矽熔體的脫碳方法

2023-11-05 12:14:12

專利名稱：矽熔體的脫碳方法
矽熔體的脫碳方法本發明涉及一種矽熔體脫碳的新方法，及其用於製備矽，優選太陽能矽或者半導體矽的用途。在光弧爐(light arc furnace)中通過用碳還原二氧化娃來製備娃已知有一段時間了並描述在包括DE 3013319 (Dow Corning)的文獻中。然而，所得矽在排出時仍然含有約IOOOppm的碳，為了製得的太陽能電池具有高效能，必需通過合適的後處理/純化過程來降低碳至低於3ppm以製得太陽能娃(solar silicon)。已描述了各種方法以多個步驟降低該碳含量。一個實例是Solsilc法(www. ecn.nl)，其中脫碳分多步進行。這首先涉及在受控條件下冷卻排出的矽，在該過程中SiC顆粒從熔體中分離出。然後要在陶瓷過濾器中將它們從矽中除去。接著，用氬氣-水蒸汽混合物對矽脫氧。最後，將該預純化的、粗脫碳的矽供應到定向固化中。然而，由於在受控冷卻 的過程中分離出的SiC顆粒粘附到坩鍋壁上，因此所述方法成本高並且不方便。而且，陶瓷過濾器經常被SiC顆粒堵塞。過濾結束之後，坩鍋和過濾器還必須費力清洗，例如通過用氫氟酸進行酸清洗。由於氫氟酸的產品特性，因此該步驟構成相當大的潛在危險。同樣在報告 03E-8434-A，Silicium fiir Solarzellen[Silicon for SolarCells], Siemens AG, November 1990中詳細描述了娃塊的定向固化。該方法可以在娃中提供低於2ppm的碳含量。然而，該方法的缺陷在於定向固化除去碳的成本非常高且費時。爐期保持2天並因此需要耗能10kWh/kg矽。此外，在該方法中，在定向固化之後獲得的矽塊中僅80%可用於太陽能電池。矽塊上面、下面和邊緣因碳含量很高而不得不除去。在其它方法中，例如，DE 3883518和JP2856839提出了將SiO2吹入矽熔體中。添加的SiO2與溶解在熔體中的碳反應形成CO，它從矽熔體中溢出。該方法的缺陷是溶解在矽熔體中的SiC未與SiO2充分反應。此外，原料還必需以SiO2的形式添加到該過程中，這增加了原料成本。在JP02267110、JP6345416、JP4231316、DE3403131 和 JP2009120460 中描述了對
該方法的各種改進。已知的這些方法的缺陷包括在設備部件上結塊並堵塞設備部件。因此仍然迫切需要一種有效、簡單且價廉的矽熔體的脫碳方法，它通過碳熱還原SiO2實現。因此本發明的目的是提供一種矽熔體脫碳的新方法，如果有缺陷的話，本發明方法的缺陷也已經將現有技術方法的缺陷減小了。在一個具體目的中，本發明的方法可用於製備太陽能矽和/或半導體矽。未具體說明的其它目的通過下面說明書、實施例和權利要求書的詳細描述變得顯而易見。這些目的是通過下面說明書、實施例和權利要求書詳細描述的方法實現的。本發明人已出人意料地發現，當將一氧化矽(SiO)吹入矽熔體時可以簡單、價廉且有效的方式對矽熔體脫碳。由於在光弧爐中通過SiO2與C反應製備矽獲得的副產物為約0. 6kgSi0/kg娃，因此該方法特別有益。在本發明的一個優選實施方式中，可以收集該SiO (任選不含碳)並再次用於熔體的脫碳。因此，原料成本和廢物成本都降低。此外，該SiO的純度非常高，這樣該方法可用於高純度矽的生產。正如已經提及的，源自光弧還原爐的矽熔體的碳含量為約lOOOppm。在1800°C的出爐溫度下，大多數碳溶解在該熔體中。然而，如果將熔體冷卻至例如1600°C，結果大部分碳從過飽和熔體中以SiC沉澱出。根據Yanaba等，Solubility of Carbon in liquidSilicon, Materials Transactions. JIM, Vol. 38, No. 11 (1997),第 990-994 頁，描述了碳在矽中的溶解度作為溫度的函數log C=3. 63-9660/T其中碳含量C以質量百分數計，溫度T以開爾文度計。下表I顯不了具有IOOOppm的溶體的關係 表I :
權利要求
1.矽熔體的脫碳方法，其特徵在於， 將一氧化矽添加到矽熔體中，以降低所述熔體的碳含量。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於， 所述一氧化矽以固體形式添加，優選以粉末形式添加。
3.如權利要求I和2任一項所述的方法，其特徵在於， 通過氣流，優選通過稀有氣流，更優選通過氬氣流將所述一氧化矽吹入所述熔體中。
4.如權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於， 在添加一氧化矽時，所述矽熔體的溫度為1412°C -2000°C，優選1412°C -1800°C，更優選 1450 °C -1750。。。
5.如權利要求1-4中任一項所述的方法,其特徵在於， 在SiO的添加結束之前，所述矽熔體的溫度為大於或等於1600°C，或者所述矽熔體的溫度升至大於或等於1600°C，優選1650-1800°C，更優選1700-1750°C。
6.如權利要求1-5中任一項所述的方法,其特徵在於， 所述一氧化矽的添加被中斷至少一次，優選1-5次，中斷的保持時間為I分鐘-5小時，優選I分鐘-2. 5小時，更優選5-60分鐘。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於， 在0. I分鐘-I小時，優選0. I分鐘-30分鐘，更優選0. 5分鐘-15分鐘和尤其優選I分鐘-10分鐘的添加時間之後，SiO的添加被中斷，中斷的時間(保持時間)為I分鐘-5小時，優選I分鐘-2. 5小時，更優選5-60分鐘。
8.如權利要求1-7中任一項所述的方法，其特徵在於， 繼續添加一氧化娃，直到所述娃熔體的總碳含量小於或等於3ppm。
9.如權利要求1-8中任一項所述的方法，其特徵在於， 將起泡劑供應到所述矽熔體中，優選通過引入氣體，更優選通過引入稀有氣體，最優選通過引入氬氣來實現，或者通過向所述熔體提供形成氣體的物質，優選通過提供形成氣體的固體來實現，更優選通過提供碳酸銨粉末來實現，最優選通過將碳酸銨粉末添加到所述一氧化矽中來實現，其中基於一氧化矽和碳酸銨的混合物的質量，碳酸銨粉末的重量比例為 1%-10%。
10.通過用碳還原SiO2來製備矽的方法，其特徵在於， 通過如權利要求1-9中任一項所述的方法來進行矽熔體的脫碳。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於， 所述矽是太陽能矽或者半導體矽，和/或使用高純度二氧化矽和/或高純度碳和/或高純度一氧化矽。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於， 該方法包括以下步驟在將SiO添加到矽熔體中之前，先進行粗脫碳，從而使得所述矽熔體的總碳含量優選低於500ppm,更優選低於250ppm和尤其優選低於150ppm。
全文摘要
本發明涉及一種對矽熔體脫碳的新方法，及其用於製備矽，優選太陽能矽或者半導體矽的用途。
文檔編號C01B33/037GK102712483SQ201080061933
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年1月21日
發明者J·欣特邁爾 申請人:贏創德固賽有限公司