ES2586529T3 - Procedimiento y dispositivo de purificación de silicio - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de purificación (20) de silicio fundido, que comprende un recinto (21) que comprende un crisol (2; 15) para almacenar el silicio fundido y un dispositivo de calentamiento (4) para calentar el silicio fundido contenido dentro del crisol, estando el recinto equipado con un dispositivo (22) para reducir drásticamente la presión en el interior del recinto, caracterizado por que comprende al menos un evaporador (10; 10, 10') dispuesto en el interior del recinto para recibir una parte del silicio fundido, de modo que el silicio fundido presente una gran interfase con el vapor a baja presión presente en el interior del recinto (21) para favorecer y acelerar la purificación del silicio fundido y caracterizado por que comprende al menos un dispositivo de renovación o recirculación del silicio fundido en el al menos un evaporador (10; 10, 10').
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo de purificacion de silicio
La invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo de purificacion del silicio.
La fabricacion de dispositivos fotovoltaicos o electronicos precisa la utilizacion de silicio muy puro. El silicio metalurgico comprende demasiadas impurezas para dichas aplicaciones, y en particular una concentracion excesiva de fosforo, de boro y de algunos elementos metalicos como hierro, aluminio, cobre, titanio, etc.
Es la razon por la que se han implementado en el estado de la tecnica procedimientos de purificacion del silicio.
Un primer procedimiento existente consiste en una purificacion por via gaseosa. Este procedimiento presenta el inconveniente de un coste muy alto.
El documento WO 2010/126067 describe un procedimiento de purificacion del silicio que comprende una etapa de purificacion de fosforo mediante irradiacion con un canon de electrones. Este procedimiento tambien presenta el inconveniente de un coste muy alto.
El documento WO 2011/033188 describe otro procedimiento de purificacion del silicio que consiste en aplicar un gradiente termico al silicio fundido en un entorno de presion reducida.
Esta ultima solucion presenta el inconveniente de precisar para la purificacion del silicio de fosforo unos periodos de tratamiento muy grandes.
El documento US 6036932 describe un dispositivo para purificar el silicio en el que el silicio que hay que purificar se dispone en la parte superior del dispositivo, se calienta y a continuacion se transporta por capilaridad a lo largo de una fibra. Se baja la presion en el interior del dispositivo y de este modo se purifica el silicio mientras se transporta dentro y/o sobre la fibra. Por ultimo, el silicio purificado se vierte en una bandeja colectora en la parte inferior del dispositivo. El simple transporte por capilaridad a lo largo de una fibra no perite alcanzar una alta purificacion.
El documento WO 2008/064738 describe igualmente un dispositivo para purificar el silicio con vistas a una aplicacion para un dispositivo fotovoltaico. El dispositivo de purificacion comprende un dispositivo aguas arriba que prepara el silicio, el cual se funde en un crisol y a continuacion se conduce a un recinto de baja presion mediante un conducto. En este recinto de baja presion, el silicio se somete a una purificacion por el fenomeno de evaporacion. Finalmente, se enfna el silicio y se recupera en la parte inferior del recinto. Esta solucion sigue siendo insuficiente para alcanzar una purificacion satisfactoria.
De este modo, el objeto de la invencion es proponer una solucion de purificacion del silicio, eficaz y a bajo coste, compatible con una aplicacion en el sector fotovoltaico.
Para ello, la invencion se basa en un dispositivo de purificacion de silicio fundido, que comprende un recinto que comprende un crisol para almacenar el silicio fundido y un dispositivo de calentamiento para calentar el silicio fundido contenido en el crisol, estando el recinto equipado con un dispositivo para reducir drasticamente la presion en el interior del recinto, caracterizado por que comprende al menos un evaporador dispuesto en el interior del recinto para recibir una parte del silicio fundido, de modo que el silicio fundido presente una gran interfase con el vapor a baja presion presente en el interior del recinto para favorecer y acelerar la purificacion del silicio fundido, y por que comprende al menos un dispositivo de renovacion del silicio fundido en el al menos un evaporador.
El dispositivo de purificacion de silicio fundido puede comprender al menos un dispositivo de calentamiento para calentar el silicio fundido contenido en el al menos un evaporador.
El dispositivo de purificacion puede comprender un crisol de vertido fijo situado por encima de al menos un evaporador fijo que permite el flujo del silicio fundido purificandolo hasta una bandeja colectora.
El dispositivo de purificacion puede comprender al menos un componente movil que permite varias circulaciones del silicio fundido en el al menos un evaporador.
De este modo, el dispositivo de renovacion del silicio fundido en el al menos un evaporador puede permitir la renovacion o la circulacion, parcial o total, del silicio fundido en el al menos un evaporador. El silicio fundido puede, por lo tanto, permanecer o pasar varias veces por el mismo evaporador durante un mismo ciclo de purificacion, para finalmente aumentar su purificacion total.
