NO851749L - Fremgangsmaate til aa skille faste reaksjonsprodukter fra silisium frembragt i lysbueovn. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til å skille faste reaksjonsprodukter som SiO., og SiC fra smelteflytende silisium som er frembragt i lysbueovn ved reduksjon av SiC^ og karbon.

For å utnytte solenergi med solarceller av krystallinsk silisium økonomisk er det nødvendig å senke omkostningene til fremstilling av utgangsmaterialene. Den fremgangsmåte til fremstilling av silisium som er best kjent og idag arbeider mest gunstig når det gjelder pris, er karbotermisk reduksjon av kvarts i lysbueovn. En slik fremgangsmåte er f.eks. omtalt i boken "Silizium als Halbleiter" av R. Rost, Verlag Berliner Union Stuttgart, på side 18/19. På grunn av de sterkt foruren-sede utgangsmaterialer som kvarts, petrolkoks, trekull, kull som anvendes ved denne fremgangsmåte, har det fremstilte silisium bare en renhet av 96-98,5 % og er dermed uskikket for fremstilling av solarceller.

Fra US-PS' 4 247 528 er der kjent en fremgangsmåte til fremstilling av solarsilisium i lysbueovn hvor høyrene utgangs-substanser (SiC>2og sot) blir behandlet under høyrene betingel-ser. Derved blir bor- og fosforinnholdet såvel som innholdet av tungmetaller senket, og der fås én renhetsgrad på 99,9 %, men i smeiten finnes der stadig forurensninger i form av faste reaksjonsprodukter (ikke redusert kvarts, ikke reagert kull og silisiumkarbidpartikler) som vanskeliggjør viderebehandling av silisiumkrystallene. Gode resultater har man i den forbindelse fått ved en totrinns Czochralski-trekkprosess som gjør det mulig å fjerne samtlige slike partikler. Solarceller fremstilt av dette materiale har virkningsgrader høyere enn 10 %. Imidlertid er krystalltrekningen i tilleggsoperasjoner kost-bar og besværlig.

Det er derfor den foreliggende oppfinnelses oppgave å

gi anvisning på en fremgangsmåte som forenkler denne prosess, idet det særlig skal være mulig straks, altså uten ekstra kry-stalltrekningsoperasjoner å bruke det ved karbonteknisk reduksjon dannede silisium ved produksjon av silisiumlegemer for solarceller.

I DE-patentsøknad 34 11.955.8 er det til dette formål foreslått å lede smelteflytende silisium som trer ut av høy- temperaturovnen, gjennom et filter av grafitt ved spesifikk tetthet under 1,85 g/cm^ hvorunder de faste bestanddeler blir tilbake i filteret og silisiumet strømmer igjennom.

I DE-patentsøknad P 34 03 131.6 blir der foreslått en annen fremgangsmåte til formålet, hvor silisiumet etter den karbotermiske reduksjon blir påsmeltet i en høykomprimert grafittdigel hvorved den ikke reduserte kvarts og det ikke rea-gerte kull samler seg på digelens vegg.

Oppfinnelsen gir anvisning på en annen vei, hvor den stil-lede oppgave blir løst ved at det smelteflytende silisium etter en såkalt "holdefase" ved en temperatur i området over silisiumets smeltepunkt blir filtrert ved hjelp av et oppvarmet skikt bestående av karbonmateriale SiC/Si og oppfanges i høy-rene grafittkokiller samt underkastes en målrettet stivning..

I den forbindelse ligger det innen oppfinnelsens ramme at der for filtreringen anvendes en grafittdigel hvis bunn utgjøres av en plate av SiC/Si. Innholdet av SiC blir da innstillet slik at der ved filtreringen oppstår "kanaler" med et tverrmål mindre enn 3 pm.

Formlegemer, f.eks. digler, plater, osv. av compound-materialet SiC/Si blir fremstilt industrielt ved dypping av porøse karbon-primærformer i en silisiumsmelte. En stor mengde av karbonet blir da omdannet til SiC. Etter fjernelse av primærformen fra smeiten er porene fylt med silisium. Forholdet SiC:Si såvel som porefordelingen kan innstilles innen vide grenser ved valg av karbon-primærformen og reaksjonsbetingel-sene når det gjelder silisiumsmelten.

Istedenfor en SiC/Si-plate kan man imidlertid også ifølge et annet utførelseseksempel i samsvar med oppfinnelsens lære anvende en filterseng som består av SiC-korn hvis kornstørrelse tiltar i strømningsretningen for det smelteflytende silisium.

