Polvo de silicio es una forma granular fina de silicio que se utiliza ampliamente en muchas industrias debido a sus propiedades y capacidades únicas. Este silicio cristalino en polvo ofrece ventajas sobre el silicio a granel, como la facilidad de manipulación, procesamiento e integración en productos acabados.
Visión general del silicio en polvo
El polvo de silicio recibe muchos nombres: polvo de silicio cristalino, polvo de polisilicio, polvo de silicio semiconductor, polvo de silicio solar, polvo de silicio metalúrgico y muchos más. A grandes rasgos, los polvos de silicio pueden clasificarse por niveles de pureza, propiedades de los materiales, métodos de producción, tamaños de partícula y aplicaciones.
El contenido de silicio de los polvos puede variar desde 98% de grado semiconductor puro adecuado para la electrónica, a 95% de grado solar para la fotovoltaica, a 90% de grado metalúrgico para elementos de aleación. El tamaño de las partículas de polvo también varía mucho, desde partículas gruesas a escala micrométrica hasta partículas ultrafinas a escala nanométrica.
A continuación se muestran las propiedades clave y los detalles de composición de algunos tipos comunes de silicio en polvo:
| Tipo | Pureza | Tamaño de partícula | Método de producción |
|---|---|---|---|
| Grado semiconductor | 99.999999% | 1-100 μm | Deposición química de vapor |
| Grado solar | 99.9999% | 1-100 μm | Proceso metalúrgico |
| Calidad metalúrgica | 98-99% | 1-500 μm | Proceso metalúrgico |
| Nanoescala | 99%+ | 1-100 nm | Síntesis en fase gaseosa |
La amplia gama de variedades de polvo de silicio le permite servir para muchas aplicaciones distintas en electrónica, paneles solares, metales, cerámica, polímeros, etc.
Propiedades del silicio en polvo
Las propiedades únicas del silicio hacen que sus formas en polvo sean útiles para aplicaciones especializadas en comparación con otros polvos metálicos.
Algunas propiedades destacables son:
- Semiconductores - El polvo de silicio puro tiene propiedades semiconductoras cruciales para la microelectrónica
- Fotovoltaica - Convierte la luz solar gracias a sus propiedades semiconductoras
- Reactivo - El silicio forma fácilmente compuestos con oxígeno, halógenos, metales, etc.
- Dureza - El silicio tiene una dureza Mohs de 6,5 a 7, más dura que la mayoría de los metales.
- Resistencia a la oxidación - Forma una capa protectora de dióxido de silicio en la superficie tras la oxidación
- Resistencia térmica - El alto punto de fusión de 1414°C hace que el silicio sea resistente al calor
- No tóxico - Químicamente inerte y seguro para muchas aplicaciones médicas
Estas propiedades confieren al polvo de silicio funciones que van desde la mejora de la resistencia mecánica en las aleaciones, la provisión de vías conductoras de la electricidad en las baterías, la absorción de los rayos UV en los cosméticos, etc.
Métodos de producción para Silicio en polvo
El silicio no se encuentra en la naturaleza en su forma elemental pura debido a su reactividad. Se presenta de forma natural como dióxido de silicio o compuestos de silicatos. Por ello, la producción comercial de polvo de silicio implica el procesamiento de minerales naturales y materias primas químicas.
Existen dos grandes categorías de métodos de producción de polvo de silicio:
- Procesos metalúrgicos - Consiste en la reducción química a alta temperatura del dióxido de silicio utilizando gas carbónico o hidrógeno. Se obtiene silicio de menor pureza apto para aplicaciones metalúrgicas y solares.
- Deposición química de vapores - Descompone las moléculas reactivas de hidruro/haluro de silicio en polvo de silicio ultrafino. Produce polvo de pureza ultra alta para la electrónica.
A continuación se ofrecen más detalles sobre estos métodos:
| Método | Proceso | Pureza típica | Escalabilidad |
|---|---|---|---|
| Metalúrgica | Reducción de sílice con carbono/hidrógeno a 1800-2000°C | 95-99% | Alto tonelaje |
| Deposición de vapor químico (CVD) | Moléculas de gas descompuestas a ~1100°C en sustratos | 99.9999999% | Menor potencia para la electrónica |
| Síntesis en fase gaseosa | Reacciones de los gases silano/clorosilano a 300-1500°C | Hasta 99,9999% | Producción de tonelaje moderado |
La técnica de producción óptima depende de las cualidades deseadas del material y de las especificaciones de la aplicación final.
Aplicaciones del polvo de silicio
Las versátiles formas en polvo del silicio sirven para una amplia gama de aplicaciones en sectores como la electrónica, la fotovoltaica, la química, la metalurgia y los polímeros, entre otros.
