Elsilici és unelement químic no metàl·lic de símbolSi inombre atòmic de 14.[5] Unmetal·loide tetravalent de silici és menys reactiu que el seu equivalent químic, elcarboni. És el segon element més abundant de l'escorça terrestre (suposa el 25,7% del seu pes) després de l'oxigen.[6] Es presenta en dues formes, amorfa i cristal·lina; la primera és una pols terrosa, més activa que la variant cristal·lina, que es presenta en octaedres de color blau grisenc i brillantor metàl·lica. Apareix en l'argila, elfeldespat,granit,quars isorra, principalment en forma dediòxid de silici (també conegut com a sílice) i silicats (components que contenen silici, oxigen i metalls). El silici és el component principal delvidre,ciment,ceràmica, la majoria desilicones (substància plàstica).
Les seves propietats són intermèdies entre les delcarboni i elgermani. En forma cristal·lina és molt dur, poc soluble i presenta una brillantor metàl·lica i un color grisenc. Tot i ser relativament inert i resistir l'acció de la majoria d'àcids, reacciona amb elshalògens i elsàlcalis diluïts. El silici transmet més del 95% de leslongituds d'ona de laradiació infraroja. S'obté escalfantdiòxid de silici i un reductor en un forn elèctric. El silici pur té duresa 7, punt de fusió a 1.411 °C, punt d'ebullició a 2.355 °C, densitat 2,33g/ml i la seva massa atòmica és de 28,086u. Forma el 28% de l'escorça terrestre i no es troba en estat pur, sinó que es troba en el diòxid de silici i ensilicats complexos. Els minerals amb silici constitueixen prop del 40% de tots elsminerals comuns, incloent-hi més del 90% que formenroques volcàniques. Elquars i les seves variants són formes cristal·lines de silici en la natura. El diòxid de silici és el component principal de la sorra. Els silicats (concretament els d'alumini,calci imagnesi) són els components principals de lesargiles, el sòl i les roques, en forma defeldespats,amfíbols,piroxens,miques izeolites, i de pedres semiprecioses com l'olivina, elgranat, elzircó, eltopazi i laturmalina.
El silici és un element vital en nombroses indústries. Eldiòxid de silici (arena iargila) és un important constituent delformigó i lesrajoles, i s'empra a més en la producció deciment pòrtland. Per les seves propietatssemiconductores s'usa en la fabricació detransistors,cèl·lules solars i tota mena de dispositius semicondutors; per aquesta raó es coneix com aSilicon Valley (Vall del Silici) a la regió deCalifòrnia en la que es concentren nombroses empreses del sector de l'electrònica i la informàtica.
S'utilitza a la indústria de l'acer com a component dels aliatges de silici-acer. Per fabricar l'acer, es desoxida l'acer fos afegint-hi petites quantitats de silici; l'acer comú conté menys d'un 0,30% de silici. L'acer al silici, que conté de 2.5 a 4 % de silici, s'usa per fabricar els nuclis delstransformadors elèctrics, ja que l'aliatge presenta baixahistèresi (vegeuMagnetisme). Hi ha un aliatge d'acer, el duriró, que conté un 15% de silici i és dur, fràgil i resistent a la corrosió; el duriró es fa servir en els equips industrials que estan en contacte amb productes químics corrosius. El silici s'utilitza també en els aliatges de coure, com el bronze i el llautó.
El silici és un semiconductor; la seva resistivitat al corrent elèctric a temperatura ambient varia entre la dels metalls i la dels aïllants. La conductivitat del silici es pot controlar afegint petites quantitats d'impureses anomenades dopants. La capacitat de controlar les propietats elèctriques del silici i la seva abundància a la natura han possibilitat el desenvolupament i aplicació dels transistors i circuits integrats que s'utilitzen en la indústria electrònica.
Les aplicacions del silici a la indústria aeroespacial s'especialitza en buscar una millora significativa en els circuits electrònics que aquests utilitzen, que siguin més resistents als raigs gamma, això es feia cobrint aquests dispositius amb uns 20 centímetres deplom, però això les feia molt pesades i als satèl·lits els resultaria massa car carregar-les.
