JP5805110B2 - 太陽電池用金属シリコンを精製するための装置及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2010年8月16日出願の米国出願番号第61/374,213号、2011年2月8日出願の米国出願番号第13/023467号、2011年2月9日出願の米国出願番号第13/024292号及び2010年2月12日出願の中国特許出願番号第099104551号の優先権を主張し、本願明細書において参照によりここに組み込まれる。
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
独立噴射装置は、るつぼより上に提供される。これは、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給することと、その供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成することと、温度勾配に起因するシリコン溶融物全体の温度プロファイルと協同して熱循環を容易にすることと、循環転回半径を増加させることと、精製ガス及び化学物質とシリコン溶融物との間の接触面を増加させることのためである。これによって、精製効率は上がる。
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼと精製ガス及び化学物質供給用供給菅対して適切な位置でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供し、シリコン溶融物の加熱の結果としてシリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導く。その結果、湿潤ガスは、シリコン溶融物と効果的に接触する。ガイドエレメントとシリコン溶融物の表面との間の距離、フィンとシリコン溶融物との間の距離及びるつぼの内側周径とフィンと間の距離は、重要である。
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、一方向冷却精製を得るために固液界面を調節し、固相-液相線についてシリコン溶融物内残留不純物の濃度に関する温度偏析係数の管理を必要としない。従って、湿潤ガスの効果的な逆流を可能にして、装置からの噴流により形成されるくぼみの形態を制御することを、るつぼとガイドエレメントとの間の距離を調節することによって行なう。水平にシフトすることができる一組の弁を操作装置に更に提供して、容器を開閉することによって容器からるつぼを取り出すか容器内にるつぼを挿入する場合に酸素と炭素部との反応を低減させる。
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
a) 不純物の付加が回避できない、即ち、産物は、低純度である;
b) 高価な装置;
c) 安全性の問題。
独立噴射装置は、るつぼより上に提供される。これは、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給することと、その供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成することと、シリコン溶融物全体の温度プロファイルと協同して熱循環を容易にすることと、循環転回半径を増加させることと、精製ガス及び化学物質とシリコン溶融物との間の接触面を増加させることのためである。これによって、精製効率が上がる。
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼと精製ガス及び化学物質供給用供給菅に対して適切な位置でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供され、シリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導く。その結果、湿潤ガスは、シリコン溶融物と効果的に接触する。ガイドエレメントとシリコン溶融物の表面との間の距離、フィンとシリコン溶融物との間の距離及びるつぼの内側周径とフィンと間の距離は、重要である。
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、一方向冷却精製を得るために固液界面を調節し、固相-液相線についてのシリコン溶融物内残留不純物の濃度に関する温度偏析係数の管理を必要としない。従って、湿潤ガスの効果的な逆流を可能にし、装置からの噴流によりシリコン溶融物の表面に形成されるくぼみの形態を制御することを、るつぼとガイドエレメントとの間の距離を調節することによって行われる。水平にシフトすることができる一組の弁が操作装置に更に提供される。これは、弁を開閉することによってるつぼを容器から取り出すか容器内にるつぼを挿入する場合、酸素と炭素部との反応を低減させるためである。
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
独立噴射装置は、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給して、その特別に設計された供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成するために、るつぼより上に設けられ、
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼ及びシリコン溶融物表面に対して適切な位置及び距離(h1) (h2) (h3) (h4) (s1) (s2) (s3)でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供され、(シリコン溶融物表面での加熱の結果として)シリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導くことで、湿潤ガスをシリコン溶融物と効果的に接触させ、
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、精製を得るために固液界面を調節し、上記のガイドエレメント及び噴射装置に対するるつぼの相対位置を更に制御して最適精製効率を得、
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
るつぼを取り付けるか取り出す目的で容器内部でるつぼの鉛直移動を制御し、そして、
一方向冷却精製のために固液界面を調節するようにヒーターに対してるつぼを移動させる目的且つ上記シリコン溶融物の表面とガイドエレメントとの間の距離を制御する目的でるつぼの鉛直移動及び回転を制御し、その結果、表面から生じる湿潤ガスをシリコン溶融物へ効率的に戻して精製用の水の供給を促進し、そして、
この距離を制御することによって、噴射装置からの噴流の直接衝突によって引き起こされる、シリコン溶融物表面に作られるくぼみの形態も制御する、請求項1に記載の装置。
