DE102012003920A1

DE102012003920A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von silicium

Info

Publication number: DE102012003920A1
Application number: DE201210003920
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Zur Gewinnung von Silicium aus einem aus einem Silicium und/oder Siliciumoxid enthaltenden Ausgangsmaterial in einem Reaktionsgefäß ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Silicium in einem abgeschlossenen Reaktionsgefäß durch induktives Beheizen des Ausgangsmaterials gewonnen wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist angegeben. Die Gewinnung von Silicium ist dadurch mit geringem apparativen Aufwand und geringem Energiebedarf möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Silicium aus einem Silicium und/oder Siliciumoxid enthaltenden Ausgangsmaterial in einem Reaktionsgefäß, sowie eine Vorrichtung zur Gewinnung von Silicium mit einem Reaktionsgefäß für ein Ausgangsmaterial.
Bei den herkömmlichen Verfahren werden seit Jahrzehnten Lichtbogenöfen zur Herstellung von Silicium verwendet. Der Energieverbrauch hierbei ist sehr hoch und liegt bei 9 bis 14 kWh/kg pro gewonnenem Silicium mit einem Reinheitsgrad von ca. 98–99,5% mg (metalurgical grade)-Silicium.
Die Druckschrift WO 89/07578 beschreibt ein derartiges Silicium-Herstellungsverfahren unter Verwendung eines Lichtbogens, wobei das Ausgangsmaterial in einem zusätzlichen, mit dem eigentlichen Lichtbogenofen verbundenen Vorheiz-Behälter mittels einer Induktionsspule aufgeheizt wird, die diesen Vorheiz-Behälter umgibt.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 050 010 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Silicium bekannt, das aus einem siliciumoxid-haltigen Ausgangsmaterial mittels eines Mikrowellenofens gewonnen wird. Derartige Vorrichtungen zur Mikrowellenbehandlung für die Herstellung von Silicium sind jedoch aufwendig und ebenfalls mit hohem Energieaufwand für die Siliciumherstellung verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Silicium, insbesondere hochreines Silicium, mit geringem apparativem Aufwand und insbesondere geringem Energieaufwand gewonnen werden kann.
Ausgehend von einem Silicium und/oder Siliciumoxid enthaltenden Ausgangsmaterial in einem Reaktorgefäß sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgaben vor, dass das Reaktionsgefäß abgeschlossen und das Silicium durch induktives Beheizen des Ausgangsmaterials gewonnen wird. Auf diese Weise ist es möglich, Silicium sowohl aufgrund des geringen apparativen Aufwands als auch des geringeren Energieverbrauchs kostengünstiger herzustellen. Das induktive Beheizen ermöglicht auf einfache Wiese auch eine vorteilhafte Bewegung des Ausgangsmaterials und/oder des flüssigen Siliciums im Reaktorgefäß.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Ausgangsmaterial während des Prozesses mit Druck beaufschlagt wird, wenn das Reaktionsgefäß etwa mit einem dicht schließenden Deckel abgeschlossen ist. Auf diese Weise kann das chemische Reaktions-Gleichgewicht Si_(fest) + SiO_2(fest) = → 2SiO_(gas) zu linken Seite verschoben werden, wodurch die Ausbeute wesentlich verbessert wird.
Das Ausgangsmaterial enthält vorzugsweise eine Kohlenstoffquelle, die insbesondere Kohle, Holzkohle und/oder Petrokohle umfasst. Um eine gewisse Porosität in dem Ausgangsmaterial aufrechtzuerhalten oder zu schaffen, ist ein Zuschlag von Holzchips vorteilhaft.
Je nach den Gegebenheiten wird das gewonnene, insbesondere flüssige Silicium vorzugsweise diskontinuierlich aus dem Reaktionsgefäß abgeleitet, beispielsweise indem es am Boden des Reaktionsgefäßes, wo es sich als flüssiges Silicium absetzt, abgestochen wird. Zusätzlich oder alternativ hierzu wird das Reaktionsgefäß vorzugsweise diskontinuierlich gefüllt. Im diskontinuierlichen Verfahren ist insbesondere ein Batch-Betrieb bzw. ein Chargen-Prozess vorteilhaft, bei dem nach dem Fertigungsprozess das Reaktionsgefäß geleert und wieder gefüllt wird, und danach der Silicium-Gewinnungsprozess von neuem aufgenommen wird.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn entweichende und/oder abgezogene Reaktor-Ausgangsgase, die beispielsweise über Durchführungen in einer Abzugshaube oder einem Deckel abgezogen werden, wenigstens teilweise in Einzelgas-Komponenten getrennt werden, die weiterverwendet oder wieder aufbereitet werden können. Vorzugsweise wird Siliciummonoxid als Einzelgas-Komponente in das Reaktionsgefäß zurückgeführt und kann wieder benutzt werden, oder aber Siliciummonoxid kann etwa durch Aufoxidation mit Luftsauerstoff zu pyrogenem Silica umgesetzt und weiterveräußert werden.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Ausgangsmaterials ortsaufgelöst auf der Oberfläche oder im Ausgangsmaterial gemessen. Das Ausgangsmaterial wird insbesondere in Abhängigkeit der gemessenen Temperaturverteilung gerührt und dadurch ein gleichmäßigerer und effizienterer Verfahrensablauf erreicht. Auch ist dadurch ein schnelles Aufsteigen heißer Gase aus den tieferen Reaktionsbereichen an die Oberfläche des Ausgangsmaterials, ein sogenannter Gasblow, vermeidbar.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Reaktor-Ausgangsgase und/oder deren Einzelgaskomponenten qualitativ und/oder quantitativ analysiert und in Abhängigkeit hiervon die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bzw. dessen Beschickung gesteuert und/oder geregelt, beispielsweise durch die Bestimmung der Massenbilanz.