I det følgende vil oppfinnelsen bli belyst nærmere under henvisning til tegningen.

Fig. 1 er et flytskjema over arbeidsforløpet, og

fig. 2 viser en silisiumkarbid-filterseng skjematisk

i snitt.

Fig. 1; Høyrent Si02og høyrent karbon blir i form av granulat omsatt til silisium i lysbueovn. Silisiumsmelten blir oppfanget i opphetede beholdere av høyrent grafitt og derpå

i lengre tid holdt på en temperatur" noen grader over smelte-punktet (1420 til 1450°C). I denne "holdefase" synker SiC-partiklene pga. sin høyere spesifikke vekt ned til bunnen av be-holderen, mens de lette SiC^-partikler flyter på smeltens over-flate. Temperaturen under "holdefasen" blir innstilt nærmest mulig til silisiumets smeltepunkt for å minske oppløseligheten av SiC i smeiten. For "holdefasen" utgjør den nødvendige mini-mumstid 30 minutter ved en høyde av digelen på ca. 15 cm. Den tiltar med økende digelhøyde.

Et ytterligere formål med "holdefasen" er å omdanne de minste svevepartikler av SiC til større SiC-krystaller som så lettere synker til bunns. Etter "holdefasen" blir det smel-tede flytende silisium ledet gjennom en opphetet filterplate av compound-materialet SiC/Si. De fase partikler (SiC, Si02) blir da tilbake på filterplaten. Hensiktsmessig skjer filtreringen slik at man erstatter bunnen av en høyren grafittdigel med en tynn plate av SiC/Si. Ved temperaturer over smeltepunk-tet for silisium strømmer det i grafittdigelen inneholdte silisium ut og åpner dermed fineste "kanaler". Undersøkelser har vist at hovedandelen av SiC-partiklene har en størrelse mellom 3 og 10 pm. For en effektiv filtrering bør tverrmålet av "kana-lene" i SiC/Si-platen derfor være mindre enn 3 pm.

Fig. 2: Alternativt til filtreringen gjennom en plate bestående av et SiC-compound-materiale kan der også anvendes en filterseng av SiC-korn. Filtersengen er da oppbygget slik at størrelsen av SiC-kornene tiltar fra ca. 1 p til 8 mm i silisiumsmeltens strømningsretning. Filtersengen oppviser et dekkskikt av 5 til 8 mm store SiC-korn som forhindrer oppvirv-ling av fine partikler. Filtersengens høyde utgjør 30-40 mm.

Etter filtreringen blir silisiumet oppfanget i høyrene grafittkokillér og underkastet en målrettet s-tivning. Dette materiale kan så ved en Czochralski-trekkeprosess overføres til en-krystallinske silisiumstaver eller ved en båndtrekkeprosess til polykrystallinske silisiumbånd. I begge tilfeller får man silisiumkorn som etter findeling egner seg for fremstilling av solarceller med virkningsgrad høyere enn 10 %.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte til å skille faste reaksjonsprodukter som SiC^ og SiC fra smelteflytende silisium fremstilt ved reduksjon av SiC^ og karbon i lysbueovn, karakterisert ved at det smelteflytende silisium etter en såkalt "holdefase" ved en temperatur i området overfor silisiumets smeltepunkt filtreres gjennom et opphetet skikt bestående av compoundmaterialet SiC/Si, oppfanges i høy-rene grafittkokiller og underkastes en målrettet stivning.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at der for filtreringen benyttes en grafittdigel hvis bunn utgjøres av en plate av SiC/Si.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at innholdet av SiC i SiC/Si-compound-materialet innstilles slik at der ved filtreringen i SiC/Si-skiktet resp. platen oppstår kanaler med et tverrmål på 3 pm.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at der istedenfor SiC/Si-platen anvendes en filterseng bestående av SiC-korn hvis korn-størrelse tiltar i strømningsretningen for det smelteflytende silisium.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4,- karakterisert ved at øverste skikt består av 1-10 pm SiC-korn og nederste skikt av 5-8 mm SiC-korn.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at temperaturen for "holdefasen" innstilles på 1425-1450°C.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-6, karakterisert ved at det krystallinske silisium etter den målrettede stivning underkastes en Czohralski-trekkeprosess for fremstillingen av enkrystallinske silisiumstaver.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-6, karakterisert ved at det krystallinske silisium etter den målrettede stivning dgjen smeltes opp og ved en båndtrekkeprosess overføres til krystallinske silisiumbånd.

9. • Anvendelse av en fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-8, til fremstilling av silisium for solarceller.