RU2429196C2 - Procedure for silicon powder smelting - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: ingots of silicon are produced of silicon powder by smelting silicon in crucible and its purification with successive directional crystallisation in cooled crucible. In flow of gas-carrier powder of silicon is transported through orifices in a near-bottom zone inside the crucible and is transmitted through a layer of smelted silicon.

EFFECT: production of silicon of solar quality.

3 cl

Description

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения кремния высокой чистоты.The invention relates to processes and apparatus for producing high purity silicon.

Известен способ очистки металлургического кремния, содержащего около 1% примесей, путем дробления на куски, получения порошкообразного материала с размером зерен менее 100 мкм, химического травления в щелочных и кислотных растворах, промывки и сушки (см. патент США №4241037, кл. C01B 33/02, 1979). В результате получается порошок кремния чистотой 99,99% и выше с развитой поверхностью, склонной к окислению, удельная плотность порошка много меньше плотности монолитного кремния, что затрудняет процесс сплавления порошка и получения слитка.A known method of cleaning metallurgical silicon, containing about 1% of impurities, by crushing into pieces, obtaining a powdery material with a grain size of less than 100 microns, chemical etching in alkaline and acid solutions, washing and drying (see US patent No. 4241037, class C01B 33 / 02, 1979). The result is a silicon powder with a purity of 99.99% and higher with a developed surface prone to oxidation, the specific gravity of the powder is much lower than the density of monolithic silicon, which complicates the process of fusion of the powder and obtaining the ingot.

Известен способ сплавления порошкообразного кремния путем добавления в порошок связующего материала, например кремнезоля и прессования гранул-пеллет (см. патент WO 2007/005729). Полученные гранулы нагревают в печи в восстановительной атмосфере до 1600°С, где получают расплав кремния, а после остывания - слиток. Недостатком этого способа является введение в порошок кремния дополнительного материала - связующего, что увеличивает трудоемкость изготовления слитка кремния и ведет к загрязнению кремния.A known method of fusing powdered silicon by adding a binder material, for example silica sol and pellet pellet pressing (see patent WO 2007/005729). The obtained granules are heated in an oven in a reducing atmosphere to 1600 ° C, where a silicon melt is obtained, and after cooling, an ingot is obtained. The disadvantage of this method is the introduction into silicon powder of an additional material - a binder, which increases the complexity of manufacturing a silicon ingot and leads to contamination of silicon.

В качестве прототипа выбран способ получения гранул-пеллет размером 10-20 мм весом 1-3 г, используя порошок кремния с размером частиц от 10 до 100 мкм и давления 10000 ньютон (см. патент США №7175685). Гранулы загружают в кварцевый тигель и отжигают в вакуумной печи при 1350°С, а затем сплавляют при температуре 1600°С. Недостатком прототипа является необходимость использования порошка определенного размера, промежуточных операций перед сплавлением, дорогостоящего оборудования и в результате сравнительно большая трудоемкость процесса сплавления порошка кремния в слиток.As a prototype, the selected method of producing pellets of pellets 10-20 mm in size weighing 1-3 g, using silicon powder with a particle size of 10 to 100 microns and a pressure of 10,000 newton (see US patent No. 7175685). The granules are loaded into a quartz crucible and annealed in a vacuum oven at 1350 ° C, and then fused at a temperature of 1600 ° C. The disadvantage of the prototype is the need to use a powder of a certain size, intermediate operations before fusion, expensive equipment and, as a result, the relatively high complexity of the process of fusion of silicon powder into an ingot.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости процесса сплавления порошка в слиток кремния.The objective of the invention is to reduce the complexity of the process of fusing the powder into a silicon ingot.

Технический результат достигается тем, что в способе получения слитков кремния из порошка кремния путем плавления кремния в тигле и его очистки с последующей направленной кристаллизацией в охлаждаемом тигле порошок кремния в потоке газа-носителя транспортируют через отверстия в придонной области внутрь тигля и пропускают через слой расплавленного кремния.The technical result is achieved by the fact that in the method of producing silicon ingots from silicon powder by melting silicon in a crucible and purifying it, followed by directed crystallization in a cooled crucible, silicon powder in a flow of carrier gas is transported through holes in the bottom region into the crucible and passed through a layer of molten silicon .

Дополнительная очистка порошка кремния достигается тем, что в качестве газа-носителя используется увлажненный газ, например азот.Further purification of the silicon powder is achieved by using a humidified gas, such as nitrogen, as the carrier gas.

Дополнительное повышение производительности процесса и снижение трудоемкости достигается тем, что расплав кремния поддерживают при температуре выше 1600°С.An additional increase in the productivity of the process and a decrease in the complexity is achieved by the fact that the silicon melt is maintained at a temperature above 1600 ° C.