En 1976, Argentina va iniciar les seves activitats en el camp de l'energia solar a través del GES (Grup Energia Solar), donant com a resultat un sòlid coneixement i domini de la tecnologia de conversió de l'energia solar en electricitat. A principis de la dècada de 1980, es va fer una recerca exhaustiva d'informació sobre l'estat de desenvolupament de la indústria fotovoltaica mundial. Des de 1992, l'esdeveniment s'ha centrat en el disseny, simulació, desenvolupament i caracterització decèl·lules solars desilici cristal·lí. Això va permetre obtenir equips amb eficiències superiors al 17% el 1997. Per a aplicacions terrestres, GES promou i participa en el desenvolupament d'estàndards nacionals per a sistemes de captació d'energia solar per part de l'Institut Argentí de Normalització. En 1999 es van provar i calibrar diversos prototips en elServei Meteorològic Nacional, dos dels quals van ser desplegats en estacions meteorològiques de les províncies de Chaco i Corrents. El predi, on es durà a terme la construcció de la planta integrada de silici solar en lingots,oblees i cel·les cristal·lines i mòduls solars fotovoltaics amb una producció anual de 71 MW, està ubicat a la Província de San Juan.[7]
La sílice i els silicats s'utilitzen en la fabricació devidre,vernissos,esmalts,ciment iporcellana, i tenen importants aplicacions individuals. La sílice fosa, que és un vidre que s'obté fonent quars o hidrolitzant tetraclorur de silici, es caracteritza per un baix coeficient de dilatació i una alta resistència a la majoria dels productes químics. El gel de sílice és una substància incolora, porosa i amorfa; es prepara eliminant part de l'aigua d'un precipitat gelatinós deàcid silícic, SiO2•H2O, el qual s'obté afegint àcid clorhídric a una dissolució de silicat de sodi. El gel de sílice absorbeix aigua i altres substàncies i s'usa com a agent dessecant i decolorant.
El silicat de sodi (Na2SiO3), també anomenat vidre, és un silicat sintètic important, sòlid amorf, incolor i soluble en aigua, que fon a 1088°C. S'obté fent reaccionar sílice (sorra) i carbonat de sodi a alta temperatura, o escalfant sorra amb hidròxid de sodi concentrat a alta pressió. La dissolució aquosa de silicat de sodi sutilitza per conservar ous; com a substitut de la cua o cola per fer caixes i altres contenidors; per unir gemmes artificials; com a agent incombustible, i com a farciment i adherent en sabons i netejadors. Un altre compost de silici important és el carborund, un compost de silici i carboni que s'utilitza com a abrasiu.
El monòxid de silici, SiO, s'usa per protegir materials, recobrint-los de manera que la superfície exterior s'oxida al diòxid, SiO2. Aquestes capes també s'apliquen als filtres d'interferències.
El silici (delllatísílex,sílice) va ser identificat per primera vegada perAntoine Lavoisier el1787, i posteriorment identificat com a element perHumphry Davy el1800. El1811,Gay-Lussac iLouis J. Thénard, probablement, van preparar silici amorf impur escalfantpotassi amb tetrafluorur de silici (SiF₄). El1824,Berzelius va preparar silici amorf emprant un mètode semblant al de Gay-Lussac, purificant després el producte mitjançant rentats successius fins a aïllar l'element.
El silici és un dels components principals delsaeròlits, una classe demeteoroides.
Mesurat en pes, el silici representa més de la quarta part de l'escorça terrestre i és el segon element més abundant per darrere de l'oxigen. El silici no es troba en estat natiu, però apareix a la natura en forma d'òxid en diversosminerals, entre ells l'arena,quars,ametista,àgata,pedrenyal,òpal ijaspi, mentre que formantsilicats es troba, entre d'altres, en elgranit,feldespat,argila,hornblenda imica.El silici comercial s'obté a partir desílice d'alta puresa enforn d'arc elèctric reduint l'òxid ambelèctrodes de carboni a temperatura superior als 1900°C:
SiO₂ + C → Si + CO₂
El silici líquid s'acumula en el fons del forn d'on s'extreu i es refreda. El silici produït amb aquest procés es denominametal·lúrgic i té una puresa superior al 99%. Per a la construcció de dispositiussemiconductors és necessari un silici de major puresa,silici ultrapur, que pot obtenir-se per mètodes físics o químics.
Els mètodes físics de purificació del silici metal·lúrgic es basen en la majorsolubilitat de les impureses en el silici líquid, de forma que aquest es concentra en les últimes zones solidificades. El primer mètode que es va idear, usat de forma limitada per a construir components deradars durant laSegona Guerra Mundial, consisteix a moldre el silici de forma que les impureses s'acumulen en les superfícies dels grans; dissolent aquests parcialment ambàcid s'obtenia una pols més pura. El primer mètode usat a escala industrial, lafusió per zones, consisteix a fondre un extrem de la barra de silici i traslladar lentament el focus de calor al llarg de la barra de mode que el silici va solidificant amb una puresa major, en arrossegar la zona fosa, gran part de les impureses. El procés pot repetir-se les vegades que sigui necessari fins a aconseguir la puresa desitjada, descartant-se llavors l'extrem final en què s'han acumulat les impureses.
Elsmètodes químics, usats actualment, actuen sobre un compost de silici que és més fàcil de purificar. Els compostos freqüentment usats són eltriclorosilà (HSiCl₃), eltetraclorur de silici (SiCl₄) i elsilà (SiH₄).