A continuación se muestran algunas de las aplicaciones más populares de los polvos de silicio:
| Industria | Aplicaciones |
|---|---|
| Electrónica | Semiconductores, circuitos integrados, transistores |
| Energía solar fotovoltaica | Paneles, células y lingotes solares |
| Metalurgia | Elemento de aleación, desoxidante |
| Cerámica | Carburo de silicio, nitruro de silicio |
| Polímeros | Rellenos para resinas, plásticos y cauchos |
| Productos químicos | Siliconas, silanos, sílice pirógena |
Las aplicaciones utilizan polvos de silicio con distintos parámetros de composición, distribución del tamaño de las partículas, superficie específica, densidad de toma/densidad aparente, etc.
Especificaciones del silicio en polvo
Los polvos de silicio destinados a la electrónica cumplen unas especificaciones de pureza y uniformidad muy estrictas, adecuadas para los procesos de microfabricación. A continuación se muestran los parámetros típicos:
| Parámetro | Especificación típica |
|---|---|
| Contenido de Si | >99,9999999% |
| Impurezas metálicas (cada una) | <1 pptw |
| Boro, fósforo | <0,05 pptw |
| Oxígeno | < 5 ppbw |
| Carbono | < 1 ppbw |
| Distribución granulométrica | Media ~50 μm |
| Densidad del grifo | > 1,1 g/cc |
Las especificaciones para los grados de polvo de silicio metalúrgico y solar son más laxas, ya que no se requiere una pureza ultraelevada.
Proveedores de silicio en polvo
Dado que el silicio es uno de los materiales industriales más importantes a nivel mundial, hay un gran número de empresas establecidas y fabricantes especializados que producen silicio en polvo.
Algunos de los principales proveedores mundiales son:
- REC Silicon - Proveedor líder para las industrias de semiconductores, solar y electrónica
- Ferroglobe - Polvos de silicio metalúrgico y solar
- Elkem - Gran productor de aleaciones metalúrgicas de silicio
- Dow Chemicals - Polvos ultrafinos de silicio amorfo
- American Elements - Amplia gama de purezas/morfologías de silicio
Los precios dependen en gran medida de la dinámica demanda/oferta del mercado y de los grados de pureza del material. Algunos rangos de precios típicos son:
| Grado | Precios |
|---|---|
| Polvo de Si semiconductor | $80-150 por kg |
| Polvo de Si de calidad solar | $15-30 por kg |
| Polvo de Si metalúrgico | $5-15 por kg |
Ventajas e inconvenientes de Silicio en polvo
Algunas ventajas e inconvenientes de utilizar silicio en polvo en lugar de material a granel:
| Pros | Contras | |
|---|---|---|
| Facilidad de uso | Fluida, se puede suspender, comprimir | Propensos a la agregación con el tiempo |
| Tratamiento | Se integra fácilmente en fluidos o fundidos | Riesgos de oxidación/contaminación |
| Cinética | Reacciones rápidas gracias a su elevada superficie | También pueden producirse reacciones secundarias |
| Pureza | Purezas muy elevadas | Menor pureza global que el Si a granel |
| Coste | Pequeñas cantidades asequibles | La ampliación a grandes cantidades es cara |
La elección depende de las prioridades de cada aplicación.
Preguntas más frecuentes
| Preguntas | Respuestas |
|---|---|
| ¿Cuáles son las diferentes calidades del polvo de silicio? | Las principales calidades son semiconductores (pureza 9N+), energía solar (6N+), metalurgia (5N) y polvo a nanoescala. |
| ¿Qué tamaño de partícula es mejor para los polvos de silicio? | El tamaño de 1-100 μm es habitual. Los nanopolvos más pequeños, por debajo de 100 nm, ofrecen propiedades únicas. |
| ¿Qué características del silicio en polvo lo hacen útil en comparación con el silicio a granel? | Elevada superficie específica, fluidez, integración en compuestos/aleaciones, ajuste de las propiedades eléctricas/ópticas, morfología controlada del polvo. |
| ¿Cuáles son los límites típicos de impurezas del polvo de silicio semiconductor? | Oxígeno inferior a 5 ppbw, carbono inferior a 1 ppbw, impurezas metálicas inferiores a 1 pptw y niveles de dopantes inferiores a 0,05 pptw. |
| ¿Qué precauciones hay que tomar al manipular polvo de silicona? | Evitar el contacto con la humedad y el oxígeno. Almacenar en recipientes inertes. Utilizar máscaras antipolvo ya que las nanopartículas pueden ser peligrosas para las vías respiratorias. |
Conclusión
En resumen, el polvo de silicio ofrece claras ventajas en cuanto a facilidad de procesamiento, versatilidad de aplicaciones, capacidad de ajuste de las propiedades del material y purezas ultraelevadas. Gracias a los innovadores métodos de producción, las cambiantes demandas de la industria y el mayor uso en tecnologías emergentes, el polvo de silicio seguirá siendo un material fundamental y en crecimiento en el futuro.