JP2014502671A - Method and apparatus for producing silicon - Google Patents

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Abstract

電解質から純シリコンを生産するための器具であって、本器具は、電解質を受
けるための第一の坩堝、第一の坩堝で電解質を加熱して溶融電解質を形成するための熱源、溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードおよびカソード、を含み、ここで、アノードとカソードとの間に電位差が提供されると、溶融電解質に電気分解を適用することができる。撹拌装置は、電気分解が適用される際に溶融電解質を撹拌するのに適したものであり、このようにして生産された純シリコンは、アノードに溶解して合金を形成することができる。
【選択図】図3
An instrument for producing pure silicon from an electrolyte, comprising: a first crucible for receiving an electrolyte; a heat source for heating the electrolyte in the first crucible to form a molten electrolyte; a molten electrolyte; Electrolysis can be applied to the molten electrolyte once a potential difference is provided between the anode and the cathode, suitable for electrical / ion exchange. The stirrer is suitable for stirring the molten electrolyte when electrolysis is applied, and the pure silicon produced in this way can be dissolved in the anode to form an alloy.
[Selection] Figure 3

Description

[0001]本発明は、シリコンの製造方法および器具に関し、具体的には、太陽電池用途などに使用するのに適した純度を有するシリコンの製造方法および器具に関する。   [0001] The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing silicon, and more particularly, to a method and apparatus for manufacturing silicon having a purity suitable for use in solar cell applications and the like.

[0002]太陽電池技術は、化石燃料を利用するエネルギー生産などの従来の形態のエネルギー生産に代わる環境に優しい技術であると理解されている。従って、太陽電池技術は、重要な商業市場の一つである。   [0002] Solar cell technology is understood to be an environmentally friendly technology that replaces conventional forms of energy production, such as energy production using fossil fuels. Therefore, solar cell technology is one of the important commercial markets.

[0003]現在のところ、太陽電池用途に使用するのに適した純度を有するシリコンの製造の最重要プロセスとしては、シーメンス(Siemens)が開発した技術(「シーメンス法」)が一般的に認められている。シーメンス法では、高純度のシリコンロッドを1150℃でトリクロロシランに晒すと、トリクロロシランガスによりシリコンが逐次分解されロッド上に沈着し、ロッドが大きくなる。しかしながらシーメンス法は、比較的コストが高く、かつ環境に優しくないと考えられている。エネルギーに関して言えば、シーメンス法は、1トンのソーラーグレードシリコンを生産するにはおよそ200MW/時間の電気を消費すると推測される。   [0003] At present, technology developed by Siemens ("Siemens method") is generally accepted as the most important process for producing silicon with a purity suitable for use in solar cell applications. ing. In the Siemens method, when a high-purity silicon rod is exposed to trichlorosilane at 1150 ° C., silicon is sequentially decomposed by the trichlorosilane gas and deposited on the rod, and the rod becomes large. However, the Siemens method is considered relatively expensive and not environmentally friendly. In terms of energy, the Siemens process is estimated to consume approximately 200 MW / hour of electricity to produce 1 ton of solar grade silicon.

[0004]また、シーメンス法の代替法として炭素熱還元法が開発された。しかしながら、このようなプロセスではもともと炭素に含まれるホウ素や亜リン酸系などの不純物を除去して適切な低いレベル(すなわち百万分の1または十億分の1のレベル)にできないため、ソーラーグレード品質のシリコンを生産できない。   [0004] A carbothermal reduction method has also been developed as an alternative to the Siemens method. However, because such processes do not inherently remove carbon and other impurities such as boron and phosphites, they can not be brought to appropriate low levels (i.e. parts per million or parts per billion). Cannot produce grade quality silicon.

[0005]従って、上述したソーラーグレードシリコン製造に関する問題を解決しようとする試みにおいて、代替方法が必要であることが認められている。   [0005] Accordingly, it has been recognized that alternative methods are needed in an attempt to solve the problems associated with solar grade silicon manufacturing described above.

[0006]本発明は、上述の問題の少なくとも1つを軽減することを目的とする。   [0006] The present invention aims to alleviate at least one of the above-mentioned problems.

[0007]本発明は、様々な一般的な形態を含んでいてもよい。本発明の実施態様は、本明細書において説明される様々な一般的な形態の1つまたはあらゆる組み合わせを含んでいてもよい。   [0007] The present invention may include a variety of general forms. Embodiments of the invention may include one or any combination of the various general forms described herein.

[0008]第一の一般的な形態において、本発明は、電解質から純シリコンを製造する方法を提供し、ここで本方法は、以下の工程:
(i)第一の坩堝で電解質を加熱して、溶融電解質を形成する工程;および、
(ii)溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードとカソードとの間に電位差を提供することによって、溶融電解質に電気分解を適用する工程;
を含み、
ここで電気分解が行われている間、溶融電解質は撹拌され、生産された純シリコンは、アノードと溶解して合金を形成することができる。
[0008] In a first general form, the present invention provides a method of producing pure silicon from an electrolyte, wherein the method comprises the following steps:
(I) heating the electrolyte in a first crucible to form a molten electrolyte; and
(Ii) applying electrolysis to the molten electrolyte by providing a potential difference between an anode and a cathode suitable for electricity / ion exchange with the molten electrolyte;
Including
Here, during the electrolysis, the molten electrolyte is agitated and the pure silicon produced can dissolve with the anode to form an alloy.

[0009]有利には、電気分解中の溶融電解質の撹拌は、溶融電解質中でイオンの流れを生成することと、電解質と溶融した合金アノードとの接触を増加させることの両方に役立つ可能性がある。その後、以下でさらに考察されるように、分離技術を用いて純シリコンを合金から容易に分離することができる。   [0009] Advantageously, agitation of the molten electrolyte during electrolysis may serve to both generate a flow of ions in the molten electrolyte and to increase contact between the electrolyte and the molten alloy anode. is there. Thereafter, as discussed further below, pure silicon can be easily separated from the alloy using separation techniques.

[0010]好ましくは、電解質は、氷晶石、酸化カルシウム粒子、および、石英粒子を含んでいてもよい。より好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ82〜94%の氷晶石粒子を含んでもよい。また典型的には、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ3〜15%の酸化カルシウム粒子を含んでもよい。また好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ3%の石英粒子を含んでいてもよい。より好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づき、およそ87%氷晶石粒子、10%の酸化カルシウム粒子、および、3%の石英粒子を含んでもよい。また好ましくは、本発明は、電解質中に電解質の質量に基づき実質的におよそ3%の石英粒子が維持されるように、電気分解中に溶融電解質に石英粒子を制御しながら添加する工程を含んでいてもよい。   [0010] Preferably, the electrolyte may include cryolite, calcium oxide particles, and quartz particles. More preferably, the electrolyte may comprise approximately 82-94% cryolite particles based on the weight of the electrolyte. Also typically, the electrolyte may include approximately 3-15% calcium oxide particles based on the weight of the electrolyte. Also preferably, the electrolyte may include approximately 3% quartz particles based on the weight of the electrolyte. More preferably, the electrolyte may comprise approximately 87% cryolite particles, 10% calcium oxide particles, and 3% quartz particles based on the weight of the electrolyte. Also preferably, the present invention includes the step of adding quartz particles in a controlled manner to the molten electrolyte during electrolysis so that substantially about 3% quartz particles are maintained in the electrolyte based on the mass of the electrolyte. You may go out.

[0011]典型的には、第一の坩堝は、炭素、窒化ケイ素、および、炭化ケイ素材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、第一の坩堝の材料は、誘導炉内に入れられたら発熱するようなものでもよいし、または、直火炉中に入れられたら、比較的効率的な方式で熱伝導させるようなものでもよい。好ましくは、第一の坩堝は、電解質を受けるための内部周壁と底部により画定される凹部を含んでいてもよい。典型的には、凹部は、円柱形の凹部であってもよい。   [0011] Typically, the first crucible may include at least one of carbon, silicon nitride, and silicon carbide material. Preferably, the material of the first crucible may be such that it generates heat when placed in an induction furnace, or it conducts heat in a relatively efficient manner when placed in a direct furnace. But you can. Preferably, the first crucible may include a recess defined by an inner peripheral wall and a bottom for receiving the electrolyte. Typically, the recess may be a cylindrical recess.

[0012]好ましくは、第一の坩堝ライニングは、第一の坩堝の凹部内側の、第一の坩堝と電解質との間に配置することができる。より好ましくは、第一の坩堝ライニングは、第一の坩堝の内部周壁に沿った形状で実質的に周壁を補うように形成されていてもよい。好ましくは、第一の坩堝ライニングは、石英材料を含んでいてもよい。あるいは、第一の坩堝ライニングは、酸化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ナトリウム、および、シリコン材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、第一の坩堝ライニングとして用いられる材料は、少なくともおよそ1000℃よりも高温における温度耐性を有していてもよい。好ましくは、第一の坩堝ライニングとして用いられる材料はさらに、電気分解プロセス中に電解質に晒されている間、耐食性を有していてもよい。有利には、第一の坩堝ライニングは、合金アノードへの電気分解プロセス効率を低下させる恐れがある電解質の第一の坩堝の壁への吸収を防ぐのに役立つ可能性がある。加えて、第一の坩堝ライニングは、第一の坩堝の壁への電解質の吸収をブロックするのに役立ち、これは、シリコンの合金アノードへの電気分解効率に相当の影響を与え得る短絡を防ぐことにもなる。   [0012] Preferably, the first crucible lining can be disposed between the first crucible and the electrolyte inside the recess of the first crucible. More preferably, the first crucible lining may be formed so as to substantially supplement the peripheral wall in a shape along the inner peripheral wall of the first crucible. Preferably, the first crucible lining may include a quartz material. Alternatively, the first crucible lining may include at least one of calcium oxide, magnesium fluoride, sodium fluoride, and silicon material. Preferably, the material used as the first crucible lining may have a temperature resistance at temperatures above at least about 1000 ° C. Preferably, the material used as the first crucible lining may further have corrosion resistance while being exposed to the electrolyte during the electrolysis process. Advantageously, the first crucible lining may help prevent absorption of electrolyte into the first crucible wall, which may reduce the efficiency of the electrolysis process to the alloy anode. In addition, the first crucible lining helps to block the absorption of electrolyte into the wall of the first crucible, which prevents a short circuit that can have a significant impact on the electrolysis efficiency of the silicon to the alloy anode. It will also be.

[0013]あるいは、第一の坩堝ライニングは溶融電解質そのものから形成することもでき、この場合、溶融電解質中で温度勾配を形成し、第一の坩堝の内部周壁の近辺で溶融電解質の一部を凝固することによってライニングを形成することができる。典型的には、電気アーク加熱を用いて、カソードと、第一の坩堝の内部周壁と接する溶融電解質との間で温度勾配を形成することができる。   [0013] Alternatively, the first crucible lining can also be formed from the molten electrolyte itself, in which case a temperature gradient is formed in the molten electrolyte and a portion of the molten electrolyte is disposed near the inner peripheral wall of the first crucible. A lining can be formed by solidification. Typically, electric arc heating can be used to create a temperature gradient between the cathode and the molten electrolyte in contact with the inner peripheral wall of the first crucible.

[0014]典型的には、電解質は、アーク炉、および、誘導炉の少なくとも一方を用いて加熱することができる。   [0014] Typically, the electrolyte can be heated using at least one of an arc furnace and an induction furnace.

[0015]典型的には、溶融電解質は、少なくとも1種の誘導炉を用いて、溶融電解質を機械式スターラーで磁気撹拌することにより撹拌してもよい。   [0015] Typically, the molten electrolyte may be agitated by magnetically agitating the molten electrolyte with a mechanical stirrer using at least one induction furnace.

[0016]典型的には、アノードは、銅、金、銀、亜鉛、および、マグネシウム材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、アノードは、銅材料を含む。より好ましくは、アノードは、銅と純シリコンとの合金を含んでもよい。典型的には、純シリコンは、合金のおよそ3質量%を構成する。   [0016] Typically, the anode may include at least one of a copper, gold, silver, zinc, and magnesium material. Preferably, the anode includes a copper material. More preferably, the anode may comprise an alloy of copper and pure silicon. Typically, pure silicon constitutes approximately 3% by weight of the alloy.

[0017]好ましくは、第一の一般的な形態における工程(i)の前に、第一の坩堝において、合金を第一の坩堝の底部と隣接するように入れて第一の坩堝で合金を融解させてもよく、続いて行われる予定の第一の一般的な形態における工程(i)の準備として、この電解質を第一の坩堝の融解した合金上に堆積させることができる。典型的には、合金は、およそ950〜980℃の温度で融解させてもよい。   [0017] Preferably, prior to step (i) in the first general form, in the first crucible, the alloy is placed adjacent to the bottom of the first crucible to form the alloy in the first crucible. The electrolyte can be deposited on the molten alloy of the first crucible in preparation for step (i) in the first general form that may be melted and subsequently performed. Typically, the alloy may be melted at a temperature of approximately 950-980 ° C.

[0018]典型的には、第一の一般的な形態における工程(i)は、溶融電解質を形成するために、第一の坩堝で電解質を、少なくともおよそ900℃の温度に加熱することを含んでいてもよい。   [0018] Typically, step (i) in the first general form comprises heating the electrolyte in a first crucible to a temperature of at least about 900 ° C. to form a molten electrolyte. You may go out.

[0019]好ましくは、第一の一般的な形態における工程(ii)の間に、溶融電解質が凝固しない温度に溶融電解質を維持してもよい。典型的には、およそ900〜1000℃の温度を維持して、溶融電解質の凝固を低減させてもよい。好ましくは、およそ980℃の温度を維持して、溶融電解質の凝固を防いでもよい。   [0019] Preferably, during step (ii) in the first general form, the molten electrolyte may be maintained at a temperature at which the molten electrolyte does not solidify. Typically, a temperature of approximately 900-1000 ° C. may be maintained to reduce solidification of the molten electrolyte. Preferably, a temperature of approximately 980 ° C. may be maintained to prevent solidification of the molten electrolyte.

[0020]典型的には、溶融電解質は、電気分解が適用される間、第一の坩堝でおよそ0.1A/cm〜2.0A/cmの電流密度に晒されてもよい。 [0020] Typically, the molten electrolyte during the electrolysis is applied, may be subjected to a current density of approximately 0.1A / cm 2 ~2.0A / cm 2 in the first crucible.

[0021]典型的には、カソードは、炭素、銅および白金材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、カソードは、精製した炭素粉末をプレスして固形ロッドにすることにより形成することもできる。より好ましくは、炭素粉末は、炭素粉末を酸洗浄と塩素によるフラッシングに晒して不純物を除去することにより精製してもよい。   [0021] Typically, the cathode may include at least one of carbon, copper and platinum materials. Preferably, the cathode can also be formed by pressing purified carbon powder into a solid rod. More preferably, the carbon powder may be purified by removing the impurities by subjecting the carbon powder to acid cleaning and flushing with chlorine.

[0022]好ましくは、電解質を加熱して溶融電解質が形成された後、カソードが溶融電解質と電気/イオンをやりとりしている状態で、カソードが第一の坩堝に配置されていてもよい。   [0022] Preferably, after the electrolyte is heated to form a molten electrolyte, the cathode may be disposed in the first crucible while the cathode is exchanging electricity / ions with the molten electrolyte.

[0023]好ましくは、本発明は、工程(ii)の後に合金から純シリコンを分離する工程を含んでいてもよい。典型的には、電気分解の結果生産された純シリコンが合金と溶解できなくなったら、合金から純シリコンを分離する工程を行ってもよい。また典型的には、合金の温度がおよそ950〜980℃の場合、合金中の純シリコン量が合金の質量に基づきおよそ25%のときに純シリコンは合金と溶解できなくなる可能性がある。   [0023] Preferably, the present invention may include the step of separating pure silicon from the alloy after step (ii). Typically, when pure silicon produced as a result of electrolysis cannot be dissolved with the alloy, a step of separating pure silicon from the alloy may be performed. Further, typically, when the temperature of the alloy is approximately 950 to 980 ° C., there is a possibility that the pure silicon cannot be dissolved with the alloy when the amount of pure silicon in the alloy is approximately 25% based on the mass of the alloy.

[0024]典型的には、合金から純シリコンを分離する工程は、合金の温度をおよそ800〜850℃に調節することを含んでいてもよく、このようにすることによって、純シリコンを合金から自然に分離することができる。また好ましくは、合金の温度をおよそ800〜850℃に調節する前に、合金を第二の坩堝に移してもよい。好ましくは、第二の坩堝は、合金および/または溶融塩に対して不活性な材料を含んでいてもよい。典型的には、純シリコンの再酸化を低減させるために、溶融塩を用いて分離された純シリコンを被覆してもよい。典型的には、合金の質量に基づき所定のパーセンテージの純シリコン粒子が合金から分離されたら、第二の坩堝中の合金を第一の坩堝に再導入してもよい。より典型的には、第二の坩堝中の合金が第一の坩堝に再導入される際、純シリコン粒子のパーセンテージ(合金の質量に基づく)は、合金の質量に基づきおよそ11%の純シリコン粒子であってもよい。   [0024] Typically, the step of separating the pure silicon from the alloy may include adjusting the temperature of the alloy to approximately 800-850 ° C., whereby the pure silicon is removed from the alloy. It can be separated naturally. Also preferably, the alloy may be transferred to a second crucible before adjusting the temperature of the alloy to approximately 800-850 ° C. Preferably, the second crucible may comprise a material that is inert to the alloy and / or molten salt. Typically, pure silicon separated with a molten salt may be coated to reduce the reoxidation of pure silicon. Typically, once a predetermined percentage of pure silicon particles have been separated from the alloy based on the mass of the alloy, the alloy in the second crucible may be reintroduced into the first crucible. More typically, when the alloy in the second crucible is reintroduced into the first crucible, the percentage of pure silicon particles (based on the mass of the alloy) is approximately 11% pure silicon based on the mass of the alloy. It may be a particle.

