NO317073B1 - Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium - Google Patents

Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium Download PDF

Info

Publication number
NO317073B1
NO317073B1 NO20012749A NO20012749A NO317073B1 NO 317073 B1 NO317073 B1 NO 317073B1 NO 20012749 A NO20012749 A NO 20012749A NO 20012749 A NO20012749 A NO 20012749A NO 317073 B1 NO317073 B1 NO 317073B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
silicon
procedure
cao
stated
cacl2
Prior art date
Application number
NO20012749A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20012749D0 (no
NO20012749L (no
Inventor
Espen Olsen
Original Assignee
Sintef
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sintef filed Critical Sintef
Priority to NO20012749A priority Critical patent/NO317073B1/no
Publication of NO20012749D0 publication Critical patent/NO20012749D0/no
Priority to US10/477,747 priority patent/US20040238372A1/en
Priority to CA002449659A priority patent/CA2449659A1/en
Priority to JP2003502269A priority patent/JP2004532933A/ja
Priority to PCT/NO2002/000195 priority patent/WO2002099166A1/en
Priority to EP02731017A priority patent/EP1402086A1/en
Publication of NO20012749L publication Critical patent/NO20012749L/no
Publication of NO317073B1 publication Critical patent/NO317073B1/no

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/33Silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrolytt. Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte ved fremstilling av silisium og en fremgangsmåte ved raffinering av silisium, ved hvilke elektrolytten benyttes.
Bakgrunn
Silisium kan kvalitetsmessig inndeles i minst tre kategorier, silisium for metallurgiske formål, høyren silisium for solceller (SoG-Si), og ekstremt ren silisium for elektronikkformål.
De ulike kvalitetsgrader av silisium fremstilles ved forskjellige metoder og med varierende betingelser. Når det gjelder SoG-Si for solceller, er denne til nå i all hovedsak fremstilt av skrap som oppstår under fremstilling av den enda renere silisium for elektronikkformål. Så lenge denne kilden til solcellepanel har vært tilstrekkelig stor til å dekke markedets behov, har prisen kunnet holdes på et akseptabelt nivå. Dette har sammenheng med at pristoleransen for silisium til elektronikkformål er svært høy sammenlignet med tilsvarende for bruk i solceller.
Etterspørselen etter solcelle-silisium er imidlertid i vekst, og allerede i løpet av år 2001 kan tilgangen på råmateriale i form av skrap fra elektronikkindustrien bli for liten til å dekke etterspørselen.
Elektrokjemisk fremstilling av Si fra kvarts oppløst i kryolittsmelte er beskrevet bl.a. i PCT patentpublikasjon nr. WO 95/33870. Kryolittsmelten har den gode egenskap at den løser silisiumdioksyd godt og den er rimelig. Den er derfor velegnet til fremstilling av metallurgisk kvalitet silisium med renhet typisk 99,5 - 99,7 % og hvor det ikke er krav til fravær av spesielle typer forurensninger. Den har imidlertid vesentlige ulemper i tilknytning til fremstilling av svært rent silisium. Kryolittsmelten er ekstremt korrosiv, spesielt ved høye temperaturer som følge av dens fluorid-innhold. Derfor er utvalget av elektrodemateriater som kan benyttes i en slik smelte, svært begrenset. 1 praksis har man hittil utelukkende vært i stand til å benytte karbon-elektroder. Karbonelektroder er beheftet med visse ulemper ved produksjon av svært ren silisium fordi de ofte forurenser smeiten, og derved det produserte silisium, med små mengder av bor og fosfor. Disse elementene, som finnes som sporstoffer i karbon, lar seg ikke rense fra produktet med noen kjent renseteknologi, og gjør bruk av slikt silisium til solcelleformål svært vanskelig. I tillegg fås utfelling av betydelige deler av selve kryolittsmelten sammen med produktet, og dette er også svært vanskelig å fjerne fra silisiumet med noen kjent rensemetode.
