Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre dopo l’ossigeno, costituendo circa il 28% della sua massa. Eppure non si trova mai allo stato libero in natura: è sempre combinato con l’ossigeno sotto forma di silice (SiO<sub>2</sub>) o di silicati. Questa abbondanza naturale, unita alle straordinarie proprietà elettroniche e chimiche, ha reso il silicio uno dei materiali industriali più importanti del mondo moderno, dalla produzione di microchip alle celle fotovoltaiche, dalle leghe metalliche ai siliconi.
Impieghi del silicio
Gli usi industriali del silicio si dividono in tre grandi categorie, che riflettono tre livelli crescenti di purezza del materiale.
Metallurgia e leghe. La quota più grande della produzione mondiale di silicio metallico, circa il 39%, viene assorbita dall’industria metallurgica. Il silicio viene aggiunto all’alluminio fuso per ottenere leghe alluminio-silicio (serie 3xx e 4xx) che presentano eccellente colabilità, buona resistenza meccanica e bassa densità. Queste leghe sono fondamentali nell’industria automobilistica per la produzione di blocchi motore, testate, pistoni e componenti strutturali. La tecnica del gigacasting, che consiste nel fondere in un unico pezzo stampato intere sezioni della scocca di un’automobile, richiede leghe con contenuto di silicio fino al 7% in peso. Il ferro-silicio (FeSi) è invece utilizzato in siderurgia come agente deossidante nella produzione di acciaio e come additivo nelle ghise.
Industria chimica e siliconi. Circa il 30% del silicio metallico viene impiegato dall’industria chimica per la produzione di siliconi, denominati più correttamente polidiorganosilossani. Questi polimeri, nei quali catene di atomi alternati di silicio e ossigeno portano gruppi organici laterali, si distinguono per la straordinaria stabilità termica, l’idrorepellenza, la bassa tossicità e le eccellenti proprietà dielettriche. I siliconi trovano applicazione come oli lubrificanti, elastomeri, resine, sigillanti, schiume, adesivi, rivestimenti antiaderenti e in moltissime applicazioni mediche comprese protesi e rivestimenti di cateteri. La produzione di siliconi parte dalla reazione del silicio metallico con il cloruro di metile (CH<sub>3</sub>Cl) per formare clorosilani, in particolare il dimetildiclorosilano:
Si + 2 CH3Cl → (CH3)2SiCl2Questa reazione, nota come processo Müller-Rochow, avviene in fase gas a 250–300 °C in presenza di catalizzatori a base di rame.
Semiconduttori e fotovoltaico. Una quota minore in termini di volume ma di enorme valore economico è destinata alla produzione di silicio ad altissima purezza (9N, cioè 99,9999999% di purezza) per l’industria elettronica e fotovoltaica. Nel 2024 circa il 45% della produzione globale di silicio metallico era destinata ad applicazioni di energia rinnovabile, in particolare celle e moduli fotovoltaici. Il silicio è il materiale semiconduttore dominante nell’industria dei circuiti integrati grazie alla sua banda proibita di 1,12 eV, alla disponibilità abbondante e alla capacità di formare un ossido nativo (SiO<sub>2</sub>) di qualità eccezionale che ne facilita la lavorazione nei processi fotolitografici. Marketreportsworld
Produzione annuale di silicio metallico
Nel 2024 la Cina ha realizzato circa l’85% della produzione mondiale di silicio metallico. La tabella riporta i principali paesi produttori secondo i dati USGS 2024: PricePedia
| Paese | Produzione (tonnellate/anno) | Note |
|---|---|---|
| Mondo | ~4.600.000 | silicio elementare |
| Cina | ~3.900.000 | ~85% della produzione mondiale |
| Russia | ~600.000 | secondo produttore mondiale |
| Brasile | ~400.000 | principalmente da RIMA |
| Norvegia | ~360.000 | primo produttore europeo, energia idroelettrica |
| Stati Uniti | ~310.000 | produzione interna limitata |
| Francia | nd | quarto produttore mondiale |
A livello europeo, i tre principali produttori di silicio metallico sono Francia, Germania e Spagna. Il vero limite europeo non è la disponibilità di risorse minerarie, ma il costo energetico molto elevato del processo metallurgico, che incide in modo determinante sulla competitività della produzione. Per questo motivo l’Unione Europea ha classificato il silicio metallico come materia prima sia critica che strategica. PricePediaPricePedia
La produzione di silicio di grado metallurgico richiede temperature elevate, tipicamente superiori a 1.700 °C, con un consumo fino a 11.000 kWh per tonnellata. Marketreportsworld
Produzione di silicio metallico
La produzione industriale di silicio metallico avviene in forni ad arco sommerso (Submerged Arc Furnace, SAF), grandi reattori elettrici nei quali elettrodi di grafite vengono immersi nella carica solida. La materia prima è la silice (quarzo o quarzite di elevata purezza, con contenuto di SiO<sub>2</sub> superiore al 99%) che viene ridotta con agenti riducenti carboniosi quali carbone, coke di petrolio e legno di pino. La reazione globale di riduzione è:
SiO2 + 2 C → Si + 2 COIn realtà il processo avviene attraverso una serie di reazioni intermedie a diverse temperature. Nella zona più calda del forno, dove la temperatura supera i 1.900 °C, si forma carburo di silicio:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 COIl carburo di silicio reagisce poi con la silice in zone a temperatura leggermente inferiore (1.700–1.800 °C):
SiO2 + 2 SiC → 3 Si + 2 COIl silicio fuso, con densità di circa 2,52 g/cm3 allo stato liquido, si raccoglie sul fondo del forno e viene spillato periodicamente in siviere, poi colato in lingottiere per solidificazione. Il prodotto ottenuto, detto silicio metallurgico (MG-Si, Metallurgical Grade Silicon), ha una purezza tipicamente del 98–99% con impurezze principalmente di ferro, alluminio e calcio.
Per le applicazioni in elettronica e fotovoltaico è necessaria una purificazione ulteriore. Il metodo industriale principale è il processo Siemens, nel quale il silicio metallurgico viene convertito in triclorosilano (SiHCl<sub>3</sub>) per reazione con acido cloridrico:
Si + 3 HCl → SiHCl3 + H2Il triclorosilano viene poi purificato per distillazione frazionata e quindi ridotto con idrogeno ad alta temperatura (1.100 °C) su bacchette di silicio puro che fungono da substrato di deposizione:
SiHCl3 + H2 → Si + 3 HClIl silicio di grado elettronico (EG-Si) ottenuto con questo processo raggiunge purezze superiori a 9N ed è il materiale di partenza per la crescita di monocristalli di silicio (processo Czochralski) destinati alla produzione di wafer per microprocessori e memorie.
Il silicio nell’industria del fotovoltaico
La domanda di silicio per il fotovoltaico ha conosciuto una crescita straordinaria nell’ultimo decennio. Nel 2024 la capacità solare fotovoltaica globale ha superato i 1.200 GW. Ogni MW di installazione di energia solare richiede circa 4 tonnellate di polisilicio. Per la produzione di celle solari si utilizza il silicio policristallino (poly-Si), ottenuto con una variante del processo Siemens o con il più recente processo FBR (Fluidized Bed Reactor), che offre costi energetici inferiori. Il polisilicio viene poi fuso e solidificato direttamente in blocchi (casting) oppure trasformato in monocristalli per le celle ad alta efficienza. Marketreportsworld
Edizione italiana a cura di Valter Ballantini