[0025]その代わりに、および/または、それに加えて、第二の坩堝中の合金から所定のパーセンテージの純シリコン粒子を分離したあと、第二の坩堝中の合金を第一の坩堝に再導入する代わりに、以下の工程:
(i)第二の坩堝中の合金をテープおよび粉末の少なくとも一方に成形する工程;および、
(ii)該テープまたは粉末に第二の電気分解を適用する工程;
を適用してもよく、それによって、純シリコン粒子を、ナノサイズの純シリコン粒子の形態で合金から分離することができる。
[0025] Alternatively and / or in addition, after separating a predetermined percentage of pure silicon particles from the alloy in the second crucible, the alloy in the second crucible is reintroduced into the first crucible. Instead of the following steps:
(I) forming an alloy in the second crucible into at least one of a tape and a powder; and
(Ii) applying a second electrolysis to the tape or powder;
May be applied so that pure silicon particles can be separated from the alloy in the form of nano-sized pure silicon particles.

[0026]典型的には、テープは、合金のキャスティングか押出し成形の少なくとも一方によって成形することもできる。また典型的には、粉末は、合金を機械的に粉砕または磨砕することによって成形することもできる。好ましくは、粉末は、制御された環境下で合金を粉砕することによって成形することもできる。典型的には、粉末は、ミクロン〜ナノサイズの合金粒子を含んでいてもよい。   [0026] Typically, the tape can also be formed by at least one of alloy casting or extrusion. Typically, the powder can also be formed by mechanically grinding or grinding the alloy. Preferably, the powder can also be formed by grinding the alloy in a controlled environment. Typically, the powder may contain micron to nano-sized alloy particles.

[0027]好ましくは、第二の電気分解を適用する工程は、テープまたは粉末を電解液に浸すことを含んでいてもよい。典型的には、電解液は、塩酸(HCl)、無水酢酸、ヨード液(すなわちヨウ素カリウム溶液)、アジ化水素酸(HN)、アセトン、高濃度のアルコールおよびそれらの組み合わせの少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、第二の電気分解中、電解液の酸性度を補ってもよい。 [0027] Preferably, the step of applying the second electrolysis may comprise immersing the tape or powder in the electrolyte. Typically, the electrolyte is hydrochloric acid (HCl), acetic anhydride, iodine solution (i.e. potassium iodine solution), hydrazoic acid (HN 3), acetone, at least one of high concentrations of alcohol and combinations thereof May be included. Preferably, the acidity of the electrolyte may be supplemented during the second electrolysis.

[0028]第二の電気分解の間、典型的には、1A未満の電流を適用することができる。   [0028] During the second electrolysis, typically less than 1 A of current can be applied.

[0029]好ましくは、第二の電気分解が行われた後に、ナノサイズの純シリコン粒子を含む電解液をさらに処理して、ナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離してもよい。典型的には、遠心分離によってナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離してもよい。また好ましくは、分離されたナノサイズの純シリコン粒子はその後、遊離酸素との反応を低減させるのに適した物質中で保存してもよい。このような物質としては、典型的には、高濃度のアルコール、または、無水アルコールが挙げられる。   [0029] Preferably, after the second electrolysis is performed, the electrolyte containing nano-sized pure silicon particles may be further processed to separate the nano-sized pure silicon particles from the electrolyte. Typically, nanosized pure silicon particles may be separated from the electrolyte by centrifugation. Also preferably, the separated nanosized pure silicon particles may then be stored in a material suitable for reducing reaction with free oxygen. Such materials typically include high concentrations of alcohol or absolute alcohol.

[0030]またあるいは、当業者であれば当然理解しているものと思われるが、第二の坩堝で合金から純シリコンを分離する上記の工程はいずれも、第二の坩堝に移動させずに第一の坩堝の合金に直接行うことができる。   [0030] Alternatively, as would be understood by those skilled in the art, any of the above steps of separating pure silicon from the alloy in the second crucible can be performed without moving to the second crucible. This can be done directly on the first crucible alloy.

[0031]またあるいは、本発明の第一の一般的な形態に記載の工程(ii)の後に、第一の坩堝で生産された合金から純シリコンを分離する工程は、合金に第二の電気分解を行いアノードとカソードの極性とを逆転させることを含んでいてもよい。好ましくは、極性を逆転させることにより、第二の電気分解中、カソードは正ノードを提供することができ、アノードは負ノードを提供することができる。典型的には、第二の電気分解により、シリコンと電解質とを含む複合材料をアノード上に堆積させることができる。アノード上に形成された複合材料は、典型的には、約300メッシュの粒度を有するシリコンを含んでいてもよい。   [0031] Alternatively, after step (ii) according to the first general form of the present invention, the step of separating pure silicon from the alloy produced in the first crucible may comprise It may include decomposing and reversing the polarity of the anode and cathode. Preferably, by reversing the polarity, the cathode can provide a positive node and the anode can provide a negative node during the second electrolysis. Typically, a second electrolysis can deposit a composite material comprising silicon and an electrolyte on the anode. The composite material formed on the anode may typically include silicon having a particle size of about 300 mesh.

[0032]好ましくは、第二の電気分解は、第一の坩堝(典型的にはSiC材料を含んでいてもよい)とは別個の坩堝で合金に行ってもよい。   [0032] Preferably, the second electrolysis may be performed on the alloy in a crucible separate from the first crucible (which may typically include SiC material).

[0033]典型的には、第二の電気分解は、以下に示す電解質組成物(およその質量パーセントで示す):
(i)10%のKSiF、25%のAlF、25%のNaF、35%のBaF、5%のCaF
(ii)40〜70%のNaAlF、5〜20%のKSiF、5〜15%のCaF、5〜10%のCaO;および、
(iii)95〜99%のNaAlF、1〜5%のSiO
の少なくとも1種を用いて行ってもよい。
[0033] Typically, the second electrolysis is the electrolyte composition shown below (expressed in approximate weight percent):
(I) 10% K 2 SiF 6 , 25% AlF 3 , 25% NaF, 35% BaF 2 , 5% CaF 2 ;
(Ii) 40 to 70% of Na 3 AlF 6, 5~20% of K 2 SiF 6, 5~15% of CaF 2, 5 to 10% of CaO; and,
(Iii) 95-99% Na 3 AlF 6 , 1-5% SiO 2 ,
You may carry out using at least 1 sort (s) of these.

[0034]好ましくは、アノード上に堆積した複合材料は、少なくともおよそ1450℃またはそれより高い温度で融解させてもよく、続いて電解質中で冷却してシリコンはペレットまたはインゴットに凝集させる。典型的には、複合材料は、誘導炉または同種のものを使用することにより融解させてもよい。   [0034] Preferably, the composite material deposited on the anode may be melted at a temperature of at least approximately 1450 ° C. or higher, followed by cooling in the electrolyte to agglomerate the silicon into pellets or ingots. Typically, the composite material may be melted by using an induction furnace or the like.

[0035]典型的には、冷却する際に、フィルター(例えばメッシュまたは同種のもの)を使用することによって電解質から凝集したシリコンのペレットまたはインゴットをろ過して取り出してもよい。あるいは、複合材料を融解して合金に戻し、制御された速度で冷却して、回収しやすいようにシリコンを上に浮かせてもよい。典型的には、図19に記載の相平衡状態図に示された所定の融解温度に従った温度で、複合材料を融解して合金に戻してもよい。   [0035] Typically, during cooling, agglomerated silicon pellets or ingots may be filtered out of the electrolyte by using a filter (eg, a mesh or the like). Alternatively, the composite material may be melted back into the alloy, cooled at a controlled rate, and the silicon lifted up for easy recovery. Typically, the composite material may be melted back into the alloy at a temperature in accordance with a predetermined melting temperature shown in the phase equilibrium diagram shown in FIG.

[0036]第二の一般的な形態において、本発明は、電解質から純シリコンを生産するための器具を提供するものであり、本器具は:
電解質を受けるための第一の坩堝;
第一の坩堝で電解質を加熱して溶融電解質を形成するための熱源;
溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードおよびカソード(ここで、アノードとカソードとの間に電位差が形成されると、溶融電解質に電気分解を適用することができる);および、
電気分解を適用する際に溶融電解質を撹拌するための撹拌装置(それによって純シリコンが生産され、アノードと溶解して合金が形成される)、
を含む。
[0036] In a second general form, the present invention provides an instrument for producing pure silicon from an electrolyte, the instrument comprising:
A first crucible for receiving electrolyte;
A heat source for heating the electrolyte in the first crucible to form a molten electrolyte;
An anode and cathode suitable for electrical / ion interaction with the molten electrolyte, where electrolysis can be applied to the molten electrolyte when a potential difference is formed between the anode and cathode; and
An agitation device for agitating the molten electrolyte when applying electrolysis, thereby producing pure silicon and melting with the anode to form an alloy;
including.

[0037]好ましくは、電解質は、氷晶石、酸化カルシウム粒子、および、石英粒子を含んでいてもよい。より好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ82〜94%の氷晶石粒子を含んでもよい。また典型的には、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ3〜15%の酸化カルシウム粒子を含んでもよい。また好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ3%の石英粒子を含んでもよい。より好ましくは、電解質は、電解質の質量に基づきおよそ87%の氷晶石粒子、10%の酸化カルシウム粒子、および、3%の石英粒子を含んでもよい。   [0037] Preferably, the electrolyte may include cryolite, calcium oxide particles, and quartz particles. More preferably, the electrolyte may comprise approximately 82-94% cryolite particles based on the weight of the electrolyte. Also typically, the electrolyte may include approximately 3-15% calcium oxide particles based on the weight of the electrolyte. Also preferably, the electrolyte may include approximately 3% quartz particles based on the mass of the electrolyte. More preferably, the electrolyte may comprise approximately 87% cryolite particles, 10% calcium oxide particles, and 3% quartz particles based on the weight of the electrolyte.

[0038]好ましくは、本発明は、電解質中に実質的に電解質の質量に基づきおよそ3%の石英粒子が維持されるように、電気分解中に石英粒子を電解質に分配するためのディスペンサーを含んでいてもよい。   [0038] Preferably, the present invention includes a dispenser for dispensing quartz particles to the electrolyte during electrolysis so that approximately 3% quartz particles are maintained in the electrolyte substantially based on the mass of the electrolyte. You may go out.

[0039]典型的には、第一の坩堝は、炭素、窒化ケイ素、および、炭化ケイ素材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、第一の坩堝は、電解質を受けるための内部周壁と底部で囲まれた凹部を含んでいてもよい。典型的には、凹部は、円柱形または長方形の凹部を含んでいてもよい。   [0039] Typically, the first crucible may include at least one of carbon, silicon nitride, and silicon carbide material. Preferably, the first crucible may include a recess surrounded by an inner peripheral wall and a bottom for receiving the electrolyte. Typically, the recess may include a cylindrical or rectangular recess.

[0040]好ましくは、本発明は、第一の坩堝のライニングを含んでいてもよく、このライニングは、第一の坩堝の凹部内側における第一の坩堝と電解質との間に配置される。また好ましくは、第一の坩堝のライニングは、第一の坩堝の内部周壁に沿った形状で実質的に周壁を補うように形成されていてもよい。典型的には、第一の坩堝のライニングは、石英、酸化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ナトリウム、および、シリコン材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。   [0040] Preferably, the present invention may include a lining of the first crucible, the lining being disposed between the first crucible and the electrolyte inside the recess of the first crucible. Preferably, the lining of the first crucible may be formed so as to substantially supplement the peripheral wall in a shape along the inner peripheral wall of the first crucible. Typically, the first crucible lining may include at least one of quartz, calcium oxide, magnesium fluoride, sodium fluoride, and silicon material.

[0041]あるいは、第一の坩堝は、第一の坩堝のライニングを含んでいてもよく、この第一の坩堝のライニングは、溶融電解質中で温度勾配を形成させた結果として、溶融電解質の一部を凝固させることにより形成される。典型的には、本発明は、カソードと、第一の坩堝の内部周壁と接する溶融電解質との間に温度勾配を形成するための電気アーク加熱装置を含んでいてもよい。   [0041] Alternatively, the first crucible may include a lining of the first crucible, the lining of the first crucible being a part of the molten electrolyte as a result of forming a temperature gradient in the molten electrolyte. It is formed by solidifying the part. Typically, the present invention may include an electric arc heating device for creating a temperature gradient between the cathode and the molten electrolyte in contact with the inner peripheral wall of the first crucible.

[0042]典型的には、熱源は、アーク炉、および、誘導炉の少なくとも一方を含んでいてもよい。好ましくは、アーク炉が一次熱源であってもよい。   [0042] Typically, the heat source may include at least one of an arc furnace and an induction furnace. Preferably, the arc furnace may be a primary heat source.

[0043]典型的には、溶融電解質は、少なくとも1種の誘導炉を用いて、溶融電解質を機械式スターラーで磁気撹拌することにより撹拌してもよい。有利には、誘導炉は、熱源として、かつ撹拌装置としての二つの機能を提供することにより生産コストを低減することができる。   [0043] Typically, the molten electrolyte may be agitated by magnetically agitating the molten electrolyte with a mechanical stirrer using at least one induction furnace. Advantageously, the induction furnace can reduce production costs by providing two functions as a heat source and as a stirring device.

[0044]典型的には、アノードは、銅、銀、金、亜鉛、および、マグネシウム材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、アノードは、銅材料を含んでいてもよい。より好ましくは、アノードは、銅と純シリコンとの合金を含んでいてもよい。典型的には、純シリコンは、合金のおよそ3〜7質量%を構成していてもよい。   [0044] Typically, the anode may include at least one of copper, silver, gold, zinc, and magnesium materials. Preferably, the anode may include a copper material. More preferably, the anode may comprise an alloy of copper and pure silicon. Typically, pure silicon may comprise approximately 3-7% by weight of the alloy.

[0045]好ましくは、第一の坩堝において、合金を第一の坩堝の底部と隣接するように入れて合金を融解させ、その合金の上に電解質を入れてもよい。典型的には、熱源は、合金をおよそ950〜980℃の温度で溶融させるように設定されていてもよい。   [0045] Preferably, in the first crucible, the alloy may be placed adjacent to the bottom of the first crucible to melt the alloy, and the electrolyte may be placed on the alloy. Typically, the heat source may be set to melt the alloy at a temperature of approximately 950-980 ° C.

[0046]典型的には、熱源は、溶融電解質を形成するために、第一の坩堝で電解質を少なくともおよそ900℃の温度に加熱するように設定されていてもよい。   [0046] Typically, the heat source may be set to heat the electrolyte to a temperature of at least about 900 ° C. in the first crucible to form a molten electrolyte.

[0047]好ましくは、溶融電解質の電気分解中は、熱源は、溶融電解質が凝固しない温度に溶融電解質を維持するように設定されていてもよい。典型的には、溶融電解質の凝固を防ぐために、熱源は、溶融電解質の温度をおよそ900〜1000℃に維持するように設定されていてもよい。好ましくは、溶融電解質の凝固を防ぐために、熱源は、溶融電解質の温度をおよそ980℃に維持するように設定されていてもよい。   [0047] Preferably, during electrolysis of the molten electrolyte, the heat source may be set to maintain the molten electrolyte at a temperature at which the molten electrolyte does not solidify. Typically, the heat source may be set to maintain the temperature of the molten electrolyte at approximately 900-1000 ° C to prevent solidification of the molten electrolyte. Preferably, in order to prevent solidification of the molten electrolyte, the heat source may be set to maintain the temperature of the molten electrolyte at approximately 980 ° C.

[0048]典型的には、溶融電解質は、電気分解が適用される間、第一の坩堝でおよそ0.1A/cm〜2.0A/cmの電流密度に晒されてもよい。 [0048] Typically, the molten electrolyte during the electrolysis is applied, may be subjected to a current density of approximately 0.1A / cm 2 ~2.0A / cm 2 in the first crucible.

[0049]典型的には、カソードは、炭素、銅および白金材料の少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、カソードは、精製した炭素粉末から形成された固形ロッドを含んでいてもよい。より好ましくは、炭素粉末は、炭素粉末を酸洗浄と塩素によるフラッシングに晒して不純物を除去することにより精製してもよい。また好ましくは、カソードは、電解質を加熱して溶融電解質が形成された後、カソードが溶融電解質と電気/イオンをやりとりしている状態で、第一の坩堝に配置されるのに適したものでもよい。   [0049] Typically, the cathode may include at least one of carbon, copper, and platinum materials. Preferably, the cathode may include a solid rod formed from purified carbon powder. More preferably, the carbon powder may be purified by removing the impurities by subjecting the carbon powder to acid cleaning and flushing with chlorine. Preferably, the cathode is also suitable for being placed in the first crucible after the electrolyte is heated to form a molten electrolyte and the cathode is in electrical / ion exchange with the molten electrolyte. Good.