El dispositivo de purificacion puede comprender al menos un crisol en la parte inferior del recinto, y al menos un evaporador movil entre una posicion superior fuera del crisol y una posicion inferior en la que aquel esta al menos parcialmente dispuesto en el interior del crisol.
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El dispositivo de purificacion puede comprender al menos un crisol de vertido movil entre una posicion superior fuera del crisol en la que este esta adaptado para verter material fundido sobre un evaporador y una posicion inferior en la que este esta al menos parcialmente dispuesto en el interior del crisol.
El dispositivo de purificacion puede comprender un evaporador movil o un crisol de vertido movil y puede comprender un eje que atraviesa el recinto por una abertura estanca y un motor fuera del recinto que actua sobre el eje para hacer que se mueva el accionamiento del evaporador movil o el crisol de vertido movil.
El dispositivo de calentamiento para calentar el silicio fundido contenido en el crisol y/o un dispositivo de calentamiento para calentar el silicio fundido contenido en al menos un evaporador pueden ser de tipo resistivo o inductivo, o inductivo con una frecuencia de induccion comprendida entre 50 Hz y 300 MHz inclusive.
El dispositivo de purificacion puede comprender un dispositivo de agitacion del silicio fundido presente en el crisol.
El dispositivo de purificacion puede comprender al menos un evaporador que comprende varias placas horizontales o inclinadas al menos parcialmente superpuestas.
La invencion tambien se refiere a un procedimiento de purificacion de silicio fundido dispuesto en un dispositivo de purificacion como se ha descrito con anterioridad, que comprende una etapa de calentamiento y fusion del silicio fundido presente en un crisol del dispositivo de purificacion y de reduccion de la presion en el interior del recinto del dispositivo de purificacion, caracterizado por que comprende una etapa de posicionamiento de al menos una parte del silicio fundido desde el crisol hacia un evaporador.
La temperatura del silicio fundido se puede mantener superior o igual a 1.500 °C y la presion dentro del recinto del dispositivo de purificacion se puede reducir a un valor inferior o igual a 1 Pascal.
El procedimiento de purificacion de silicio fundido puede comprender una etapa de purificacion del silicio fundido, en particular su desfosforacion, que comprende una repeticion del posicionamiento y a continuacion renovacion de una cantidad del silicio fundido sobre al menos un evaporador a partir del silicio fundido presente en el crisol del dispositivo de purificacion.
La etapa de purificacion puede comprender una etapa de renovacion total o parcial del silicio fundido presente sobre al menos un evaporador mediante la inmersion de este al menos un evaporador dentro del crisol del dispositivo de purificacion o mediante la inmersion de al menos un crisol de vertido dentro del crisol del dispositivo de purificacion y a continuacion el vertido progresivo de su contenido sobre al menos un evaporador.
La etapa de purificacion del silicio fundido puede comprender una etapa de evaporacion de las impurezas del material fundido presente sobre el evaporador.
La velocidad de inmersion y de retirada del evaporador o del crisol de vertido puede estar comprendida entre 0,5 mm/s y 10 cm/s, o entre 1 mm/s y 1 cm/s.
El procedimiento de purificacion de silicio fundido puede comprender una etapa de calentamiento del silicio fundido presente sobre el evaporador fuera del crisol.
Estos objetos, caractensticas y ventajas de la presente invencion se expondran en detalle en la siguiente descripcion de unas formas particulares de realizacion hechas a tftulo no limitativo, en relacion con las figuras adjuntas, en las que:
la figura 1 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con una primera forma de realizacion de la invencion.
La figura 2 representa de manera esquematica el dispositivo de purificacion del silicio en una segunda configuracion de acuerdo con la primera forma de realizacion de la invencion.
La figura 3 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con una segunda forma de realizacion de la invencion.
La figura 4 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con una variante de la segunda forma de realizacion de la invencion.
La figura 5 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con una tercera forma de realizacion de la invencion.
La figura 6 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con una primera variante de la tercera forma de realizacion de la invencion.
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La figura 7 representa de manera esquematica un dispositivo de purificacion del silicio de acuerdo con otra variante de la tercera forma de realizacion de la invencion.
Las figuras 8 a 11 representan de manera esquematica diferentes evaporadores compatibles con un dispositivo de purificacion de acuerdo con la invencion.
Las figuras 12a a 12b representan de manera esquematica, respectivamente en una vista desde arriba y en seccion de lado, otro evaporador compatible con un dispositivo de purificacion de acuerdo con la invencion.
La figura 13 representa de manera esquematica la implementacion de un procedimiento de purificacion del silicio de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion.
La figura 14 representa igualmente de forma esquematica la implementacion del procedimiento de purificacion del silicio de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion.
Para facilitar la comprension de la descripcion que viene a continuacion, se utilizaran las mismas referencias para los elementos similares o equivalentes en las diferentes formas y variantes de realizacion.
