram evidências de macrossegregação de solutos. Os resultados do modelo matemático mostraram que a solidificação ocorreu em diferentes condições de velocidade da interface sólido-líquido e gradiente de temperatura nos experimentos. Os resultados obtidos com a utilização do modelo matemático mostraram que a convecção teve papel fundamental no fenômeno de macrossegregação de solutos. / New process routes are under development to obtain solar grade silicon from metallurgical grade one, and the directional solidification is an essential step in all proposed process routes. The silicon refining by directional solidification is based on the impurities macrosegregation phenomena. Transient solidification experiments were conducted under a static condition in a furnace projected for this work. From a reference experiment it was analyzed the effects of the changing the material of the crucible base, the ingot height and the cooling condition of the furnace. A mathematical model was proposed and implemented in order to study the solidification conditions and the main mechanisms regarding the macrosegregation phenomena. The mathematical model considers the conservation equations in one direction and the transport of chemical species occurs by diffusion and convection. The convection was treated using the diffusion layer theory. The velocity of solid-liquid interface, temperature gradient and profiles of solute concentration and solid fraction were obtained using the temperatures on silicon during the solidification experiments as boundaries conditions of the model. The experimental results showed that under some conditions it was obtained ingots with typical unidirectional macrostructure and, besides, showed in the microstructure evidences of macrosegregation. The mathematical model results showed that the solidification took place under different conditions of solid-liquid interface velocities and temperature gradient in the experiments. The results from the mathematical model showed that convection plays an essential role in the macrosegregation phenomena.

A demanda por energia fotovoltaica vem aumentando a razão de mais de 20% ao ano no mercado internacional nos últimos dez anos. O silício com pureza entre 99,999% e 99,99999% é utilizado na fabricação de células fotovoltaicas. O silício metalúrgico tem pureza entre 98,5% e 99%. Este estudo visa investigar o refino a vácuo como um processo alternativo de menor custo para se obter o silício para células fotovoltaicas. Este processo pode remover o fósforo do silício, que é um dos elementos prejudiciais à célula fotovoltaica. Isso permitiria agregar valor à produção brasileira de silício metalúrgico, que alcança um preço de aproximadamente US$2,5 por quilo, enquanto o silício para células fotovoltaicas varia entre US$20 e 60 por quilo. Foram realizados experimentos de fusão em forno de indução a vácuo, variando parâmetros como temperatura, tempo e pressão. O teor de fósforo caiu de 33 ppm para cerca de 0,1 ppm e os resultados foram comparados com um modelo matemático da literatura. Conclui-se que o refino por este processo é tecnicamente viável. / The demand for photovoltaics is increasing at a ratio over 20 % per year in the international market in the last ten years. Silicon with purity of 99.999 % and 99.99999 % is used in the manufacture of photovoltaic cells. The purity of metallurgical silicon is between 98.5% and 99%. This study aims to investigate the vacuum refining process as a lower cost alternative to obtain silicon for photovoltaic cells. This process can remove phosphorus from silicon, which is a harmful element to the photovoltaic cell. This would add value to Brazilian production of metallurgical silicon, that reaches a price of approximately U.S.$ 2.5 per kilogram, while the silicon for photovoltaic cells varies between U.S.$ 20 and 60 per kilo . Melting experiments were performed in a vacuum induction furnace by varying such parameters as temperature, time and pressure. The phosphorus content dropped from 33 ppm to about 0.1 ppm and the results were compared with a mathematical model from literature. It is concluded that refining of this process is technically feasible.

