專利名稱：硅熔體的脫碳方法
硅熔體的脫碳方法本發(fā)明涉及一種硅熔體脫碳的新方法，及其用于制備硅，優(yōu)選太陽能硅或者半導(dǎo)體硅的用途。在光弧爐(light arc furnace)中通過用碳還原二氧化娃來制備娃已知有一段時間了并描述在包括DE 3013319 (Dow Corning)的文獻中。然而，所得硅在排出時仍然含有約IOOOppm的碳，為了制得的太陽能電池具有高效能，必需通過合適的后處理/純化過程來降低碳至低于3ppm以制得太陽能娃(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硅，在該過程中SiC顆粒從熔體中分離出。然后要在陶瓷過濾器中將它們從硅中除去。接著，用氬氣-水蒸汽混合物對硅脫氧。最后，將該預(yù)純化的、粗脫碳的硅供應(yīng)到定向固化中。然而，由于在受控冷卻 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并且不方便。而且，陶瓷過濾器經(jīng)常被SiC顆粒堵塞。過濾結(jié)束之后，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。由于氫氟酸的產(chǎn)品特性，因此該步驟構(gòu)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于2ppm的碳含量。然而，該方法的缺陷在于定向固化除去碳的成本非常高且費時。爐期保持2天并因此需要耗能10kWh/kg硅。此外，在該方法中，在定向固化之后獲得的硅塊中僅80%可用于太陽能電池。硅塊上面、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吹入硅熔體中。添加的SiO2與溶解在熔體中的碳反應(yīng)形成CO，它從硅熔體中溢出。該方法的缺陷是溶解在硅熔體中的SiC未與SiO2充分反應(yīng)。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(shè)備部件上結(jié)塊并堵塞設(shè)備部件。因此仍然迫切需要一種有效、簡單且價廉的硅熔體的脫碳方法，它通過碳熱還原SiO2實現(xiàn)。因此本發(fā)明的目的是提供一種硅熔體脫碳的新方法，如果有缺陷的話，本發(fā)明方法的缺陷也已經(jīng)將現(xiàn)有技術(shù)方法的缺陷減小了。在一個具體目的中，本發(fā)明的方法可用于制備太陽能硅和/或半導(dǎo)體硅。未具體說明的其它目的通過下面說明書、實施例和權(quán)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(quán)利要求書詳細描述的方法實現(xiàn)的。本發(fā)明人已出人意料地發(fā)現(xiàn)，當將一氧化硅(SiO)吹入硅熔體時可以簡單、價廉且有效的方式對硅熔體脫碳。由于在光弧爐中通過SiO2與C反應(yīng)制備硅獲得的副產(chǎn)物為約0. 6kgSi0/kg娃，因此該方法特別有益。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，可以收集該SiO (任選不含碳)并再次用于熔體的脫碳。因此，原料成本和廢物成本都降低。此外，該SiO的純度非常高，這樣該方法可用于高純度硅的生產(chǎn)。正如已經(jīng)提及的，源自光弧還原爐的硅熔體的碳含量為約lOOOppm。在1800°C的出爐溫度下，大多數(shù)碳溶解在該熔體中。然而，如果將熔體冷卻至例如1600°C，結(jié)果大部分碳從過飽和熔體中以SiC沉淀出。根據(jù)Yanaba等，Solubility of Carbon in liquidSilicon, Materials Transactions. JIM, Vol. 38, No. 11 (1997),第 990-994 頁，描述了碳在硅中的溶解度作為溫度的函數(shù)log C=3. 63-9660/T其中碳含量C以質(zhì)量百分數(shù)計，溫度T以開爾文度計。下表I顯不了具有IOOOppm的溶體的關(guān)系 表I :
權(quán)利要求
1.硅熔體的脫碳方法，其特征在于， 將一氧化硅添加到硅熔體中，以降低所述熔體的碳含量。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述一氧化硅以固體形式添加，優(yōu)選以粉末形式添加。
3.如權(quán)利要求I和2任一項所述的方法，其特征在于， 通過氣流，優(yōu)選通過稀有氣流，更優(yōu)選通過氬氣流將所述一氧化硅吹入所述熔體中。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于， 在添加一氧化硅時，所述硅熔體的溫度為1412°C -2000°C，優(yōu)選1412°C -1800°C，更優(yōu)選 1450 °C -1750。。。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法,其特征在于， 在SiO的添加結(jié)束之前，所述硅熔體的溫度為大于或等于1600°C，或者所述硅熔體的溫度升至大于或等于1600°C，優(yōu)選1650-1800°C，更優(yōu)選1700-1750°C。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法,其特征在于， 所述一氧化硅的添加被中斷至少一次，優(yōu)選1-5次，中斷的保持時間為I分鐘-5小時，優(yōu)選I分鐘-2. 5小時，更優(yōu)選5-60分鐘。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 在0. I分鐘-I小時，優(yōu)選0. I分鐘-30分鐘，更優(yōu)選0. 5分鐘-15分鐘和尤其優(yōu)選I分鐘-10分鐘的添加時間之后，SiO的添加被中斷，中斷的時間(保持時間)為I分鐘-5小時，優(yōu)選I分鐘-2. 5小時，更優(yōu)選5-60分鐘。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于， 繼續(xù)添加一氧化娃，直到所述娃熔體的總碳含量小于或等于3ppm。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于， 將起泡劑供應(yīng)到所述硅熔體中，優(yōu)選通過引入氣體，更優(yōu)選通過引入稀有氣體，最優(yōu)選通過引入氬氣來實現(xiàn)，或者通過向所述熔體提供形成氣體的物質(zhì)，優(yōu)選通過提供形成氣體的固體來實現(xiàn)，更優(yōu)選通過提供碳酸銨粉末來實現(xiàn)，最優(yōu)選通過將碳酸銨粉末添加到所述一氧化硅中來實現(xiàn)，其中基于一氧化硅和碳酸銨的混合物的質(zhì)量，碳酸銨粉末的重量比例為 1%-10%。
10.通過用碳還原SiO2來制備硅的方法，其特征在于， 通過如權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法來進行硅熔體的脫碳。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于， 所述硅是太陽能硅或者半導(dǎo)體硅，和/或使用高純度二氧化硅和/或高純度碳和/或高純度一氧化硅。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于， 該方法包括以下步驟在將SiO添加到硅熔體中之前，先進行粗脫碳，從而使得所述硅熔體的總碳含量優(yōu)選低于500ppm,更優(yōu)選低于250ppm和尤其優(yōu)選低于150ppm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對硅熔體脫碳的新方法，及其用于制備硅，優(yōu)選太陽能硅或者半導(dǎo)體硅的用途。
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(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者J·欣特邁爾 申請人:贏創(chuàng)德固賽有限公司