De este modo, las figuras 1 y 2 ilustran un dispositivo de purificacion 20 del silicio de acuerdo con una primera forma de realizacion. Este dispositivo de purificacion 20 del silicio comprende una parte inferior 1 destinada a recibir un bano de silicio fundido, y una parte superior denominada evaporador 10 destinada a recibir una parte del silicio fundido para favorecer la evaporacion de las impurezas que hay que evacuar, como el fosforo, con el fin de purificar el silicio. Estas dos partes, superior e inferior, estan dispuestas en un mismo recinto 21 estanco que comprende un dispositivo 22 para hacer el vacm en el interior del recinto 21, lo que permite reducir de forma continua la presion dentro del recinto (grupo de vado, de bombeo).
La parte inferior 1 del dispositivo de purificacion del silicio comprende un crisol 2 que forma una bandeja de recepcion para un bano 5 de silicio. Este crisol 2 puede eventualmente disponerse en un contra-crisol 3 y/o un aislante. El crisol puede, por ejemplo, ser de grafito, o de cualquier otro material adaptado para contener silicio fundido. El crisol 2 esta, ademas, asociado a un dispositivo de calentamiento 4, adaptado para subir la temperatura del silicio 5 dispuesto en el crisol 2 por encima de 1.500 °C. De este modo, a tttulo de ejemplo, puede contenerse una carga de 28 kg de silicio metalurgico dentro de un crisol de grafito de geometna cilmdrica con un radio interior de 15 cm y de 25 cm de altura, rodeado en los lados y en el fondo por un aislante de aproximadamente 1 cm de fieltro de grafito. El dispositivo de calentamiento 4 del crisol 2 comprende, por ejemplo, una espira de induccion que rodea el crisol y el eventual aislante, con una geometna cilmdrica (en espiral), y contenida dentro del recinto 21 en vacm del dispositivo. La frecuencia de induccion seleccionada es de 420 Hz, pero en una variante puede estar comprendida entre 50 y 100.000 Hz inclusive, y de preferencia entre 50 y 1.000 Hz. Hay que senalar que el dispositivo de calentamiento por induccion permite ademas crear una agitacion del bano de silicio 5 favorable para su desfosforacion al vacfo. Sin embargo, se puede prever un sistema de agitacion espedfico en sustitucion o como complemento.
El evaporador 10 tiene como funcion evaporar las impurezas del silicio, como el fosforo, para separarlas del silicio. Para ello, este se caracteriza por el hecho de que crea una gran interfase entre el silicio lfquido que hay que purificar y el vapor a muy baja presion del recinto 21, con el fin de optimizar la cantidad de fosforo que suelta el silicio debido a la diferencia de tension de vapor entre el fosforo y el silicio. De manera similar, otros elementos tambien se separan del silicio en el evaporador. Este evaporador cumple de esta manera una funcion de evaporacion de ciertas impurezas contenidas en el silicio, de acuerdo con una velocidad y un rendimiento significativamente superior a un fenomeno de evaporacion que puede producirse en la superficie del simple bano de silicio 5 como el contenido dentro del crisol 2 ya que la interfase silicio lfquido / vapor es mas grande y la temperatura en el evaporador puede ser mas alta.
En esta forma de realizacion, el evaporador 10 es movil en traslacion vertical con respecto al crisol 2, de modo que se puede bajar dentro del bano de silicio 5 contenido dentro del crisol 2 en su posicion inferior, ilustrada en la figura 2. A continuacion, el evaporador vuelve a subir fuera del crisol 2, cargado con silicio fundido, en su posicion superior ilustrada en la figura 1. En la posicion inferior, la parte inferior del evaporador se puede localizar justo por encima del fondo del crisol, y en la posicion superior, la parte inferior del evaporador puede encontrarse a aproximadamente 15 cm por encima del crisol. El evaporador 10 es movil por medio de un dispositivo motorizado dispuesto fuera del recinto 21, no representado, lo que permite generar los movimientos de traslacion vertical del evaporador a traves de un eje 17 solidario con el evaporador 10 y que pasa a traves de una abertura 27 estanca del recinto 21.
Este movimiento del evaporador 10 permite llenar o recubrir con silicio fundido sus bandejas 12 horizontales, de manera mas particular representadas en las figuras 8a y 8b, que forman unos depositos de gran superficie. De acuerdo con una realizacion, el evaporador comprende un apilamiento de placas 12 superpuestas cada 2 cm y unidas por un eje 17, presentando cada placa una forma de discos con un radio de 10 cm y con un espesor de 1 cm. Las placas son horizontales, terminadas en su borde por un escalon del orden de un milfmetro formando de este modo un deposito que permite contener silicio lfquido.