[0050]好ましくは、本発明は、合金から純シリコンを分離するための器具を含んでいてもよい。好ましくは、合金から純シリコンを分離するための器具は、電気分解の結果生産された純シリコンが合金と溶解しなくなったとき、合金から純シリコンを分離するように設定されていてもよい。また典型的には、合金がおよそ950〜980℃の温度である場合、純シリコンは、合金と溶解しなくなる可能性がある(ここで合金中の純シリコン量は、合金の質量に基づきおよそ25%である)。   [0050] Preferably, the present invention may include an instrument for separating pure silicon from an alloy. Preferably, the device for separating pure silicon from the alloy may be set to separate pure silicon from the alloy when the pure silicon produced as a result of electrolysis does not dissolve with the alloy. Also typically, when the alloy is at a temperature of approximately 950-980 ° C., pure silicon may not dissolve with the alloy (where the amount of pure silicon in the alloy is approximately 25 based on the mass of the alloy). %).

[0051]典型的には、合金から純シリコンを分離するための器具は、合金の温度をおよそ800〜850℃に調節するようになっていてもよく、それによって純シリコンを合金から分離することが可能になる。また好ましくは、合金から純シリコンを分離するための器具は、合金の温度をおよそ800〜850℃に調節する前に、合金を第二の坩堝に移すような設計になっていてもよい。また好ましくは、第二の坩堝は、合金および/または溶融塩に対して不活性である可能性がある材料を含んでいてもよい。好ましくは、純シリコンの再酸化を低減させるために、溶融塩を用いて分離した純シリコンを被覆してもよい。典型的には、本発明は、合金の質量に基づき所定のパーセンテージの純シリコン粒子が合金から分離されたら、第二の坩堝中の合金を第一の坩堝に再導入することに適している可能性がある。より典型的には、合金の質量に基づき所定のパーセンテージの純シリコン粒子は、合金の質量に基づきおよそ11%の純シリコン粒子を含んでいてもよい。   [0051] Typically, an apparatus for separating pure silicon from an alloy may be adapted to adjust the temperature of the alloy to approximately 800-850 ° C., thereby separating pure silicon from the alloy. Is possible. Also preferably, the instrument for separating pure silicon from the alloy may be designed to transfer the alloy to a second crucible before adjusting the temperature of the alloy to approximately 800-850 ° C. Also preferably, the second crucible may comprise a material that may be inert to the alloy and / or molten salt. Preferably, in order to reduce reoxidation of pure silicon, pure silicon separated using a molten salt may be coated. Typically, the present invention may be suitable for reintroducing the alloy in the second crucible into the first crucible once a predetermined percentage of pure silicon particles are separated from the alloy based on the mass of the alloy. There is sex. More typically, the predetermined percentage of pure silicon particles based on the mass of the alloy may comprise approximately 11% pure silicon particles based on the mass of the alloy.

[0052]その代わりに、および/または、それに加えて、第二の坩堝で合金から純シリコンを分離するための器具は:
(i)第二の坩堝中の合金をテープおよび粉末の少なくとも一方に成形するための器具;および、
(ii)該テープまたは粉末に第二の電気分解を適用するための器具;
を含んでいてもよく、
このような器具によって純シリコン粒子を、ナノサイズの純シリコン粒子の形態で合金から分離することができる。
[0052] Alternatively and / or in addition, an apparatus for separating pure silicon from an alloy in a second crucible is:
(I) an instrument for forming the alloy in the second crucible into at least one of a tape and powder; and
(Ii) a device for applying a second electrolysis to the tape or powder;
May contain,
With such an instrument, pure silicon particles can be separated from the alloy in the form of nano-sized pure silicon particles.

[0053]典型的には、合金をテープに成形するための器具は、合金をキャスティングまたは押し出してテープに成形するような設計になっていてもよい。また典型的には、粉末を形成する器具は、制御された環境下で合金を機械的に粉砕または磨砕して粉末にするのに適していてもよい。好ましくは、粉末は、合金を粉砕することによって形成することもできる。典型的には、粉末は、ミクロン〜ナノサイズの合金粒子を含んでいてもよい。   [0053] Typically, an instrument for forming an alloy into a tape may be designed to cast or extrude the alloy into a tape. Also typically, the powder forming device may be suitable for mechanically grinding or grinding the alloy into a powder in a controlled environment. Preferably, the powder can also be formed by grinding the alloy. Typically, the powder may contain micron to nano-sized alloy particles.

[0054]好ましくは、第二の電気分解を適用するための器具は、テープまたは粉末を電解液に浸すのに適したものでもよい。典型的には、電解液は、塩酸(HCl)、無水酢酸、ヨード液(すなわちヨウ素カリウム溶液)、アジ化水素酸(HN)、アセトン、高濃度のアルコールおよびそれらの組み合わせの少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、第二の電気分解中、電解液の酸性度を補ってもよい。 [0054] Preferably, the device for applying the second electrolysis may be suitable for immersing the tape or powder in the electrolyte. Typically, the electrolyte is hydrochloric acid (HCl), acetic anhydride, iodine solution (i.e. potassium iodine solution), hydrazoic acid (HN 3), acetone, at least one of high concentrations of alcohol and combinations thereof May be included. Preferably, the acidity of the electrolyte may be supplemented during the second electrolysis.

[0055]典型的には、第二の電気分解を適用するための器具は、第二の電気分解の際に1A未満の電流を適用するのに適していてもよい。   [0055] Typically, an instrument for applying a second electrolysis may be suitable for applying a current of less than 1 A during the second electrolysis.

[0056]好ましくは、本発明は、第二の電気分解が適用された後に、電解液中のナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離するための器具を含んでいてもよい。典型的には、これは、遠心分離によってナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離するための遠心分離装置を含んでいてもよい。また好ましくは、本発明は、遊離酸素との反応を低減させるのに適した物質中で分離されたナノサイズの純シリコン粒子を貯蔵するための貯蔵器具を含んでいてもよい。このような物質としては、典型的には、高濃度のアルコールが挙げられる。   [0056] Preferably, the present invention may include an instrument for separating nano-sized pure silicon particles in the electrolyte from the electrolyte after the second electrolysis is applied. Typically, this may include a centrifuge device for separating nanosized pure silicon particles from the electrolyte by centrifugation. Also preferably, the present invention may include a storage device for storing nano-sized pure silicon particles separated in a material suitable for reducing reaction with free oxygen. Such materials typically include high concentrations of alcohol.

[0057]またあるいは、当業者であれば当然理解しているものと思われるが、第二の坩堝で合金から純シリコンを分離するための器具は、同様に、第二の坩堝に移動させずに第一の坩堝の合金から直接純シリコンを分離するのにも適している。   [0057] Alternatively, as would be understood by one of ordinary skill in the art, the instrument for separating pure silicon from the alloy in the second crucible is likewise not transferred to the second crucible. It is also suitable for separating pure silicon directly from the first crucible alloy.

[0058]またあるいは、第一の坩堝で生産された合金から純シリコンを分離するための器具は、合金に第二の電気分解を行い第二の電気分解中にアノードとカソードの極性を逆転させるのに適したものでもよい。好ましくは、極性を逆転させることにより、カソードは正ノードを提供することができ、アノードは負ノードを提供することができる。典型的には、第二の電気分解により、シリコンと電解質とを含む固形複合材料をアノード上に堆積させることができる。典型的には、アノード上に形成された複合材料中のシリコンは、約300メッシュの粒度を有していてもよい。   [0058] Alternatively, an apparatus for separating pure silicon from an alloy produced in a first crucible performs a second electrolysis on the alloy and reverses the polarity of the anode and cathode during the second electrolysis. It may be suitable for. Preferably, by reversing the polarity, the cathode can provide a positive node and the anode can provide a negative node. Typically, a second electrolysis can deposit a solid composite comprising silicon and an electrolyte on the anode. Typically, the silicon in the composite material formed on the anode may have a particle size of about 300 mesh.

[0059]好ましくは、合金から純シリコンを分離するための器具は、第一の坩堝とは別個の坩堝を含んでいてもよく、ここでこの別個の坩堝は、合金に第二の電気分解を行いアノードとカソードの極性を逆転させることができる。典型的には、このような別個の坩堝は、SiC材料を含んでいてもよい。   [0059] Preferably, the apparatus for separating pure silicon from the alloy may include a crucible separate from the first crucible, wherein the separate crucible performs a second electrolysis on the alloy. The polarity of the anode and cathode can be reversed. Typically, such a separate crucible may contain a SiC material.

[0060]典型的には、純シリコンを分離するための器具は、以下に示す電解質(およその質量パーセントで示す):
(i)10%のKSiF、25%のAlF、25%のNaF、35%のBaF、5%のCaF
(ii)40〜70%のNaAlF、5〜20%のKSiF、5〜15%のCaF、5〜10%のCaO;および、
(iii)95〜99%のNaAlF、1〜5%のSiO
の少なくとも1種を用いて第二の電気分解が行われるように設計されていてもよい。
[0060] Typically, instruments for separating pure silicon are the electrolytes shown below (shown in approximate mass percent):
(I) 10% K 2 SiF 6 , 25% AlF 3 , 25% NaF, 35% BaF 2 , 5% CaF 2 ;
(Ii) 40 to 70% of Na 3 AlF 6, 5~20% of K 2 SiF 6, 5~15% of CaF 2, 5 to 10% of CaO; and,
(Iii) 95-99% Na 3 AlF 6 , 1-5% SiO 2 ,
The second electrolysis may be designed using at least one of the above.

[0061]好ましくは、本器具は、少なくともおよそ1450℃またはそれより高い温度でアノード上に堆積した複合材料を溶融させ、続いて電解質中で冷却してシリコンをペレットまたはインゴットに凝集させるのに適した加熱メカニズムを含んでいてもよい。典型的には、複合材料を溶融させるための加熱メカニズムは、誘導炉または同種のものを含んでいてもよい。   [0061] Preferably, the device is suitable for melting the composite material deposited on the anode at a temperature of at least about 1450 ° C or higher, followed by cooling in the electrolyte to agglomerate the silicon into pellets or ingots. A heating mechanism may be included. Typically, the heating mechanism for melting the composite material may include an induction furnace or the like.

[0062]好ましくは、本器具は、冷却する際に、電解質から凝集したシリコンのペレットまたはインゴットをろ過して取り出すのに適した、例えばメッシュフィルターのようなフィルターを含んでいてもよい。   [0062] Preferably, the device may include a filter, such as a mesh filter, suitable for filtering out aggregated silicon pellets or ingots from the electrolyte as it cools.

[0063]あるいは、本器具は、複合材料を溶融して合金に戻し、制御された速度で複合材料を冷却して、回収しやすいようにシリコンを上に浮かせるようなメカニズムを含んでいてもよい。典型的には、図19に記載の相平衡状態図に示された所定の融解温度に従った温度で、複合材料を融解して合金に戻してもよい。   [0063] Alternatively, the instrument may include a mechanism that melts the composite material back into the alloy, cools the composite material at a controlled rate, and floats the silicon up for easy retrieval. . Typically, the composite material may be melted back into the alloy at a temperature in accordance with a predetermined melting temperature shown in the phase equilibrium diagram shown in FIG.

[0064]第三の一般的な形態において、本発明は、電解質から純シリコンを製造する方法を提供し、ここで本方法は、以下の工程:
(i)第一の坩堝で電解質を加熱して、溶融電解質を形成する工程;および、
(ii)溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードとカソードとの間に電位差を提供することによって、溶融電解質に電気分解を適用する工程;
を含み、
ここで第一の坩堝の内部に第一の坩堝のライニングが配置されており、そうすることにより、電気分解が適用される際に、実質的に第一の坩堝の内部周壁と溶融電解質とが隔離され、生産された純シリコンは、アノードと溶解して合金を形成することができる。
[0064] In a third general form, the present invention provides a method of producing pure silicon from an electrolyte, wherein the method comprises the following steps:
(I) heating the electrolyte in a first crucible to form a molten electrolyte; and
(Ii) applying electrolysis to the molten electrolyte by providing a potential difference between an anode and a cathode suitable for electricity / ion exchange with the molten electrolyte;
Including
Here, the lining of the first crucible is arranged inside the first crucible, so that when the electrolysis is applied, the inner peripheral wall of the first crucible and the molten electrolyte are substantially separated. Isolated and produced pure silicon can melt with the anode to form an alloy.

[0065]第四の一般的な形態において、本発明は、電解質から純シリコンを生産するための器具を提供するものであり、本器具は:
電解質を受けるための第一の坩堝;
第一の坩堝で電解質を加熱して溶融電解質を形成するための熱源;
溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードおよびカソード(ここで、アノードとカソードとの間に電位差が形成されると、溶融電解質に電気分解を適用することができる);および、
第一の坩堝の内部に配置された第一の坩堝のライニング(それにより、溶融電解質に電気分解が適用される際に、実質的に第一の坩堝の内部周壁と溶融電解質とを隔離することができる);
を含み、
このようにして生産された純シリコンは、アノードと溶解して合金を形成する。
[0065] In a fourth general form, the present invention provides an instrument for producing pure silicon from an electrolyte, the instrument comprising:
A first crucible for receiving electrolyte;
A heat source for heating the electrolyte in the first crucible to form a molten electrolyte;
An anode and cathode suitable for electrical / ion interaction with the molten electrolyte, where electrolysis can be applied to the molten electrolyte when a potential difference is formed between the anode and cathode; and
Lining of the first crucible disposed inside the first crucible (thereby substantially isolating the inner peripheral wall of the first crucible from the molten electrolyte when electrolysis is applied to the molten electrolyte. Can)
Including
The pure silicon produced in this way melts with the anode to form an alloy.

[0066]第五の一般的な形態において、本発明は、純シリコン粒子と合金化した、銅、金、銀、亜鉛、および、マグネシウム材料の少なくとも1種を含む合金から、純シリコンを分離する方法を提供するものであり、本方法は、以下の工程;
(i)合金をテープおよび粉末の少なくとも一方に成形する工程;および、
(ii)該テープまたは粉末に電気分解を適用する工程;
を含み、
このようにして純シリコン粒子は、ナノサイズの純シリコン粒子の形態で合金から隔離することができる。
[0066] In a fifth general form, the present invention separates pure silicon from an alloy comprising at least one of copper, gold, silver, zinc, and magnesium materials alloyed with pure silicon particles. A method is provided, the method comprising the steps of:
(I) forming the alloy into at least one of a tape and a powder; and
(Ii) applying electrolysis to the tape or powder;
Including
In this way, pure silicon particles can be isolated from the alloy in the form of nano-sized pure silicon particles.

[0067]典型的には、テープは、合金のキャスティングか押出し成形の少なくとも一方によって成形することもできる。また典型的には、粉末は、制御された環境下で合金を機械的に粉砕または磨砕することによって成形することもできる。好ましくは、粉末は、合金を粉砕することによって形成される。典型的には、粉末は、ミクロン〜ナノサイズの合金粒子を含んでいてもよい。   [0067] Typically, the tape can also be formed by at least one of alloy casting or extrusion. Typically, the powder can also be formed by mechanically grinding or grinding the alloy in a controlled environment. Preferably, the powder is formed by grinding the alloy. Typically, the powder may contain micron to nano-sized alloy particles.

[0068]好ましくは、電気分解を行う工程は、テープまたは粉末を電解液に浸すことを含んでいてもよい。典型的には、電解液は、塩酸(HCl)、無水酢酸、ヨード液(すなわちヨウ素カリウム溶液)、アジ化水素酸(HN)、アセトン、高濃度のアルコールおよびそれらの組み合わせの少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、電気分解中、電解液の酸性度を補ってもよい。 [0068] Preferably, the step of performing the electrolysis may comprise immersing the tape or powder in an electrolyte. Typically, the electrolyte is hydrochloric acid (HCl), acetic anhydride, iodine solution (i.e. potassium iodine solution), hydrazoic acid (HN 3), acetone, at least one of high concentrations of alcohol and combinations thereof May be included. Preferably, the acidity of the electrolyte may be supplemented during electrolysis.

[0069]電気分解の間、典型的には、1A未満の電流を適用することができる。   [0069] During electrolysis, typically less than 1 A of current can be applied.

[0070]好ましくは、電気分解が行われた後、ナノサイズの純シリコン粒子を含む電解液をさらに処理して、ナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離してもよい。典型的には、ナノサイズの純シリコン粒子を、電解液から遠心分離によって分離してもよい。また好ましくは、分離されたナノサイズの純シリコン粒子は、その後、遊離酸素との反応を低減させるのに適した物質中で保存することもできる。このような物質としては、典型的には、高濃度のアルコールが挙げられる。   [0070] Preferably, after the electrolysis is performed, the electrolyte containing nano-sized pure silicon particles may be further processed to separate the nano-sized pure silicon particles from the electrolyte. Typically, nanosized pure silicon particles may be separated from the electrolyte by centrifugation. Also preferably, the separated nano-sized pure silicon particles can then be stored in a material suitable for reducing reaction with free oxygen. Such materials typically include high concentrations of alcohol.

