RU2367600C1 - Способ получения кремния высокой чистоты - Google Patents
Способ получения кремния высокой чистоты Download PDFInfo
- Publication number
- RU2367600C1 RU2367600C1 RU2008114420/15A RU2008114420A RU2367600C1 RU 2367600 C1 RU2367600 C1 RU 2367600C1 RU 2008114420/15 A RU2008114420/15 A RU 2008114420/15A RU 2008114420 A RU2008114420 A RU 2008114420A RU 2367600 C1 RU2367600 C1 RU 2367600C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- hydrogen
- monoxide
- methane
- preparation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для производства высокочистого кремния. Способ получения кремния высокой чистоты заключается в восстановлении диоксида кремния до монооксида кремния под действием электродуговой плазмы в атмосфере водорода с последующим восстановлением полученного монооксида кремния до элементарного кремния под действием электродуговой плазмы газовой смесью водорода и метана. Изобретение позволяет получать кремний с содержанием примесей менее 1·10-3 вес.%, в том числе углерода - менее 1·10-4 вес.%. 1 табл.
Description
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов.
Известен способ получения высокочистого кремния карботермическим восстановлением чистого кварца в электродуговой печи с использованием углеродного восстановителя. Способ описан в статье А.А.Бахтина, Л.В.Черняховского, Л.П.Кищенко, П.С.Меньшикова «Влияние качества сырьевых материалов на производство кремния высокой чистоты», журнал «Цветные металлы», №1, 1992 г., с.29-32. Недостатками этого способа являются большие потери чистых исходных материалов в процессе восстановления и высокое для солнечного кремния содержание примесей (до 2·10-2 вес.%).
Известен также способ получения высокочистого кремния для солнечной энергетики восстановлением кварцевого сырья в две стадии - сначала до монооксида кремния SiO, а затем до элементарного кремния. Способ описан в патенте РФ №2173738 от 23.12.1999 г. и позволяет совместить получение кремния с его очисткой, поскольку летучесть SiO значительно выше летучести большинства примесей. Недостаток этого способа в том, что в качестве восстановителя на второй стадии используется углеродная сажа. В результате получаемый кремний содержит много углерода, а используемое оборудование быстро загрязняется сажей.
Наиболее близким к данному изобретению является техническое решение, предложенное в заявке №2006130023/15 (032646) от 22.08.2006 г. с решением о выдаче патента РФ на изобретение от 12.12.2007 г. Для получения кремния высокой чистоты, пригодного в технологии изготовления солнечных элементов, используют процесс восстановления диоксида кремния (природного кварца) также в две стадии.
На первой стадии чистый кварц расплавляют в тигле и при температуре 1900°С вводят в тигель смесь порошков SiO2 и кремния высокой чистоты. Образующийся при этом монооксид кремния SiO поступает на вторую стадию, где восстанавливается до элементарного кремния чистым метаном при температуре 2300-2500°С. Полученный жидкий кремний собирается в тигле-приемнике.
Способ позволяет получить кремний с малым содержанием примесей, в частности - углерода. Степень извлечения кремния составляет при этом 95%. Однако этому способу присущи следующие недостатки:
- использование высокочистого кремния в качестве сырьевого материала (на первой стадии процесса) экономически невыгодно из-за его высокой стоимости. При одинаковой чистоте стоимость кремния выше стоимости кварца в 10-15 раз;
- использование метана в качестве основного восстановителя для SiO (на второй стадии) не позволяет снизить содержание углерода в кремнии до уровня, допустимого для солнечного кремния высокого качества.
Целью изобретения является повышение качества получаемого кремния и снижение затрат на его изготовление. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения кремния высокой чистоты, включающем получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния, монооксид кремния получают посредством термической диссоциации диоксида кремния в электродуговой плазме в атмосфере водорода, а восстановление монооксида кремния до элементарного кремния проводят в электродуговой плазме газовой смесью метана и водорода при содержании метана в смеси 5-10% по объему.
Сущность изобретения состоит в том, что обе стадии процесса получения кремния из диоксида кремния осуществляются в газовой фазе в потоке водорода под воздействием электрической дуги постоянного тока. На первой стадии диоксид кремния, помещенный в зону дугового разряда с температурой выше 2500°С, быстро испаряется и диссоциирует на газообразный монооксид кремния и кислород. Последний сразу реагирует с водородом, образуя воду, а монооксид кремния транспортируется во второй реактор для восстановления. Восстановление монооксида кремния до элементарного кремния проводят атомарным водородом, который образуется из обычного молекулярного водорода под действием высокой температуры и излучения электрической дуги (с длиной волны менее 850 Ǻ). Для активации процесса осаждения восстановленного кремния из газовой фазы в реактор вводят дополнительно небольшое количество углеводорода - метана, не менее 5 и не более 10 об.% в газовой смеси. При содержании метана ниже 5% снижается выход кремния в реакции восстановления, а при содержании метана выше 10% возрастает концентрация углерода в полученном кремнии.
