Lixiviação ácida

A lixiviação é empregada para remover impurezas presentes no silício grau metalúrgico por um agente lixiviante. Consiste num processo de extração sólido-líquido, onde a velocidade e a eficiência do processo podem sofrer influência de diversos parâmetros, tais como: tamanho da partícula, solvente (agente lixiviante), temperatura, agitação do banho e tempo de ataque (AGUIAR, 1989).

A fim de favorecer o processo de purificação, o silício é moído, o que aumenta a superfície de contato. Na lixiviação ácida, em geral, utiliza-se ácido clorídrico (HCl) ou uma solução de ácido clorídrico e ácido fluorídrico (HCl/HF). Este processo é bem conhecido e eficiente para remover impurezas presentes no silício na forma de óxidos e silicatos. Ao longo do processo de extração observa-se o aumento da concentração de impurezas no solvente e, consequentemente, redução da eficiência de extração. Para compensar esse efeito, a mistura silício + solvente é aquecida de modo a aumentar a solubilidade do material e favorecendo o aumento da taxa de extração. Em geral, a mistura é aquecida até próximo da temperatura de ebulição do ácido usado no experimento (SANTOS et al., 1984, AGUIAR, 1989). A Tabela 2.5 apresenta a análise química do silício grau metalúrgico purificado por lixiviação ácida.

Após o processo de purificação por lixiviação, é crescimento de cristais para

lixiviação ácida com outra técnica de purificação mostrou

um material de alta pureza e células com eficiência de conversão de 9 % et al., 1980).

Bons resultados foram

impurezas presentes no contorno dos grãos cristalinos. Neste processo, lâminas de silício policristalino são polidas e submetidas a um ataque químico com solução de

fluorídrico (HF), ácido nítrico (HNO

a concentração de impurezas presentes nos contornos dos grãos, com exceção do boro e fósforo (HANOKA et al., 1981

Tabela 2.5 Análise química do silício grau metalúrgico purificado por lixiviação ácida.

A = antes da lixiviação, D = após a lixiviação * Não informado

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Após o processo de purificação por lixiviação, é necessário associar uma técnica de para se obter lingotes a partir do silício lixiviado. Associar lixiviação ácida com outra técnica de purificação mostrou-se eficiente, pois permitiu obter um material de alta pureza e células com eficiência de conversão de 9 %

Bons resultados foram também obtidos com o uso da lixiviação ácida para remover impurezas presentes no contorno dos grãos cristalinos. Neste processo, lâminas de silício policristalino são polidas e submetidas a um ataque químico com solução de

fluorídrico (HF), ácido nítrico (HNO3) e ácido acético (CH3COOH). Esse processo reduziu

a concentração de impurezas presentes nos contornos dos grãos, com exceção do boro e , 1981).

Análise química do silício grau metalúrgico purificado por lixiviação ácida. necessário associar uma técnica de obter lingotes a partir do silício lixiviado. Associar se eficiente, pois permitiu obter um material de alta pureza e células com eficiência de conversão de 9 % (WARABISAKO

obtidos com o uso da lixiviação ácida para remover impurezas presentes no contorno dos grãos cristalinos. Neste processo, lâminas de silício policristalino são polidas e submetidas a um ataque químico com solução de ácido COOH). Esse processo reduziu a concentração de impurezas presentes nos contornos dos grãos, com exceção do boro e

19 2.1.3.2 Desgaseificação a vácuo

O processo consiste em fundir o silício grau metalúrgico sob ação de vácuo, propiciando a volatilização de impurezas. Essa técnica é chamada de desgaseificação a vácuo (HANAZAWA et al., 2003). Nesta técnica a remoção das impurezas se dá pela volatilização das mesmas dentro da câmara de vácuo durante a fusão do silício em um forno de feixe de elétrons (Electron Beam Melting).

A pressão de vapor do silício na temperatura de 1500 °C é 0,9 Pa e as impurezas presentes no silício grau metalúrgico, que possuem pressão de vapor acima da pressão de trabalho da câmara de fusão são volatilizadas. A Tabela 2.6 apresenta os valores da pressão de valor das principais impurezas presentes no silício grau metalúrgico.

Observa-se que das impurezas listadas, apenas o boro e o titânio não podem ser removidos por desgaseificação a vácuo, devido à baixa pressão de vapor destes elementos. Neste caso, faz-se necessário associar outra técnica de purificação. Vale notar que durante o experimento de desgaseificação a vácuo também há evaporação de silício, devido ao valor da pressão de vapor deste elemento ser relativamente elevado, o que limita o recurso de reduzir a pressão de trabalho da câmara de fusão com a finalidade de remover o boro, por exemplo.

Quando se têm formação de compostos (em geral, óxidos), devido à afinidade química da impureza com o oxigênio dissolvido no silício grau metalúrgico, o valor da pressão de vapor muda e, é necessário conhecer a energia de Gibbs do composto no silício fundido (RIEMANN, 2009). A Figura 2.6 apresenta o gráfico com a energia de Gibbs de compostos durante a fusão do silício grau metalúrgico.

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Tabela 2.6 Pressão de vapor a 1500 °C das principais impurezas presentes no silício grau metalúrgico (BATHEY et al., 1982).

Elemento Pressão de vapor a 1500 0C (Pa) boro 5 x 10-5 titânio 7 x 10-2 silício 0,9 ferro 4,0 cobre 70,0 alumínio 100,0 manganês 4 x 103 fósforo > 105 magnésio > 106

Braga realizou experimentos de desgaseificação a vácuo em um forno EBM, usando como material de partida o silício lixiviado e alcançou pureza de 99,999 % (BRAGA et al., 1997) partindo de um silício com grau de pureza igual a 99,970 %.

Pires (PIRES et al., 2003) observou um efeito de segregação de impurezas nos lingotes de silício purificados por desgaseificação a vácuo em forno EBM. O silício grau metalúrgico foi fundido em um cadinho de cobre refrigerado em formato de calota e os lingotes de silício foram chamados de discos. Pires mostrou que ocorre segregação das impurezas tais como ferro, alumínio e cálcio para o centro do disco de silício. A segregação das impurezas para a região central ocorre porque ao final do experimento, o feixe de elétrons é gradualmente colimado e por difusão as impurezas são segregadas para o centro do disco (PIRES et al., 2003).

Figura 2.6 Energia de Gibbs para formação de ó de RIEMANN, 2009).