Fra US patent nr. 4,738,759 er det kjent fremstilling av høyren kalsium ved katodisk utfelling fra kalsiumforbindelser oppløst i en CaCl2-basert smelte, sekundært elektrokjemisk raffinering av en Ca-legering. Dette patent er relevant også til fremstilling av silisium, ved at det nevnes som en mulighet å tilsette CaSi og få oppkonsentrert kalsium katodisk mens silisium utfelles på anoden. Imidlertid er det neppe mulig å gjøre dette i praksis idet Si ikke vil utfelles på en anode. Si vil forefinnes som Si <4+->ioner løst komplekst i en saltsmelte. Dette er et kation som trenger tilførsel av elektroner for å avlades til metallisk Si, det vil si det motsatte av hva som skjer ved en positivt polarisert anode med underskudd av elektroner. Under enhver omstendighet vedrører ikke US patent nr. 4,738,759 elektrokjemisk utfelling av silisium på en negativt polarisert katode der elektroner tilføres et positivt ladet silisiumion.
Formål
Det er således et formål for foreliggende oppfinnelse å komme frem til en fremstillingsmetode for silisium av solcellekvalitet (SoG-Si), det vil si med et maksimalt innhold av B og P i størrelsesorden 1 ppm.
Det er videre et formål å komme frem til en slik fremstillingsmetode basert på elektrolyse, hvor de forurensninger som følger produktet er av en slik art at de med forholdsvis enkle midler kan fjernes fra produktet i et etterbehandlingstrinn.
Det er videre et formål å komme frem til en slik metode som er enkel og rimelig, slik at sluttproduktet ikke blir for kostbart.
Disse og andre formål er oppnådd ved elektrolytten og fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen.
Oppfinnelsen
Oppfinnelsen består således i en elektrolytt som angitt i patentkrav 1.
Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte for fremstilling av silisium som angitt i patentkrav 4.
Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte for raffinering av silisium som angitt i patentkrav 10.
Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige kravene.
Ifølge fasediagrammer av CaCl2 skal en smelte av dette saltet være i stand til å løse Si02 i en
mengde fullt tilstrekkelig til å kunne benyttes som elektrolytt i en prosess av den ovenfor nevnte art, nemlig av størrelsesorden 5%. Det er imidlertid funnet i forbindelse med arbeidet som ledet frem til foreliggende oppfinnelse, at dette ikke stemmer. Rent CaCl2 løser Si02 bare i helt ubetydelig grad, i området 0,1%. CaCl2 er sterkt hygroskopisk, og en feilkilde for de(t) kjente fasediagram(mer) kan være at de målinger som fasediagrammet er basert på, er gjort med ikke helt renset CaCl2, hvilket betyr at oksygen i form av vann er blitt opptatt i smeiten.
Det er nå funnet som et element av foreliggende oppfinnelse, at tilsetning av forholdsvis små mengder CaO til CaCl2 gir en resultantsmelte som løser Si02 i fullt tilstrekkelig grad. Allerede ved 5% CaO var løseligheten i størrelsesorden 3-4%, hvilket er mer enn tilstrekkelig for formålet. Akseptable løseligheter ble funnet allerede ved konsentrasjoner lavere enn dette. Den underliggende kjemi er ikke kjent i detalj for denne smeiten mer enn i andre smelter, men det er grunn til å anta at Si02 kombineres med CaO i en ukjent støkiometri. Slike forbindelser kompliserer utfelling av metall fra en slik smelte. Ved prosessen ifølge oppfinnelsen har imidlertid dette vist seg ikke å være et problem i praksis.
