A OBTENÇÃO DO SILÍCIO DE GRAU FOTOVOLTAICO

A OBTENÇÃO DO SILÍCIO DE GRAU FOTOVOLTAICO

AURIVAL VIEIRA LOPES MATEUS

GIOVANNA NAKAMURA

GLEISON DE OLIVEIRA

ELIFAS LEVI DA SILVA

RESUMO

A grande demanda mundial de necessidade energética faz com que a capacidade de produção de módulos fotovoltaicos esteja em constante crescimento, pois este se apresenta como uma forma sustentável e de baixo impacto ambiental para geração de energia elétrica. O quartzo leitoso dentre todos os minerais silicatos possui a maior compatibilidade metodológica e econômica para a produção do silício utilizado na indústria fotovoltaica.        

Palavras-chave: Silício. Quartzo leitoso. Processo Siemens. Lingote monocristalino.

1. INTRODUÇÃO

Não é uma novidade deste século os evidentes aumentos anuais da capacidade de produção dos módulos fotovoltaicos a partir do silício de grau solar. Isso acirrou a competitividade da produção de energia solar fotovoltaica, tornando-se protagonista na disputa com outras formas de produção de energia elétrica. Além da grande demanda ambiental que cerceia os ambientes industriais, economicamente a produção de módulos energéticos através do silício grau solar é de notável entusiasmo.

Consequentemente, para suprir esta demanda em constante crescimento, torna-se necessário maior exploração das matérias primas utilizadas neste setor. A principal destas é o quartzo, que é utilizado na produção do silício cristalino. O silício cristalino domina o mercado com aproximadamente 90% de produção de módulos fotovoltaicos. Os outros 10% são produção de módulos de filmes finos (JEAN et al., 2015). Projeções de Jean et al. (2015) estimam que para atender a demanda global prevista de consumo de energia de 33000 TWh no ano de 2050, seriam necessários 25TWp de sistemas fotovoltaicos instalados. Se os módulos instalados fossem todos de silício cristalino, isso exigiria cerca de um terço do silício e metade da prata extraída desde 1900.

A partir dos fatos evidenciados este trabalho tem por objetivo-justificativa descrever a produção do silício matéria prima protagonista da indústria fotovoltaica, desde a mineração do quartzo bem como seu processamento, até alcançar os lingotes multicristalinos e monocristalinos, demostrando as suas devidas etapas.

1. EXTRAÇÃO DO SILICIO

O Silício é encontrado em meios naturais na forma de composto minerais, sendo o segundo elemento mais abundante no planeta terra, consistindo em quase 28% da crosta terrestre, ficando atrás apenas do oxigênio que compõe quase metade dos elementos terrestres (CARVALHO; MESQUITA; ROCIO, 2014).

        Essa abundância do silício e do oxigênio quando combinados dão origem aos silicatos, família de elementos que envolvem o quartzo, feldspato, mica, anfibólio, piroxênio entre outros, sendo tão abundante que 95% dos elementos da crosta terrestre incluem minerais desta família.

        O silício possui as mais diversas utilizações, tais como: produção de ligas metálicas, preparação de silicones, indústria cerâmica, indústria eletrônica e microeletrônica, material básico para a produção de transistores para chips, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos. De todas essas aplicações, no ano de 2017, as ligas de ferrosilício responderam ao redor de 61% do consumo mundial do silício, o que caracteriza esse setor com a produção mais expressiva de silício (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, Mineral Commodity Summaries, 2018; CGEE, 2009).

        Apesar desta evidente fartura demostrada pela literatura, existe uma certa carência na indústria fotovoltaica, isto decorre da exigência de grau de pureza que esta produção demanda.

        O quartzo hoje é o único elemento que agrega a viabilidade técnica e econômica, para ser a matéria prima dos processos de purificação para obtenção do silício, dentre estes o de grau solar que é o mais importante neste trabalho.

        Os principais produtores das diversas variedades de quartzo são o Brasil, Suíça, Japão e África do Sul. Seguido por Áustria, Hungria, Grã-Bretanha, França, Alemanha, Itália, Madagascar, Estados Unidos, Índia, Zâmbia, Rússia, Uruguai, Paraguai, Birmânia, Canadá, México, Namíbia, Sri-Lanka, Argentina, Espanha, Moçambique, Escócia, Ucrânia. (MME, 2009).

        As fontes de quartzo se apresentam nos veios hidrotermais e pegmatitos, sendo estes chamados de fontes principais. Já as fontes secundarias que derivam das principais, são extraídas da erosão dos pegmatitos e veios hidrotermais comumente encontrados em leitos de rios, praias, dunas entre outros.         

A extração do quartzo nos veios hidrotermais que variam de poucos centímetros até dezenas de metros. A garimpagem ocorre utilizando – se dinamites depois de abrir minas nos veios maiores. A abertura de veios é conveniente para a extração de quartzo intacto que geralmente é utilizado para ornamentação de ambientes e artesanatos. É de relevante importância para a exploração encontrar um veio de tamanho considerável, para que o lucro supere em muito as despesas, tornando a atividade economicamente viável.

Producao do Silicio.

O silício, de símbolo Si, é um elemento químico pertencente ao grupo 14 (IV-A) da Tabela Periódica dos Elementos, cujo numero  atômico e 14 (14 prótons e 14 elétrons) e portanto massa atômica igual a 28 u. À temperatura ambiente, encontra-se no estado sólido. Apresenta-se tanto na forma amorfa quanto na forma cristalina, possue estrutura octaédrica, com  coloração azul acinzentado e brilho metálico. É um elemento relativamente inerte e resistente à ação da maioria dos ácidos, porem reage com halogênios e bases. O silício transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas. Está presente em minerais como as argilas, os feldspatos e o quartzo, normalmente na forma de dióxido de silício ou sílica (SiO 2 ) e de silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais). É a matéria prima  do vidro, do cimento e da cerâmica, da maioria dos componentes semicondutores eletrônicos e dos silicones.

Na natureza, o silício não é encontrado no estado puro ou seja apenas seus compostos. O principal componente mineral em que o silício está presente, e principal fonte de exploração, é o quartzo (SiO2 ), um dos mais abundantes minerais da crosta. O elemento está presente ainda nos minerais de argila, como a caulinita (silicato de alumínio hidratado) e a montmorillonita (silicato de alumínio, magnésio e cálcio hidratado). O silício também é um componente essencial da maioria das rochas que formam a crosta terrestre, por exemplo, arenitos e granitos.