1. Silicio grado solar: Investigación y
Desarrollo
John B. Vilca Neira
XIX Simposio Peruano de Energía Solar
Noviembre 14-17 ,2012
Puno – Perú

2. Tópicos de presentación
- IPT – Instituto de Pesquisas tecnológicas del estado
de São Paulo – Brasil.
- Introducción de la Industria del Silicio
- Mercado de Energía Fotovoltaica (PV) Global y Brasil
- Procesos de Refino de Silicio grado Solar (SiGS) a
Escala Industrial y Piloto
- Ruta Metalúrgica para Producción de Silicio Grado
Solar (IPT-Minas Ligas – BNDES)

3. Quienes somos
•Instituto de Pesquisas Tecnológicas del
Estado de São Paulo S.A.
•Primera y mayor institución
multidisciplinaria de P&I&D en el Brasil.
•IPT es la mayor solución tecnológica
para compañías privadas y publicas

4. Infraestructura
•13 centros tecnológicos
•40 laboratorios y secciones
•92.030 m2 de área construida

5. IPT como facilitador
Instituto de
Universidades básicas y investigación
Compañías de
de investigación Desarrollo tecnológico
Productos y Servicios
aplicada Gerenciamiento de
Empresas de
Programas de proyectos corporativos
financiamiento
extensión educacional Servicios tecnológicos
P&I&D
Estudios de mercado y
negocios

6. Introducción
- Material abundante:
- ~ 25% de la corteza terrestre (silicatos, silica)
- Aplicaciones: Pureza
- Metalurgia (Siderurgia, Al) Silicio Grado Metalúrgico
- Química (Silicones) Silicio Grado Químico
- Energía (células fotovoltaicas) Silicio Grado Solar
- Electrónica (Chips) Silicio Grado Electrónico

7. Introducción
•La primera célula solar fue construida en 1954 (Dary Chapin)
•~1960 se desarrollaron las tecnologías del proceso Siemens
•Hasta ~1990 – materia prima era chatarra (SiGE)
•Fuerte crecimiento de la demanda
Rutas alternativas de obtención de SiGS :
- Ruta Química simplificada (Siemens-C) (SiGE)
- Ruta Metalúrgica Alternativa
Nível impurezas: Metálicos < 3 ppm e B + P < 4 ppm
SiGM ~ US$ 1,5/kg X SiGS ~ US$ 30 - 60/kg

8. Rutas alternativas de producción de SiGS
Química X Metalúrgica
•Desafío económico. Proceso ya •Desafío técnico (operaciones de bajo
conocido (Siemens) - permite costo)
alcanzar pureza – SiGE.
•Quien domina producción SiGE • La técnica no esta totalmente
lleva ventajas en esta ruta ( no es el dominada – (Igualdad de condiciones
caso del Brasil) para competir)
•Industria Química con operaciones
de alto costo (tecnología totalmente •Operaciones unitarias próximas a la
nueva para los productores de silicio industria metalúrgica (SiGM): Fusión,
nacionales) solidificación controlada, refino piro. +
fácil adaptación (no hay industria
•Difícil disociar la tecnología SiGS fabricante SiGE en el Brasil)
del SiGE

9. Energía fotovoltaica (PV) Mercado Global y
Brasil
Capacidad de generación de energia electrica en Brasil, 2011: 117 GW
Nuevas plantas (proyección 2016): + 47 GW (164 GW)

10. Escenario de mercado de PV conectada anual
global y proyección hasta el 2016
Fuente: EPIA – Global Market Outlook 2016

11. Evolución de la capacidad instalada acumulada
global
MW

12. 10 Principales Mercados PV en el
Mundo (Representa 90% del total)
China aun es modesta en instalación pero es grande en producción

13. Costo de Energía PV en Europa
Costo (ref. set. 2011) 0.16-0.35 euros/kwh
Previsión 2020: 0.08 – 0.18 euros/kwh
Tiempo de vida del sistema PV es de 25 a 35 años
Se estima que 2013/2014 la PV iguale e costo de energía convencional en Italia

14. Evolución de la producción anual de células
solares en MW
El desarrollo de
la industria PV
Chinesa de
pende
fuertemente del
mercado global,
especialmente
de Europa y
USA.
Fuente: EPIA – Chinese Statistical Review of World Energy 2012