Sehr vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren auch einzusetzen, um reines Silicium bereits als Ausgangsmaterial zu verwenden und dies noch weiter zu reinigen.
Die gestellten Aufgaben werden auch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Silicium in einem Reaktionsgefäß für ein Ausgangsmaterial gelöst, bei der das Reaktionsgefäß abgeschlossen ist und eine Induktions-Heizeinrichtung zur Durchführung der Reaktion im Ausgangsmaterial für die Silicium-Gewinnung aufweist. Die Vorteile dieser Vorrichtung entsprechen den zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen und werden nicht nochmals wiederholt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, einen das Reaktorgefäß dicht abschließenden Deckel vorzusehen. Dadurch ist es möglich, das Reaktorgefäß und damit das Ausgangsmaterial mit Druck zu beaufschlagen und, wie zuvor beschrieben, die Silicium-Ausbeute zu verbessern. Darüber hinaus ist ein im Wesentlichen hermetischer Abschluss des Reaktionsgefäßes auch deshalb vorteilhaft, weil Wärmeverluste besser vermieden bzw. entstehende Abwärme zur Energierückgewinnung leichter genutzt werden kann. Beispielsweise kann das im Reaktor-Ausgangsgas enthaltene Siliciumoxid zurückgeführt oder zu Silicium-Dioxid aufoxidiert und als pyrogenes Silica weiterverwendet werden. Auch kann das aufgefangene Kohlenmonoxid als Energieträger, etwa als Generatorgas für das Verfahren wieder verwendet werden.
Die Induktions-Heizeinrichtung kann aus nur einer das Reaktionsgefäß umgebenden Spule bestehen. Vorteilhaft ist es jedoch, wenigstens zwei Spulen für wenigstens zwei, vorzugsweise unterschiedliche Temperaturzonen vorzusehen, die unterschiedliche Temperaturzonen ermöglichen und die in Abhängigkeit von den Verfahrensgegebenheiten durch Steuerung oder Regelung der einzelnen Spulen auf individuell vorgegebenen oder gewünschten Temperaturen gehalten werden können.
Einer weiteren Ausführung entsprechend weist das Reaktionsgefäß eine Auskleidung mit hitzefestem Material auf, um die außenliegenden Stützstrukturen, wie beispielsweise Metallkonstruktionen oder ein Beton-/Mauerwerk, zu isolieren und zu schützen. Als feuerfestes Material ist vorzugsweise schamottartiges Material, Graphit oder eine Kombination aus diesen Materialien vorteilhaft.
Sehr vorteilhaft ist es, eine Reaktorgefäß-Abzugshaube mit Durchführungen zum Einführen von Ausgangsmaterial oder deren Komponenten und/oder zum Ausleiten von Reaktor-Ausgangsgasen vorzusehen, die, wie zuvor bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde, wiederaufbereitet, weiterverwendet und/oder zur Ermittlung der Verfahrensgegebenheiten im Reaktorgefäß analysiert werden können.
Sehr vorteilhaft ist es weiterhin, Temperaturmesseinrichtungen und/oder Analyseeinrichtungen zum Analysieren des Reaktions-Ausgangsgases und/oder dessen Einzelgas-Komponenten vorzusehen, wobei mit einem geschlossenen Reaktorsystem auch die sich bei dem Verfahren ergebende Massenbilanz ermittelt und zur Steuerung bzw. Regelung des Verfahrensablaufs herangezogen werden kann, etwa durch entsprechende Veränderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials, durch Einführung der Menge von neuem Ausgangsmaterial, ggf. mit geänderter Zusammensetzung, oder durch Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Erregerspulen und damit durch Veränderung der Temperatur der verschiedenen Temperaturzonen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, als Ausgangsmaterial bereits reines Silicium zu verwenden, um dieses in einen noch höheren Reinheitsgrad überzuführen.