[0071]第六の一般的な形態において、本発明は、純シリコン粒子と合金化した銅、金、銀、亜鉛、および、マグネシウム材料の少なくとも1種を含む合金から、純シリコンを分離するための器具を提供するものであり、本器具は:
(i)合金をテープおよび粉末の少なくとも一方に成形するための器具;および、
(ii)該テープまたは粉末に電気分解を適用するための器具;
を含み、
このようにして純シリコン粒子は、ナノサイズの純シリコン粒子の形態で合金から分離することができる。
[0071] In a sixth general form, the present invention is for separating pure silicon from an alloy comprising at least one of copper, gold, silver, zinc, and magnesium materials alloyed with pure silicon particles. This instrument provides:
(I) an instrument for forming the alloy into at least one of a tape and powder; and
(Ii) a device for applying electrolysis to the tape or powder;
Including
In this way, pure silicon particles can be separated from the alloy in the form of nano-sized pure silicon particles.

[0072]典型的には、合金をテープに成形するための器具は、合金をキャスティングまたは押し出してテープに成形するような設計になっていてもよい。また典型的には、粉末を形成する器具は、合金を機械的に粉砕または磨砕して粉末にするのに適していてもよい。好ましくは、粉末は、制御された環境下で合金を粉砕することによって成形することもできる。典型的には、粉末は、ミクロン〜ナノサイズの合金粒子を含んでいてもよい。   [0072] Typically, an instrument for forming an alloy into a tape may be designed to cast or extrude the alloy into a tape. Also typically, the device for forming the powder may be suitable for mechanically grinding or grinding the alloy into a powder. Preferably, the powder can also be formed by grinding the alloy in a controlled environment. Typically, the powder may contain micron to nano-sized alloy particles.

[0073]好ましくは、電気分解を行う器具は、テープまたは粉末を電解液に浸すことに適したものでもよい。典型的には、電解液は、塩酸(HCl)、無水酢酸、ヨード液(すなわちヨウ化カリウム溶液)、アジ化水素酸(HN)、アセトン、高濃度のアルコールおよびそれらの組み合わせの少なくとも1種を含んでいてもよい。好ましくは、電気分解中、溶液の酸性度を補ってもよい。 [0073] Preferably, the electrolysis device may be suitable for dipping a tape or powder in an electrolyte. Typically, the electrolyte is at least one of hydrochloric acid (HCl), acetic anhydride, iodine solution (ie, potassium iodide solution), hydrazoic acid (HN 3 ), acetone, high concentration alcohol, and combinations thereof. May be included. Preferably, the acidity of the solution may be supplemented during electrolysis.

[0074]典型的には、電気分解を行う器具は、電気分解中に1A未満の電流を適用するのに適していてもよい。   [0074] Typically, an instrument that performs electrolysis may be suitable for applying a current of less than 1 A during electrolysis.

[0075]好ましくは、本発明は、電解液中のナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離するための器具を含んでいてもよい。典型的には、これは、遠心分離によってナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離するための遠心分離装置を含んでいてもよい。また好ましくは、本発明は、分離されたナノサイズの純シリコン粒子を遊離酸素との反応を低減させるのに適した物質中で貯蔵するための貯蔵器具を含んでいてもよい。このような物質としては、典型的には、高濃度のアルコールが挙げられる。   [0075] Preferably, the present invention may include a device for separating nanosized pure silicon particles in the electrolyte from the electrolyte. Typically, this may include a centrifuge device for separating nanosized pure silicon particles from the electrolyte by centrifugation. Also preferably, the present invention may include a storage device for storing the separated nano-sized pure silicon particles in a material suitable for reducing reaction with free oxygen. Such materials typically include high concentrations of alcohol.

[0076]上述した本発明の一般的な形態のいずれか一つにおいて、第二の坩堝ライニングは、第一の坩堝において、合金と第一の坩堝ライニングとの間に配置されてもよい。典型的には、第二の坩堝ライニングは、SiNまたはSiC材料の少なくとも一方を含んでいてもよく、このようにすることで、SiCおよびSiNは耐摩耗性を有するために第一のライニングの寿命を延ばすことができる。好ましくは、第二の坩堝ライニングは、実質的に非多孔質の表面を含んでいてもよい。   [0076] In any one of the general aspects of the invention described above, the second crucible lining may be disposed in the first crucible between the alloy and the first crucible lining. Typically, the second crucible lining may include at least one of SiN or SiC material, so that the lifetime of the first lining is such that SiC and SiN are wear resistant. Can be extended. Preferably, the second crucible lining may include a substantially non-porous surface.

[0077]典型的には、第二の坩堝ライニングは、第一の坩堝において、実質的に合金の上面(融解している場合)よりも下に沈んでいてもよく、さらに第一の坩堝での電気分解の間、第二の坩堝ライニングへの電解質の吸収が低減されるように実質的に合金の上面よりも下で維持される。   [0077] Typically, the second crucible lining may be submerged substantially below the upper surface of the alloy (if melted) in the first crucible, and further in the first crucible. During the electrolysis of the electrolyte, it is maintained substantially below the upper surface of the alloy so that the absorption of electrolyte into the second crucible lining is reduced.

[0078]第七の一般的な形態において、本発明は、純シリコンの製造方法を提供するものであり、本方法は、以下の工程:
(i)坩堝中で石英を含む電解質に電気分解を行い、シリコンと電解質とを含む固形複合材料を形成する工程;
(ii)複合材料を溶融させ、続いて冷却しながら複合材料中のシリコン粒子を電解質中で凝集させる工程;
(iii)融解させた複合材料の温度がおよそ1414℃未満に低下したら、電解質から凝集したシリコンをろ過して取り出す工程、
を含む。
[0078] In a seventh general form, the present invention provides a method of producing pure silicon, the method comprising the following steps:
(I) a step of electrolyzing an electrolyte containing quartz in a crucible to form a solid composite material containing silicon and an electrolyte;
(Ii) melting the composite material and subsequently aggregating silicon particles in the composite material in the electrolyte while cooling;
(Iii) a step of filtering out the agglomerated silicon from the electrolyte when the temperature of the melted composite material falls below approximately 1414 ° C .;
including.

[0079]典型的には、工程(i)において、電解質は、石英のペレット/ブロック、および、粉末化した石英の組み合わせを含んでいてもよい。好ましくは、電気分解を行う工程(i)は、坩堝に粉末化した石英を定期的に添加することにより、電気分解の間シリコン粒子の供給を維持することを含む。   [0079] Typically, in step (i), the electrolyte may comprise a combination of quartz pellets / blocks and powdered quartz. Preferably, step (i) of performing electrolysis includes maintaining the supply of silicon particles during electrolysis by periodically adding powdered quartz to the crucible.

[0080]典型的には、形成された複合材料は、およそ20質量パーセントのシリコン粒子、および、およそ80質量パーセントの電解質粒子を含んでいてもよい。   [0080] Typically, the formed composite material may include approximately 20 weight percent silicon particles and approximately 80 weight percent electrolyte particles.

[0081]好ましくは、電気分解は、電気分解プロセスを受けることができる適切な量の原材料を含む2つの炭素電極を用いて行ってもよい。   [0081] Preferably, the electrolysis may be performed using two carbon electrodes containing an appropriate amount of raw material that can be subjected to an electrolysis process.

[0082]第八の一般的な形態において、本発明は、純シリコンを生産するための器具を提供するものであり、本器具は;
(i)石英を含む電解質を中に入れるのに適した坩堝;
(ii)坩堝中の電解質に電気分解を行い、坩堝中にシリコンと電解質との固形複合材料を堆積させることに適した電気分解システム;
(iii)複合材料を溶融させ、続いて冷却しながら電解質中で複合材料中のシリコン粒子を凝集させるのに適した加熱メカニズム;および、
(iv)融解させた複合材料の温度がおよそ1414℃未満に低下したときに、電解質から凝集したシリコンをろ過して取り出すのに適したフィルター、
を含む。
[0082] In an eighth general form, the present invention provides an instrument for producing pure silicon, the instrument;
(I) a crucible suitable for containing an electrolyte containing quartz;
(Ii) an electrolysis system suitable for electrolyzing the electrolyte in the crucible and depositing a solid composite material of silicon and electrolyte in the crucible;
(Iii) a heating mechanism suitable for aggregating the silicon particles in the composite in the electrolyte while melting the composite and subsequently cooling; and
(Iv) a filter suitable for filtering out aggregated silicon from the electrolyte when the temperature of the melted composite material drops below approximately 1414 ° C .;
including.

[0083]典型的には、電解質は、石英のペレット/ブロック、および、粉末化した石英の組み合わせを含んでいてもよい。好ましくは、本発明は、電気分解の間、シリコン粒子の供給を維持するために、電気分解の間坩堝に定期的に粉末化した石英を送達するメカニズムを含む。   [0083] Typically, the electrolyte may comprise a combination of quartz pellets / blocks and powdered quartz. Preferably, the present invention includes a mechanism for delivering periodically powdered quartz to the crucible during electrolysis to maintain a supply of silicon particles during electrolysis.

[0084]典型的には、電解質の電気分解によって形成された複合材料は、およそ20質量パーセントのシリコン粒子、および、およそ80質量パーセントの電解質粒子を含んでいてもよい。   [0084] Typically, a composite material formed by electrolyte electrolysis may include approximately 20 weight percent silicon particles and approximately 80 weight percent electrolyte particles.

[0085]好ましくは、電気分解システムは、電気分解プロセスを受けることができる適切な量の原材料を含む2つの炭素電極を含んでいてもよい。   [0085] Preferably, the electrolysis system may include two carbon electrodes containing an appropriate amount of raw material that can be subjected to an electrolysis process.

[0086]第九の一般的な形態において、本発明は、本明細書において説明される本発明の一般的な形態のいずれか一つに従って生産された純シリコンを提供する。   [0086] In a ninth general form, the present invention provides pure silicon produced according to any one of the general forms of the invention described herein.

[0087]第十の一般的な形態において、本発明は、本明細書において説明される本発明の一般的な形態のいずれか一つに従って生産された純シリコンを含む太陽電池を提供する。   [0087] In a tenth general form, the present invention provides a solar cell comprising pure silicon produced according to any one of the general aspects of the invention described herein.

[0088]第十一の一般的な形態において、本発明は、本明細書において説明される本発明の一般的な形態のいずれか一つに従って生産された純シリコンを含む電池を提供する。典型的には、本電池のアノードは、純シリコンから形成される。   [0088] In an eleventh general form, the invention provides a battery comprising pure silicon produced according to any one of the general forms of the invention described herein. Typically, the battery anode is formed from pure silicon.

[0089]第十二の一般的な形態において、本発明は、本明細書において説明される本発明の一般的な形態のいずれか一つに従って使用するのに適した坩堝ライニングを提供する。第十三の一般的な形態において、本発明は、集積回路素子を形成するのに使用するのに適した電気機器グレードのシリコン材料を提供するものであり、ここで前記電気機器グレードのシリコン材料は、本明細書において説明される本発明の一般的な形態のいずれか一つに従って生産される。   [0089] In a twelfth general form, the present invention provides a crucible lining suitable for use in accordance with any one of the general forms of the invention described herein. In a thirteenth general form, the present invention provides an electrical equipment grade silicon material suitable for use in forming an integrated circuit device, wherein said electrical equipment grade silicon material. Are produced according to any one of the general forms of the invention described herein.

[0090]添付の図面と関連して説明した本発明の好ましい非限定的な実施態様の以下に示す詳細な説明から、本発明をよりよく理解できるものと思われる。   [0090] The invention will be better understood from the following detailed description of a preferred, non-limiting embodiment of the invention described in connection with the accompanying drawings.

図1は、本発明の実施態様に従って電解質から純シリコンを生産する方法のフローチャートを示す。FIG. 1 shows a flow chart of a method for producing pure silicon from an electrolyte according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示される本方法の工程に従って形成された合金から純シリコンを分離するための実施態様の方法のフローチャートを示す。FIG. 2 shows a flowchart of an embodiment method for separating pure silicon from an alloy formed according to the method steps shown in FIG. 図3は、本発明の実施態様に従って純シリコンを生産するための器具の側面を切り取った図を示す。FIG. 3 shows a cutaway side view of an instrument for producing pure silicon in accordance with an embodiment of the present invention. 図4a及び図4bは、第一の坩堝中での第一の電気分解の後に純シリコンを含む合金から採取した第一のサンプルのEDXチャートおよびそれに対応するSEM画像を示す。FIGS. 4a and 4b show an EDX chart and corresponding SEM image of a first sample taken from an alloy containing pure silicon after the first electrolysis in the first crucible. 図5a及び図5bは、第一の坩堝中での第一の電気分解の後に純シリコンを含む合金から採取した第二のサンプルのEDXチャートおよびそれに対応するSEM画像を示す。5a and 5b show an EDX chart and corresponding SEM image of a second sample taken from an alloy containing pure silicon after the first electrolysis in the first crucible. 図6a及び図6bは、第一の坩堝中での第一の電気分解の後に純シリコンを含む合金から採取した第三のサンプルのEDXチャートおよびそれに対応するSEM画像を示す。Figures 6a and 6b show an EDX chart and corresponding SEM image of a third sample taken from an alloy containing pure silicon after the first electrolysis in the first crucible. 図7a及び図7bは、第一の坩堝中での第一の電気分解の後に純シリコンを含む合金から採取した第四のサンプルのEDXチャートおよびそれに対応するSEM画像を示す。Figures 7a and 7b show an EDX chart and corresponding SEM image of a fourth sample taken from an alloy containing pure silicon after the first electrolysis in the first crucible. 図8は、本発明の実施態様に従って第一の坩堝から第二の坩堝に移された合金から自然に分離した純シリコンのサンプルのEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。FIG. 8 shows EDX data and corresponding SEM images of a sample of pure silicon naturally separated from an alloy transferred from a first crucible to a second crucible according to an embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施態様に従って10%塩酸(HCl)電解液を使用した第二の電気分解の際に第二の坩堝中の合金から分離されたナノサイズの純シリコンのサンプルのEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。FIG. 9 shows EDX data of a sample of nanosized pure silicon separated from the alloy in the second crucible during a second electrolysis using a 10% hydrochloric acid (HCl) electrolyte according to an embodiment of the present invention. And the SEM image corresponding to it is shown. 図10は、本発明の実施態様に従って20%塩酸(HCl)電解液を使用した第二の電気分解の際に第二の坩堝中の合金から分離されたナノサイズの純シリコンのサンプルのEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。FIG. 10 shows EDX data of a sample of nanosized pure silicon separated from the alloy in the second crucible during the second electrolysis using a 20% hydrochloric acid (HCl) electrolyte according to an embodiment of the present invention. And the SEM image corresponding to it is shown. 図11は、本発明の実施態様に係る第二の電気分解の際に第二の坩堝中の合金から分離されたナノサイズの純シリコンの追加のサンプルの追加のEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。FIG. 11 shows additional EDX data and corresponding SEM images of an additional sample of nano-sized pure silicon separated from the alloy in the second crucible during the second electrolysis according to an embodiment of the present invention. Indicates. 図12は、本発明の実施態様に従って合金中の純シリコン粒子の一部が自然に分離した後に第二の坩堝中に残った合金からキャスティングされた無定形テープを示す。FIG. 12 shows an amorphous tape cast from the alloy remaining in the second crucible after some of the pure silicon particles in the alloy naturally separated in accordance with an embodiment of the present invention. 図13は、本明細書において説明された、第一の電気分解で電解質を加熱する際に直火炉および誘導炉が可変的に用いられる本発明の実施態様に従って第一の坩堝で純シリコンを含む合金を生産する際に観察された試験パラメーターと試験結果のデータを示す。FIG. 13 includes pure silicon in a first crucible in accordance with an embodiment of the present invention in which a direct furnace and induction furnace are variably used in heating an electrolyte in a first electrolysis as described herein. Data of test parameters and test results observed during alloy production are shown. 図14は、合金からシリコンを分離する器具の代替の実施態様の側面を切り取った図を示す。FIG. 14 shows a cutaway view of an alternative embodiment of an instrument for separating silicon from an alloy. 図15は、合金からシリコンを分離する器具の代替の実施態様の側面を切り取った図を示す。FIG. 15 shows a cutaway side view of an alternative embodiment of an instrument for separating silicon from an alloy. 図16は、第一の坩堝中で、第一の坩堝ライニングと合金アノードとの間に第二の坩堝ライニングが配置された本発明の実施態様の側面を切り取った図を示す。FIG. 16 shows a cutaway side view of an embodiment of the present invention in which a second crucible lining is disposed in the first crucible between the first crucible lining and the alloy anode. 図17は、本発明のさらなる実施態様の側面を切り取った図を示す。FIG. 17 shows a cut-away view of a further embodiment of the present invention. 図18は、本発明の実施態様に従って生産されたシリコンのサンプルに対して行われた試験を示す実験データを示す。FIG. 18 shows experimental data showing tests performed on samples of silicon produced in accordance with an embodiment of the present invention. 図19は、銅とシリコンとの合金の相平衡状態図を示す。FIG. 19 shows a phase equilibrium diagram of an alloy of copper and silicon.

