Come si producono le placche di silicio?
Dalla vita di un tecnico del fotovoltaico – Come vengono realizzate le placche di silicio per i pannelli fotovoltaici?
Il fotovoltaico è una tecnologia che converte la luce solare in elettricità grazie al fenomeno del fotovoltaico. Un componente chiave di questo processo sono i pannelli fotovoltaici, che sono costituiti da numerose celle fotovoltaiche interconnesse fatte di semiconduttori. Tra i vari materiali semiconduttori, il silicio (Si) è il più diffuso e costituisce la base di circa il 90% dei pannelli solari di tutto il mondo. Il processo di produzione degli array di silicio, che sono la base delle celle fotovoltaiche, è a più fasi e tecnologicamente complesso. Gli argomenti relativi alla produzione sono sicuramente di mio grande interesse. Per questo oggi daremo un’occhiata approfondita a come vengono realizzati gli array di silicio. Dall’estrazione della materia prima, alla sua lavorazione, fino al prodotto finito che viene consegnato ai produttori di pannelli.
1 Estrazione del silicio grezzo. Come si producono le placche di silicio?
Il silicio è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre e rappresenta circa il 28% della sua massa. La materia prima utilizzata per produrre silicio di elevata purezza è il quarzo (SiO2). Viene estratto nelle miniere di arenaria e in altre formazioni rocciose. Il quarzo contiene silicio sotto forma di ossido di silicio, che deve essere convertito in silicio metallurgico puro.
Il processo di riduzione del quarzo avviene in forni ad arco, dove la silice (SiO2) reagisce con il carbonio a temperature molto elevate (oltre i 2000°C). Ciò porta alla precipitazione di silicio puro e monossido di carbonio:
SiO2+2C→Si+2CO
Il silicio metallurgico ottenuto ha una purezza di circa il 98-99%. Si tratta di una materia prima che deve essere sottoposta a ulteriori processi di purificazione per renderla adatta alle applicazioni elettroniche e fotovoltaiche.
2. purificazione del silicio per il settore solare
Per la produzione di pannelli fotovoltaici è necessario un silicio di altissima purezza (il cosiddetto silicio solare), che contiene solo un atomo di impurità per ogni miliardo di atomi di silicio (purezza del 99,9999%). La purificazione del silicio avviene attraverso un metodo di riduzione chimica degli alogeni, che produce tetracloruro di silicio (SiCl4). Nella fase successiva, il tetracloruro di silicio viene sottoposto a un processo di distillazione frazionata seguito da una riduzione con idrogeno per ottenere silicio policristallino:
SiCl4+2H2→Si+4HCl
Dopo questo processo, si ottiene il silicio di grado solare(Solar Grade Silicon, SGS). Questo è pronto per un’ulteriore lavorazione per la produzione di silicio monocristallino o policristallino.
3. Metodo Czochralski: crescita di monocristalli di silicio
Uno dei metodi più utilizzati per produrre placche di silicio monocristallino è il metodo Jan Czochralski. È stato inventato dallo scienziato polacco Jan Czochralski nel 1916. Se ne è parlato molte volte, ma puoi anche ascoltare il nostro podcast su YouTube che ne parla.
Come si producono le placche di silicio? Il processo prevede la crescita di un singolo cristallo di silicio a partire dalla materia prima fusa.
Fasi del processo:
- Fusione del silicio: Il silicio di grado solare viene riscaldato a una temperatura superiore a 1420°C in un crogiolo di quarzo fino alla sua completa fusione.
- Nucleazione dei cristalli: Un embrione di silicio monocristallino viene introdotto nel silicio fuso. Questo embrione viene lentamente tirato verso l’alto mentre ruota intorno al suo asse.
- Crescita dei cristalli: Man mano che l’embrione viene estratto, gli atomi di silicio della fusione si cristallizzano intorno ad esso per formare un monocristallo sempre più grande con una struttura definita. Questo processo è controllato con precisione per produrre un cristallo dalla struttura omogenea.
In questo modo si ottiene un monocristallo di silicio a forma di cilindro con un diametro compreso tra 150 e 300 mm e una lunghezza fino a 2 metri.
4 Taglio e formazione di placche di silicio. Come si formano le placche di silicio?
I monocristalli di silicio ottenuti con il metodo Czochralski vengono poi tagliati in pezzi adeguati. Il primo passo consiste nel tagliare il cilindro di silicio in segmenti piatti. A questo scopo si utilizzano seghe a filo, che possono tagliare con precisione il silicio duro in wafer molto sottili. Lo spessore dei wafer di silicio utilizzati nei pannelli solari è solitamente compreso tra 160 e 200 micrometri.
Per aumentare l’efficienza del taglio, spesso vengono utilizzati metodi avanzati come le seghe diamantate. Dopo il taglio, ogni wafer di silicio viene sottoposto a un pre-trattamento chimico e meccanico che rimuove le irregolarità e i difetti della superficie. Il processo di taglio produce anche scarti sotto forma di polvere di silicio, che spesso viene riciclata e riutilizzata nella produzione.
5. incisione e pulizia delle superfici
Il taglio dei wafer di silicio è seguito da un processo di incisione chimica per pulire ulteriormente la superficie e conferirle le proprietà strutturali appropriate. L’incisione viene effettuata in bagni chimici, solitamente in soluzioni di acido fluoridrico (HF) e nitrico (HNO3), che rimuovono efficacemente le impurità e levigano la superficie dei wafer. In alcuni casi, vengono aggiunte texture speciali alla superficie dei wafer per migliorare la capacità di assorbimento della luce solare, aumentando così l’efficienza delle celle fotovoltaiche.
6. Imballaggio e trasporto delle placche di silicio
I wafer di silicio finiti vengono poi accuratamente ispezionati per individuare eventuali difetti e impurità. Ogni lastra deve soddisfare rigorosi standard di qualità per poter essere utilizzata nella produzione di celle fotovoltaiche. I wafer vengono poi imballati in contenitori appositamente progettati per proteggerli dai danni meccanici e dalla contaminazione durante il trasporto. I wafer di silicio protetti vengono inviati alle fabbriche dove saranno trasformati in celle solari finite.
Come si producono le placche di silicio? Il processo di produzione dei wafer di silicio per i pannelli fotovoltaici è un procedimento avanzato e multi-step, che prevede sia l’estrazione del silicio grezzo che i complessi processi di purificazione, crescita monocristallina, taglio, incisione e trasporto dei wafer finiti.
Ogni fase richiede un preciso controllo di qualità, affinché il prodotto finale possa soddisfare i requisiti di efficienza e di durata richiesti dall’industria fotovoltaica. Le tecnologie sviluppate, come il metodo Czochralski, consentono di produrre array di silicio monocristallino, che sono la base delle attuali celle solari, contribuendo allo sviluppo sostenibile delle energie rinnovabili.
Se noti qualche problema con il tuo impianto fotovoltaico, non indugiare: contatta un tecnico esperto che possa aiutarti a risolvere il problema in modo rapido ed efficiente. Quando hai bisogno di un tecnico dell’assistenza fotovoltaica?
Stai progettando di costruire il tuo impianto fotovoltaico o stai cercando una società di servizi O&M?
Vuoi acquistare un progetto fotovoltaico o eolico e hai bisogno di un audit/due diligence efficiente e professionale?
Stai cercando un riciclatore di pannelli fotovoltaicio un’azienda che pulisca impianti e fattorie fotovoltaiche?
Se sei pronto all’azione,
lo siamo anche noi!