Die Erfindung sowie deren Ausgestaltung und Vorteile wird bzw. werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
In einem Reaktionsgefäß 1 ist ein Ausgangs- oder Reaktionsmaterial 2, das üblicherweise eine Reaktionsmischung ist, enthalten. Eine Induktions-Heizeinrichtung besteht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zwei Induktions- oder Erregerspulen 3, 4, die um das Reaktionsgefäß 1 herum angeordnet sind und zur Aufheizung des Ausgangsmaterials 2 auf die Reaktionstemperatur mit Strom entsprechender Stromstärke beaufschlagt werden. Durch die Verwendung von mehreren – im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei – Induktionsspulen ist es möglich, das Reaktionsmaterial an verschiedenen Stellen auf unterschiedliche Temperaturen aufzuheizen, oder wenn unterschiedliche Temperaturen im Ausgangsmaterial auftreten, es gewünschtenfalls über die Höhe des Ausgangsmaterials 2 hinweg auf gleicher Temperatur zu halten.
Das beim Herstellungsverfahren gewonnene, flüssige Silicium 5 setzt sich am Boden des Reaktionsgefäßes 1 ab und wird dort kontinuierlich oder diskontinuierlich abgestochen.
Dem Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise kann eine Vielzahl von jeweils einzeln anzusteuernden oder zu regelnden Induktionsspulen über die gesamte Höhe des Reaktionsgefäßes 1 vorgesehen sein. Insbesondere können die einzelnen Induktionsspulen jeweils individuell mit Strom beaufschlagt werden, so dass jede Spule entsprechend individuelle Temperaturzonen im Reaktormaterial 1 bilden können, die optimale Bedingungen für die Durchführung des Verfahrens ermöglichen. Durch die unterschiedliche Beaufschlagung der Induktionsspulen und damit durch die Schaffung unterschiedlicher Temperaturzonen ist insbesondere eine gewünschte Strömungsbewegung bzw. ein Rührvorgang auch im flüssigen Silicium möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 89/07578 [0003]
DE 102007050010 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Silicium (5) aus einem Silicium und/oder Siliciumoxid enthaltenden Ausgangsmaterial (2) in einem Reaktionsgefäß (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgefäß (1) abgeschlossen und das Silicium (5) durch induktives Beheizen des Ausgangsmaterials (2) gewannen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgefäß (1) mit Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (2) eine Kohlenstoffquelle, vorzugsweise Kohle, Holzkohle und/oder Petrokohle enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangsmaterial (2) Holzchips zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Ausgangsmaterial (2) gewonnene Silicium (5) diskontinuierlich aus dem Reaktionsgefäß (1) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Reaktionsgefäß (1) diskontinuierlich befüllt wird.
Verfahren nach einem der vorbergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Batch-Betrieb durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweichende und/oder abgezogene Reaktor-Ausgangsgase wenigstens teilweise in Einzelgas-Komponenten getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Einzelgas-Komponenten einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Siliciummonoxid als Einzelgas-Komponente in das Reaktionsgefäß (1) zurückgeführt und/oder zu pyrogenem Silica aufoxidiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (2) im Reaktionsgefäß (1) wenigstens zeitweilig gerührt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Ausgangsmaterials (2) ortsaufgelöst gemessen, und das Ausgangsmaterial (2) in Abhängigkeit der gemessenen Temperaturverteilung gerührt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktor-Ausgangsgas und/oder deren Einzelgas-Komponenten analysiert und in Abhängigkeit hiervon die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials (2) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (2) weiter zu reinigendes Silicium ist.
Vorrichtung zur Gewinnung von Silicium in einem ein Ausgangsmaterial (2) enthaltenden Reaktionsgefäß (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgefäß (1) abgeschlossen ist und eine Induktions-Heizeinrichtung zur Durchführung der Reaktion im Ausgangsmaterial (2) für die Silicium-Gewinnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen das Reaktorgefäß (1) abschließenden Deckel.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel eine Durchführung zum Beaufschlagen des Ausgangsmaterials (2) mit Druck aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktions-Heizeinrichtung wenigstens eine das Reaktionsgefäß (1) umgebende Spule (3, 4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktions-Heizeinrichtung wenigstens zwei individuell mit Strom beaufschlagte Spulen (3, 4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch eine Auskleidung des Reaktionsgefäßes mit temperaturfestem Material.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 20, gekennzeichnet durch eine Reaktorgefäß-Abzugshaube mit Durchführungen zum Einführen von Ausgangsmaterial (2) und/oder zum Ausleiten von Reaktor-Ausgangsgas.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials (2) im Reaktionsgefäß (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 22, gekennzeichnet durch Analyseeinrichtungen zum Analysieren des Reaktor-Ausgangsgases und/oder dessen Einzelgas-Komponenten.