[0091]以下、本発明の好ましい実施態様を添付の図面を参照しながら説明する。   [0091] Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

[0092]図1および2は、純シリコンを生産する方法の実施態様に係る工程のフローチャートを示す。本明細書において説明される実施態様において、用語「純シリコン」は、ソーラーグレードシリコンを意味する。図3に、図1および2に示された本方法の工程を行う際に用いられる器具(1)を示しており、これは、電解質を受け取るための第一の坩堝(2)、第一の坩堝(2)の内部周壁(2a)から電解質を分離するための、第一の坩堝(2)内に配置された第一の坩堝ライニング(3)、第一の坩堝(2)を加熱するための熱源、熱源によって電解質(4)を融解させた後に電解質(4)に電気分解を適用するための電気分解装置、および、電気分解中に溶融電解質(4)を撹拌するための装置を含む。電気分解によって生産された純シリコンは、アノード(5)と共に合金を形成する。その後、以下でより詳細に説明されるような分離器具の使用およびプロセスによって合金から純シリコンを抽出することができる。   [0092] FIGS. 1 and 2 show a flow chart of steps in accordance with an embodiment of a method for producing pure silicon. In the embodiments described herein, the term “pure silicon” means solar grade silicon. FIG. 3 shows an instrument (1) used in carrying out the steps of the method shown in FIGS. 1 and 2, which comprises a first crucible (2) for receiving electrolyte, a first To heat the first crucible lining (3) and the first crucible (2) disposed in the first crucible (2) for separating the electrolyte from the inner peripheral wall (2a) of the crucible (2). A heat source, an electrolysis device for applying electrolysis to the electrolyte (4) after melting the electrolyte (4) by the heat source, and a device for stirring the molten electrolyte (4) during electrolysis. Pure silicon produced by electrolysis forms an alloy with the anode (5). Thereafter, pure silicon can be extracted from the alloy by use of separation tools and processes as described in more detail below.

[0093]本明細書において説明される実施態様において用いられる電解質は、電解質(4)の質量に基づきおよそ87%の氷晶石粒子、10%の酸化カルシウム粒子、および、3%の石英粒子を含む。電解質(4)を第一の坩堝(2)に入れる前に、電解質(4)は、1200℃の温度で氷晶石、酸化カルシウムおよび石英粒子と一緒に溶融させ、続いて融解させた物質を凝固させることにより製造される。結果得られたこの電解質(4)の密度は、およそ3g/cmである。 [0093] The electrolyte used in the embodiments described herein comprises approximately 87% cryolite particles, 10% calcium oxide particles, and 3% quartz particles based on the mass of the electrolyte (4). Including. Prior to placing the electrolyte (4) in the first crucible (2), the electrolyte (4) was melted together with cryolite, calcium oxide and quartz particles at a temperature of 1200 ° C., followed by melting the material. Manufactured by solidification. The resulting density of this electrolyte (4) is approximately 3 g / cm 3 .

[0094]第一の坩堝(2)は炭素材料から形成されており、電解質(4)を受けるための内部の凹部(2c)を有する。凹部(2c)は円筒形であり、内部周壁(2a)と底部(2b)で囲まれている。その代りの実施態様において、第一の坩堝(2)および内部の凹部(2c)は必ずしも円筒形でなくてもよい。あるいは第一の坩堝(2)は、窒化ケイ素または炭化ケイ素材料のような材料から形成されていてもよい。どの材料が用いられたとしても、第一の坩堝(2)材料は、誘導炉内に入れられたら熱を発生することができる材料か、または、直火炉中に入れられたら比較的効率的な方式で熱伝導させることができる材料であることが望ましい。   [0094] The first crucible (2) is formed of a carbon material and has an internal recess (2c) for receiving the electrolyte (4). The recess (2c) has a cylindrical shape and is surrounded by the inner peripheral wall (2a) and the bottom (2b). In an alternative embodiment, the first crucible (2) and the internal recess (2c) need not necessarily be cylindrical. Alternatively, the first crucible (2) may be formed from a material such as a silicon nitride or silicon carbide material. Whatever material is used, the first crucible (2) material is a material that can generate heat when placed in an induction furnace or is relatively efficient when placed in a direct furnace. It is desirable that the material be able to conduct heat in a manner.

[0095]電気分解装置は、アノード(5)とカソード(7)とを含み、これらは、電源のアノード端子およびカソード端子(示さず)に連結されている。カソード(7)とアノード(5)が溶融電解質(4)と接触して配置され、アノード(5)とカソード(7)との間に電位差が形成されると、溶融電解質(4)は電気分解を受けるようになり。それによって純シリコンが生産される。   [0095] The electrolyzer includes an anode (5) and a cathode (7), which are coupled to an anode terminal and a cathode terminal (not shown) of a power source. When the cathode (7) and the anode (5) are arranged in contact with the molten electrolyte (4) and a potential difference is formed between the anode (5) and the cathode (7), the molten electrolyte (4) is electrolyzed. To receive. This produces pure silicon.

[0096]アノード(5)は、銅と、合金の質量に基づきおよそ3%の純シリコン粒子との合金を含む。このような合金は、まずおよそ1200℃の温度で銅を溶融させ、およそ3%の純シリコン粒子と合わせることによって形成される。合金アノードに3%の純シリコン粒子を含ませることは、合金の融解温度を電気分解中に適用される温度に設定するのに役立つ。まず3質量%より多くの純シリコンを銅と合わせて合金アノードを形成することも考えられるが、この量が、適切な融点を設定するにあたり適切な最小限のレベルであるとみなされる。   [0096] The anode (5) comprises an alloy of copper and approximately 3% pure silicon particles based on the mass of the alloy. Such alloys are formed by first melting copper at a temperature of approximately 1200 ° C. and combining with approximately 3% pure silicon particles. Inclusion of 3% pure silicon particles in the alloy anode helps to set the melting temperature of the alloy to the temperature applied during electrolysis. It is conceivable that more than 3% by weight of pure silicon is combined with copper to form an alloy anode, but this amount is considered to be an appropriate minimum level for setting an appropriate melting point.

[0097]カソード(7)としては、精製した炭素粉末をプレスすることによって形成された炭素ロッドが挙げられる。炭素粉末は、プレスする前に、酸洗浄と塩素によるフラッシングを用いて炭素粉末中のあらゆる不純物を除去することにより精製される。炭素ロッド制御可能に配置されてよく、電解質(4)を加熱して溶融電解質(4)を形成した後に電解質(4)と接触するように坩堝の凹部に降下される。大規模生産において、炭素カソード(7)の配置は、当業者によく知られた何らかの自動化された機械式位置決めシステムによってなされると予想される。本明細書において説明される実施態様を試験する過程では、炭素ロッドは手動で降下さて溶融電解質と接触させた。   [0097] The cathode (7) includes a carbon rod formed by pressing purified carbon powder. Prior to pressing, the carbon powder is purified by removing any impurities in the carbon powder using acid cleaning and flushing with chlorine. The carbon rod may be arranged to be controllable, and after the electrolyte (4) is heated to form the molten electrolyte (4), it is lowered into the recess of the crucible so as to contact the electrolyte (4). In large scale production, the placement of the carbon cathode (7) is expected to be made by some automated mechanical positioning system well known to those skilled in the art. In the course of testing the embodiments described herein, the carbon rod was manually lowered into contact with the molten electrolyte.

[0098]第一の坩堝ライニング(3)は、第一の坩堝の凹部内側にぴったりはまる円柱状の管構造を有する。第一の坩堝ライニング(3)は、第一の坩堝の凹部(2c)の内部周壁(2a)を補いそれらにぴったりと貼り付けられている。従って、使用中、第一の坩堝ライニング(3)は、凹部(2c)中の電解質(4)と第一の坩堝の凹部(2c)の内部周壁(2a)とを隔てるためのバリアになる。特筆すべきことに、第一の坩堝ライニング(3)の存在は、電解質(4)の第一の坩堝の壁(2a)への吸収(これは、別の方法で電気分解プロセスの効率を低下させると予想される)を防ぐのに役立つ。加えて、第一の坩堝ライニング(3)は第一の坩堝の壁(2a)への電解質(4)の吸収をブロックするのに役立つため、それによって電解質(4)をより多く合金アノードに向かわせて電気分解プロセスの効率をさらに改善することができる。   [0098] The first crucible lining (3) has a cylindrical tube structure that fits inside the recess of the first crucible. The first crucible lining (3) is attached to the first crucible lining (2a) so as to compensate for the inner peripheral wall (2a) of the recess (2c) of the first crucible. Therefore, during use, the first crucible lining (3) becomes a barrier for separating the electrolyte (4) in the recess (2c) from the inner peripheral wall (2a) of the recess (2c) of the first crucible. Notably, the presence of the first crucible lining (3) causes the electrolyte (4) to absorb into the first crucible wall (2a), which otherwise reduces the efficiency of the electrolysis process. Is expected to prevent). In addition, the first crucible lining (3) serves to block the absorption of the electrolyte (4) into the wall (2a) of the first crucible so that more electrolyte (4) is directed to the alloy anode. As a result, the efficiency of the electrolysis process can be further improved.

[0099]この実施態様において、第一の坩堝ライニング(3)は、石英から形成される。電気分解中に石英ライニング(3)は電解質(4)によって徐々に腐食されることから、電気分解を起こすことができる時間は制限され、従って電気分解によって純シリコンを生産するのに利用できる合計時間も制限される。電気分解時間を延長させようとする試みにおいて、石英の代わりに、例えば酸化カルシウム、フッ化マグネシウムおよびフッ化ナトリウムのような他の比較的腐蝕性が低い材料を用いてもよい。第一の坩堝ライニング(3)として石英材料を使用する場合、石英材料は、電気分解が行われている時間中ずっと溶融電解質(4)中の石英粒子の比率を所定レベルに維持するのに必要な適切な量の追加の石英粒子を提供することができる。   [0099] In this embodiment, the first crucible lining (3) is formed from quartz. Since the quartz lining (3) is gradually corroded by the electrolyte (4) during electrolysis, the time that electrolysis can take place is limited, and therefore the total time available to produce pure silicon by electrolysis. Is also limited. In an attempt to extend the electrolysis time, other relatively less corrosive materials such as calcium oxide, magnesium fluoride and sodium fluoride may be used instead of quartz. When quartz material is used as the first crucible lining (3), the quartz material is necessary to maintain the ratio of quartz particles in the molten electrolyte (4) at a predetermined level throughout the time electrolysis is performed. Any suitable amount of additional quartz particles can be provided.

[0100]またあるいは、純シリコンは、電気分解プロセスで適用される温度で溶融しないという性質と、電解質(4)との相互作用で腐食しないという性質とを有するため、この材料は第一の坩堝ライニング(3)を形成するのに使用できる。純シリコンの第一の坩堝ライニング(3)は腐食しないという性質を有するため、純シリコンの第一の坩堝ライニング(3)の選択された厚さは、石英の第一の坩堝ライニング(3)のような腐食性の第一の坩堝ライニング(3)が用いられる場合ほど重要な検討事項ではない。純シリコンの第一の坩堝ライニング(3)は再使用が可能であり現行の生産コストを節約することができるため、従って、純シリコンのラージスケールでの生産においてこのようなライニングを使用することは特に有利であると予想される。また、実用面において、腐食性の第一の坩堝ライニング(3)を使用する場合、第一の坩堝(2)に新しい第一の坩堝ライニング(3)を定期的に再挿入する必要があると予想されることから、純シリコンの第一の坩堝ライニング(3)を使用は、腐食性の第一の坩堝ライニング(3)に伴う作業上の複雑さを軽減するのに役立つと予想される。本発明の実施態様を試験する際に、直径およそ9.5cmの石英ライニングを用いた。   [0100] Alternatively, pure material has the property that it does not melt at the temperature applied in the electrolysis process and the property that it does not corrode upon interaction with the electrolyte (4), so this material is the first crucible. Can be used to form the lining (3). Since the first crucible lining (3) of pure silicon has the property of not corroding, the selected thickness of the first crucible lining (3) of pure silicon is the same as that of the first crucible lining (3) of quartz. It is not as important a consideration as when such a corrosive first crucible lining (3) is used. Since the first crucible lining of pure silicon (3) is reusable and can save current production costs, it is therefore possible to use such a lining in large scale production of pure silicon. It is expected to be particularly advantageous. Further, in practical use, when the corrosive first crucible lining (3) is used, it is necessary to periodically reinsert the first first crucible lining (3) into the first crucible (2). As expected, using pure silicon first crucible lining (3) is expected to help reduce the operational complexity associated with corrosive first crucible lining (3). In testing embodiments of the present invention, a quartz lining with a diameter of approximately 9.5 cm was used.

[0101]その代わりに、および/または、それに加えて、第一の坩堝(2)内の領域の温度を適切に調節することにより第一の坩堝(2)内に第一の坩堝の天然ライニング(3)を作製することも可能である。例えばこれは、適切な温度勾配を形成することにより実施することができ、こうすることによって、第一の坩堝(2)の内部周壁(2a)と接して存在する電解質よりも、カソード(7)の温度を比較的高い温度に設定することができる。電気アーク加熱は、第一の坩堝(2)の内部周壁と接する電解質と比べてカソード(7)では比較的高温が生じるため、適切な温度勾配を形成するのに特に適していると予想される。カソード(7)の温度が例えば980℃に設定され、第一の坩堝の内部周壁(2a)と接する電解質(4)の温度が900℃またはそれより低い温度に設定される場合、第一の坩堝(2)の内部周壁(2a)と接する第一の坩堝の天然ライニング(3)は凝固するが、第一の坩堝(2)内部に残存する電解質(4)は、カソード(7)の温度のために溶融状態のままであると思われる。第一の坩堝の天然ライニング(3)の作製は、独立型の第一の坩堝ライニング(3)を提供する必要をなくすことにより生産コストとプロセスを実施する際の複雑さを低減するという点で、有利である。   [0101] Alternatively and / or in addition, the natural lining of the first crucible in the first crucible (2) by appropriately adjusting the temperature of the region in the first crucible (2) It is also possible to produce (3). For example, this can be done by creating a suitable temperature gradient, whereby the cathode (7) rather than the electrolyte present in contact with the inner peripheral wall (2a) of the first crucible (2). Can be set to a relatively high temperature. Electric arc heating is expected to be particularly suitable for forming an appropriate temperature gradient because a relatively high temperature is generated at the cathode (7) compared to the electrolyte in contact with the inner peripheral wall of the first crucible (2). . When the temperature of the cathode (7) is set to 980 ° C., for example, and the temperature of the electrolyte (4) in contact with the inner peripheral wall (2a) of the first crucible is set to 900 ° C. or lower, the first crucible The natural lining (3) of the first crucible in contact with the inner peripheral wall (2a) of (2) solidifies, but the electrolyte (4) remaining inside the first crucible (2) is at the temperature of the cathode (7). Therefore, it seems to remain in a molten state. The production of the natural lining (3) of the first crucible is in that it reduces the production costs and complexity of carrying out the process by eliminating the need to provide a stand-alone first crucible lining (3). Is advantageous.

[0102]本明細書において説明される実施態様を試験する際に、第一の坩堝(2)、第一の坩堝(2)内の電解質(4)と合金を加熱するための一次熱源として、直火炉を用いた。しかしながら、その代りの実施態様において、代替の熱源として、電解質媒体中でアノード(5)とカソード(7)との電気抵抗により熱を発生させる電気アーク加熱を使用することも考えられる。容易に理解できるものと思われるが、アノード(5)とカソード(7)とを離れて配置すればするほど、より大きい耐性が生じると予想され、従って、より多くの熱量が第一の坩堝(2)中の電解質(4)に移行すると予想される。その代わりに、および/または、それに加えて、誘導炉を使用して、誘導加熱を提供してもよい。   [0102] When testing the embodiments described herein, as a primary heat source for heating the first crucible (2), the electrolyte (4) and the alloy in the first crucible (2), A direct furnace was used. However, in an alternative embodiment, it is also conceivable to use electric arc heating, in which heat is generated by the electrical resistance of the anode (5) and the cathode (7) in the electrolyte medium as an alternative heat source. As may be easily understood, the further distance between the anode (5) and the cathode (7) is expected to result in greater resistance, and therefore a greater amount of heat is transferred to the first crucible ( 2) It is expected to shift to the electrolyte (4). Alternatively and / or in addition, an induction furnace may be used to provide induction heating.