Для получения высокочистого кремния согласно настоящему изобретению используют двухреакторную установку с системой электропитания, а также с газовой и вакуумной системами. Установка включает реактор для получения монооксида кремния из диоксида кремния и реактор для получения элементарного кремния из его монооксида. Оба реактора соединены между собой обогреваемым каналом для транспортировки монооксида кремния. Каждый реактор имеет подвижный и неподвижный электроды (анод и катод) и свой источник питания постоянного тока для создания электрической дуги. Реактор для получения монооксида кремния снабжен дозатором для подачи порошкообразного диоксида кремния в зону электродугового разряда. Газовая система обеспечивает регулируемую подачу в реактор чистых аргона и водорода, а также метана. Вакуумная система предназначена для удаления воздуха из реакторов и обеспечивает получение остаточного давления до 10-2 мм рт.ст. Способ получения кремния высокой чистоты на данной установке описан в примере.
Пример
Оба реактора герметизируют, откачивают в вакууме до остаточного давления 10-2 мм рт.ст. и продувают аргоном в течение 20 мин. В обоих реакторах производят запуск электрической дуги. Для этого подвижный электрод (анод) замыкается с катодом и включается источник питания каждого реактора. После режима короткого замыкания (поджига дуги) подвижный электрод выдвигается на расстояние 15 см от катода, создавая внутри реактора зону горения дуги. В процессе работы контролируются вольт-амперные характеристики электрической дуги (в обоих реакторах). Рабочие параметры процесса: напряжение 90-250 В, ток 15-30 А.
После прогрева в течение 15 мин в первый реактор из дозатора непрерывно подается порошок диоксида кремния, а из блока подготовки газов - чистый водород. Образующийся монооксид кремния вместе с избытком водорода транспортируется во второй реактор, где восстанавливается до кремния. Расход SiO2 в рабочем режиме составляет ~200 г/мин.
Чтобы инициировать процесс осаждения кремния из смеси монооксида кремния с водородом, во второй реактор через специальный штуцер подают газ метан в заданном объеме. Объемное соотношение метан/водород в рабочем режиме поддерживают автоматически (с помощью программного обеспечения на IBM PC, Pentium 4). Восстановленный кремний в жидком виде собирают в тигле-приемнике, откуда производят его выгрузку порционно. В непрерывном процессе за 3 часа получают 15 кг кремния с параметрами, приведенными ниже.
Результаты примера и других экспериментов приведены в таблице.
Сопоставление способа, являющегося предметом данного изобретения, с прототипом показывает следующие преимущества:
1) заявляемый способ позволяет получить кремний с очень низким содержанием углерода, т.е. намного повышает качество получаемого кремния (до так называемого «солнечного качества»);
2) заявляемый способ позволяет снизить затраты на сырьевые материалы и соответственно снизить себестоимость кремния на ~40%.
Таблица | |||||||
Показатели | ед. изм. | Прототип | Заявляемый способ | ||||
Содержание метана в смеси, % по объему | |||||||
4 | 5 | 7 | 10 | 11 | |||
Содержание суммы примесей в кремнии | ppm | 8-10 | 9 | 8 | 8 | 9 | 10 |
Содержание углерода в кремнии | ppm | 4-5 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,8 | 1,5 |
Степень извлечения кремния из SiO2 | % | 95 | 86 | 95 | 96 | 96 | 96 |
Производительность по кремнию | кг/час | 5 | <5 | 5 | >5 | >5 | >5 |
Себестоимость кремния (по расчету) | руб./кг | ~750 | - | ~450 | ~450 | ~450 | - |
ppm - 10-4 вес.% |
Claims (1)
- Способ получения кремния высокой чистоты, включающий получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, отличающийся тем, что монооксид кремния получают термической диссоциацией диоксида кремния в электродуговой плазме в атмосфере водорода, а восстановление монооксида кремния до элементарного кремния проводят в электродуговой плазме с использованием метана в смеси с водородом при содержании метана 5-10% по объему.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008114420/15A RU2367600C1 (ru) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | Способ получения кремния высокой чистоты |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008114420/15A RU2367600C1 (ru) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | Способ получения кремния высокой чистоты |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2367600C1 true RU2367600C1 (ru) | 2009-09-20 |