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El evaporador 10 esta, de manera ventajosa, asociado a un dispositivo de calentamiento 14, preparado en la parte superior del recinto 2, con el fin de permitir calentar el silicio presente sobre el evaporador cuando este ultimo esta fuera del crisol 2 en su posicion superior, y de este modo favorecer el fenomeno de evaporacion explicado con anterioridad. Este dispositivo de calentamiento 14 se puede realizar igualmente con una espira de induccion, contenida en la parte superior del recinto, con una geometna cilmdrica (en espiral), de modo que rodee al evaporador cuando esta localizado en la posicion superior. La frecuencia de induccion es de 10 kHz, y en una variante puede estar comprendida entre 2 kHz y 300 MHz inclusive. Como para el crisol, 2, el evaporador puede ser, por ejemplo, de grafito.
En una variante, los dos dispositivos de calentamiento 4, 14 de la parte inferior y la parte superior del dispositivo de purificacion de silicio pueden adoptar cualquier otra forma distinta de la descrita con anterioridad. En particular, pueden ser de tipo resistivo, o inductivo con otras frecuencias de induccion distintas de las mencionadas. Ademas, en el caso de un calentamiento por induccion, el dispositivo de calentamiento 4, 14 puede estar en el exterior o en el interior del recinto que hay que calentar. De acuerdo con una variante de realizacion, resulta ventajoso prever una espira de induccion aislada termicamente del evaporador para minimizar las perdidas termicas por radiacion. Se puede prever para ello disponer un fieltro de grafito entre las espiras y el evaporador. El dispositivo de calentamiento 14 por induccion del evaporador 10 se puede acoplar a un susceptor para transmitir el calor. Se puede realizar directamente en el cuerpo del evaporador. Los dos dispositivos de calentamiento 4, 14 mencionados pueden ser distintos o en una variante pertenecer a un unico y mismo dispositivo de calentamiento, lo que puede opcionalmente ofrecer diferentes potencias de calentamiento en las dos zonas superior e inferior del recinto 21.
El recinto 21 puede estar, ademas, equipado con al menos una entrada y una salida adicionales, distintas o no, no representadas en las figuras 1 y 2, para una alimentacion automatizada con silicio lfquido que hay que purificar, por una parte, y la recuperacion del silicio purificado, por otra parte. Para ello, esta puede por ejemplo estar equipada con una esclusa de entrada-salida. En una variante, se puede prever una introduccion del silicio que hay que purificar en forma solida. Tambien se puede prever abrir el recinto para cargar el silicio, volver a cerrarlo para a continuacion realizar la purificacion y, por ultimo, volver a abrirlo para recuperar el silicio purificado.
De manera ventajosa, tambien se puede prever un colector de grafito (no representado) dentro del recinto para recuperar el vapor de silicio, evaporado durante la purificacion, en forma de condensados. Este colector se puede colocar entre la espira/el aislante termico y el evaporador, asf como por encima del evaporador. Su forma se puede optimizar para recuperar en la parte inferior el silicio que fluye en un recuperador.
Las figuras 3 y 4 ilustran una segunda forma de realizacion de la invencion, en la que el dispositivo de purificacion 20 del silicio se diferencia de la forma de realizacion anterior por que comprende dos evaporadores 10, 10' moviles en traslacion en el mismo recinto 21, adaptados para bajar al interior del propio crisol 2 o para encontrarse por encima y fuera de este crisol 2. Las dos realizaciones de estas dos figuras representan dos variantes de realizacion. En la primera realizacion de la figura 3, se preve un unico dispositivo de calentamiento 14 en la parte superior del recinto 21, que calienta los dos evaporadores 10, 10', cuando estos estan en la posicion superior. En la variante de la figura 4, se preven dos dispositivos de calentamiento distintitos 14, 14' en la parte superior del recinto 21, para respectivamente calentar de forma independiente cada uno de los dos evaporadores 10, 10'. En una variante, tambien se puede considerar cualquier otro numero de evaporadores, superior a 2, en el recinto 21. Hay que senalar que los movimientos de los dos evaporadores pueden ser coordinados (en fase o en desfase, por ejemplo) o completamente independientes.
En las formas de realizacion descritas con anterioridad, la alimentacion y la renovacion del silicio sobre el o los evaporador(es) se obtienen, por lo tanto, por la movilidad de este o estos evaporador(es), en particular por su posibilidad de inmersion en el interior del crisol.
Las figuras 5 a 6 ilustran una tercera forma de realizacion de la invencion, en la que el dispositivo de purificacion 20 comprende un crisol de vertido 15, movil en traslacion vertical entre una posicion superior, en la que se puede verter silicio sobre el evaporador 10, el cual es fijo en esta realizacion, y una posicion inferior en el interior del crisol 2 con el fin de llenar su volumen de almacenamiento de silicio fundido. En el ejemplo ilustrado, el crisol presenta uno o varios orificios en su parte interior por los cuales puede fluir el silicio lfquido. De este modo, el flujo sobre el evaporador puede tener lugar no solo en la posicion superior sino tambien durante el desplazamiento del crisol de vertido. En una variante, el crisol de vertido puede no presentar ningun orificio: puede entonces estar asociado a un mecanismo de oscilacion para permitir el flujo del silicio por la parte superior del crisol de vertido. En una variante no representada, se pueden acumular varios crisoles de vertido 15.