[0103]撹拌装置を用いて、電気分解中に溶融電解質(4)を継続的に撹拌してもよい。溶融電解質(4)の撹拌は、電解質(4)中にイオンのフローを生成することと、電解質(4)と溶融した合金アノード(5)との接触を増加させることの両方に役立つ。都合のよい形態としては、誘導炉を使用すれば、誘導炉本来の性質として、電気分解中に溶融電解質内で撹拌作用が提供される。従って、誘導炉は、温度調節のための第二の熱源として利用できることに加えて、電気分解中に溶融電解質(4)を撹拌するためのメカニズムとしても利用できる。これは、別個の特殊な撹拌器具を導入するのにかかるコストを削減するのに役立つと予想される。さらに、誘導炉によって提供される撹拌は、溶融電解質(4)との直接の機械的な相互作用というよりも電磁力によるものであるため、機械式撹拌装置を修復するのに必要な時間とコストを削減できる。誘導炉は、電流のパルスをかけて溶融電解質(4)を撹拌するように設計することができる。本発明のその他の実施態様において、当然ながら、必要に応じて機械式スターラーを利用してもよい。   [0103] The molten electrolyte (4) may be continuously stirred during electrolysis using a stirring device. Agitation of the molten electrolyte (4) serves both to create a flow of ions in the electrolyte (4) and to increase contact between the electrolyte (4) and the molten alloy anode (5). Conveniently, if an induction furnace is used, the inherent nature of the induction furnace provides a stirring action within the molten electrolyte during electrolysis. Therefore, in addition to being able to be used as a second heat source for temperature control, the induction furnace can also be used as a mechanism for stirring the molten electrolyte (4) during electrolysis. This is expected to help reduce the cost of introducing a separate specialized stirrer. Furthermore, the stirring provided by the induction furnace is due to electromagnetic forces rather than direct mechanical interaction with the molten electrolyte (4), so the time and cost required to repair the mechanical stirring device. Can be reduced. The induction furnace can be designed to stir the molten electrolyte (4) with a pulse of current. In other embodiments of the invention, it will be appreciated that a mechanical stirrer may be utilized if desired.

[0104]その代りの実施態様において、特殊な磁気撹拌装置を使用して、第一の坩堝(2)中で合金を磁気撹拌してもよい。   [0104] In an alternative embodiment, a special magnetic stirrer may be used to magnetically stir the alloy in the first crucible (2).

[0105]以下、上述の純シリコンを生産するための器具の使用方法を本発明の実施態様に従って説明する。   [0105] Hereinafter, a method of using the above-described apparatus for producing pure silicon will be described according to embodiments of the present invention.

[0106]まず、第一の坩堝の石英ライニング(3)を凹部にスライドさせることによりライニングを坩堝の凹部の内部に装着する。この工程は、図1においてブロック(100)で示される。続いて坩堝の凹部(2c)の内部に、合金アノード(5)を第一の坩堝の底部(2)と接するように入れる。続いて直火炉で第一の坩堝(2)を、合金が溶融するようにおよそ950〜980℃の温度で加熱する。この工程は、図1に記載のブロック(110)で示される。   [0106] First, the quartz lining (3) of the first crucible is slid into the recess to mount the lining inside the recess of the crucible. This process is indicated by block (100) in FIG. Subsequently, the alloy anode (5) is placed in the recess (2c) of the crucible so as to be in contact with the bottom (2) of the first crucible. Subsequently, the first crucible (2) is heated in a direct-fired furnace at a temperature of about 950 to 980 ° C. so that the alloy melts. This step is indicated by block (110) in FIG.

[0107]合金(5)が融解したらすぐに、第一の坩堝の凹部(2c)で融解した合金(5)の上に固形電解質(4)を入れ、続いて第一の坩堝(2)をさらに少なくとも900℃の温度で加熱して、電解質を溶融させて溶融電解質(4)にする。これらの工程は、図1に記載のブロック(120)および(130)で示される。   [0107] As soon as the alloy (5) is melted, the solid electrolyte (4) is placed on the melted alloy (5) in the recess (2c) of the first crucible, followed by the first crucible (2). Further, heating is performed at a temperature of at least 900 ° C. to melt the electrolyte into a molten electrolyte (4). These steps are indicated by blocks (120) and (130) described in FIG.

[0108]その後、炭素ロッドを降下させて溶融電解質(4)と接触させ、溶融電解質(4)の電気分解を開始する。この工程は、図1に記載のブロック(140)で示される。カソード(7)が電源の負端子に直接的に電気的に連結され、合金アノードが第一の坩堝(2)(それ自身が導電材料である)を介して電源の陽端子に電気的に連結されると、アノードとカソード(7)との間の電位差が生じて電気分解が促進される。   [0108] Thereafter, the carbon rod is lowered and brought into contact with the molten electrolyte (4) to start electrolysis of the molten electrolyte (4). This step is indicated by block (140) in FIG. The cathode (7) is electrically connected directly to the negative terminal of the power supply, and the alloy anode is electrically connected to the positive terminal of the power supply via the first crucible (2) (which itself is a conductive material). Then, a potential difference between the anode and the cathode (7) is generated, and electrolysis is promoted.

[0109]本明細書において説明される実施態様の試験において、アノード(5)とカソード(7)にわたり6〜8Vの範囲の電圧を適用したところ、溶融電解質の媒体を介してアノード(5)およびカソード(7)間におよそ40〜60Aの電流が生じた。溶融電解質(4)は直径およそ9.5cmの石英の坩堝に入れられ、電解質のおよその表面積の70.8800938cm全体にわたっておよそ1A/cmの電流密度に晒される。 [0109] In a test of the embodiments described herein, a voltage in the range of 6-8V was applied across the anode (5) and cathode (7), and the anode (5) and A current of approximately 40-60 A was generated between the cathodes (7). Molten electrolyte (4) is placed in a crucible of quartz having a diameter of approximately 9.5cm, exposed to approximate current density of 70.8800938Cm 2 overall for approximately 1A / cm 2 of the surface area of the electrolyte.

[0110]電流密度の設定が高すぎる場合、第一の坩堝ライニング(3)および/または第一の坩堝(2)へのダメージが促進される可能性があることに留意すべきである。当業者であれば当然理解しているものと思われるが、第一の坩堝(2)の寸法、適用された電流密度の規模、および、電解質の表面を変化させることにより、本明細書において説明される実施態様に従って生産された純シリコンの収量レベルが変化する。収量は、一般的に以下の式に従って概算することができる:
収量=電流(A)×[電気分解定数(0.262g/Ah)]×[電気分解時間(h)]u
[0111]電気分解中に溶融電解質(4)の凝固を防ぐために、溶融電解質(4)はおよそ900〜1000℃の温度で維持される。一般的に、電気分解中に溶融電解質(4)が比較的高温で維持される場合、純シリコンの生産効率は改善される。しかしながら選択された温度に関してある種の限定があることにも留意すべきである。まず第一に、本明細書において説明される実施態様を試験する際に、電気分解中に溶融電解質(4)の温度をおよそ980℃の温度に維持することにより特に望ましい結果が得られることが見出された。温度が980℃より高いと、溶融電解質(4)の蒸発および粘度の増加を起こす傾向があり、それにより純シリコンの生産効率が低下し、最終的には電気分解が止まる可能性がある。温度が980℃であるかまたはそれより低いと、溶融電解質(4)の蒸発と粘度の増加を起こす傾向は低くなると予想されるが、溶融電解質(4)は900℃より低い温度で凝固すると予想されるため、温度を900℃未満に低くするべきではない。
[0110] It should be noted that if the current density is set too high, damage to the first crucible lining (3) and / or the first crucible (2) may be promoted. As will be appreciated by those skilled in the art, it will be described herein by varying the dimensions of the first crucible (2), the magnitude of the applied current density, and the surface of the electrolyte. The yield level of pure silicon produced according to the embodiment to be varied. Yield can generally be estimated according to the following formula:
Yield = Current (A) x [Electrolysis constant (0.262g / Ah)] x [Electrolysis time (h)] u
[0111] To prevent solidification of the molten electrolyte (4) during electrolysis, the molten electrolyte (4) is maintained at a temperature of approximately 900-1000 ° C. Generally, when the molten electrolyte (4) is maintained at a relatively high temperature during electrolysis, the production efficiency of pure silicon is improved. However, it should also be noted that there are certain limitations regarding the selected temperature. First of all, when testing the embodiments described herein, maintaining the temperature of the molten electrolyte (4) at a temperature of approximately 980 ° C. during electrolysis may yield particularly desirable results. It was found. If the temperature is higher than 980 ° C., the molten electrolyte (4) tends to evaporate and the viscosity increases, thereby reducing the production efficiency of pure silicon and eventually stopping the electrolysis. When the temperature is 980 ° C. or lower, the tendency to cause evaporation of the molten electrolyte (4) and increase in viscosity is expected to be low, but the molten electrolyte (4) is expected to solidify at temperatures below 900 ° C. Therefore, the temperature should not be lowered below 900 ° C.

[0112]電気分解が起こると、溶融電解質(4)は撹拌されて、電気分解の間に生産された純シリコン粒子の流動が増加して合金アノード(5)と接触するようになる。試験では、自動式の機械撹拌を用いた。しかしながら、溶融電解質に(4)電流のパルスを適用して溶融電解質(4)を磁気撹拌するには、誘導炉の使用が便利である。この工程は、図1に記載のブロック(150)で示される。   [0112] When electrolysis occurs, the molten electrolyte (4) is agitated and the flow of pure silicon particles produced during electrolysis increases and comes into contact with the alloy anode (5). In the test, automatic mechanical stirring was used. However, in order to magnetically stir the molten electrolyte (4) by applying a pulse of (4) current to the molten electrolyte, it is convenient to use an induction furnace. This step is indicated by block (150) in FIG.

[0113]電気分解中、電解質(4)中の石英粒子の比率は、電解質(4)の質量に基づきおよそ3%に維持されるべきである。この必要条件を達成するために、センサーを使用して電解質(4)中の石英粒子を定期的に測定し、必要に応じて減った分を補うために溶融電解質(4)への石英粒子の追加量を制御しながら分配するために分配手段が使用される。上述したように、第一の坩堝ライニング(3)として石英材料が用いられる場合、ライニングに石英粒子を利用することにより、電気分解中に溶融電解質(4)中の石英粒子の減った分が補われ、必要な石英粒子の比率を維持することが可能である。この工程は、図1に記載のブロック(160)で示される。   [0113] During electrolysis, the proportion of quartz particles in the electrolyte (4) should be maintained at approximately 3% based on the mass of the electrolyte (4). To achieve this requirement, the quartz particles in the electrolyte (4) are periodically measured using a sensor, and the quartz particles in the molten electrolyte (4) are compensated to compensate for the reduced amount if necessary. A dispensing means is used to dispense while controlling the additional amount. As described above, when a quartz material is used as the first crucible lining (3), the amount of quartz particles in the molten electrolyte (4) decreased during the electrolysis by using the quartz particles for the lining. It is possible to maintain the required ratio of quartz particles. This step is indicated by block (160) in FIG.

[0114]図5および6に、上記の実施態様を使用することによってアノード(5)と合金を形成する純シリコン(6)を示す。純シリコン(6)は、分離技術を使用することによって合金(5)から分離することができる。   [0114] FIGS. 5 and 6 show pure silicon (6) that forms an alloy with the anode (5) by using the embodiment described above. Pure silicon (6) can be separated from alloy (5) by using a separation technique.

[0115]一定の時間が経過した後、合金中で純シリコンが溶解限度に達したら、第一の坩堝(2)中の電気分解は止まると予想される。この工程は、図1に記載のブロック(170)で示される。本発明の実施態様を試験する際に、合金(5)をおよそ950〜980℃の温度で加熱する場合、合金(5)中の純シリコン(6)が合金(5)のおよそ25質量%に達したら純シリコン(6)は合金と溶解しなくなる(5)ことが見出された。溶解限度に達するのに要する時間は、電気分解を受ける溶融電解質(4)の表面積などの種々の因子によると予想される。しかしながら、本明細書において説明される実施態様を試験する際に、この溶解限度は、約8時間で達成されることが見出された。本明細書において説明される実施態様に従って生産された純シリコン(6)の収量と純度に関して、当然のことながら効率面で既存の生産方法を越える顕著な改善が示されるものと予想される。   [0115] When pure silicon reaches the solubility limit in the alloy after a certain period of time, the electrolysis in the first crucible (2) is expected to stop. This step is indicated by block (170) in FIG. When testing embodiments of the present invention, when alloy (5) is heated at a temperature of approximately 950-980 ° C., pure silicon (6) in alloy (5) is approximately 25% by weight of alloy (5). Once reached, pure silicon (6) was found to be insoluble (5) with the alloy. The time required to reach the solubility limit is expected to depend on various factors such as the surface area of the molten electrolyte (4) that undergoes electrolysis. However, when testing the embodiments described herein, it has been found that this solubility limit is achieved in about 8 hours. Naturally, it is expected that significant improvements over existing production methods will be shown in terms of yield and purity of pure silicon (6) produced in accordance with the embodiments described herein.

[0116]この実施態様において、図2を参照すると、まず吸引装置またはその他のあらゆる適切な機械的な抽出手段を使用することによって溶融した合金(5)を第二の坩堝に移動させることにより(示さず)、純シリコンの合金からの分離を開始させる。第二の坩堝は、およそ800〜1000℃の温度への曝露に適したあらゆる材料から製造することができる。しかしながら第二の坩堝を形成するのに用いられる材料は、合金および/または溶融塩に対して不活性な材料であると予想され、すなわち、合金またはその他のあらゆる溶融塩と化学的に反応しない材料であると予想される。この工程は、図2に記載のブロック(200)で示される。   [0116] In this embodiment, referring to FIG. 2, first the molten alloy (5) is moved to a second crucible by using a suction device or any other suitable mechanical extraction means ( Not shown) initiates separation of pure silicon from alloy. The second crucible can be made from any material suitable for exposure to temperatures of approximately 800-1000 ° C. However, the material used to form the second crucible is expected to be inert to the alloy and / or molten salt, ie, a material that does not chemically react with the alloy or any other molten salt. Is expected. This step is indicated by block (200) in FIG.

[0117]第二の坩堝中で、溶融した合金をおよそ2〜3℃/分の冷却速度でおよそ800〜850℃の温度で維持することにより、溶融した合金(5)中の純シリコン(6)の一部が熱力学的な結果として合金(5)から自然に分離するようになると予想される。純シリコン(6)は銅よりも低い密度を有するが、自然に溶融した合金(5)の上に浮く。この工程は、図2に記載のブロック(210)で示される。本発明の実施態様を試験する際に、合金(5)の質量に基づきおよそ11%の純シリコン(6)粒子が、溶融物上部に固形の純シリコン(6)として浮くことが見出された。このようにして浮いた純シリコン(6)は、再融解させてインゴットにすることができる。   [0117] In a second crucible, maintaining the molten alloy at a temperature of approximately 800-850 ° C. at a cooling rate of approximately 2-3 ° C./min to obtain pure silicon (6 ) Is expected to spontaneously separate from the alloy (5) as a thermodynamic result. Pure silicon (6) has a lower density than copper, but floats on naturally molten alloy (5). This step is indicated by block (210) in FIG. In testing embodiments of the present invention, it was found that approximately 11% pure silicon (6) particles, based on the mass of the alloy (5), float as solid pure silicon (6) on top of the melt. . The pure silicon (6) floating in this way can be remelted into an ingot.

[0118]このような形態の自然に分離した純シリコン(6)は、ソーラーグレードの用途に適していることが試験で見出されており、少なくとも約18%の効率が提供されると予想されている(この効率は、従来シーメンスが生産しているソーラーグレードポリシリコンの性能と一致する)。このようにして浮いた固形の純シリコン(6)の再酸化を低減するために、溶融塩を用いて第二の坩堝中の溶融した合金(5)を被覆する。   [0118] This form of naturally isolated pure silicon (6) has been found to be suitable for solar grade applications and is expected to provide at least about 18% efficiency. (This efficiency is consistent with the performance of solar grade polysilicon produced by Siemens in the past). In order to reduce the reoxidation of the solid pure silicon (6) floating in this way, the molten alloy (5) in the second crucible is coated with a molten salt.

[0119]所定の実施態様において、第二の坩堝中の合金から溶融した合金のおよそ11質量%の純シリコン(6)が自然に分離したら、第二の坩堝中に残った合金を第一の坩堝に再導入してもよい。再導入された溶融した合金は第一の坩堝(2)の底部に沈み、さらなる電気分解プロセスに寄与すると予想される。   [0119] In certain embodiments, once approximately 11% by weight of pure silicon (6) of the molten alloy from the alloy in the second crucible has spontaneously separated, the remaining alloy in the second crucible is removed from the first crucible. It may be reintroduced into the crucible. It is expected that the reintroduced molten alloy will sink to the bottom of the first crucible (2) and contribute to the further electrolysis process.

[0120]あるいは、所定のパーセンテージの純シリコン粒子が第二の坩堝中の合金から分離されたあと第二の坩堝中の残りの合金を第一の坩堝に再導入する代わりに、第二の坩堝中に残った合金を無定形テープにキャスティングまたは押出ししてもよいし、または、機械的に粉砕または磨砕してミクロン〜ナノサイズの合金粒子の粉末にしてもよい。当業者であれば認識しているものと思われるが、合金の機械的な磨砕は、相当量の不純物を取り込んでしまう傾向が比較的大きい。これまでの本発明の実施態様の試験では、テープにキャスティングする代わりに、第二の坩堝中での合金の機械的粉砕を行った。この工程は、図2に記載のブロック(220)で示される。   [0120] Alternatively, instead of reintroducing the remaining alloy in the second crucible into the first crucible after a predetermined percentage of pure silicon particles have been separated from the alloy in the second crucible. The alloy remaining therein may be cast or extruded into amorphous tape, or may be mechanically ground or ground into a powder of micron to nano-sized alloy particles. As would be recognized by one skilled in the art, mechanical grinding of alloys is relatively prone to incorporating significant amounts of impurities. In previous tests of the embodiment of the present invention, instead of casting on tape, mechanical grinding of the alloy in a second crucible was performed. This step is indicated by block (220) in FIG.

