Спосіб отримання силіцію

Спосіб отримання силіція, який включає пряме електродугове відновлення двооксигенту силіція і його очищення, який відрізняється тим, що пряме електродугове відновлення двооксигенту силіція здійснюють металом-відновлювачем шляхом використання електродів складу Me:SiO2 і одноразовим очищенням. Корисна модель належить до технології виробництва матеріалів напівпровідникової електроніки, а саме до способів для отримання силіцію високого ступеня чистоти (99,999ваг.%) прямим металотермічним високотемпературним відновленням двооксигенту силіцію за допомогою електродугової плавки. Відомий металотермічний спосіб отримання силіцію-сирця з двооксигенту силіцію (SiCb) (Josef Dietl. Metallurgical Ways Of Silicon Meltstock Processing. Silicon Processing for Photovoltaics, edited by C.P. Khallak and K.V Ravi. Elsevier Science Publishers BV., 1987 pp.311), за допомогою якого процес проводять наступним чином: дрібнодисперсний порошок SiO2 занурюють в графітовий реактор при постійному перемішуванні розплавленого алюмінію, який обирають у якості відновлювача, і при температурі 1100-1200°С здійснюють відновлення силіцію, яке досягає 65% з використаного двооксигенту силіцію. Утворена система рідкого сплаву Al-Si і шлаку АЬОз-ЭЮг є не змішуваною Більшу частину АІ2Оз кристалізують при зменшенні температури в процесі видалення його з реактору Отриманий силіцій очищують рекристалізаційними методами, а також за допомогою центрифугування в графітових тиглях. зації додаткової' стадії очищення від евтектичних розплавів в графітових тиглях при використанні центрифугування, що збільшує собівартість силіцію. В якості прототипу обрано спосіб для отримання силіцію прямим відновленням двооксигенту силіцію за допомогою електродугової плавки і двократним його очищенням (Aulich H.A., Grabmaier J.G., Schultz F.W., Urbach H.P., Muhlbauer A. Recent Advances In Carbotermic Production Of SolarGrade Silicon Using High-Purity Starting Materials. Proc. 2 n d Int. Photovoltaic Sci and Eng. Conf, Beijing, August 1986), в процесі якого використовуючи двоокис силіцію і карбон, здійснюють виробництво силіцію р-типа зі швидкістю 15кг/год. Перед процесом відновлення проводять гранулювання S1O2 та карбону методом брикетування або зернування за допомогою сполучних речовин. Початкові складові всипають через спеціальний отвір подачі, і, утворюючи інертну атмосферу для запобігання окислення, проводять струм крізь графітові електроди, тим самим, забезпечуючи необхідну температуру для процесу відновлення, внаслідок чого рідкий силіцій збігає через випускний графітовий жолоб. Отриманий таким чином матеріал очищують дворазовим витягуванням за методом Чохральского, і в подальшому його використовують для виготовлення фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) сонячної енергії. Однак недоліком способу є те, що утворенні кристали силіцію вміщують у собі велику частину алюмінія 2000-4000ррт, в процесі кристалізації Si із розплаву Al-Si 12,6% силіцію втрачається і лишається в евтектиці, необхідна швидкість охолодження евтектики для виділення силіцію складає 60°С/год, що робить процес дуже довгим, відновлений Si потребує крім фракційної перекристалі Однак існують недоліки цього способу: - джерелом втрат силіцію є винос цінної кремнезем овмісної сировини у вигляді летючого SiO і часток БіОг з газами, що відходять, витягання силіцію при цьому досягає лише 60-75%; to о> со ю 5396 - при температурі 1750°С, при якій рідкий силіцій виходить з жолобу печі, в розплаві силіцію знаходиться близько 400ррт частин карбону, що значно більше розчинності карбону в твердому кремнії, крім того присутність часток карбіду силіцію несе за собою додаткові витрати на очищення за допомогою спеціальних фільтрів з інертного матеріалу; - більшість домішок вносить в виплавлений силіцій рудна частина шихти початкової сировини