DE3504723A1

DE3504723A1 - Verfahren zum reinigen von silicium

Info

Publication number: DE3504723A1
Application number: DE19853504723
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr.phil.nat. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1986-08-14

Description

Verfahren zum Reinigen von Silicium
Für Solarzellen geeignetes Silicium muß preiswert herstellbar sein. Zur Herstellung solchen Siliciums gibt es eine Vielzahl von Vorschlägen. Viele dieser Verfahren sehen die metallurgische Herstellung im Lichtbogenofen vor.
Dazu werden relativ billige Ausgangsstoffe wie Quarzsand und bestimmte Kohlenstoffmodifikationen, wie z. B. gepreßter Ruß, verwendet. Im Lichtbogenofen wird der Quarzsand nach der vereinfachten Bruttoformel zu Silicium reduziert.
Hierbei entsteht flüssiges Silicium, das dann weiterverarbeitet wird. Dieses Silicium enthält im allgemeinen relativ hohe Anteile von Verunreinigungen. Man ist daher gezwungen, es zu reinigen, wenn Solarzellen mit vertretbarem Wirkungsgrad hergestellt werden sollen. Zum Reinigen können die bekannten Zonenreinigungsverfahren verwendet werden. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, das erstarrte Silicium mechanisch zu zerkleinern und das zerkleinerte Silicium chemisch derart zu behandeln, daß die Verunreinigungen entfernt werden. Die bekannten Verfahren sind jedoch teuer und erfordern zusätzliche Arbeitsgänge nach dem Erschmelzen des Siliciums.
Besonders häufig und in großen Anteilen vorkommende Verunreinigungen im Silicium sind Kohlenstoff und Sauerstoff.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen von im Lichtbogenofen aus einem Siliciumverbindungen und Kohlenstoff enthaltenden Möller erschmolzenen Silicium.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verunreinigungen Sauerstoff und Kohlenstoff durch ein besonders einfaches und billiges Verfahren aus dem Silicium zu entfernen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in das schmelzflüssige Silicium Wasserstoff eingeblasen wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Diese Figuren zeigen Schnittansichten von verschiedenen Anordnungen, mit denen das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist ein Lichtbogenofen 1 mit einer Wanne 2. Der Lichtbogenofen enthält ein Abstichrohr 3, das am Boden der Wanne 2 angeordnet ist. Die Wanne 2 ist mit einem Möller 4 aus Quarzsand und beispielsweise brikettiertem Ruß gefüllt. Im Möller stecken zwei Elektroden 5 und 6, die über Stromleiter 7 und 8 mit der Sekundärwicklung eines Ofentransformators verbunden sind. Werden die Ofenelektroden an Spannung gelegt, so entsteht zwischen ihnen ein Lichtbogen, der den Möller zu schmelzflüssigem Silicium 9 reduziert. Die Silicium schmelze 9 sammelt sich am Boden des Lichtbogenofens.
Zur Entfernung von Verunreinigungen, insbesondere von Sauerstoff und Kohlenstoff aus dem schmelzflüssigen Silicium, wird in die Siliciumschmelze Wasserstoff eingebla- sen. Dies geschieht durch ein in die Schmelze 9 gestecktes Graphitrohr 10. Das Graphitrohr wird von der Schmelze nicht angegriffen und ist bei der Temperatur des flüssigen Siliciums formbeständig. Der eingeblasene Wasserstoff verbindet sich in der Schmelze mit den Verunreinigungen.
Diese entweichen dann gasförmig.
Das schmelzflüssige Silicium kann auch aus dem Ofen 1 z. B. in einen Konverter gegeben werden, der in Fig. 2 mit 11 bezeichnet ist. Dieser besteht beispielsweise aus einem Stahlmantel 12, der im Inneren mit einer Isolationsschicht 13 versehen ist. Diese Isolationsschicht umgibt einen Graphittiegel 14, in dem ein Quarztiegel 15 angeordnet ist. Die Schmelze 9 wird durch eine Öffnung 17 in den Quarztiegel 15 gefüllt. Das Graphitrohr 10 zur Einführung des Wasserstoffs steckt in einer in der Wand des Konverters vorgesehenen Durchführung 16 und ragt in die Schmelze 9 hinein.
Der gezeigte Konverter ist ein Beispiel für ein nicht beheizbares Gefäß. Um das Silicium trotz fehlender Heizung schmelzflüssig zu halten, wird zweckmäßigerweise vor dem Einblasen des Wasserstoffs Sauerstoff in die Schmelze geblasen. Hierbei verbrennt ein gewisser Teil des Siliciums und gibt die Wärme an die Schmelze ab. Nachfolgend wird dann Wasserstoff durch das Graphitrohr 10 eingeblasen, das die Siliciumschmelze 9 insbesondere von Sauerstoff und Kohlenstoff befreit. Nach dem Reinigungsvorgang wird der Konverter gekippt und das schmelzflüssige Silicium kann durch die Öffnung 17 ausfließen.
In Fig. 3 ist ein Druckgefäß 20 dargestellt, das aus einem Boden 19, einer Wand 21 und einem Deckel 22 besteht. Im Druckgefäß ist beispielsweise auf einem Support 18 ein Graphittiegel 23 angeordnet, der innen einen Quarztiegel 25 aufnimmt. Der Graphittiegel ist von einer Heizwicklung 24 umgeben. Die Durchführung 16 sitzt gasdicht im Deckel 22 des Druckgefäßes. Das schmelzflüssige Silicium 9 wird durch den Heizer 24 schmelzflüssig gehalten. Der durch das Graphitrohr 10 eingeblasene Wasserstoff reinigt das Silicium wie oben beschrieben von den Verunreinigungen. Die gasförmigen Verbindungen der Verunreinigungen und der Restwasserstoff entweicht durch eine Auslaßöffnung 26, die z. B. im Deckel 22 des Reaktionsgefäßes angebracht ist.
Mit der Anordnung nach Fig. 3 ist es möglich, das Reinigen auch bei vermindertem Druck vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird die Auslaßöffnung 26 an eine Unterdruckpumpe angeschlossen. Es hat sich hierbei als zweckmäßig erwiesen, den Druck nicht unter 0,5 hP zu senken, da sonst zu viel Silicium verdampft.
Sinnvoll ist ein Wasserstoffstrom von 0,05 bis 50 l/h.
Der Wasserstoff kann auch mit einem Trägergas, wie z. B.
Argon, verdünnt werden. Es ist auch möglich, statt des Wasserstoffs und des Trägergases feuchtes Edelgas zu verwenden. Auch hierbei kann Unterdruck angewendet werden.
7 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Reinigen von im Lichtbogenofen aus einem Siliciumverbindungen und Kohlenstoff enthaltenden Möller erschmolzenen Silicium, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in das schmelzflüssige Silicium Wasserstoff eingeblasen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Wasserstoff durch ein Graphitrohr (10) in die Schmelze (9) geblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wasserstoff im Lichtbogenofen (1) in das Silicium eingeblasen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das schmelzflüssige Silicium in ein nicht beheizbares Gefäß (11) umgefüllt wird, daß dann Sauerstoff in das schmelzflüssige Silicium (9) eingeblasen und anschließend der Wasserstoff eingeblasen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das schmelzflüssige Silicium in ein beheiztes Gefäß (23) umgefüllt und daß anschließend der Wasserstoff in das schmelzflüssige Silicium eingeblasen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das schmelzflüssige Silicium (9) unter Unterdruck gehalten und daß dann Wasserstoff eingeblasen wird. -7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wasserstoff mit einem Trägergas verdünnt wird.