Formation of carbon macrosegregation in silicon during directional solidification of carbide settling.

As energias renováveis têm ganhado destaque como possíveis soluções para a questão da matriz energética mundial. Dentre as diferentes alternativas está a energia solar. As células fotovoltaicas são produzidas majoritariamente com silício metálico de alta pureza que é produzido tradicionalmente por um processo químico de alta complexidade e custo. Alternativas vêm sendo desenvolvidas para produção deste material, sendo a rota metalúrgica uma delas. Nesta rota parte-se de um silício de menor pureza e removem-se as impurezas através de operações metalúrgicas. Um dos elementos a serem removidos é o carbono, que está majoritariamente presente precipitado na forma de carboneto de silício (SiC). Visando o estudo da formação da macrossegregação de partículas de SiC em Si, ensaios de solidificação em um forno do tipo Bridgman com diferentes velocidades de extração e diferentes diâmetros de molde foram realizados. Ensaios para verificar o efeito de decantação destas partículas na macrossegregação também foram conduzidos. Nos ensaios de solidificação, os resultados mostram que um aumento da velocidade de extração do molde para fora da região quente do forno resulta em uma estrutura de grãos menos alinhada na direção axial dos lingotes cilíndricos. Adicionalmente, o aumento do diâmetro do lingote também possui um efeito na macroestrutura, dependo da velocidade de extração. A macrossegregação de carbono para o topo do lingote é mais severa quanto menor for a velocidade de extração e maior for a direcionalidade dos grãos. Esta macrossegregação é causada pelo empurramento das partículas de SiC pela interface sólido/líquido. A decantação de partículas de SiC causou macrossegregação de C para a base dos lingotes de Si, porém menos acentuada que aquela observada nos ensaios de solidificação direcional. A alteração do período de tempo reservado no experimento para ocorrência da decantação de uma para seis horas não influenciou significativamente a macrossegregação. Para um mesmo tempo de processo, a solidificação direcional a uma velocidade de extração de 5 µm/s resultou em uma maior macrossegregação de carbono do que aquela observada após decantação, apresentando um maior potencial para a remoção do carbono contido no silício.Renewable energies have been considered as possible solutions to the world energy matrix issue. Solar energy is one of the alternatives. Photovoltaic cells are mainly made of high purity silicon, which is produced by a complex and costly chemical process. New alternative processes are under development and one of them is the metallurgical route. In this route, a less pure silicon is refined and impurities are removed by metallurgical operations. One of the elements to be removed is carbon, which is mainly present as silicon carbide (SiC). Aiming at an investigation about the macrosegregation of carbon and SiC particles in Si, solidification experiments were conducted in a Bridgman type furnace using different extraction velocities and different mold diameters. Experiments to investigate the effects of settling of SiC particles were also carried out. The results show that the mold extraction velocity plays an important role in the grain macrostructure formation: higher velocities give rise to a less directional grain structure. Additionally, the change in the ingot diameter also has an effect on the macrostructure depending on the extraction velocity. Carbon macrosegregation to the ingot top is more severe for lower mold extraction velocities. This macrosegregation is a result of SiC particles being pushed by the solid/liquid interface to the ingot top. The settling of SiC particles causes carbon macrosegregation to the ingot bottom, but less intense than that observed in the directional solidification experiments at the ingot top. The change of settling times from one to six hours, have no significant effect on the degree of macrosegregation. For equal processing times, directional solidification at a mold extraction rate of 5 µm/s causes more carbon macrosegregation than settling, representing a higher potential alternative for carbon removal from silicon