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Rota metalrgica para produo de Silcio Grau Solar


Coordenador: Joo Batista Ferreira Neto


Introdução:
O IPT trabalha com refino de silício desde o final da década de 80. Sua atuação pode ser dividida em 3 fases: a primeira relacionada com estudos de refino do silício grau metalúrgico; a segunda em que se objetivou o desenvolvimento do processo de controle de refino de silício, visando a obtenção de silício grau químico (aplicação na indústria de silicones); e finalmente, a terceira, em andamento, em que se objetiva a obtenção do Silício de Grau Solar (SiGS) pela rota metalúrgica.

Objetivo do projeto:
Desenvolver um processo metalúrgico alternativo de obtenção de silício de alta pureza (99,999-99,9999%), denominado silício de grau solar (SiGS), empregado na produção de células solares fotovoltaicas utilizadas para conversão da energia solar em energia elétrica.

Estado da Arte:
Até aproximadamente o final da década de 90, o SiGS era obtido como sub-produto gerado durante a produção do silício de grau eletrônico (SiGE), caracterizado pela altíssima pureza (99,9999999%), e empregado na produção de circuitos integrados.

Com o acentuado crescimento da demanda por SiGS, decorrente da expansão do mercado da energia solar fotovoltaica como fonte alternativa e renovável de energia, há a necessidade de desenvolver um silício dedicado à indústria solar fotovoltaica e independente da indústria de fabricação de SiGE. Existem duas rotas possíveis para obtenção deste silício:

  • A própria rota de obtenção de SiGE, denominada rota química, que tem sido motivo de pesquisas das empresas produtoras deste tipo de silício, para tornar o processo menos custoso e viável para a obtenção do SiGS.
     
  • A rota metalúrgica, que permitiria obter o SiGS a um menor custo, diretamente a partir do silício de grau metalúrgico, que é um silício de elevado nível de impurezas (99-99,5%), aplicado principalmente na produção de ligas de alumínio.


No projeto de P&D&I pretende-se desenvolver uma rota metalúrgica alternativa para obtenção do SiGS.
Silício Grau Metalúrgico e lâmina de Silício Grau Solar
 

Na rota metalúrgica, o desafio é muito mais técnico que econômico, já que as operações envolvidas na purificação do silício por esta rota, como fusão, solidificação controlada, refino piro e hidrometalúrgico, são muito mais próximas do que é dominado hoje pelas indústrias brasileiras produtoras de silício grau metalúrgico, facilitando sua adaptação. Além disso, o IPT tem ampla experiência em purificação de silício.


Justificativa e impactos esperados:
O crescimento da demanda de silício de grau solar é decorrente da necessidade de substituição de energias baseadas em combustíveis fósseis por energias mais limpas e renováveis, no sentido de cumprimento de metas de redução das emissões de CO2. O mercado de energia solar fotovoltaica tem crescido, em média, em taxas superiores a 40% ao ano nos últimos 10 anos, e em 2009 o crescimento foi de 52%. O custo da energia solar fotovoltaica ainda é elevado. No entanto, este custo vem caindo rapidamente nos últimos anos e, segundo previsões, em um futuro não muito distante (2020/2030), a energia solar fotovoltaica terá custos competitivos com as fontes tradicionais de energia.

Como principal matéria-prima para fabricação das células solares - mais de 85% do mercado em 2008 - o silício acompanha este forte crescimento da demanda. O consumo de silício na indústria solar fotovoltaica em 2009 foi superior a 100.000 t, e as perspectivas de crescimento do consumo do silício de grau solar (SiGS) indicam um consumo superior a 200.000 t em 2020, representando um mercado de aproximadamente US$ 5 bilhões, mesmo considerando taxas de crescimento mais modestas que as atuais (27% ao ano).

O Brasil, como um dos maiores produtores mundiais de silício grau metalúrgico, com capacidade de produção de aproximadamente 200 mil t/ano, tem possibilidade de agregar valor a este produto que atualmente é comercializado a preços de aproximadamente US$ 1,5/kg, podendo passar para cerca de US$ 30 a 60/kg, dependendo da qualidade do produto produzido.

Além disso, com o estabelecimento de uma indústria produtora da principal matéria-prima empregada na produção de células solares fotovoltaicas, haverá condições favoráveis para projetos de implantação e expansão de indústrias fabricantes de células e painéis solares fotovoltaicos no Brasil.



Principais desafios tecnológicos:
Na rota metalúrgica de obtenção de silício solar, até o momento, foram alcançados resultados expressivos, com a somatória de impurezas metálicas sendo reduzida de aproximadamente 5000 ppm (nível normalmente encontrado no silício grau metalúrgico) para valores inferiores a 10 ppm. No entanto, restam grandes desafios, como o controle de impurezas não metálicas que não podem ser removidas por técnicas convencionais, a obtenção de lingotes multicristalinos com estrutura adequada e a caracterização do material purificado, obtido por meio de caracterização física, que será conduzida até o estágio de construção de células solares e medida de sua eficiência, com apoio de instituições com expertise para esta caracterização.

O maior desafio do projeto será a integração das diversas etapas de processamento, de forma a constituírem uma rota que seja viável do ponto de vista técnico e econômico. Para tanto, serão investigados os potenciais de cada método de purificação em cada uma das etapas de processamento a serem avaliadas no projeto.

Parceiros:
A MINASLIGAS - Companhia Ferroligas Minas Gerais, principal parceiro do projeto, produz e comercializa ferro silício 75% e silício metálico, com uma capacidade para produzir anualmente cerca de 60 000t de ferro silício 75% e 20.000t de silício metalúrgico.
Este projeto tem o apoio do BNDES - www.BNDES.gov.br
 

O IPT, responsável pela execução do projeto, contará com apoio de universidades e centros de pesquisa com capacitação na avaliação das propriedades físicas de células produzidas com o silício purificado, sendo o principal colaborador o Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo (LME-USP).

Financiamento:
O IPT submeteu a proposta de projeto de P&D&I, com duração de 3 anos, ao FUNTEC/BNDES (Fundo de Tecnologia do BNDES) tendo como parceira a MINASLIGAS, a qual aportará aproximadamente 10% dos recursos necessários para realização do projeto. A proposta aprovada contará com apoio financeiro do BNDES, no valor de aproximadamente R$ 11,6 milhões provenientes do FUNTEC.

Próximas etapas:
Montagem da equipe que executará o projeto, parte com dedicação exclusiva, e aquisição dos principais equipamentos para avaliação das diversas etapas que devem constituir a rota de processamento metalúrgica, compreendendo tratamentos hidrometalúrgicos e pirometalúrgicos.