A demanda por energia fotovoltaica vem aumentando a razão de mais de 20% ao ano no mercado internacional nos últimos dez anos. O silício com pureza entre 99,999% e 99,99999% é utilizado na fabricação de células fotovoltaicas. O silício metalúrgico tem pureza entre 98,5% e 99%. Este estudo visa investigar o refino a vácuo como um processo alternativo de menor custo para se obter o silício para células fotovoltaicas. Este processo pode remover o fósforo do silício, que é um dos elementos prejudiciais à célula fotovoltaica. Isso permitiria agregar valor à produção brasileira de silício metalúrgico, que alcança um preço de aproximadamente US$2,5 por quilo, enquanto o silício para células fotovoltaicas varia entre US$20 e 60 por quilo. Foram realizados experimentos de fusão em forno de indução a vácuo, variando parâmetros como temperatura, tempo e pressão. O teor de fósforo caiu de 33 ppm para cerca de 0,1 ppm e os resultados foram comparados com um modelo matemático da literatura. Conclui-se que o refino por este processo é tecnicamente viável. / The demand for photovoltaics is increasing at a ratio over 20 % per year in the international market in the last ten years. Silicon with purity of 99.999 % and 99.99999 % is used in the manufacture of photovoltaic cells. The purity of metallurgical silicon is between 98.5% and 99%. This study aims to investigate the vacuum refining process as a lower cost alternative to obtain silicon for photovoltaic cells. This process can remove phosphorus from silicon, which is a harmful element to the photovoltaic cell. This would add value to Brazilian production of metallurgical silicon, that reaches a price of approximately U.S.$ 2.5 per kilogram, while the silicon for photovoltaic cells varies between U.S.$ 20 and 60 per kilo . Melting experiments were performed in a vacuum induction furnace by varying such parameters as temperature, time and pressure. The phosphorus content dropped from 33 ppm to about 0.1 ppm and the results were compared with a mathematical model from literature. It is concluded that refining of this process is technically feasible.

Novas rotas para obtenção de silício grau solar a partir de silício grau metalúrgico estão em desenvolvimento e a solidificação direcional é uma etapa presente em todos os processos propostos. O refino de silício por solidificação direcional baseia-se no fenômeno de macrossegregação das impurezas. Experimentos de solidificação direcional transiente foram realizados em condições estáticas utilizando um equipamento projetado no âmbito desse trabalho. A partir de um experimento de referência, foram avaliadas as influências da alteração do material da base do cadinho, altura do lingote e condição de resfriamento do forno. Para estudo das condições de solidificação e dos mecanismos envolvidos no fenômeno de macrossegregação de solutos foi proposto e implementado um modelo matemático. Esse modelo considera as equações gerais de transporte no caso unidirecional e o transporte de espécies químicas por difusão macroscópica e convecção. A convecção foi tratada a luz da teoria da camada estagnada a frente da interface sólido-líquido. Variáveis como velocidade da interface sólido-líquido, gradiente de temperatura, perfis de concentração de soluto e de fração de sólido foram obtidos com o modelo matemático utilizando as temperaturas medidas no silício durante os experimentos de solidificação como condições de contorno do modelo. Os resultados experimentais mostraram que sob algumas condições foram obtidos lingotes com macroestrutura típica de solidificação unidirecional e, além disso, as microestruturas mostraram evidências de macrossegregação de solutos. Os resultados do modelo matemático mostraram que a solidificação ocorreu em diferentes condições de velocidade da interface sólido-líquido e gradiente de temperatura nos experimentos. Os resultados obtidos com a utilização do modelo matemático mostraram que a convecção teve papel fundamental no fenômeno de macrossegregação de solutos. / New process routes are under development to obtain solar grade silicon from metallurgical grade one, and the directional solidification is an essential step in all proposed process routes. The silicon refining by directional solidification is based on the impurities macrosegregation phenomena. Transient solidification experiments were conducted under a static condition in a furnace projected for this work. From a reference experiment it was analyzed the effects of the changing the material of the crucible base, the ingot height and the cooling condition of the furnace. A mathematical model was proposed and implemented in order to study the solidification conditions and the main mechanisms regarding the macrosegregation phenomena. The mathematical model considers the conservation equations in one direction and the transport of chemical species occurs by diffusion and convection. The convection was treated using the diffusion layer theory. The velocity of solid-liquid interface, temperature gradient and profiles of solute concentration and solid fraction were obtained using the temperatures on silicon during the solidification experiments as boundaries conditions of the model. The experimental results showed that under some conditions it was obtained ingots with typical unidirectional macrostructure and, besides, showed in the microstructure evidences of macrosegregation. The mathematical model results showed that the solidification took place under different conditions of solid-liquid interface velocities and temperature gradient in the experiments. The results from the mathematical model showed that convection plays an essential role in the macrosegregation phenomena.