[0121]無定形テープのキャスティングで用いられるプロセスおよび器具は、テープそのものに含まれるナノサイズの純シリコン粒子の微細構造を、テープのキャスティング中の冷却速度に応じて制御できるように設計することができる。ナノサイズの純シリコン粒子は、およそ10nm〜60nmの範囲であってもよく、このような粒子は、あとで、本明細書において説明される実施態様に係るテープから分離することができる。図12は、合金からキャスティングされた無定形テープを示す。   [0121] Processes and instruments used in casting amorphous tapes can be designed so that the microstructure of nano-sized pure silicon particles contained in the tape itself can be controlled according to the cooling rate during tape casting. it can. Nano-sized pure silicon particles may range from approximately 10 nm to 60 nm, and such particles can later be separated from the tape according to the embodiments described herein. FIG. 12 shows an amorphous tape cast from an alloy.

[0122]続いて、テープまたは粉末を電解液に浸し、テープまたは粉末に第二の電気分解を適用する。本明細書において説明される実施態様において、10%の塩酸(HCl)および20%の塩酸(HCl)を含む電解液をそれぞれ異なる場合で用いて、これらのバリエーションの結果をそれぞれ図9および10に示した。第二の電気分解中にHClガスを電解液にポンプ注入して適切なpHとClレベルを維持することにより、電解液の酸性度を定期的に調整した。当業者であれば当然理解しているものと思われるが、その代りの実施態様において、無水酢酸、ヨード液(すなわちヨウ素カリウム溶液)、アジ化水素酸(HN)、アセトン、高濃度のアルコールまたはそれらの組み合わせを含むその他の電解液に合金を浸してもよい。この工程は、図2に記載のブロック(230)で示される。 [0122] Subsequently, the tape or powder is immersed in an electrolyte and a second electrolysis is applied to the tape or powder. In the embodiments described herein, electrolytes containing 10% hydrochloric acid (HCl) and 20% hydrochloric acid (HCl) were used in different cases, and the results of these variations are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. Indicated. Second by pumping the HCl gas in the electrolytic solution suitable pH during electrolysis and Cl - by maintaining levels were periodically adjust the acidity of the electrolyte. Those skilled in the art will naturally understand that in alternative embodiments, acetic anhydride, iodine solution (ie, potassium iodide solution), hydrazoic acid (HN 3 ), acetone, high concentration alcohol Alternatively, the alloy may be immersed in another electrolytic solution containing a combination thereof. This step is indicated by block (230) in FIG.

[0123]第二の電気分解中におよそ1A未満の電流が適用され、それにより合金から銅を適切に除去することができる。第二の電気分解が適用された後、電解液には、Cu/Cu/Cu++とナノサイズの純シリコン粒子とが含まれる。続いて遠心分離装置を用いて、回転運動により電解液からナノサイズの純シリコン粒子を分離する。この工程は、図2に記載のブロック(240)で示される。その代りの実施態様において、第二の電気分解中に1Aよりも大きい電流をかけてもよいが、それによりシリコンの酸化が起こる可能性がある。このような場合、例えばHF(フッ化水素酸)などの酸を用いてシリコン(石英)の酸化層を腐食させて、ナノサイズのシリコンを得ることもできる。 [0123] A current of less than approximately 1 A is applied during the second electrolysis, thereby properly removing copper from the alloy. After the second electrolysis is applied, the electrolyte contains Cu / Cu + / Cu ++ and nano-sized pure silicon particles. Subsequently, nano-sized pure silicon particles are separated from the electrolytic solution by a rotational motion using a centrifugal separator. This step is indicated by block (240) in FIG. In an alternative embodiment, a current greater than 1 A may be applied during the second electrolysis, which may result in silicon oxidation. In such a case, for example, an oxide layer of silicon (quartz) can be corroded using an acid such as HF (hydrofluoric acid) to obtain nano-sized silicon.

[0124]ナノサイズの純シリコン粒子は酸素と反応する傾向が比較的強いため、ナノサイズの純シリコン粒子は、高濃度のアルコールなどの遊離酸素との反応を軽減するような物質中で保存される。この工程は、図2に記載のブロック(250)で示される。   [0124] Because nano-sized pure silicon particles have a relatively strong tendency to react with oxygen, nano-sized pure silicon particles are stored in materials that reduce reaction with free oxygen, such as high concentrations of alcohol. The This step is indicated by block (250) in FIG.

[0125]分離プロセスの後にキャスティングされた合金テープまたは粉末から抽出された銅を第一の坩堝(2)に再導入して、第一の坩堝(2)内での電気分解プロセスを促進するのに利用することができる。当業者であれば当然のことながら、すでに分離された溶融した合金は800〜850℃であり、第一の坩堝(2)での電気分解を継続するためには100〜150℃相当のエネルギーを加えさえすればよいことから、これはエネルギーを節約するという点でより効率的な方法とみなすことができる。   [0125] Re-introducing copper extracted from the alloy tape or powder cast after the separation process into the first crucible (2) to facilitate the electrolysis process in the first crucible (2). Can be used. As will be appreciated by those skilled in the art, the molten alloy already separated is 800-850 ° C., and energy equivalent to 100-150 ° C. is required to continue the electrolysis in the first crucible (2). This can be viewed as a more efficient method in terms of saving energy since it only needs to be added.

[0126]その他の実施態様において、テープまたは粉末とHClガスまたは塩素ガスとの反応を許容する酸素を含まない閉鎖された環境で、テープまたは粉末をHClガスまたは塩素ガスでフラッシングすることによって、銅を第二の坩堝中の合金から除去してもよい。続いて、機械的な方法によって、または、CuClが溶解できる適切な溶液でリンスすることによってCuClを除去しなければならないと予想される。続いてナノサイズの純シリコン粒子を除去してもよい。当業者であれば認識しているものと思われるが、CuClは常磁性である。従って、磁場をCuClを含む粉末に適用することにより、粉末からCuClを除去することができ、同時に、酸素を含む溶液でリンスした場合に汚染物質の導入を低減することもできる。有利には、テープまたは粉末をHClガスまたは塩素ガスでフラッシングした結果として形成されるCuClは、ナノサイズの純シリコン粒子の再酸化を低減するために用いられるあらゆる高濃度のアルコールに容易に溶解すると予想される。 [0126] In another embodiment, the copper or copper by flushing the tape or powder with HCl gas or chlorine gas in a closed environment free of oxygen that allows the reaction of the tape or powder with HCl gas or chlorine gas. May be removed from the alloy in the second crucible. Subsequently, it is expected that the CuCl 2 must be removed by mechanical methods or by rinsing with a suitable solution in which the CuCl 2 can be dissolved. Subsequently, nano-sized pure silicon particles may be removed. As would be recognized by one skilled in the art, CuCl 2 is paramagnetic. Therefore, by applying a magnetic field to the powder containing CuCl 2, it is possible to remove the CuCl 2 from the powder, at the same time, it is also possible to reduce the introduction of contaminants when rinsing with a solution containing oxygen. Advantageously, CuCl 2 formed as a result of flushing tape or powder with HCl gas or chlorine gas is readily soluble in any high concentration of alcohol used to reduce the reoxidation of nano-sized pure silicon particles. That is expected.

[0127]当業者であれば認識しているものと思われるが、さらにその他の代替の実施態様において、上述した第二の坩堝において合金から純シリコンを分離するためのプロセスおよび器具は同様に、前もって第一の坩堝(2)中の合金を第二の坩堝に移動させたり、前もって合金から純シリコンを自然に分離させたりしなくても、第一の坩堝中で合金上で直接行うこともできる。従って、合金の質量に基づき25%の純シリコン粒子を含む第一の坩堝(2)中の合金をテープまたは粉末に成形して得られたテープまたは粉末に電気分解を適用することにより、合金を上述の分離器具およびプロセスで処理することができ、その後、形成されたナノサイズの純シリコン粒子を電解液から分離することができる。   [0127] As will be appreciated by those skilled in the art, in yet other alternative embodiments, the process and apparatus for separating pure silicon from the alloy in the second crucible described above is similarly: Even if the alloy in the first crucible (2) is not transferred to the second crucible in advance or the pure silicon is not naturally separated from the alloy in advance, it can be directly performed on the alloy in the first crucible. it can. Therefore, by applying electrolysis to the tape or powder obtained by molding the alloy in the first crucible (2) containing 25% pure silicon particles based on the mass of the alloy into a tape or powder, The separation tools and processes described above can be processed, and then the formed nanosized pure silicon particles can be separated from the electrolyte.

[0128]さらに当業者であれば認識しているものと思われるが、上述した合金から純シリコンを分離するための器具および方法は、本明細書において説明される実施態様に従って形成された純シリコンを含む合金だけに用いられるというわけでななく、代替の器具および方法に従って生産された合金にも用いることが可能である。   [0128] Further, as would be recognized by one skilled in the art, an apparatus and method for separating pure silicon from the alloys described above is provided by pure silicon formed according to the embodiments described herein. It can be used not only for alloys containing, but also for alloys produced according to alternative instruments and methods.

[0129]図4(a)−4(b)、5(a)−5(b)、6(a)−6(b)および7(a)−7(b)は、本明細書において説明される本発明の実施態様に係る第一の電気分解後の第一の坩堝で生産された合金の4つの異なるサンプル領域に関するEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。当業者であれば当然理解しているものと思われるが、それぞれ解析されたサンプルについて合金中の純シリコンの銅に対する比率のバリエーションはサンプルの測定が行われた合金上の位置によって異なる。例えば図5(a)および5(b)は、銅(ごく少量)と比較して比較的高い純シリコン含量(すなわち100%)を示しているが、これはほとんどが純シリコンで構成される合金の領域で採取された。それに対して、図4(a)および4(b)は、合金中のシリコンと銅との境界面かまたは境界面近傍でサンプルの測定が行われたため、合金中の比較的低い純シリコン含量(すなわち68.83%)を示す。   [0129] Figures 4 (a) -4 (b), 5 (a) -5 (b), 6 (a) -6 (b) and 7 (a) -7 (b) are described herein. Figure 2 shows EDX data and corresponding SEM images for four different sample regions of an alloy produced in a first crucible after first electrolysis according to an embodiment of the present invention. As will be appreciated by those skilled in the art, the variation in the ratio of pure silicon to copper in the alloy for each analyzed sample depends on the location on the alloy where the sample was measured. For example, FIGS. 5 (a) and 5 (b) show a relatively high pure silicon content (ie, 100%) compared to copper (a very small amount), which is an alloy composed mostly of pure silicon. Collected in the area. 4 (a) and 4 (b), on the other hand, show that the sample was measured at or near the interface between silicon and copper in the alloy, so that a relatively low pure silicon content ( That is, 68.83%).

[0130]図8は、合金中の純シリコンの密度と銅の密度との差異により第二の坩堝中の合金から自然に分離した純シリコンのEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。図8に示される純シリコンは、溶融してインゴットにするのに適している。   [0130] FIG. 8 shows the EDX data and the corresponding SEM image of pure silicon naturally separated from the alloy in the second crucible due to the difference between the density of pure silicon in the alloy and the density of copper. The pure silicon shown in FIG. 8 is suitable for melting into an ingot.

[0131]図9、10および11は、本明細書において説明される第二の電気分解および処理の後に合金から生産され分離されたナノサイズの純シリコン粒子のEDXデータおよびそれに対応するSEM画像を示す。図9に示されるナノサイズの純シリコン粒子は、10%の塩酸(HCl)を含む電解液を使用して生産されたが、図10に示されるナノサイズの粒子は、第二の電気分解中に20%の塩酸(HCl)を含む電解液を使用して生産された。EDXデータで示されたアルミニウムの存在は、合金の機械的粉砕処理中に導入されたものであり、将来的な実験で合金をより高精度の粉砕で処理することによって実質的に除去することができる。含まれる酸素も、さらなる実験で分離されたナノサイズの純シリコン粒子を高濃度のアルコール中で貯蔵して石英への再酸化を軽減することにより実質的に除去することができる。従って、上記のことを考慮すれば、実質的に99%を超える純度のシリコンを得ることができるものと考えられる。   [0131] FIGS. 9, 10 and 11 show EDX data and corresponding SEM images of nano-sized pure silicon particles produced and separated from the alloy after the second electrolysis and processing described herein. Show. The nano-sized pure silicon particles shown in FIG. 9 were produced using an electrolyte containing 10% hydrochloric acid (HCl), while the nano-sized particles shown in FIG. And an electrolyte containing 20% hydrochloric acid (HCl). The presence of aluminum indicated in the EDX data was introduced during the mechanical grinding process of the alloy and could be substantially removed by processing the alloy with higher precision grinding in future experiments. it can. Contained oxygen can also be substantially removed by storing nanosized pure silicon particles separated in further experiments in high concentrations of alcohol to reduce reoxidation to quartz. Therefore, considering the above, it is considered that silicon having a purity substantially exceeding 99% can be obtained.

[0132]図13は、純シリコン生産において本発明の実施態様を試験する際に得られたデータを示す。第一の坩堝中での第一の電気分解の際にそれぞれ直接的な加熱および誘導加熱を用いたところ、およそ71%および75%の平均効率が達成された。図13の第四列(「g(前)」)は、第一の電気分解が始まる前の合金アノード中の純シリコンの量を示し、一方で第五列(「g(後)」)は、第一の坩堝(2)における第一の電気分解が起こった後の合金中の純シリコンの量を示す。効率は、このプロセスに費やされたエネルギーに対する純シリコンの正味の収量によって測定することができる。   [0132] Figure 13 shows data obtained when testing embodiments of the present invention in pure silicon production. An average efficiency of approximately 71% and 75% was achieved using direct heating and induction heating, respectively, during the first electrolysis in the first crucible. The fourth column (“g (front)”) in FIG. 13 shows the amount of pure silicon in the alloy anode before the first electrolysis begins, while the fifth column (“g (back)”) , Shows the amount of pure silicon in the alloy after the first electrolysis in the first crucible (2) occurs. Efficiency can be measured by the net yield of pure silicon relative to the energy expended in this process.

[0133]その代りの実施態様において、第一の坩堝(2)で電気分解が行われた後、SiC製の第二の坩堝(7)に合金(5)を入れ、第二の坩堝(7)で合金(5)に第二の電気分解を行うことにより、合金(5)からシリコン(6)を分離することができる。第二の電気分解は、アノード(5)とカソード(10)の極性を逆転させて行われる。シリコンは炭素材料と反応してSiCを形成すると予想されることから、第二の坩堝(7)は炭素で作製されるべきではない。図14に、典型的な分離器具を示す。   [0133] In an alternative embodiment, after electrolysis is performed in the first crucible (2), the alloy (5) is placed in a second crucible (7) made of SiC, and the second crucible (7 ) To separate the silicon (6) from the alloy (5) by subjecting the alloy (5) to a second electrolysis. The second electrolysis is performed by reversing the polarity of the anode (5) and the cathode (10). The second crucible (7) should not be made of carbon since silicon is expected to react with the carbon material to form SiC. FIG. 14 shows a typical separation device.

[0134]第二の電気分解は、600〜800Aの範囲の電流、および、およそ6〜7Vの電圧を用いて行われる。用いられる電流密度は、およそ0.1A/cm〜2.0A/cmである。 [0134] The second electrolysis is performed using a current in the range of 600-800A and a voltage of approximately 6-7V. The current density employed is about 0.1A / cm 2 ~2.0A / cm 2 .

[0135]第二の電気分解は、第二の坩堝(7)で、以下に示す電解質組成物(8)(およその質量パーセントで示す):
(i)10%のKSiF、25%のAlF、25%のNaF、35%のBaF、5%のCaF
(ii)40〜70%のNaAlF、5〜20%のKSiF、5〜15%のCaF、5〜10%のCaO;および、
(iii)95〜99%のNaAlF、1〜5%のSiO
の少なくとも1種を用いて行われる。
[0135] The second electrolysis is the second crucible (7), with the electrolyte composition (8) shown below (shown in approximate weight percent):
(I) 10% K 2 SiF 6 , 25% AlF 3 , 25% NaF, 35% BaF 2 , 5% CaF 2 ;
(Ii) 40 to 70% of Na 3 AlF 6, 5~20% of K 2 SiF 6, 5~15% of CaF 2, 5 to 10% of CaO; and,
(Iii) 95-99% Na 3 AlF 6 , 1-5% SiO 2 ,
Is performed using at least one of the following.

[0136]第二の電気分解によりシリコンと電解質とを含む固形複合材料(11)が得られ、これらは、約300メッシュの合金アノード(5)上に堆積される。複合材料(11)中の電解質に対するシリコンの比率は、複合材料がアノード(5)に近くなればなるほど増加すると予想される。しかしながら、平均して、複合材料(11)は、およそ20〜30質量%のシリコン、および、およそ70〜80質量%の電解質を含むと予想される。   [0136] The second electrolysis yields a solid composite (11) comprising silicon and electrolyte, which are deposited on an approximately 300 mesh alloy anode (5). The ratio of silicon to electrolyte in the composite material (11) is expected to increase the closer the composite material is to the anode (5). However, on average, the composite material (11) is expected to contain approximately 20-30 wt% silicon and approximately 70-80 wt% electrolyte.