En potensiell ulempe ved kloridbasert smelte for elektrolyse av oppløste oksider er at man som anodeprodukt får dannet betydelige mengder klorgass. Termodynamisk skal riktignok oksygen dannes før klor, men kinetiske forhold vil i praksis være bestemmende for hva man får dannet mest av. Det vil derfor være hensiktsmessig å benytte et anodemateriale som fremmer oksygenutvikling og undertrykker dannelse av klorgass. Karbon er et eksempel på et egnet anodemateriale ut ifra disse forutsetningene, men har den tidligere nevnte ulempe at det (ofte) inneholder fosfor og bor, som lett overføres til produktet. Enkelte karbonkilder kan imidlertid være egnet som anodemateriale for prosessen ifølge oppfinnelsen.
I tillegg til karbon med særlig lavt innhold av fosfor og bor, kan modifisert nikkelferrit, dopet tinnoksid eller en oksidasjonsbestandig metallegering f. eks. valgt blant metallene wolfram, sølv, platina og palladium, benyttes som anodemateriale. Generelt er det gunstig med inerte, det vil si ikke-konsumerbare, anoder.
Som katodemateriale er for eksempel silisium eller legeringer av silisium velegnet. Silisium alene har imidlertid uhensiktsmessig lav elektrisk ledningsevne, og bør derfor tilsettes noe metall, hvorav kalsium utgjør et foretrukket eksempel. Mengden kalsium i en slik legering er typisk fra noen få prosent til for eksempel 30%. trenger bare være noen få prosent, typisk 5% eller mindre. Andre metaller som erfaringsmessig kan inngå i slike legeringer er wolfram, nikkel og jern.
Det er viktig at de forurensninger som finnes i det direkte avsatte silisium på katoden, med enkle midler lar seg rense til forholdsvis høy grad av renhet. Prosessen kan med mindre krav til rensing være en konkurrent til produksjonsmetoder for silisium av lavere kvalitet enn solcelle-kvalitet.
[følge ett aspekt ved oppfinnelsen kan den benyttes til å raffinere silisium med en eller annen grad av renhet. Ved denne variant av oppfinnelsen anvendes en legering av det "urene" silisium og et annet metall som anode i en elektrolytt av ovenfor beskrevne type. Spesielt foretrukket er en legering av kobber og silisium. Når en slik prosess kjøres, vil tilnærmet rent silisium vandre i elektrolytten fra anoden til katoden, og avsettes på denne som under produksjonsprosessen. Urenhetene vil i all hovedsak bli tilbake i anoden.
Eksempler
Det ble gjennomført to enkle forsøk uten spesiell optimalisering av elektroder etc. for å få en indikasjon på elektrolyttens og fremgangsmåtens egnethet. Forsøksbetingelsene er listet i tabell 1.
Silisium fremstilt ved forsøkene ble analysert mht. fosfor og bor etter analysemetode (Ar-ICP-AE). Målingene ble kontrollert mot ren "elektronikk"-silisium. Resultatene er vist i tabell 2.
Resultatene av test la og lb viser et visst innhold av fosfor, hvilket hovedsakelig kommer fra råvarene. Typisk vil CaO kunne inneholde en del fosfor. Når det gjelder bor, viser det meget lave nivået i forsøkene la og lb, at fremgangsmåten virker etter hensikten med platina-anode og Ca-Si katode.
Forsøk 2 viser et uønsket høyt innhold av bor når det gjelder bruk av det fremstilte silisium til elektronikkformål. Dette stammer hovedsakelig fra elektrodene.
Generelt viser forsøkene at elektrolytten og fremgangsmåten som sådan fungerer etter hensikten, men at valg av elektroder må tilpasses og optimaliseres etter hvilken renhet som ønskes på sluttproduktet.