15. Evolución de la producción anual de silicio grado
solar (SiGS) en toneladas
•Mayor parte SiGS
es importado: USA,
Japón, Korea y
Brasil
•Aumento claro de
producción Chinesa
de SiGS
Fuente: EPIA – Chinese Statistical Review of World Energy 2012

16. Radiación solar y leyes regulatorias - Brasil
Mapa de radiación solar
•En el 2011 fue aprobado
una ley regulatoria sobre
PV, permitiendo
conectar hasta 24 MW de
PV por cada sistema
aislado a la red eléctrica
principal.
•Otros estados como
Ceará, adoptaron
medidas facilitadoras a
implantación de plantas
industriales de PV

17. Procesos de Refino Silicio a Escala
Industrial y Piloto
Destaque para dos empresas:
•Elkem Solar - Noruega
(capacidad 5.000 ton/año)
•CaliSolar/6N – Canadá
( capacidad 6.000 ton/año)

18. Proceso Elkem Solar- Ruta Metalúrgica
• Capacidad de planta: 5.000 ton/Año
• Inversión ~ 0,5 US$ billones
• P&D + 15 años
• Start up: 2009
• Consumo. energía = 40 kwh/kg
(incluye producción Si)
• Menor generación GEE – 22% que
Siemens
• Eficiencia ~ 16%
•China National BlueStar (Group) Co
compro Elkem Silicon Materials, Elkem
Foundry Products, Elkem Carbon y
Elkem Solar por US$ 2 Bilhões

19. Proceso piloto Solsilc Solar- Ruta Metalúrgica
• Desarrollada por una
empresa Norueguesa.
• Producción a partir de Si
ultra puro
• Escala piloto de 50/100
ton/ano
• Eficiencia de SiGS
• Reducción carbotérmica
ocurre en T mayores a
2000ºC
• Reducción de C de ~70
ppm para 5 ppm en masa

20. Proceso piloto Nedo Solar- Ruta Metalúrgica
• Desarrollado por la
empresa Kawasaki Steel
Corporation and Nippon
Sheet Glass Co. Ltd.
• Eficiencia del SiGS
14.1% a 15.9%.
• Capacidad piloto entre
100 y 300 kg de silicio.

21. Ruta Metalúrgica para obtención
de Si Solar en el IPT
BANCO NACIONAL DE
DESENVOLVIMENTO
ECONÔMICO E SOCIAL
CIA FERRO LIGAS
MINAS GERAIS –
MINAS LIGAS

22. IPT Programa de Investigación del Silicio Grado Solar
Control de materia prima Valor del proyecto: U$ 5,6 millones
4 años (Ene/2010-Ene/2014)
Remoción de imp. metalicas
Ref Piro
Remoción B
Ref Hidro Remoción P
Control C
Solidificación Direccional Crist.
LME – USP
Propiedades fisicas LANFI -USP
Fraunhofer – Francia

23. Refino por solidificação controlada
Objetivos:
-Efecto de la macro segregación
-Desarrollo de modelos matemáticos
para macro segregación
Sistema de purificación proyectado en el IPT

24. Modelo matemáticos para determinar la macrosegregación de
impurezas por solidificación direccional
Sup Inferior
Microestructura
de la superficie
(V = 5 µm/s)
Microestructura de la mitad (V = 110 µm/s)
Microestructura de la mitad
V = 5 µm/s)

25. Solidificación Direccional – impurezas analizadas
Composición química de silicio grado
metalúrgico y muestra colectada en la
mitad del lingote
contenido (ppm)
Elementos
SiGM (ICP) Si refinado (GDMS)
Fe 2100 < 0,05
Mn 283 < 0,01
Ca 348 <0,5
Ni 347 <0,01
Ti 244 <0,01
Cu 7 <0,05
Cr 13 <0,1
Mg 11,5 <0,05
Zr 12 <0,05
V 12 <0,05

26. Remoción de P por vacio
- VIM (Vacuum induction furnace)
30 kg de silicio
Nivel de vacio: 0,3 Pa
- EB furnace (Electron Beam Furnace)
30 kg de silicio
Nivel de vacio: 0,05 Pa

