O Instituto de Pesquisa de São Paulo (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 destesilício:
* 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. (ambienteenergia)