двоокис силіцію, - отриманий СИЛІЦІЙ через високий рівень домішок потребує додаткового кристалізаційного очищення дворазовим витягуванням за методом Чохральского Таким чином, основними недоліками способу прототипу є внесення домішок у відновлений силіцій, а також забруднення в процесі виробництва від футеровки печі, електродів, обладнання для шуровки і випуску плавки, допоміжних матеріалів, а також Із рудної частини шихти початкової сировини, що веде за собою додаткові технологічні стадії очищення отриманого матеріалу, і, як наслідок, зростання собівартості силіцію В основу даної корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб отримання силіцію технологічні особливості якого забезпечили б можливість підвищення виходу і чистоти відновлюваного СИЛІЦІЮ Це досягається тим, що в способі отримання силіцію, який включає пряме електродугове відновлення двооксигенту силіцію і його очищення, пряме електродугове відновлення двооксигенту силіцію здійснюють металом-відновлювачем шляхом використання електродів складу Me SiO2 і одноразовим очищенням На відміну від прототипу використання у якості початкової сировини кварцового піску і карбонових матеріалів, а саме вугілля, коксу, деревного вугілля або у вигляді вугільних і газових саж, що призводить до внесення великої КІЛЬКОСТІ домішок у виплавлений СИЛІЦІЙ, ЗГІДНО запропонованому тех нічному рішенню застосування в технологічному процесі у якості початкової сировини синтетичного S1O2 у вигляді відпрацьованих кварцових виробів промислового виробництва або отриманого внаслідок двостадійного процесу піроліза рисової лузги і використання метала-відновлювача високого ступеня чистоти значно зменшує забруднення силщію під час відновлення Виключення безпосереднього контакту СИЛІЦІЮ з конструктивними елеме Комп'ютерна верстка В. Мацело нтами печі під час відновлення, а також виготовлення електродів складу Me SiC>2 дозволяє отримувати технічний силіцій з виходом 6580ваг % і очищувати одноразовою перекристалізацією за Чохральскім Приклад конкретного виконання. В якості вщновлювача обрано метали, які відповідають наступним властивостям для даної технології - достатньо висока електропровідність; 1 - незмішуваність з силіцієм навіть при дуже високих температурах; - висока реакційна спроможність; - найбільша різниця в електродних потенціалах з силіцієм, - високий ступінь чистоти - доступна ціна У якості відновлюваної сировини використовуємо синтетичний SiO2 у вигляді відпрацьованих кварцових виробів промислового виробництва або отриманий внаслідок двостадійного процесу піроліза рисової лузги Процес виготовлення електродів складу Me SiO2 виробляємо традиційними способами виготовлення електродів, шляхом змішування, пресування і спікання. Співвідношення двооксигенту силіцію і металавідновлювача беремо у відношенні 1 2, причому останній - трохи в нестачі Відновлення силіцію робимо наступним чином' пропускаємо високочастотний струм крізь виготовленні електроди та зводимо їх до виникнення дуги, а потім розводимо для встановлення стійкої' роботи дуги тим самим забезпечуючи температуру, необхідну для процесу відновлення силіцію по мірі плавлення електродів близько 2000°С, при якій відновлення проходить по реакції 2Me+SiO2->Si+2MeO У результаті, рідкий відновлюваний СИЛІЦІЙ збирається у вигляді краплин, після чого його очищення здійснюємо одноразовим витягуванням за Чохральскім Таким чином, запропонований спосіб відновлення силіцію з двооксигенту СИЛІЦІЮ, дозволить забезпечити отримання силіцію за ціною 10-15$/кг за рахунок зменшення забруднення при використанні початкової сировини та в процесі виробництва, скорочення стадій очищення та спрощення технологи при збільшенні проценту виходу СИЛІЦІЮ високого ступеню чистоти, все це обумовлює його промислове застосування Підписне Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м. Київ-42, 01601