El dispositivo de purificacion representado en la figura 6 se diferencia muy ligeramente de la realizacion ilustrada en la figura 5 por la forma del pico de vertido y la forma del evaporador.
La variante de realizacion ilustrada en la figura 7 comprende un crisol de vertido 15 fijo y de mayor tamano, que se parece al crisol 2 de las formas de realizacion anteriores. Este vierte progresivamente el silicio fundido sobre el evaporador 10 que lo conduce lentamente hasta una simple bandeja colectora 32 situada en la parte inferior, y que almacena el silicio 35. Un componente 18 es movil entre una posicion inferior en la que puede recuperar el silicio
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fundido en el interior de la bandeja colectora 32 y una posicion superior en la que puede verter su contenido dentro del crisol de vertido 15. Este componente 18 movil puede de manera ventajosa presentarse con la forma de un crisol provisto de un medio de calentamiento para mantener el silicio lfquido. De este modo, permite implementar una circulacion ininterrumpida de silicio fundido sobre el evaporador 10.
Como se ha visto con anterioridad, la solucion escogida utiliza al menos un evaporador, distinto del crisol 2 o del crisol de vertido 15 de almacenamiento de un bano de silicio, que genera una gran interfase entre el silicio lfquido y el vapor a baja presion del recinto 21, para obtener un eficaz efecto de evaporacion de las impurezas. Este enfoque permite aumentar extraordinariamente la velocidad de desfosforacion con respecto a un unico bano de silicio lfquido contenido dentro de un crisol.
Por otra parte, el dispositivo comprende un componente movil que permite la recirculacion o la renovacion del silicio fundido sobre el evaporador. Dicha solucion permite minimizar las dimensiones del evaporador y de su superficie activa puesto que se puede obtener el resultado deseado, en terminos de purificacion del silicio, fijando las iteraciones (recirculacion, renovacion) del silicio sobre un evaporador tantas veces como sea necesario. De este modo, el silicio puede pasar varias veces por el mismo evaporador durante un ciclo de purificacion. Con una superficie de evaporador constante, se puede obtener un mdice de pureza modulable para el silicio, y en particular el contenido de fosforo deseado, simplemente jugando con el tiempo de tratamiento y, por lo tanto, indirectamente con el numero de recirculaciones del silicio fundido sobre el evaporador. De este modo, este enfoque permite obtener una purificacion muy grande con un dispositivo de pequenas dimensiones.
El evaporador puede adoptar diferentes formas. Las figuras 8 a 12a-12b ilustran para ello de forma esquematica varias realizaciones posibles de un evaporador. Cada uno de estos se puede utilizar en todas las formas de realizacion del dispositivo de purificacion 20 descrito con anterioridad.
La figura 8a representa el evaporador utilizado en las formas de realizacion descritas con anterioridad en referencia a las figuras 1 a 4, el cual comprende unas placas 12 horizontales superpuestas que forman unos depositos de almacenamiento de silicio. La figura 8b muestra una vista en seccion de algunas placas 12 horizontales que forman unos depositos, delimitados por unos rebordes 11. La figura 9 representa una variante en la que las placas 12 estan inclinadas, y en la que su extremo comprende un reborde 11. En la variante de la figura 10, estos rebordes 11 se suprimen. La figura 11 representa otra variante que comprende una alternancia de placas 12 con inclinacion opuesta, lo que permite formar unas rampas de guiado para un largo flujo del silicio hasta la parte inferior de la placa inferior, antes de que vuelva al crisol. Las figuras 12a y 12b representan una ultima variante de forma cilmdrica, que presenta una superficie plana que tiene unos obstaculos circulares.
En cualquier caso, la geometna del evaporador se selecciona, por lo tanto, para obtener una gran interfase entre el silicio que contiene y el vapor del recinto, durante un tiempo suficiente para obtener una purificacion seleccionada. Para ello, el evaporador puede finalmente comprender las siguientes caractensticas:
- formacion de un largo flujo o gran superficie de almacenamiento del silicio, mediante la utilizacion de varios niveles superpuestos, formando unas superficies planas o inclinadas, con eventualmente obstaculos, deflectores, depositos de vertido, canales, etc., para ralentizar un flujo o difundir el silicio. Para ello, las soluciones consideradas con anterioridad se basan en unas placas horizontales que permiten un almacenamiento de gran superficie, o sobre unas placas inclinadas que permiten un lento flujo del silicio de placa en placa;
- de este modo, el evaporador comprende al menos una placa que puede contener un espesor de silicio pequeno en comparacion con la superficie superior de esta cantidad de silicio, que de este modo se presenta en forma de una pelfcula o de una fina capa de materia;
- el evaporador tambien preve un retorno final del silicio hacia el crisol, bien mediante un flujo directo o bien mediante cualquier medio indirecto.