En el procésSiemens, les barres de silici d'alta puresa s'exposen a 1150 °C al triclorosilà, gas que es descompon dipositant silici addicional a la barra segons la reacció següent:
2 HSiCl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄
El silici produït per aquest i altres mètodes semblants es denominasilicipolicristal·lí i típicament té una fracció d'impureses d'unes 0,001ppm o menor.
El mètodeDupont consisteix a fer reaccionar tetraclorur de silici a 950 °C amb vapors dezinc molt purs:
SiCl₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl₂
Aquest mètode, això no obstant, és més delicat (el clorur de zinc, subproducte de la reacció, solidifica i obstrueix les línies) pel qual actualment s'ha abandonat en favor del procés Siemens.
Una vegada obtingut el silici ultraultrapur és necessari obtenir unmonocristall, per a aconseguir-ho s'utilitza elprocés Czochralski.
Silici de qualitat solar: tecnologia d'avantguarda
Vareta de silici policristal·lí hiperpur fabricada mitjançant el procés Siemens per al seu ús en la producció de silici monocristal·lí mitjançant el procés Czochralski. Pesa 302 grams i fa uns 10,3 cm de llarg i 4 cm de diàmetre.
A continuació, es presenten les diferents alternatives de producció de SoG-Si.[8][9][10] Totes elles s'han recollit i presentat des del 2004 a les Conferències sobre Silici Solar. Aquestes conferències les organitza anualment la revistaPhoton International a Múnic, arran de la preocupació creixent per l'escassetat depolisilici. Fins ara, cap d'aquestes alternatives no ha aconseguit arribar a l'etapa de producció, encara que algunes són a prop.
Wacker Chemie,[11] Hemlock i Solar Grade Silicon proposen un reactor de llit fluïditzat. Aquest consisteix en un tub de quars en què s'introdueix triclorosilà (Wacker, Hemlock) o silà (SGS) per la part inferior, juntament amb hidrogen. El gas passa a través d'un llit de partícules de silici sobre les quals passa el dipòsit, donant així partícules de mida més gran. Assolit certa grandària, les partícules són massa pesades i cauen a terra, podent ser retirades. Aquest procés no només utilitza una quantitat d'energia molt menor que el Siemens, sinó que a més es pot fer de manera contínua.
Joint Solar Silicon GmbH & Co. KG (JSSI) presenta un reactor similar al Siemens, les diferències del qual són: a.) el silici es diposita en un cilindre buit de silici en lloc de varetes; b.) s'utilitzasilà en lloc de triclorosilà i, per tant, la temperatura del procés pot limitar-se a 800°C.
Tokuyama Corporation proposa el procés VLD (Vapour to Liquid Deposition). En un reactor s'escalfa un tub de grafit a 1500 °C, per sobre del punt de fusió del silici. S'alimenten triclorosilano ihidrogen per la part superior. El silici es diposita a les parets de grafit en forma líquida. Per tant, degota a terra del reactor, on solidifica en granulats i es pot recollir. La despesa energètica més gran respecte al reactor Siemens compensa per la velocitat de dipòsit 10 vegades més gran.
Chisso Corporation i el govern japonès investiguen un procés a partir de la reducció de tetraclorur de silici (SiCl4) amb vapor dezinc (Zn). Es forma clorur de zinc i silici. Aquesta alternativa es va rebutjar als anys 1980 per Bayer AG ja que no es podien eliminar traces de metalls residuals. Chisso assegura que les seves impureses metàl·liques es troben a un nivell acceptable.[9]
També s'han realitzat grans esforços per aconseguir SoG-Si evitant el pas energèticament costós de l'ús de triclorosilà, silà o tetraclorosilà, i el posterior dipòsit a Siemens o similars.
Elkem[12] purifica mg-Si en tres passos de refinació relativament simples, pirometal·lúrgic, hidrometal·lúrgic, i de neteja, amb un consum de només el 20 al 25 % de l'energia utilitzada a la ruta Siemens. Juntament amb la Universitat de Constança, han aconseguit eficiències de cèl·lula només mig punt per sota de les cèl·lules comercials.
Apollon Solar SAS i el laboratori nacional de recerca francès CNRS purifiquen Mg-Si amb un plasma. S'han aconseguit cèl·lules solars d'un 11,7% d'eficiència.[13]
Una altra alternativa metal·lúrgica és produir mg-Si amb quars i carbó negre tan purs que no sigui necessari refinar-ho més. Hi ha dos treballs en paral·lel: un és el de la Universitat Nacional Tècnica de Kazakh a Alma Ata, Kazakhstan.[8] L'altre és el projecte SOLSILC, finançat per la Comissió Europea. Les cèl·lules solars fabricades amb aquest material han obtingut eficiències de moment relativament baixes.[9] 28% d'aquest material ja no existeix.
El silici té nouisòtops amb masses atòmiques entre 25 i 33 uma, dels quals el Si-28 (el més abundant, 92,23%), Si-29 (4,67%) i Si-30 (3,1%) són estables.