Claims (13)

1. Elektrolytt for fremstilling av eller raffinering av silisium ved høy temperatur, karakterisert ved at den hovedsakelig omfatter en saltsmelte av CaCl2 og CaO, med inntil 15% CaO regnet av hele smeiten.
2. Elektrolytt som angitt i krav 1, karakterisert ved at det benyttes fra 0,5-15% CaO regnet av hele smeiten, mens resten av smeiten i det minste hovedsakelig er CaCl2.
3. Elektrolytt som angitt i krav 1, karakterisert ved at det benyttes 2-5% CaO regnet av hele smeiten, mens resten av smeiten i det minste hovedsakelig er CaCl2.
4. Fremgangsmåte for fremstilling av silisium i saltsmelte ved høy temperatur, karakterisert ved at kvarts med lavt innhold av fosfor og bor gjøres til gjenstand for elektrolyse i en smelte av CaCl2 og CaO.
5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at det benyttes inerte elektroder.
6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at det som katodemateriale benyttes silisium eller silisium-inneholdende legeringer.
7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at det som katodemateriale benyttes en legering av silisium tilsatt 5 - 30 % kalsium.
8. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at det som anodemateriale benyttes modifisert nikkelferrit, dopet tinnoksid, karbon eller en oksidasjonsbestandig legering av metaller fortrinnsvis valgt blant wolfram, sølv eller edelmetallene platina og palladium.
9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at det som anodemateriale benyttes nikkelferritt cermet inneholdende kobber og nikkel eller antimon-dopet tinnoksid.
10. Fremgangsmåte for raffinering av silisium ved høy temperatur, karakterisert ved at silisium som skal renses benyttes som legeringselement i anoden i en elektrolysecelle omfattende en smelte av CaCl2 og CaO.
11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at det benyttes en inert katode.
12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert ved at det som katodemateriale benyttes silisium eller silisium-inneholdende legeringer.
13. Fremgangsmåte som angitt i krav 11-12, karakterisert ved at det som katodemateriale benyttes en legering av silisium tilsatt 5 - 30 % kalsium.
NO20012749A 2001-06-05 2001-06-05 Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium NO317073B1 (no)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20012749A NO317073B1 (no) 2001-06-05 2001-06-05 Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium
US10/477,747 US20040238372A1 (en) 2001-06-05 2002-06-03 Electrolyte and method for manufacturing and/or refining of silicon
CA002449659A CA2449659A1 (en) 2001-06-05 2002-06-03 Electrolyte and method for manufacturing and/or refining of silicon
JP2003502269A JP2004532933A (ja) 2001-06-05 2002-06-03 ケイ素を製造及び/又は精製するための電解質及び方法
PCT/NO2002/000195 WO2002099166A1 (en) 2001-06-05 2002-06-03 Electrolyte and method for manufacturing and/or refining of silicon
EP02731017A EP1402086A1 (en) 2001-06-05 2002-06-03 Electrolyte and method for manufacturing and/or refining of silicon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20012749A NO317073B1 (no) 2001-06-05 2001-06-05 Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium

Publications (3)

Publication Number Publication Date
NO20012749D0 NO20012749D0 (no) 2001-06-05
NO20012749L NO20012749L (no) 2002-12-06
NO317073B1 true NO317073B1 (no) 2004-08-02

Family

ID=19912527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20012749A NO317073B1 (no) 2001-06-05 2001-06-05 Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20040238372A1 (no)
EP (1) EP1402086A1 (no)
JP (1) JP2004532933A (no)
CA (1) CA2449659A1 (no)
NO (1) NO317073B1 (no)
WO (1) WO2002099166A1 (no)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO333319B1 (no) * 2003-12-29 2013-05-06 Elkem As Silisiummateriale for fremstilling av solceller
JP4765066B2 (ja) * 2005-05-19 2011-09-07 国立大学法人京都大学 シリコンの製造方法
ES2633113T3 (es) * 2006-03-10 2017-09-19 Elkem As Método para la producción y refinado electrolítico de silicio
NL1031734C2 (nl) * 2006-05-03 2007-11-06 Girasolar B V Werkwijze voor het zuiveren van een halfgeleidermateriaal onder toepassing van een oxidatie-reductiereactie.
WO2008122621A1 (en) * 2007-04-05 2008-10-16 Solvay (Société Anonyme) High-purity calcium compounds
CN101743342A (zh) * 2007-06-18 2010-06-16 Rec斯坎沃佛股份有限公司 从切割剩余物回收元素硅的方法
US7872676B2 (en) * 2007-07-13 2011-01-18 Micron Technology, Inc. Methods, systems, and devices for offset compensation in CMOC imagers
CN101736354B (zh) * 2008-11-06 2011-11-16 北京有色金属研究总院 电化学法制备硅纳米粉、硅纳米线和硅纳米管中的一种或几种的方法
CN101967649A (zh) * 2010-09-09 2011-02-09 昆明理工大学 一种复合熔盐电解质制备硅的方法
CN101979712A (zh) * 2010-12-01 2011-02-23 武汉大学 单质硅的制备方法
US10147836B2 (en) 2012-05-31 2018-12-04 Board Of Regents Of The University Of Texas System Production of thin film solar grade silicon on metals by electrodeposition from silicon dioxide in a molten salt
CN103173780B (zh) * 2013-03-01 2015-06-03 中南大学 一种半连续熔盐电解制备太阳级多晶硅材料的方法及装置
US20180291513A1 (en) * 2017-04-11 2018-10-11 Wisconsin Alumni Research Foundation Low temperature electrochemical production of silicon
CN110629241B (zh) * 2019-09-16 2021-06-22 上海大学 一种硅材料制作方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB833767A (en) * 1956-10-19 1960-04-27 Timax Corp Continuous electrolytic production of titanium
US3003934A (en) * 1959-01-08 1961-10-10 Timax Associates Process for the electrolytic production of metals
DE2623436A1 (de) * 1975-05-27 1976-12-16 Univ Bruxelles Verfahren zur manganchloridgewinnung unter verwendung mindestens einer manganoxydverbindung
FR2480796A1 (fr) * 1980-04-21 1981-10-23 Extramet Sarl Procede de production de silicium de haute purete par voie electrochimique
BR8507254A (pt) * 1984-10-05 1987-10-27 Extramet Sa Processo de producao de calcio ou de ligas de calcio de alta pureza
JPS61186489A (ja) * 1985-02-13 1986-08-20 Hiroshi Ishizuka アルカリ金属または土金属の溶融塩化物電解装置
AU1560097A (en) * 1996-01-22 1997-08-20 Jan Reidar Stubergh Production of high purity silicon metal, aluminium, their alloys, silicon carbide and aluminium oxide from alkali alkaline earth alumino silicates