本発明の原理及び操作を証明するために、我々は、一定の実験を行った。我々は、改良された従来型単結晶Siインゴット引き上げ機のいくつかの世代を使用したポリSi精製実験を行った。かかる引き上げ機は、非常に小さくて従来型の引き上げ機(1チャージ当たりの約20KgのSi)から中型引き上げ機(1チャージ当たりの約80KgのSi)までが含まれる。我々は、るつぼ装置及び制御部を維持して金属シリコンを精製するために構成された本試験シリコン精製装置に合致する様式で作動するように改良した。本実施例に従うと、金属シリコンを導入すると直ぐに、かかるシリコンが処理され、
シリコンが精製される。我々は、6N〜7N(例えば、99.9999から99.99999のシリコン純度)の精製結果を達成したため、太陽電池分野に適する所望の仕様に到達した。実施にかかる本試験精製装置は、大きいサイズの従来型引き上げ機(1チャージ当たり約140KgのSi)から改良した。例えば、図14を参照。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
Claims (16)
- 光電デバイスのための高品質シリコン材料を形成するためのシステムであって、前記システムは、
内側領域を備えるるつぼと、アークヒーターを含むエネルギー源とを、具備し、
前記るつぼは、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域があり、
前記アークヒーターを含む前記エネルギー源は、前記開放域より上に構成され、前記露出溶融材料と前記アークヒーターの銃口領域との間の隙間によって間隔が開いており、前記露出溶融材料の中心領域付近内で規定の温度プロファイルの形成を引き起こしつつ、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持し、
前記アークヒーターは、電力定格が20kワット以上であり、デューティーサイクルに従ってパルス駆動することができ、
最大温度プロファイルは、溶融材料からリン種の除去を引き起こす3000度以上である、システム。 - 前記アークヒーターは、励起アルゴン種を発して、一部の溶融材料に熱移動を引き起こすように構成されるプラズマ銃である、請求項1に記載のシステム。
- 前記銃口領域は、最大寸法が0.5センチメートルから2センチメートルである、請求項1又は2に記載のシステム。
- 溶融材料には、少なくとも最大温度プロファイルにより形成される温度勾配によって引き起こされる対流が含まれる、請求項1から3のいずれかに記載のシステム。
- 前記対流は、前記溶融材料中で混合を引き起こす、請求項4に記載のシステム。
- 前記るつぼは、カバーガスを受けて前記溶融材料を前記るつぼ内に維持する、請求項1から5のいずれかに記載のシステム。
- 前記るつぼは、アルゴン含有カバーガスを受けて、前記溶融材料を前記るつぼ内に維持し、
前記カバーガスは、前記溶融材料が酸化を受けないように維持するのに適している、請求項1から6のいずれかに記載のシステム。 - 蒸発溶融材料の一部を前記溶融材料に戻すように構成されたキャリヤーガスを更に含む、請求項1から7のいずれかに記載のシステム。
- 前記溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数のフィン領域を更に含み、
前記溶融材料は、シリコン材料及びリン種を含み、
前記溶融材料は、結果としてリン種を0.1ppm以下含む、請求項1から8のいずれかに記載のシステム。 - 太陽電池用高品質シリコン材料を形成するためのシステムであって、前記システムは、
内側領域を備えるるつぼと、アークヒーターを含むエネルギー源と、ノズル領域と、を具備し、
前記るつぼは、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域があり、
前記アークヒーターを含む前記エネルギー源は、前記開放域より上に構成され、前記露出溶融材料と前記アークヒーターの銃口領域との間の隙間によって間隔が開いており、前記露出溶融材料の中心領域付近内で規定の温度プロファイルの形成を引き起こしつつ、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持し、
前記ノズル領域は、アルゴンガスを出力して前記溶融材料の中心領域付近中でくぼみ領域を引き起こすように構成され、
アルゴンガスは、隆起した領域によって各々が隔てられた複数の凹領域を含むくぼみ領域を形成するのに適切な流速を備える、システム。 - 前記ノズル領域は、アルゴンガス発生源に接続し、
前記ノズル領域は、セラミック物質を含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記アルゴンガス発生源は、アークチューブから独立して操作可能であり、
前記溶融材料は、0.7 Pascal-秒の粘度を含み、
前記アルゴンガス発生源は、純度99.99%以上である、請求項11に記載のシステム。 - 前記くぼみ領域は、プルームのために表面領域を広げて溶融材料と相互作用し
前記くぼみ領域は、少なくとも1センチメートル以上の深さを有する、請求項10から12のいずれかに記載のシステム。 - 前記表面領域の増加は、前記くぼみ領域のない表面領域より少なくとも3倍以上である、請求項13に記載のシステム。
- 前記表面領域の増加は、前記くぼみ領域のない表面領域より少なくとも5倍以上であり、
前記溶融材料は、乱流によって特徴付けられ、
前記アークヒーターは、前記溶融材料の前記露出領域において選択された部分を加熱するように構成される、請求項13又は14に記載のシステム。 - 光電デバイス用高品質シリコン材料を形成する方法であって、前記方法は、
原料シリコン材料を内側領域を備えるるつぼへ移送すること、
前記るつぼ内の前記原料シリコン材料に熱エネルギーを与えて、前記原料シリコン材料を溶融して液体の状態にし、摂氏1400度より低い温度で溶融材料を形成することと、
前記溶融材料の露出内側領域にアークヒーターを備えるエネルギー源を受けさせることと、
前記溶融材料から1又は複数の不純物を除去して、るつぼ内により高純度のシリコン材料を形成することと、を含み、
前記るつぼは、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記溶融材料は、前記るつぼの前記内側領域によって囲まれる露出領域を有し、
前記アークヒーターを備える前記エネルギー源は、前記露出領域より上に構成されて、
前記露出領域と前記アークヒーターの銃口部との間との隙間によって間隔が開いており、
前記露出溶融材料の内側領域付近内で、規定の温度プロファイルを形成させると共に、前記溶融材料の外側領域を前記るつぼの前記石英材料の融点より低い温度に維持する、方法。
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