Предлагаемый способ сплавления применим практически для порошков любого размера, с разной величиной толщины окисного покрытия. Процесс может идти в непрерывном режиме. Порошок кремния поступает в тигель с расплавленным кремнием в придонную область через множество равномерно распределенных отверстий. Газ-носитель обеспечивает транспортировку порошка в расплав в виде множества мелких пузырей, приобретающих температуру расплавленного объема кремния. Частицы порошка внутри пузырей нагреваются, плавятся и пополняют объем расплавленного кремния. Через сливное отверстие расплавленный кремний поступает в охлаждаемый тигель, в качестве которого может служить аппарат получения слитков мультикремния методом направленной кристаллизации.The proposed fusion method is applicable practically to powders of any size, with different thicknesses of the oxide coating. The process can go on continuously. Silicon powder enters the crucible with molten silicon in the bottom region through many evenly distributed holes. The carrier gas provides the transportation of the powder into the melt in the form of many small bubbles that acquire the temperature of the molten volume of silicon. Powder particles inside the bubbles heat up, melt and replenish the volume of molten silicon. Through a drain hole, molten silicon enters a cooled crucible, which can be used as an apparatus for producing multisilicon ingots by directional crystallization.

Использование в качестве газа-носителя увлажненного азота или кислорода сопровождается взаимодействием окисляемых примесей, содержавшихся в исходном порошке, и их улетучиванием из объема кремния вместе с газом-носителем. В результате, одновременно со сплавлением происходит дополнительная очистка для получения высококачественных слитков кремния.The use of moistened nitrogen or oxygen as a carrier gas is accompanied by the interaction of oxidizable impurities contained in the initial powder and their volatilization from the bulk of silicon together with the carrier gas. As a result, simultaneously with fusion, additional purification takes place to obtain high-quality silicon ingots.

Повышение производительности процесса сплавления достигается использованием перегретого расплава до температуры свыше 1600°С, когда снижается вязкость расплава кремния и обеспечивается получение в нем мелких газовых пузырей.An increase in the productivity of the fusion process is achieved by using an overheated melt to a temperature above 1600 ° C, when the viscosity of the silicon melt decreases and small gas bubbles are produced in it.

Предлагаемый способ изготовления подтверждается следующим примером изготовления.The proposed manufacturing method is confirmed by the following manufacturing example.

Использовался керамический тигель с донными каналами для пропускания газа. Тигель заполняли расплавленным кремнием с температурой около 1650°С и начинали пропускать через слой расплавленного кремния толщиной около 50 см струи азота под давлением с содержанием около 5% воды. Затем в поток азота вводили порошок кремния с размером частиц от 10 до 100 мкм. Весь порошок переходил в расплавленный кремний и получаемый после охлаждения слиток кремния. На поверхности расплава со временем наблюдалось образование корки шлака в виде окислов кремния, образованных на поверхности зерен порошка кремния. Степень чистоты полученного слитка превосходила чистоту исходного порошка кремния, что позволяет использовать данный способ для получения кремния солнечного качества для солнечных элементов.A ceramic crucible with bottom channels was used to pass gas. The crucible was filled with molten silicon with a temperature of about 1650 ° C and started to pass through a layer of molten silicon about 50 cm thick jet of nitrogen under pressure with a content of about 5% water. Then, silicon powder with a particle size of 10 to 100 μm was introduced into the nitrogen stream. All the powder passed into molten silicon and a silicon ingot obtained after cooling. Over time, the formation of a slag crust in the form of silicon oxides formed on the surface of grains of silicon powder was observed on the surface of the melt. The purity of the obtained ingot exceeded the purity of the initial silicon powder, which allows using this method to obtain solar-grade silicon for solar cells.

Claims (3)

1. Способ получения слитков кремния из порошка кремния путем плавления кремния в тигле и его очистки с последующей направленной кристаллизацией в охлаждаемом тигле, отличающийся тем, что порошок кремния в потоке газа-носителя транспортируют через отверстия в придонной области внутрь тигля и пропускают через слой расплавленного кремния.1. The method of producing silicon ingots from silicon powder by melting silicon in a crucible and purifying it with subsequent directed crystallization in a cooled crucible, characterized in that the silicon powder in the flow of carrier gas is transported through holes in the bottom region into the crucible and passed through a layer of molten silicon . 2. Способ получения слитков кремния из порошка кремния по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют увлажненный газ, например азот.2. The method of producing silicon ingots from silicon powder according to claim 1, characterized in that a humidified gas, for example nitrogen, is used as a carrier gas. 3. Способ получения слитков кремния из порошка кремния по п.1, отличающийся тем, что расплав кремния поддерживают при температуре выше 1600°С. 3. The method of producing silicon ingots from silicon powder according to claim 1, characterized in that the silicon melt is maintained at a temperature above 1600 ° C.