人们常说硅来源于沙子，然而制造晶体硅太阳电池真正的原材料却是石英，因为其纯度远高于沙子。石英与煤或者焦油形式的碳在1900℃的电弧炉中还原为硅：

SiO₂（s）＋C（s）→Si（l）＋CO₂（g）

这个温度下制造的硅是液态的，冷却后就凝固成冶金级硅。基于原料的纯度，所形成的冶金级硅的纯度最高也只有99%，这并不能满足太阳电池的要求。在这个过程中单位质量所消耗的电力约为20kWh/kg，也就是说每千克冶金级硅的制造需要耗电20kWh。2012年，全球冶金级硅的产量约为1500000吨^[2]，这导致大约10000000吨的二氧化碳排放到大气中（上述反应制造1kg的硅约产生近7kg的二氧化碳）。同时20kWh的电力的生产也会产生二氧化碳排放，这个没有计算在上述的二氧化碳排放之内。

冶金级硅一般只有大约20%会进一步纯化并用于太阳电池或半导体领域。通常半导体级硅所要求的杂质含量需低于0.1ppm，或者说半导体硅要求纯度高于99.9999999%（9N）。一般认为太阳能级硅所要求的纯度低于半导体级硅，一般要求杂质含量低于1ppm，或者纯度高于99.9999%（6N）。今天用于提纯冶金级硅最常见的产业过程是通过冶金级硅与氯化氢（HCl）气体反应生成三氯氢硅：

Si（s）＋3HCl（g）→SiHCl₃（g）＋H₂（g）

由于系统反应热力学允许，上述反应常伴随着其他氯硅烷的形成，比如四氯化硅（SiCl₄）。目前四氯化硅没有大规模的工业化用途，所以为了太阳电池产业的可持续发展，它不得不被收集并转化为三氯氢硅。

三氯氢硅的沸点是31.8℃，可以在室温下精馏提纯。由于很多杂质的沸点接近三氯氢硅，通常需要进行多步提纯才能得到9N纯度的半导体级硅，且每步的蒸发和凝固温度也要精确控制。此外，氯化氢和三氯氢硅会腐蚀不锈钢，导致精馏容器需经常更换，从而增加了成本。

提纯后的三氯氢硅通过与氢气（H₂）反应还原为高纯多晶硅，这个被称为西门子反应。西门子反应发生在1150℃的高温下，由电流通过高纯硅棒维持高温，在硅棒上发生的总反应是

SiHCl₃（g）＋H₂（g）→Si（s）＋3HCl（g）(www.daowen.com)

这个步骤是在从石英变成组件的整个工艺流程中能耗最高的步骤之一，每产生1kg的多晶硅需要消耗约150kWh电力。图4.2给出了西门子反应器的示意图。三氯氢硅和氢气混合后通入到反应室中，在热硅棒上沉积硅。它们按照上述总反应在硅棒上进行反应，随着时间延长硅棒直径线性增加。硅棒要保持1150℃的高温，其需要的能量随时间的平方增加。西门子反应器是一个冷壁反应器，它的内壁通过水冷使腔壁温度保持在100℃以下。这样最大程度地减少了在气相及腔壁上形成硅颗粒，因为硅颗粒在后续的生产过程中难以处理。与此同时，绝大部分电力转变为水的热能而被浪费。西门子反应完成后，硅棒被粉碎成块，作为太阳电池产业的原料。

上述西门子过程所制造的多晶硅纯度达到9N级，这超过了太阳能级硅的要求。由于三氯氢硅/西门子过程昂贵且高能耗，在过去的10年中有大量的精力投入到发展替代性的提纯方法，以期将冶金级硅提纯为纯度稍低的太阳能级硅而显著降低成本和能耗^[3]。这些尝试大概可以归纳为以下三类：

1）更纯的原材料：这包括更纯的石英和焦炭。这也包括预处理，比如过滤，去除原材料中的部分杂质。

2）杂质分凝：这包括将不纯的硅与金属如铝形成合金，很多杂质会分凝进入合金相，从而提纯硅。

3）熔融硅处理：这包括真空或反应性气氛下，或者通入气体冒泡，或者往硅熔体中加入反应物以去除硅熔体中的杂质。

图4.2 将三氯氢硅还原为高纯多晶硅的西门子反应示意图。随着反应时间的延长，硅棒要维持1150℃高温所需要的能量随时间的平方增加，很多能量最终转变为水的热能。腔壁用水冷却是为了减少在气相中形成硅颗粒以及在腔壁上发生反应

虽然有些方法声称取得了成功，但是没有一个方法被太阳电池工业广泛采用。这些方法的主要问题是只对冶金级硅中部分杂质的去除有效，不是对所有杂质的去除都有效。这是因为这些方法没有依赖一个通用特性，用于所有杂质纯化。在精馏过程中是以杂质沸点为通用特性，只要精确控制蒸发和冷凝温度，所有杂质都能被去除。因此，要取代三氯氢硅精馏法，新纯化法必须依赖于一个不同但是通用的特性，比如杂质的氧化还原电势。