Thermodynamic analysis of SiO2 reduction with carbon aimed at solar--grade silicon production

Production of silicon for solar cells application in metallurgical reactor under atmospheric pressure is possible only under conditions, which promote simultaneous formation of SiC. To assure appropriate in the presence of carbon as a fuel and reducing agent, the process has to proceed with gaseous as the intermediary product. Liquid silicon is finally obtained according to the reaction: 2 SiO(g) -> SiO2 + Si. In the present work the equilibrium between condensed phases and two-component gas phase (SiO + CO) has been evaluated for the system Si-C-O. Based on the literature data, the temperature dependencies of Gibbs free energy for five chemical reaction occuring in the system have been estimated. Next, the three-dimensional phase predominance diagram (Kellog's diagram) was constructed for temperature range 1800herm2300 K, in the coordinate system: PSiO3PCO3T. The domestic siliceous materials of the best purity available were used in the reduction tests. The experiments were carried out in small induction furnace, with various carbonaceous materials as the reducers. The products obtained were examined by means of X-ray microanalysis and phase analysis. It was found that silicon carbide and silicon are the final products of reduction process. On the basis of experimental results and thermodynamic considerations the directions of the process design have been outlined.

---

Produkcja krzemu, przeznaczonego na ogniwa słoneczne w reaktorze metalurgicznym, pod ciśnieniem atmosferycznym jest możliwa jedynie z równoczesnym wytwarzaniem SiC. Aby zapewnić odpowiednie warunki otrzymywania krzemu, proces musi przebiegać za pośrednictwem gazowego SiO, jako produktu finalnego. Ciekły krzem powstaje ostatecznie w wyniku reakcji: 2 SiO(g) -> SiO2 + Si. W obecnej pracy dokonano charakterystyki stanu równowagi pomiędzy fazami skondensowanymi i dwuskładnikową fazą gazową (SiO + CO) w układzie Si-C-O. Na podstawie danych literaturowych wyznaczono zależności energii swobodnych Gibbsa od temperatury dla pięciu reakcji chemicznych przebiegających w układzie. Następnie skonstruowano trójwymiarowy diagram pierwszeństwa faz (diagram Kelloga) w układzie współrzędnych: Pso> POT, T dla przedziału temperatur 1800herm2300 K. Badaniom doświadczalnym redukcji poddano krajowe surowce o najwyższej dostępnej czystości. Próby wykonano w miniaturowym piecu indukcyjnym, przy użyciu różnych materiałów węglowych jako reduktorów. Produkty reakcji poddano mikroanalizie rentgenowskiej oraz analizie fazowej. Stwierdzono, że w wyniku redukcji otrzymuje się krzem krystaliczny oraz węglik krzemu. Na podstawie wyników eksperymentu oraz analizy termodynamicznej przedstawiono wytyczne do zaprojektowania tego procesu.