DE3416559A1

DE3416559A1 - Verfahren zum abtrennen von festen reaktionsprodukten aus im lichtbogenofen erzeugten silizium

Info

Publication number: DE3416559A1
Application number: DE19843416559
Authority: DE
Inventors: Ph.D. Hubert Dr. 8000 München Aulich; Friedrich-Wilhelm Dr.rer.nat. 8088 Eching Schulze
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-05-04
Filing date: 1984-05-04
Publication date: 1985-11-14

Description

Verfahren zum Abtrennen von festen Reaktionsprodukten aus
im Lichtboqenverfahren erzeuqten Silizium.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von festen Reaktionsprodukten, wie SiO2 und SiC, aus im Lichtbogenofen bei der Reduktion von Si02 und Kohlenstoff erzeugten schmelzflüssigem Silizium.
Zur wirtschaftlichen Nutzung der Sonnenenergie mit Solarzellen aus kristallinem Silizium müssen die Kosten für die Herstellung der Ausgangsmaterialien deutlich gesenkt werden.
Das bekannteste und heute am kostengünstigsten arbeitende Verfahren zur Herstellung von Silizium ist die carbothermische Reduktion von Quarz im Lichtbogenofen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus dem Buch "Silizium als Halbleiter" von R. Rost, Verlag Berliner Union, Stuttgart, auf den Seiten 18/19 zu entnehmen. Aufgrund der stark verunreinigten Ausgangsmaterialien, wie Quarz, Petrolkoks, Holzkohle, Kohle, die bei diesen Verfahren eingesetzt werden, besitzt das gewonnene Silizium nur eine Reinheit von 96 bis 98,5 % und ist somit für die Herstellung von Solarzellen ungeeignet.
Aus der US-PS 4.247.588 ist ein Verfahren zur Herstellung von Solarsilizium im Lichtbogenofen bekannt, bei dem hochreine Ausgangssubstanzen (Si02 und Ruß) unter hochreinen Bedingungen verarbeitet werden. Dadurch wird der Bor- und Phosphorgehalt und der Gehalt an Schwermetallen gesenkt und ein Reinheitsgrad von 99,9 % erreicht, in der Schmelze sind jedoch noch Verunreinigungen in Form von festen Reaktionsprodukten (nicht reduzierter Quarz, nicht reagierte Kohle und SiC-Teilchen) enthalten, die eine Weiterverarbeitung zu Siliziumkristallen erschweren. Bewährt hat sich ein anschließender zweimaliger Czochralski-Ziehprozeß, durch den sämtliche Teilchen entfernt werden.
Die aus diesem Material hergestellten Solarzellen weisen Wirkungsgrade größer 10 % auf. Die zusätzlichen Prozeßschritte des Kristallziehens sind aber teuer und aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches diesen Prozeß vereinfacht; insbesondere soll es möglich sein, das durch carbothermische Reduktion gewonnene Silizium sofort, das heißt ohne zusätzliche Kristallziehprozesse, der Herstellung von Siliziumkörpern für Solarzellen zuzuführen.
In der Patentanmeldung P 34 11 955.8 ist zu diesem Zweck vorgeschlagen worden, das aus dem Hochtemperaturofen austretende schmelzflüssige Silizium durch ein Filter aus Graphit mit einer spezifischen Dichte unter 1,85 g/cm3 zu leiten, wobei im Filter die festen Bestandteile zurückbleiben und das Silizium durchfließt.
Ein weiteres Verfahren dieser Art wird in der Patentanmeldung P 34 03 131.6 vorgeschlagen, bei dem das Silizium nach der carbothermischen Reduktion in einem hochverdichteten Graphittiegel aufgeschmolzen wird, wodurch sich der nicht reduzierte Quarz und die nicht reagierte Kohle an der Tiegelwand ansammeln.
Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg und löst aie obengestellte Aufgabe dadurch, daß die Reaktionsprodukte aus dem schmelzflüssigen Silizium nach einer sogenannten ??Haltephasefl bei einer Temperatur im Bere-ich oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium durch Zentrifugieren abge- trennt werden. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Zentrifuge mit Umdrehungsgeschwindigkeiten im Bereich von 50 bis 100 mal der Erdbeschleunigung zu verwenden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur, die in einem Flußdiagramm die Verfahrensfolge zeigt, noch näher erläutert.
Hochreines SiO2 und hochreiner Kohlenstoff werden als Granulat im Lichtbogenofen zu Silizium umgesetzt. Die Siliziumschmelze wird in beheizten Behältern aus hochreinem Graphit aufgefangen und anschließend mehrere Stunden (mindestens jedoch 1 Stunde) bei einer Temperatur wenige Grade oberhalb des Schmelzpunktes (1420 bis 14500C) gehalten. In dieser "Haltephase" sinken die SiC-Teilchen aufgrund des höheren spezifischen Gewichtes zum Boden des Behälters, während die leichten SiO2-Teilchen auf der Schmelzoberfläche schwimmen. Die Haltephasentemperatur wird möglichst nahe am Siliziumschmelzpunkt eingestellt, um die Löslichkeit von SiC in der Schmelze zu verringern.
Ein weiteres Ziel der Haltephase ist die Umwandlung kleinster SiC-Schwebeteilchen in größere SiC-Kristalle, die dann leicht zu Boden sinken. Nach der Haltephase wird das schmelzflüssige Silizium zentrifugiert, wobei die festen Teilchen (SiC, SiO2) an die Tiegelwand geschleudert werden. Nach dem Zentrifugieren wird das Silizium in hochreinen Graphitkokillen aufgefangen und einer gerichteten Erstarrung unterworfen. Dieses Material kann anschließend durch einen Czochralski-Ziehprozeß in einkristalline Siliziumstäbe oder mit einem Bandziehverfahren in polykristalline Siliziumbänder übergeführt werden. In beiden Fällen erhält man Siliziumkörper, die nach ihrer Zerteilung zur Herstellung von Solarzellen mit einem Wirkungsgrad größer 10 % geeignet sind.
6 Patentansprüche 1 Figur - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Abtrennen von festen Reaktionsprodukten wie Si02 und SiC aus im Lichtbogenofen bei der Reduktion von SiO2 und Kohlenstoff erzeugten schmelzflüssigem Silizium, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Reaktionsprodukte aus dem schmelzflüssigem Silizium nach einer sogenannten "Haltephase" bei einer Temperatur im Bereich oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium mittels einer Zentrifuge abgetrennt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Zentrifuge mit Umdrehungsgeschwindigkeiten im Bereich von 50 bis 100 mal der Erdbeschleunigung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur der Haltephase auf 1420 bis 1450"C eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anschließend das Silizium einem Czochralski-Ziehprozeß zur Herstellung einkristalliner Siliziumstäbe unterworfen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anschließend das Silizium durch ein Bandziehverfahren in ein polykristallines Siliziumband übergeführt wird.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Silizium für Solarzellen.