Naturalmente, se pueden imaginar otras formas de realizacion de un dispositivo de purificacion, en particular combinando de forma diferente los diferentes componentes expuestos con anterioridad. Ademas, se puede imaginar cualquier otra movilidad de un evaporador o de un crisol de vertido, no necesariamente en simple traslacion, aunque esta solucion presenta la ventaja de la simplicidad. Ademas, se puede implementar cualquier otro dispositivo que permita renovar periodicamente una cierta cantidad de silicio sobre un evaporador, realizando una transferencia de silicio entre un crisol y un evaporador.
A continuacion se va a detallar el funcionamiento de un dispositivo de purificacion del silicio tal como se ha descrito con anterioridad. Este permite la implementacion de un procedimiento ventajoso de purificacion, ilustrado de forma esquematica en las figuras 13 y 14.
En una etapa previa E0, se introduce una cierta cantidad de silicio dentro del dispositivo de purificacion 20, mediante un dispositivo de introduccion 23. Este silicio se puede introducir en forma solida, o lfquida, eventualmente ya a una alta temperatura. Esta introduccion se hace de manera ventajosa dentro de un crisol 2, que puede mantenerse caliente para optimizar la productividad del dispositivo evitando las bajadas y luego las subidas de temperatura.
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Cuando se termina esta introduccion de silicio, el procedimiento comprende una etapa E1 que consiste en llevar al dispositivo a una alta temperatura, para obtener un bano 5 de silicio fundido, y mantenido en este estado Uquido. De este modo, la temperatura del bano de silicio presente en el crisol se mantiene superior a la temperatura de fusion del silicio (1.420 °C), y de manera ventajosa superior a 1.500 °C.
En paralelo, la presion dentro del recinto 21 del dispositivo se reduce drasticamente, por debajo de un valor maximo de funcionamiento. Este valor maximo de la presion de vapor es inferior a 1 Pascal y de manera ventajosa inferior o igual a 0,1 Pascal.
Cuando se alcanzan las anteriores condiciones, se inicia la etapa de purificacion E2 del silicio, y en particular su desfosforacion. Esta etapa consiste en una repeticion de fases de tratamiento del silicio en el o en los evaporador(es). En cada fase de tratamiento, todo o parte del silicio introducido dentro del dispositivo de purificacion se reparte sobre las placas de un evaporador. Durante su permanencia sobre el evaporador, el silicio se va a purificar extraordinariamente, debido a su gran superficie en contacto con el vapor a muy baja presion del recinto 21 del dispositivo y a la temperatura elevada del silicio lfquido sobre el evaporador, como se ha explicado con anterioridad.
Entre cada fase de tratamiento, el procedimiento de purificacion comprende una etapa E21 de renovacion total o parcial del silicio presente sobre el evaporador 10. Esta renovacion se obtiene bien mediante la inmersion de uno o varios evaporador(es) en el interior del crisol que contiene el bano de silicio, o bien mediante la inmersion de uno o varios crisol(es) de vertido, o bien mediante cualquier otro dispositivo equivalente que permita la transferencia de al menos una parte del silicio de un bano de almacenamiento hacia el evaporador. La inmersion de un componente dentro del bano de silicio durante esta etapa presenta la ventaja de inducir un efecto adicional de agitacion del bano de silicio, favorable para su tratamiento. En una variante, tambien se puede utilizar cualquier otro dispositivo de agitacion, que funcione por ejemplo por induccion. Esta agitacion aumenta el fenomeno de purificacion del silicio presente en el crisol.
Despues de esta inmersion, o de manera mas general despues de la transferencia de silicio sobre el evaporador, se realiza una etapa de evaporacion E22 de las impurezas del silicio presente sobre el evaporador (el eventual componente sumergido vuelve a salir fuera del crisol). En el caso de la inmersion de uno o varios evaporador(es), una parte del silicio lfquido queda sobre las placas 12 del evaporador durante su ascenso. En el caso de la inmersion de un pico de vertido, una parte del silicio vuelve a subir a este pico de vertido, y se vierte progresivamente sobre las placas del evaporador. Las velocidades de inmersion y de retirada del evaporador o del crisol de vertido del bano de silicio son tales que no provocan ninguna proyeccion de silicio lfquido fuera de las herramientas previstas para recuperar el silicio lfquido. Para ello, estas velocidades de inmersion y de retirada estan, de preferencia, comprendidas entre 0,5 mm/s y 10 cm/s, y de manera ventajosa entre 1 mm/s y 1 cm/s.