27. Remoción P VIM – Efecto de A/V y Temperatura
45 45
40 40
35
T = 1650 C 35
T = 1750 C
30 30
25 25
P (ppm)
P (ppm)
A/V = 14 m-1 A/V = 14 m-1
20 20
15 15
10 10
A/V = 43 m-1 A/V = 43 m-1
5 5
<3 <3 <3 <3
0 0
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
t (min) t (min)
A/V P remoción T P remoción

28. Remoción P por horno a vacio EB
Silicio Pre-purificado
Mn Cr Ni Al Fe Ti Mg Zr Zn V P Total
<1 <1 <1,6 21 42+/-3 <3 1,7 <1 <1 <2 41+/-3 <144,3
Mn P Fe Cr Ti Mg Zr Zn V Al
15-a 1 <3 750 12 <3 1 2 4 7 9
15-b <1 <3 9 <3 <3 1 <1 1 <2 2
15-c <1 <3 18 <3 <3 1 <1 1 <2 2
15-d 1 <3 <3 <3 <3 1 <1 2 <2 <1
30 minutos

29. Remoción de B por tratamiento con escoria
8 10
7 9
B 8
6
M3 7 B
5 M2
6
B (ppm)
B (ppm)
4 5
3 4
3 B
2 B
M1 2 M4
1
1
0 0
-60 0 60 120 180 240 300 360 -60 0 60 120 180 240 300 360
t (min) t (min)
Remocion de boro usando escorias ultra basicas (CaO, BaO, Na2O)
Reversion de boro despues de pocos minutos
Basicidad disminuye durante el tratamiento (SiO2 incrementa)
2 XnO + Si = 2n X + SiO2 (X = Ba, Na, Ca)
Si + O2 (atmosfera del horno) = SiO2
Carbonatos

30. Remoción B por escoria
8
7
6
1550 oC
5
4 3 < LB < 6
B (ppm)
3
1650 oC
2
1
0
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
t (min)
Corto tiempo de tratamiento se previene reversion de boro
Mayor temperatura causa mayor remoción de boro – reacción endotermica

31. Control C – Remoción de inclusiones SiC por
fusión en horno de inducción
Remoción de SiC por adhesión con refractario
1
Refractario
2
SiC 3
Silicio
% At C O Si
PT 1 34,92 2,97 62,11
PT 2 47,82 - 52,18
PT 3 53,94 - 46,06

32. Efecto de la temperatura sobre remoción SiC por
precipitación y adhesión a refractario
Carbono Inicial: 350 pppm
T contenido C
Solubilidad Carbono
300
250
Dalaker, H. Department of
Materials Science and
Engineering, Norwegian
200 University of Science and
Technology. Trondheim, 2009
C (ppm)
150
100
50
0
1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700
T (oC)

33. Filtración
Filtración
250
200
150
C (ppm)
100
50
0
before after
Filtración - 1560 C (filtro SiC – 20 poros por pulgada)

34. Cristalización de silicio purificado
VGF – horno customizado (G1 and G2 crisol)
1 bloque 156x156 mm (25 kg) o 4 bloques (~100 kg)
Testes preliminares fueron enviados ISE
Fraunhofer para ser cortados

35. CONCLUSIONES
El mercado global de energía solar aun esta incierto
debido a la fuerte influencia de la crisis económica y de
las políticas de precio y mercado practicadas por la
China.
Brasil y Perú se perfilan por su localización geográfica
como países ideales para la implantación de este tipo de
energía.
Se vienen desarrollando diferentes tentativas
tecnológicas para poder viabilizar la implantación de una
rota metalúrgica de purificación de silicio grado
metalúrgico para la obtención de silicio solar.

36. CONCLUSIONES
La energía fotovoltaica por ser una industria emergente,
precisa de estímulos fiscales para poderse mantener en el
mercado.
Podemos concluir que el crecimiento y consolidación de la
energía fotovoltaica teniendo principal materia prima silicio
es cuestión de tiempo.

37. Agradecimientos
Escola Politécnica da USP

38. Muchas Gracias
Contacto:
John Bernardo Vilca Neira
Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT
Laboratorio de Metalúrgica y Materiales Cerámicos
Sao Paulo - Brasil
Tel.: +55 11 3767.4149/ +55 11 3767.4215
E-mail: johnneira@ipt.br
jvilcanet@yahoo.com.br