Chemical decomposition of silanes for the production of solar grade silicon

Esta Tesis Doctoral se centra en la reduccion del coste y del consumo de energia durante el proceso de produccion de silicio ultrapuro, el tambien llamado polisilicio. Estas reducciones ayudan a la tecnologia fotovoltaica basada en silicio a alcanzar dos de sus principales objetivos para establecerse como una tecnologia viable: bajos costes de produccion y bajos tiempos de recuperacion de la energia. Se ha definido una tecnologia fotovoltaica, basada en silicio cristalino, y se han presentado sus costes de produccion. Este analisis permite estimar el impacto de la reduccion de costes de la materia prima, el polisilicio, en el producto final, el modulo fotovoltaico. Tambien, mediante dicho analisis se ha podido estudiar el impacto sobre el coste del modulo de las dos principales vias para producir polisilicio: la via quimica, con altos costes y altas calidades, y la via metalurgica, con menores costes y menores calidades. Este ejercicio de analisis muestra que la calidad de la materia prima (evaluada como la eficiencia de celula) es un inductor de coste muy importante. Como consequencia, esta Tesis Doctoral se centra en la via quimica, capaz de producir polisilicio de mayor calidad, proponiendo alternativas y mejoras en el proceso para disminuir los costes de produccion y el consumo energetico. El analisis teorico del deposito de polisilicio en un reactor de deposito quimico en fase vapor (CVD), presentado en esta memoria, comprende: (a) el estudio de las condiciones optimas de deposito mediante la teoria fluido-mecanica; (b) el estudio de la radiacion termica de las varillas calientes de silicio por medio de la teoria de transferencia de calor por radiacion; y (c) el estudio del calentamiento electrico de las varillas de silicio mediante la teoria electromagnetica. Se ha presentado un modelo fluido-mecanico novedoso que propone expresiones analiti¬cas para la tasa de crecimento de polisilicio sobre las varillas de silicio y para las perdidas energeticas por conveccion. La condiciones optimas de deposito, basadas en el criterio de minimizacion del consumo energetico, se han obtenido del modelo. La transferencia de calor por radiacion 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 perdidas energeticas por radiacion: aumentar la capacidad de los reactores, mejorar la reflectividad de la pared del reactor e introducir escudos termicos dentro del reactor. Un inductor importante para la reduccion del consumo energetico es el diametro maximo de la varilla cuando se para el proceso. La principal limitacion para aumentar dicho diametro maximo es el riesgo de que se funda el centro de la varilla. El modelo para el calentamiento electrico de las varillas, presentado en esta memoria, permite conocer el perfil de temperatura dentro de la varilla de silicio, deduciendo el diametro de varilla limite, en el cual el centro de la varilla se funde. Se han propuesto en esta Tesis Doctoral dos alternativas para incrementar el diametro maximo mediante la homogenizacion del perfil de temperaturas: incrementar la reflectividad de la pared, introducir escudos termicos y utilizar fuentes de corriente de alta frecuencia para calentar las varillas de silicio. Se ha propuesto un proceso de depostico completo, basado en las aproximaciones teoricas presentadas en esta Tesis y caracterizado por el bajo consumo energetico. Se han detallado las condiciones de deposito y las condiciones electricas, tension y corriente, para calentar las varillas en un reactor CVD de 36 varillas. El analisis teorico se ha equilibrado con trabajo experimental, usando tanto triclorosilano como silano como gases precursores. El trabajo experimental ha mostrado las di¬ficultades para trabajar en la condiciones optimas de trabajo, ya que pueden originarse dendritas. Tambien el caracter corrosivo del triclorosilano se ha puesto de manifiesto du¬rante la operacion de reactor de deposito a escala de laboratorio, disenado, desarrollado y construido en el Instituto de Energia Solar. ABSTRACT 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.