Hoe bereken je de zuiverheid van kwartsmaterialen voor kiezelzuur (SiO₂)?

Om te beginnen heb je een GDMS-rapport (Glow Discharge Mass Spectrometry) nodig. Dit kan gebruikt worden om een voorlopige schatting te maken van de theoretische zuiverheid van silica (SiO₂). Houd echter rekening met de volgende belangrijke beperkingen en berekeningsmethoden:

---

GDMS-rapport

1. Voorbeeldmethode voor het schatten van de zuiverheid van SiO₂

(1) Directe berekeningsmethode (Hoofdbestanddeelaftrekmethode)

Veronderstelling:
Het hoofdbestanddeel van de kwartsbuis is SiO₂ en alle andere elementen worden als onzuiverheden beschouwd.

Formule:
SiO₂-zuiverheid ≈ 100% - Σ (gehalte aan alle onzuiverheidelementen)

Berekeningsstappen:

1. Extraheer uit het rapport het gehalte van alle onzuiverheidselementen behalve zuurstof en silicium (in ppm-gewicht).
2. Tel de gehaltes aan onzuiverheden bij elkaar op om het totale gehalte aan onzuiverheden te krijgen.
3. Trek het totale percentage onzuiverheden (ppm ÷ 10.000) af van 100%.

---

(2) Werkelijke berekening (gebaseerd op rapportgegevens)

Bepaal de totale hoeveelheid gedetecteerde onzuiverheden (eenheid: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + andere bovengrenzen (bijv. Fe <0,5, Cr <0,5...)

≈ 0,16 + 1,1 + 0,29 + 0,05 + 11 + 3,4 + 0,58 + 0,5 (Fe) + 0,5 (Cr) + 0,05 (Ni) + 0,1 (Cu) + 1 (Ca)

≈ 18,73 ppm (voorzichtige schatting, berekend op basis van bovengrenzen)

SiO₂ Zuiverheid:
100% - (18,73 ÷ 10.000) = 99.8127%

---

(3) Correctiefactoren

• Onopgemerkte elementen: Elementen gemarkeerd als "-" in het rapport (zoals Au, Hg, enz.) kunnen onder de detectielimiet van het instrument liggen, maar worden niet meegeteld in het totaal aan onzuiverheden.
• Zuurstofgehalte niet gekwantificeerd: Het rapport markeert zuurstof alleen als "hoofdbestanddeel", maar in het werkelijke SiO₂ maakt zuurstof 53,2% van de samenstelling uit (correctie voor stoichiometrische verhouding is vereist).

---

2. Zuiverheidsevaluatie Conclusie

• Conservatieve zuiverheid: ≥ 99.81% (berekend met behulp van de bovengrenzen van GDMS-opgespoorde verontreinigingen)
• De werkelijke zuiverheid kan hoger zijn: Als sommige elementen ver onder hun bovengrens zitten (bijvoorbeeld Fe is slechts 0,1 ppm), kan de zuiverheid oplopen tot 99.9%.

---

3. Belangrijkste beperkingen en overwegingen

(1) Beperkingen van de GDMS-methode

• Semi-kwantitatieve gegevens: Fe <0,5 ppm kan bijvoorbeeld in werkelijkheid 0,1 ppm of 0,01 ppm zijn, wat de berekening van de zuiverheid aanzienlijk kan beïnvloeden.
• Ontbrekende lichtelementen: GDMS heeft een zwak detectievermogen voor lichte elementen zoals C en H, wat kan leiden tot een onderschatting van het totaal aan onzuiverheden (bijv. hydroxyl OH- niet gedetecteerd).

(2) Vergelijking met industriestandaarden

Materiaalklasse	Typische SiO₂-zuiverheidsvereiste	Zuiverheid geschat met GDMS	Voldoet aan norm
Kwarts van industriële kwaliteit	≥99,5%	99.81%	Ja
Kwarts van fotovoltaïsche kwaliteit	≥99,9%	Dichtbij, maar onzeker	⚠ ICP-MS-verificatie nodig
Kwarts van halfgeleiderkwaliteit	≥99,99%	Niet bereikt	Nee

---

4. Toepassingsaanbevelingen voor het materiaal

• Industrieel/algemeen gebruik: Een zuiverheid van 99,8% is voldoende en kan direct worden gebruikt.
• Fotovoltaïsch/halfgeleidergebruik:
  • Gebruik ICP-MS om te bevestigen of kritieke metaalonzuiverheden (Fe, Na, enz.) echt onder 0,1 ppm liggen.
  • Vul aan met FTIR-tests om het hydroxylgehalte te bepalen (OH- < 5 ppm).

Samenvatting:
Dit materiaal behoort tot hoogzuiver industrieel kwarts, maar voldoet niet aan de eisen voor halfgeleiders (4N5 of 5N).

Beslissingsgrondslag:
Als het proces van de klant gevoelig is voor Fe/Na-vervuiling (bijv. PERC-zonnecellen), moet prioriteit worden gegeven aan het verifiëren van de werkelijke onzuiverheidsniveaus.