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002099166A1 (en) 2002-12-12
CA2449659A1 (en) 2002-12-12
EP1402086A1 (en) 2004-03-31
NO20012749D0 (no) 2001-06-05
NO20012749L (no) 2002-12-06
JP2004532933A (ja) 2004-10-28
US20040238372A1 (en) 2004-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO317073B1 (no) Elektrolytt samt fremgangsmate ved fremstilling eller raffinering av silisium
Kurley et al. Enabling chloride salts for thermal energy storage: implications of salt purity
JP5043029B2 (ja) Itoスクラップからの有価金属の回収方法
US6309595B1 (en) Titanium crystal and titanium
JP5043027B2 (ja) Itoスクラップからの有価金属の回収方法
JP5043028B2 (ja) Itoスクラップからの有価金属の回収方法
JPWO2005073434A1 (ja) 超高純度銅及びその製造方法
Cai et al. Investigation on the reaction progress of zirconium and cuprous chloride in the LiCl–KCl melt
CN102408134B (zh) 一种铱粉的电化学溶解方法
CN102408135B (zh) 一种三氯化铱水合物的制备方法
WO2006046800A1 (en) Method for manufacturing high purity indium and apparatus therefor
JP4783310B2 (ja) 溶融塩電解法による白金族金属の回収・精製方法
WO2014085467A1 (en) Method and apparatus for producing solar grade silicon using a som electrolysis process
US20220186392A1 (en) Engineering process for halogen salts, using two identical electrodes
CN101580946B (zh) 在盐酸体系中将高锑粗锡合金电解制备高级锡的方法
CN110144598B (zh) 一种三氯化铀的制备方法及其应用
Tkacheva et al. Aluminum electrolysis in an inert anode cell
NL1031734C2 (nl) Werkwijze voor het zuiveren van een halfgeleidermateriaal onder toepassing van een oxidatie-reductiereactie.
Schwarz et al. Electrorefining of aluminium scrap from chloride melts
JP2012172194A (ja) 電解装置およびそれを用いた電解採取方法
JP2020143366A (ja) 高濃度スルホン酸錫水溶液及びその製造方法
Kuznetsov et al. Electrochemical behaviour and electrorefining of cobalt in NaCl-KCl-K2TiF6 melt
CN102011142A (zh) 一种镓电解精制的方法
EP0109164A1 (en) Production of metallic sodium from sodium carbonate by fused salt electrolysis
CN102071434A (zh) 一种去除锂电解质KCl-LiCl中杂质CaCl2的方法