En el ejemplo de implementacion descrito en referencia a las figuras 1 y 2, el evaporador se puede desplazar en traslacion vertical a una velocidad de 3cm/s, y puede quedarse en la posicion superior 30 segundos antes de una nueva inmersion.
Durante esta fase de tratamiento, el procedimiento de purificacion comprende de manera ventajosa otra etapa de calentamiento E23 del silicio presente sobre el evaporador fuera del crisol, mediante un dispositivo de calentamiento 14 en la parte superior del recinto mencionado con anterioridad. Este calentamiento permite de manera ventajosa mantener una temperatura del silicio sobre el evaporador superior a 1.500 °C, e incluso superior, y de este modo permite acelerar la cinetica de purificacion. Cuanto mas alta sea esta temperatura, mayor sera la cinetica de purificacion.
Durante toda esta etapa de purificacion E2, el calentamiento del crisol 2, y eventualmente del evaporador, se regula de modo que mantenga el silicio lfquido dentro del crisol 2 proximo a una temperatura media que se puede fijar, por ejemplo, a 1.630 °C, y en cualquier caso superior o igual a 1.420 °C, temperatura de fusion del silicio.
El tiempo de tratamiento se define previamente en funcion del resultado deseado, en particular de la desfosforacion buscada. Cuando este tratamiento se considera suficiente, se detienen las fases de tratamiento descritas con anterioridad, se termina la etapa de purificacion E2. En el caso de un evaporador de un evaporador o crisol de vertido movil, este componente se vuelve a situar fuera del bano de silicio.
Cuando se termina la etapa de purificacion E2, se reduce la temperatura del silicio a una temperatura de colada, por ejemplo de 1.500 °C, para iniciar una etapa de salida E3 del silicio purificado del recinto del dispositivo de purificacion. El silicio puede, por ejemplo, colarse dentro de una lingotera. En una variante, esta colada se puede realizar en el interior del recinto.
La figura 14 ilustra, por ejemplo, una realizacion particular de esta etapa de salida E3 del silicio. Esta etapa se implementa por medio de un dispositivo de purificacion de silicio que comprende un crisol montado sobre un bloque oscilante, para adoptar una posicion inclinada que permite la colada del silicio lfquido purificado. Esta colada puede hacerse dentro de una lingotera 33.
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En una variante, la solidificacion del silicio se puede realizar directamente dentro del crisol, de manera controlada, por ejemplo por medio de unos dispositivos de calentamiento del recinto, para controlar los fenomenos de dilatacion del silicio.
Este procedimiento de purificacion de silicio se puede implementar por medio de un unico recinto 21, como los ilustrados en las figuras 1 a 7, o como variante a partir de varios banos de silicio cada uno equipado con uno o varios evaporador(es), en el interior de recintos distintos o de un mismo recinto, con el fin de realizar el tratamiento en cadena en los diferentes banos en serie, como se representa de manera particular en la figura 13.
El principio descrito con anterioridad se puede aplicar a cualquier cantidad de silicio, pudiendo variar por ejemplo de 200 gramos a 1,5toneladas de silicio por crisol. Permite obtener un silicio purificado cuyo contenido en fosforo puede ser muy bajo, hasta unos contenidos inferiores o iguales a 0,1 ppm. Naturalmente, este procedimiento actua sobre varios elementos presentes en el silicio y tambien permite purificar, ademas del fosforo, el aluminio, el calcio, el zinc, el estano, el plomo, el bismuto, el sodio, el magnesio, el manganeso, el potasio, el arsenico...
La solucion escogida presenta, por ultimo, las siguientes ventajas:
- es compatible con una implementacion industrial, puesto que permite alcanzar una velocidad satisfactoria para obtener silicio purificado a bajo coste. Por ejemplo, una prueba de utilizacion de un dispositivo de purificacion con un evaporador calentado a aproximadamente 1.750 °C y con una carga de silicio de 15 kg calentada a 1.630 °C dentro del crisol, muestra que un tratamiento de 5 horas permite pasar de 15 ppm a 0,3 ppm de fosforo;
- puede funcionar con cualquier estad inicial del silicio, solido o lfquido, y con cualquier tipo de silicio;
- permite conseguir una purificacion del silicio compatible con aplicaciones de tipo fotovoltaico;
- permite purificar de fosforo el silicio procedente de antiguas celulas solares;
- sigue siendo compatible con otros procedimientos de purificacion, se puede combinar con otros
procedimientos.