[0137]続いて誘導炉(12)またはその他の適切な加熱要素を用いて、少なくともおよそ1450℃またはそれより高い温度で複合材料(11)を溶融させ、電解質中で冷却すると、シリコンはペレットまたはインゴットに凝集する。続いて、冷却する際に、凝集したシリコンのペレットまたはインゴットは、図15で示されるようなメッシュフィルター(13)を使用することによって電解質からろ過して取り出すことができる。この本発明の実施態様に従って生産されたシリコンのサンプルを試験した(結果を図18の(B)に示す)。   [0137] When the composite (11) is subsequently melted at a temperature of at least about 1450 ° C or higher using an induction furnace (12) or other suitable heating element and cooled in the electrolyte, the silicon becomes pellets or Aggregates into ingots. Subsequently, upon cooling, the agglomerated silicon pellets or ingots can be filtered out of the electrolyte by using a mesh filter (13) as shown in FIG. A sample of silicon produced according to this embodiment of the invention was tested (results shown in FIG. 18B).

[0138]また複合材料(11)をおよそ1000℃で融解させて銅とシリコンとの合金に戻し、シリコン含量を最小限の50質量%にしてもよい。当然のことながら、合金の融解温度は、合金中のシリコンの具体的な質量パーセントに応じて変化すると予想される。その後、制御された冷却プロセスは、溶解限度と密度差によりシリコンが上に浮くように行うことができる。冷却速度は、合金溶融物中の所定のシリコンの質量パーセントに応じて、2〜3℃/分かまたはおよそ2〜3℃/分であってもよい(およそ800℃まで)。300℃またはおよそ300℃では、合金はまだ液相のままであり、ここでシリコンそのものはすでに合金溶融物から分離され、注ぎ出すことによりシリコンを得ることができる。純シリコンを分離した後、残りの合金は、およそ13〜15質量%のシリコンを含むと予想される。シリコンを核にして成長させることにより分離するには、最低でも合金中およそ50質量%のシリコン粒子が必要である。用いられた具体的な制御された冷却速度に基づいてシリコンをどれぐらい合金から分離できるのかということに影響を与えると予想される要因の例としては、核形成の方程式、結晶成長の方程式、前記シリコン粒子の自由エネルギーが挙げられる。   [0138] Alternatively, the composite material (11) may be melted at approximately 1000 ° C to return to an alloy of copper and silicon, with a silicon content of a minimum of 50 wt%. Of course, the melting temperature of the alloy is expected to vary depending on the specific weight percent of silicon in the alloy. A controlled cooling process can then be performed so that the silicon floats up due to solubility limits and density differences. The cooling rate may be 2-3 ° C./min or approximately 2-3 ° C./min (up to approximately 800 ° C.), depending on the weight percent of the given silicon in the alloy melt. At 300 ° C. or approximately 300 ° C., the alloy is still in the liquid phase, where the silicon itself is already separated from the alloy melt and can be obtained by pouring. After separating pure silicon, the remaining alloy is expected to contain approximately 13-15% by weight silicon. Separation by growing with silicon as a nucleus requires at least about 50 mass% silicon particles in the alloy. Examples of factors expected to affect how much silicon can be separated from the alloy based on the specific controlled cooling rate used include nucleation equations, crystal growth equations, Examples include the free energy of silicon particles.

[0139]前述した本明細書において説明される実施態様のいずれにおいても、非多孔質のSiNまたはSiC材料製の第二の坩堝ライニング(9)は、第一の坩堝(2)において、合金(5)と第一の坩堝ライニング(3)との間に配置することができる。合金(5)と第一の坩堝ライニング(3)との間に第二の坩堝ライニング(9)を存在させることは、第一の坩堝(2)における電気分解プロセスを延長することに役立つ。   [0139] In any of the embodiments described herein above, the second crucible lining (9) made of a non-porous SiN or SiC material is formed in the first crucible (2) with an alloy ( 5) and the first crucible lining (3). The presence of the second crucible lining (9) between the alloy (5) and the first crucible lining (3) helps to extend the electrolysis process in the first crucible (2).

[0140]第二の坩堝ライニング(9)は、第一の坩堝(2)での電気分解の間、実質的に融解した合金(5)のトップレベルよりも下に浸された状態で維持される。融解した合金(5)の上面よりも下に第二の坩堝ライニング(9)を沈めることにより、第二の坩堝ライニング(9)への電解質(4)の吸収が軽減される。   [0140] The second crucible lining (9) is maintained immersed below the top level of the substantially molten alloy (5) during electrolysis in the first crucible (2). The By sinking the second crucible lining (9) below the upper surface of the molten alloy (5), the absorption of the electrolyte (4) into the second crucible lining (9) is reduced.

[0141]図17に、純シリコンを生産するさらなる実施態様を示す。この実施態様は、坩堝ライニングをまったく使用しないで、坩堝(14)中の石英を含む電解質(15)で電気分解を行うための器具を含む。電気分解は、電解質中で電極として2本の炭素ロッド(17a、17b)を用いて行われ、ここで2つの炭素電極は、電気分解プロセスを受けることができる適切な量の原材料を含む。この実施態様において、例えば炭素またはAlのような材料は、電解質材料と反応して汚染物質を形成する傾向があると予想されるため、使用するべきではない。 [0141] FIG. 17 illustrates a further embodiment for producing pure silicon. This embodiment includes an instrument for performing electrolysis with an electrolyte (15) comprising quartz in a crucible (14) without using any crucible lining. Electrolysis is performed in the electrolyte using two carbon rods (17a, 17b) as electrodes, where the two carbon electrodes contain an appropriate amount of raw material that can undergo an electrolysis process. In this embodiment, a material such as carbon or Al 2 O 3 should not be used as it is expected to tend to react with the electrolyte material to form a contaminant.

[0142]まず、坩堝(14)の内部に石英のブロックまたはペレットを入れ、電気分解中に確実にシリコン粒子が供給されるように電気分解の間に粉末化した石英を定期的に添加する。電気分解によって、坩堝(14)に圧縮された固形複合材料(16)が堆積され、この複合材料(16)は、複合材料の質量に基づきおよそ20質量%のシリコンと80質量%の電解質とを含む。複合材料(16)中のシリコンは、およそ300メッシュの粒度を有する。   [0142] First, quartz blocks or pellets are placed inside the crucible (14), and the powdered quartz is periodically added during electrolysis to ensure that silicon particles are supplied during electrolysis. By electrolysis, a compressed solid composite material (16) is deposited in the crucible (14), which comprises approximately 20% by weight silicon and 80% by weight electrolyte based on the weight of the composite material. Including. The silicon in the composite material (16) has a particle size of approximately 300 mesh.

[0143]誘導炉(18)またはその他の適切な加熱メカニズムを使用して、複合材料(16)を溶融させて、電解質中で冷却しながらシリコンを凝集させて小さいインゴットを形成する。続いて、複合材料の温度が約1414℃(すなわちシリコンの凝固点)よりも低下したら、例えば図15に示されるもののようなメッシュフィルター(13)を使用して、シリコンのインゴットをろ過して電解質から取り出すことができる。あるいは、濃度40〜100%のエタノールを使用して複合材料(16)からシリコンを分離し、続いて複合材料(16)を粉砕してエタノールでリンスすることも可能なことが見出された。固体電解質は浮き、シリコンは沈んだままになると予想される。   [0143] An induction furnace (18) or other suitable heating mechanism is used to melt the composite material (16) and agglomerate the silicon while cooling in the electrolyte to form a small ingot. Subsequently, when the temperature of the composite material falls below about 1414 ° C. (ie, the freezing point of silicon), the silicon ingot is filtered from the electrolyte using, for example, a mesh filter (13) such as that shown in FIG. It can be taken out. Alternatively, it has been found that 40 to 100% concentration of ethanol can be used to separate the silicon from the composite material (16) and subsequently the composite material (16) can be ground and rinsed with ethanol. It is expected that the solid electrolyte will float and the silicon will remain sunk.

[0144]ホウ素およびリン系化合物は、電気分解の期間中に電解質と化合物を形成して蒸発することが見出された。本発明のこの実施態様に従って生産されたシリコンのサンプルを試験した(結果を図18の(A)に示す)。   [0144] Boron and phosphorus-based compounds have been found to evaporate by forming compounds with electrolytes during electrolysis. A sample of silicon produced according to this embodiment of the invention was tested (results shown in FIG. 18A).

[0145]当業者であれば当然理解しているものと思われるが、本明細書において説明される発明は、具体的に説明したもの以外にも、本発明の範囲から逸脱することなくバリエーションおよび改変を施すことが可能である。このような当業者にとっては明白なあらゆるバリエーションおよび改変は、上記で概説した本発明の本質および範囲内であるとみなされることとする。当然のことながら、本発明は、このような変更および改変全てを含む。また本発明は、明細書で言及または指定された全ての工程および特徴を、個々にまたは集合的に含み、さらに、前記工程または特徴のいずれか2つまたはそれより多くのありとあらゆる組み合わせも含む。   [0145] As will be understood by those skilled in the art, the invention described herein is not limited to those specifically described, and variations and modifications may be made without departing from the scope of the invention. Modifications can be made. All such variations and modifications apparent to those skilled in the art are deemed to be within the spirit and scope of the invention as outlined above. Of course, the present invention includes all such changes and modifications. The invention also includes all steps and features mentioned or designated in the specification, individually or collectively, and further includes any two or more and any combination of the steps or features.

[0146]本明細書中で引用された全ての従来技術は、それら従来技術が共通の一般的な知見の一部を形成するという承認またはいかなる形態の示唆として解釈されるものではなく、またそのように解釈されないこととする。   [0146] All prior art cited herein is not to be construed as an approval or any form of suggestion that the prior art forms part of a common general knowledge and Will not be interpreted as such.

Claims (23)

電解質から純シリコンを製造する方法であって、該方法は:
(i)第一の坩堝で電解質を加熱して、溶融電解質を形成する工程;および、
(iii)溶融電解質との電気/イオンのやりとりに適したアノードとカソードとの間に電位差を提供することによって、溶融電解質に電気分解を適用する工程;
を含み、
ここで電気分解が行われている間、溶融電解質は撹拌され、電気分解の結果として生産された純シリコンは、アノードと溶解して合金を形成する、上記方法。
A method for producing pure silicon from an electrolyte, the method comprising:
(I) heating the electrolyte in a first crucible to form a molten electrolyte; and
(Iii) applying electrolysis to the molten electrolyte by providing a potential difference between an anode and a cathode suitable for electricity / ion exchange with the molten electrolyte;
Including
The method described above, wherein the molten electrolyte is agitated while the electrolysis is being performed, and the pure silicon produced as a result of the electrolysis melts with the anode to form an alloy.
前記電解質が、氷晶石、酸化カルシウム粒子、および、石英粒子を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the electrolyte comprises cryolite, calcium oxide particles, and quartz particles. 前記電解質が、電解質の質量に基づきおよそ82〜94%の氷晶石粒子を含む、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the electrolyte comprises approximately 82-94% cryolite particles based on the weight of the electrolyte. 前記電解質が、電解質の質量に基づきおよそ3〜15%の酸化カルシウム粒子を含む、請求項2または3に記載の方法。   4. A method according to claim 2 or 3, wherein the electrolyte comprises approximately 3-15% calcium oxide particles based on the weight of the electrolyte. 前記電解質が、電解質の質量に基づきおよそ3%石英粒子を含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 2 to 4, wherein the electrolyte comprises approximately 3% quartz particles based on the mass of the electrolyte. 前記電解質が、電解質の質量に基づきおよそ87%の氷晶石粒子、10%の酸化カルシウム粒子、および、3%の石英粒子を含む、請求項2〜5のいずれか一項に記載の方法。   6. The method of any one of claims 2-5, wherein the electrolyte comprises approximately 87% cryolite particles, 10% calcium oxide particles, and 3% quartz particles based on the weight of the electrolyte. 電気分解中に前記電解質に石英粒子を制御しながら添加して、前記電解質中に実質的に電解質の質量に基づきおよそ3%の石英粒子を維持する工程を含む、請求項2〜6のいずれか一項に記載の方法。   7. The method of any one of claims 2 to 6, comprising adding controlled addition of quartz particles to the electrolyte during electrolysis to maintain approximately 3% quartz particles in the electrolyte substantially based on the mass of the electrolyte. The method according to one item. 第一の坩堝が、炭素、窒化ケイ素、および、炭化ケイ素材料の少なくとも1種を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the first crucible comprises at least one of carbon, silicon nitride, and silicon carbide material. 第一の坩堝が、電解質を受けるための内部周壁と底部により画定される凹部を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。   9. A method according to any one of the preceding claims, wherein the first crucible includes a recess defined by an inner peripheral wall and a bottom for receiving the electrolyte. 第一の坩堝の凹部内側における第一の坩堝と電解質との間に、第一の坩堝ライニングを配置する工程を含む、請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, comprising disposing a first crucible lining between the first crucible and the electrolyte inside the recess of the first crucible. 第一の坩堝の凹部内側における合金アノードと第一の坩堝ライニングとの間に、第二の坩堝ライニングを配置する工程を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 10, comprising disposing a second crucible lining between the alloy anode and the first crucible lining inside the recess of the first crucible. 第二の坩堝ライニングが、SiCおよびSiN材料の少なくとも一方を含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the second crucible lining comprises at least one of SiC and SiN materials. 第一の坩堝での電気分解中に、第二の坩堝ライニングが、アノードよりも下に沈んだ状態である、請求項11または12に記載の方法。   13. The method according to claim 11 or 12, wherein the second crucible lining is submerged below the anode during electrolysis in the first crucible. 工程(ii)の後に、前記合金に第二の電気分解を行うことによりシリコンと電解質との固形複合材料を形成して、前記合金からシリコンを分離する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。   14. After step (ii), said alloy is subjected to a second electrolysis to form a solid composite material of silicon and electrolyte to separate silicon from said alloy. The method described in 1. 前記アノードと前記カソードの極性を逆転させる、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the polarity of the anode and the cathode is reversed. 第二の電気分解が、第一の坩堝とは別個の坩堝で行われる、請求項14または15に記載の方法。   The method according to claim 14 or 15, wherein the second electrolysis is performed in a crucible separate from the first crucible. 前記別個の坩堝が、SiC材料を含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載の方法。   17. A method according to any one of claims 14 to 16, wherein the separate crucible comprises a SiC material. 第二の電気分解が、以下に示す電解質組成物:
(i)10%のKSiF、25%のAlF、25%のNaF、35%のBaF、5%のCaF
(ii)40〜70%のNaAlF、5〜20%のKSiF、5〜15%のCaF、5〜10%のCaO;および、
(iii)95〜99%のNaAlF、1〜5%のSiO
の少なくとも1種を用いて行われる、請求項14〜17のいずれか一項に記載の方法。
The second electrolysis is the electrolyte composition shown below:
(I) 10% K 2 SiF 6 , 25% AlF 3 , 25% NaF, 35% BaF 2 , 5% CaF 2 ;
(Ii) 40 to 70% of Na 3 AlF 6, 5~20% of K 2 SiF 6, 5~15% of CaF 2, 5 to 10% of CaO; and,
(Iii) 95-99% Na 3 AlF 6 , 1-5% SiO 2 ,
The method as described in any one of Claims 14-17 performed using at least 1 sort (s) of these.
前記アノード上に堆積した複合材料を少なくともおよそ1450℃の温度で融解させ、続いて電解質中で冷却してシリコンをペレットまたはインゴットに凝集させる、請求項14〜18のいずれか一項に記載の方法。   19. A method according to any one of claims 14 to 18, wherein the composite material deposited on the anode is melted at a temperature of at least approximately 1450 [deg.] C and subsequently cooled in an electrolyte to agglomerate silicon into pellets or ingots. . 前記凝集したシリコンのペレットまたはインゴットが、フィルターを用いて電解質からろ過される、請求項19に記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the agglomerated silicon pellets or ingot are filtered from the electrolyte using a filter. 以下の工程;
(i)坩堝中で石英を含む電解質に電気分解を行い、シリコンと電解質とを含む固形複合材料を形成する工程;
(ii)複合材料を溶融させ、続いて冷却しながら複合材料中のシリコン粒子を電解質中で凝集させる工程;
(iii)融解させた複合材料の温度がおよそ1414℃未満に低下したら、電解質から凝集したシリコンをろ過して取り出す工程、
を含む、純シリコンの製造方法。
The following steps:
(I) a step of electrolyzing an electrolyte containing quartz in a crucible to form a solid composite material containing silicon and an electrolyte;
(Ii) melting the composite material and subsequently aggregating silicon particles in the composite material in the electrolyte while cooling;
(Iii) a step of filtering out the agglomerated silicon from the electrolyte when the temperature of the melted composite material falls below approximately 1414 ° C .;
A method for producing pure silicon.
前記坩堝に粉末化した石英を定期的に添加することにより、電気分解の間シリコン粒子の供給を維持する工程を含む、請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, comprising maintaining a supply of silicon particles during electrolysis by periodically adding powdered quartz to the crucible. 電気分解中に2つの炭素電極が用いられる、請求項21または22に記載の方法。   23. A method according to claim 21 or 22, wherein two carbon electrodes are used during electrolysis.
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