Family
ID=41167849
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008114420/15A RU2367600C1 (ru) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | Способ получения кремния высокой чистоты |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2367600C1 (ru) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497753C1 (ru) * | 2012-06-28 | 2013-11-10 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения кремния высокой чистоты |
RU2516512C2 (ru) * | 2012-07-09 | 2014-05-20 | Лев Алексеевич Борисов | Способ прямого получения поликристаллического кремния из природного кварца и из его особо чистых концентратов |
RU2542274C1 (ru) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Способ получения кремния |
RU2648615C1 (ru) * | 2017-01-31 | 2018-03-26 | Сергей Михайлович Карабанов | Способ плазмохимического рафинирования металлов в вакууме и плазмотрон для его осуществления |
WO2018141805A1 (de) | 2017-02-06 | 2018-08-09 | Solar Silicon Gmbh | Verfahren zur herstellung von elementarem silizium |
WO2019238808A1 (de) | 2018-06-15 | 2019-12-19 | Solar Silicon Gmbh | Verfahren zur herstellung von elementarem silizium |
CN111056556A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-24 | 黄冈师范学院 | 一种以二氧化硅和氢气为原料制备多晶硅的方法 |
-
2008
- 2008-04-16 RU RU2008114420/15A patent/RU2367600C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497753C1 (ru) * | 2012-06-28 | 2013-11-10 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения кремния высокой чистоты |
RU2516512C2 (ru) * | 2012-07-09 | 2014-05-20 | Лев Алексеевич Борисов | Способ прямого получения поликристаллического кремния из природного кварца и из его особо чистых концентратов |
RU2542274C1 (ru) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Способ получения кремния |
RU2648615C1 (ru) * | 2017-01-31 | 2018-03-26 | Сергей Михайлович Карабанов | Способ плазмохимического рафинирования металлов в вакууме и плазмотрон для его осуществления |
WO2018141805A1 (de) | 2017-02-06 | 2018-08-09 | Solar Silicon Gmbh | Verfahren zur herstellung von elementarem silizium |
WO2019238808A1 (de) | 2018-06-15 | 2019-12-19 | Solar Silicon Gmbh | Verfahren zur herstellung von elementarem silizium |
CN112313172A (zh) * | 2018-06-15 | 2021-02-02 | 太阳能硅有限公司 | 生产元素硅的方法 |
CN111056556A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-24 | 黄冈师范学院 | 一种以二氧化硅和氢气为原料制备多晶硅的方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2367600C1 (ru) | Способ получения кремния высокой чистоты | |
CN104203877A (zh) | 使用等离子体技术制备乙炔的方法和装置 | |
JP2012025636A (ja) | 二酸化炭素の吸着還元剤及び還元方法 | |
CN109553105A (zh) | 一种高纯碳化硅粉及其制备方法 | |
CN101624708A (zh) | 电解合成三氟化氮的方法 | |
KR101092520B1 (ko) | 열플라즈마를 이용한 인듐-주석 산화물 나노분말의 제조방법 | |
US20040250764A1 (en) | Method and apparatus for production of high purity silicon | |
KR102465326B1 (ko) | 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치 | |
CN116254547B (zh) | 一种三氟化氮的制备方法 | |
JP3569279B2 (ja) | F2ガス発生装置及びf2ガス発生方法並びにf2ガス | |
US4472254A (en) | Electric plasma discharge combustion synthesis of chlorine dioxide | |
JP2010189227A (ja) | 光応答性を有する半導体材料、光電極材料及びその製造方法 | |
EP3992146A1 (en) | Method for producing carbonyl sulfide | |
JPH11335883A (ja) | オゾン、水素発生方法及び発生装置 | |
CN113518502A (zh) | 一种基于等离子电离快速制备硫等离子体的方法 | |
JP7516956B2 (ja) | 臭化水素の製造方法 | |
CN108190858B (zh) | 一种氟化石墨的制备方法 | |
CN110980767B (zh) | 一种氰氨化钙的合成方法 | |
KR101206871B1 (ko) | 고리형 Pd나노구조체 및 그 탄화수소화합물 합성용 Pd나노구조체 촉매 | |
RU2385291C1 (ru) | Способ получения кристаллического кремния высокой чистоты (варианты) | |
RU2298526C2 (ru) | Способ получения карбида хрома | |
JP5811002B2 (ja) | 中空炭素電極を用いたSiOの製造方法及び装置 | |
CN104099632B (zh) | 电化学促进的碳热还原金属硫化物制备金属碳化物的方法 | |
KR101141296B1 (ko) | 열플라즈마에 의한 질화마그네슘 나노분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조되는 질화마그네슘 나노분말 | |
CN117735544B (zh) | 一种半导体级石墨粉的深度纯化方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110417 |