Claims (16)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido, que comprende un recinto (21) que comprende un crisol (2; 15) para almacenar el silicio fundido y un dispositivo de calentamiento (4) para calentar el silicio fundido contenido dentro del crisol, estando el recinto equipado con un dispositivo (22) para reducir drasticamente la presion en el interior del recinto, caracterizado por que comprende al menos un evaporador (10; 10, 10') dispuesto en el interior del recinto para recibir una parte del silicio fundido, de modo que el silicio fundido presente una gran interfase con el vapor a baja presion presente en el interior del recinto (21) para favorecer y acelerar la purificacion del silicio fundido y caracterizado por que comprende al menos un dispositivo de renovacion o recirculacion del silicio fundido en el al menos un evaporador (10; 10, 10').
- 2. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que comprende al menos un dispositivo de calentamiento (14; 14, 14') para calentar el silicio fundido contenido dentro del al menos un evaporador (10; 10, 10').
- 3. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que comprende un crisol de vertido (15) fijo situado por encima de al menos un evaporador (10) fijo lo que permite el flujo del silicio fundido purificandolo hasta una bandeja colectora (32).
- 4. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos un componente (10; 15; 18) movil lo que permite varias circulaciones del silicio fundido en el al menos un evaporador (10; 10, 10').
- 5. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que comprende al menos un crisol (2) en la parte inferior del recinto (21) y al menos un evaporador (10; 10, 10') movil entre una posicion superior fuera del crisol (2) y una posicion inferior en la que aquel esta al menos parcialmente dispuesto en el interior del crisol (2).
- 6. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que comprende al menos un crisol de vertido (15) movil entre una posicion superior fuera del crisol (2) en la que esta adaptado para verter silicio fundido sobre un evaporador (10) y una posicion inferior en la que esta al menos parcialmente dispuesto en el interior del crisol (2).
- 7. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que un evaporador (10) movil o un crisol de vertido (15) movil comprende un eje (17) que atraviesa el recinto (21) por una abertura estanca (27) y un motor fuera del recinto que actua sobre el eje (17) para hacer que se mueva el accionamiento del evaporador (10) movil o el crisol de vertido (15) movil.
- 8. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de calentamiento (4) para calentar el silicio fundido contenido dentro del crisol y/o un dispositivo de calentamiento (14; 14, 14') para calentar el silicio fundido contenido dentro del al menos un evaporador (10; 10, 10') es/son de tipo resistivo o inductivo, o inductivo con una frecuencia de induccion comprendida entre 50 Hz y 300 MHz inclusive.
- 9. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un dispositivo de agitacion del silicio fundido presente en el crisol.
- 10. Dispositivo de purificacion (20) de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos un evaporador (10) que comprende varias placas (12) horizontales o inclinadas al menos parcialmente superpuestas.
- 11. Procedimiento de purificacion de silicio fundido dispuesto en un dispositivo de purificacion (20) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa (E1) de calentamiento y fusion del silicio fundido presente dentro de un crisol (2; 15) del dispositivo de purificacion (20) y de reduccion de la presion en el interior del recinto (21) del dispositivo de purificacion (20), caracterizado por que comprende una etapa de posicionamiento de al menos una parte del silicio fundido desde el crisol hacia un evaporador (10) y una etapa de renovacion o recirculacion (E21) total o parcial del silicio fundido presente sobre al menos un evaporador (10; 10, 10').
- 12. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que la temperatura del silicio fundido se mantiene superior o igual a 1.500 °C y por que la presion dentro del recinto (21) del dispositivo de purificacion se reduce a un valor inferior o igual a 1 Pascal.
- 13. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion 11 o 12, caracterizado por que comprende una etapa de purificacion (E2) del silicio fundido, en particular su desfosforacion, que comprende una repeticion de posicionamiento y a continuacion de renovacion de una cantidad de silicio fundido sobre al menos unevaporador (10; 10, 10') a partir del silicio fundido presente dentro del crisol (2; 15) del dispositivo de purificacion (20).
- 14. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que 5 la etapa de purificacion (E2) comprende una etapa de renovacion (E21) total o parcial del silicio fundido presente enal menos un evaporador (10; 10, 10') mediante la immersion de este al menos un evaporador en el crisol (2) del dispositivo de purificacion (20) o mediante la immersion del al menos un crisol de vertido (15) en el crisol (2) del dispositivo de purificacion (20) y a continuacion el vertido progresivo de su contenido sobre al menos un evaporador (10; 10, 10').10
- 15. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion anterior, caracterizado por que la etapa de purificacion (E2) del silicio fundido comprende una etapa de evaporacion (E22) de las impurezas del silicio fundido presente sobre el evaporador (10; 10, 10').15 16. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con la reivindicacion 13 o 14, caracterizado por que lavelocidad de immersion y de retirada del evaporador (10; 10, 10') o del crisol de vertido (15) esta comprendida entre 0,5 mm/s y 10 cm/s, o entre 1 mm/s y 1 cm/s.
- 17. Procedimiento de purificacion de silicio fundido de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 16, 20 caracterizado por que comprende una etapa de calentamiento (E23) del silicio fundido presente sobre el evaporador (10, 10, 10') fuera del crisol.
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