Jak obliczyć czystość krzemionki (SiO₂) w materiałach kwarcowych?

Na początek potrzebny będzie raport GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry). Można go wykorzystać do wstępnego oszacowania teoretycznej czystości krzemionki (SiO₂). Należy jednak pamiętać o następujących kluczowych ograniczeniach i metodach obliczeniowych:

---

Raport GDMS

1. Przykładowa metoda szacowania czystości SiO₂

(1) Metoda bezpośrednich obliczeń (metoda odliczenia głównego składnika)

Założenie:
Głównym składnikiem rurki kwarcowej jest SiO₂, a wszystkie inne elementy są uważane za zanieczyszczenia.

Formuła:
Czystość SiO₂ ≈ 100% - Σ (zawartość wszystkich zanieczyszczeń)

Kroki obliczeniowe:

1. Wyodrębnić z raportu zawartość wszystkich zanieczyszczeń innych niż tlen i krzem (w ppm wagowo).
2. Zsumować zawartość zanieczyszczeń, aby uzyskać całkowitą zawartość zanieczyszczeń.
3. Odjąć całkowitą wartość procentową zanieczyszczenia (ppm ÷ 10 000) od 100%.

---

(2) Rzeczywiste obliczenia (na podstawie danych z raportu)

Określić całkowitą ilość wykrytych zanieczyszczeń (jednostka: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + inne górne limity (np. 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 (ostrożne szacunki, obliczone przy użyciu górnych limitów)

SiO₂ Czystość:
100% - (18,73 ÷ 10 000) = 99.8127%

---

(3) Współczynniki korygujące

• Niewykryte elementy: Pierwiastki oznaczone jako "-" w raporcie (takie jak Au, Hg itp.) mogą znajdować się poniżej granicy wykrywalności urządzenia, ale nie są wliczane do całkowitej ilości zanieczyszczeń.
• Zawartość tlenu nie została określona ilościowo: W raporcie oznaczono tylko tlen jako "główny składnik", ale w rzeczywistym SiO₂ tlen stanowi 53,2% jego składu (wymagana jest korekta współczynnika stechiometrycznego).

---

2. Ocena czystości Wnioski

• Konserwatywna czystość: ≥ 99,81% (obliczone przy użyciu górnych granic wykrytych zanieczyszczeń GDMS)
• Rzeczywista czystość może być wyższa: Jeśli niektóre pierwiastki są znacznie poniżej swoich górnych limitów (np. Fe wynosi tylko 0,1 ppm), czystość może osiągnąć 99.9%.

---

3. Kluczowe ograniczenia i rozważania

(1) Ograniczenia metody GDMS

• Dane półilościowe: Na przykład Fe <0,5 ppm może w rzeczywistości wynosić 0,1 ppm lub 0,01 ppm, co może znacząco wpłynąć na obliczenia czystości.
• Brakujące elementy świetlne: GDMS ma słabą zdolność wykrywania lekkich pierwiastków, takich jak C i H, co może prowadzić do niedoszacowania całkowitej ilości zanieczyszczeń (np. nie wykryto hydroksylu OH-).

(2) Porównanie ze standardami branżowymi

Klasa materiału	Typowe wymagania dotyczące czystości SiO₂	Czystość oszacowana na podstawie GDMS	Spełnia normę
Kwarc klasy przemysłowej	≥99.5%	99.81%	Tak
Kwarc klasy fotowoltaicznej	≥99.9%	Blisko, ale niepewnie	Potrzebna weryfikacja ICP-MS
Kwarc klasy półprzewodnikowej	≥99.99%	Nie osiągnięto	Nie

---

4. Zalecenia dotyczące stosowania materiału

• Zastosowanie przemysłowe/ogólne: Czystość 99,8% jest wystarczająca i może być używana bezpośrednio.
• Zastosowanie fotowoltaiczne/półprzewodnikowe:
  • Użyj ICP-MS, aby potwierdzić, czy krytyczne zanieczyszczenia metaliczne (Fe, Na itp.) są rzeczywiście poniżej 0,1 ppm.
  • Uzupełnić testami FTIR w celu określenia zawartości hydroksylu (OH- < 5 ppm).

Podsumowanie:
Materiał ten należy do kwarcu przemysłowego o wysokiej czystości, ale nie spełnia wymagań klasy półprzewodnikowej (4N5 lub 5N).

Podstawa decyzji:
Jeśli proces klienta jest wrażliwy na zanieczyszczenia Fe/Na (np. ogniwa słoneczne PERC), priorytetem powinna być weryfikacja rzeczywistych poziomów zanieczyszczeń.