НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C01B33/23 

Изобретение относится к области получения порошкообразного поликристаллического кремния и может быть использовано для солнечной энергетики и электроники.

Известен способ получения тонких пленок поликристаллического кремния из индуцированного алюминием субоксида кремния [Zamchiy A., Baranov E., Khmel S, Volodin V, Vdovin V. Aluminum-induced crystallization of silicon suboxide thin films // Applied Physics A. 2018. V. 124. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2070-y] который заключается в том, что слой алюминия и аморфного субоксида кремния a-SiO_x, x=0,22 напыляют при комнатной температуре на стеклянные подложки C-Si и SiO₂ при температуре подложки 260°С с использованием смеси газов, после чего структуру отжигают при 550°С в течение 20 часов в вакууме.

Недостатком известного способа является синтез полукристаллического кремния на специальных подложках, что исключает возможность его использования в других системах.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ получения порошка кремния высокой чистоты из смеси диоксида кремния и алюминия [Пат. РФ 2648436 С2 (опубл. 2018) Способ получения порошка кремния высокой чистоты из смеси диоксида кремния и алюминия], заключающийся в термическом восстановлении кремнийсодержащих соединений до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе с двумя зонами нагрева, первая стадия составляет 900-1000°C на второй стадии температуру в реакторе повышают до 1100°C, в качестве газовой среды вводят в реактор аргон - для создания инертной атмосферы и повышения выхода кремния.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: термическое восстановление кремнийсодержащих соединений до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия.

Недостатком известного способа является высокая температура синтеза до 1100°C, что усложняет технологический процесс, ограничивает применимость данного процесса.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение технологичности за счет снижения температуры синтеза порошка поликристаллического кремния, что позволит создавать поликристаллические системы и расширить область применения технологии.

Технический результат достигается тем, что низкотемпературный способ получения поликристаллического кремния, включает термическое восстановление кремнийсодержащих соединений до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия. В предложенном решении его осуществляют с использованием алюминий-индуцированной кристаллизацией полиэтилгидросилоксановой жидкости с содержанием от 5% до 10% алюминиевой пудры (проценты взяты от массы сухого продукта, полученного из гидрофобизирующей жидкости без добавок). Полиэтилгидросилоксановую жидкость и алюминиевую пудру перемешивают в течение не менее 2 мин, далее смесь нагревают при постоянном перемешивании в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали на электрической плите до температуры 250-260°С и выдерживают в течение не менее 60 мин. После чего полученную смесь охлаждают до комнатной температуры, гомогенизируют порошок и осуществляют отжиг в муфельной печи при температуре 550-600°С в течение не менее 35 часов.

Проведенный анализ известных способов получения поликристаллического кремния позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого способа критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не выявило в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Благодаря разработанному низкотемпературному способу получения поликристаллического кремния и тому, что в качестве веществ для металл-индуцированного получения порошка использовали полиэтилгидросилоксановый олигомер (жидкость) и алюминиевую пудру, в пропорциях 5-10% от массы сухого продукта, происходит образование отдельных частиц кремнезема и агломератов размеров (модальный диаметр агломератов в порошке составил 87,93 мкм, средний размер индивидуальных частиц составляет 2.2 мкм), необходимых для формирования кристаллического кремния при минимальной температуре отжига от 550°С. Поликристаллический кремний идентифицированный методом рентгенофазового анализа (РФА) выражается углами 2θ ≈ 28, 2θ ≈ 47, 2θ ≈ 56 (карточка PDF№ 75-589 по базе данных ICDD JCPDF) (фиг. 1).

В результате достигается возможность получения порошка поликристаллического кремния при более низкой температуре.

Только при соблюдении всех условий разработанного способа происходит снижение температуры синтеза порошка кристаллического кремния, что обеспечивается за счет алюминий-индуцированной кристаллизации. Предлагаемый низкотемпературный способ получения поликристаллического кремния реализован следующим образом.

В гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость (ГКЖ) (ГОСТ 10834-76) добавляли от 5 до 10% алюминиевой пудры (ПАП-2, ГОСТ 5494-2022) (процентное соотношение рассчитано от массы выхода сухого SiO₂) при комнатной температуре. Суспензию перемешивали в течении 2 мин., а затем нагревали в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали на электрической плите при температуре до 260°С периодически помешивая. Постепенно в ходе термообработки увеличивалась вязкость полиэтилгидросилоксана, образовывался гель (через 40 мин). В конечном итоге, через 20 мин, в результате термообработки, до постоянной массы, полученное вещество переходило в порошкообразное состояние, а затем его измельчали в мельнице. Отжиг поводили в муфельной печи при температуре отжига: 550°С. Нагрев вещества в печи до заданной температуры осуществлялся постепенно. Время выдержки - 35 часов.

Пример. В гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость (ГКЖ) (ГОСТ 10834-76) в объеме 40 мл добавляли 1,5 г алюминиевой пудры (ПАП-2, ГОСТ 5494-2022) при комнатной температуре. Суспензию перемешивали в течении 2 мин., а затем нагревали в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали на электрической плите при температуре до 260°С периодически помешивая. Постепенно в ходе термообработки увеличивалась вязкость полиэтилгидросилоксана, образовывался гель (через 40 мин). В конечном итоге, через 20 мин, в результате термообработки, до постоянной массы, полученное вещество переходило в порошкообразное состояние, а затем его измельчали в керамической ступке. Отжиг поводили в муфельной печи при температуре отжига: 550°С. Нагрев вещества в печи до заданной температуры осуществлялся постепенно. Время выдержки - 35 часов.

По данным РФА в результате разработанного низкотемпературного способа получения поликристаллического кремния синтезирован порошок поликристаллического кремния, рентгенограмма которого имеет пики, советующие кремнию поликристаллической структуры, выраженные углами 2θ ≈ 28, 2θ ≈ 47, 2θ ≈ 56 (карточка PDF№ 75-589 по базе данных ICDD JCPDF) (фиг. 1). Модальный диаметр агломератов в порошке составил 87,93 мкм, средний размер индивидуальных частиц составляет 2,2 мкм, удельная поверхность 9807 см²/см³. На рентгеновской порошковой дифрактограмме продукта, полученного по заявленному способу, но без добавления алюминиевой пудры, а именно: гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость (ГКЖ) (ГОСТ 10834-76) нагревали в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали на электрической плите при температуре до 260°С периодически помешивая с выдержкой 60 мин; в результате термообработки, до постоянной массы, полученное вещество переходило в порошкообразное состояние, а затем его измельчали в керамической ступке; Отжиг поводили в муфельной печи при температуре отжига 550°С с выдержкой 35 часов, пиков поликристаллического кремния не зафиксировано (фиг. 2).

Использование предлагаемого низкотемпературного способа получения поликристаллического кремния обеспечивает по сравнению с существующим преимущество в виде значительного снижения температуры синтеза порошка кристаллического кремния с 1100°С до 550°С.

Изобретение относится к области получения порошкообразного поликристаллического кремния и может быть использовано для солнечной энергетики и электроники. Предложен низкотемпературный способ получения поликристаллического кремния, включающий термическое восстановление кремнийсодержащих соединений до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, отличающийся тем, что синтез осуществляют с использованием алюминий-индуцированной кристаллизации продуктов жидкого полиэтилгидросилоксанового олигомера с содержанием от 5% до 10% мас. Al пудры; полиэтилгидросилоксановую жидкость и алюминиевую пудру перемешивают в течение не менее 2 мин, далее смесь нагревают при постоянном перемешивании в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали до температуры 250-260°С и выдерживают в течение не менее 60 мин, после чего полученную смесь охлаждают до комнатной температуры, измельчают порошок в мельнице и осуществляют отжиг в муфельной печи при температуре 550-600°С в течение не менее 35 часов. Предлагаемое изобретение направлено на повышение технологичности за счет снижения температуры синтеза порошка поликристаллического кремния, что позволит создавать поликристаллические системы и расширить область применения технологии. 2 ил., 1 пр.

Низкотемпературный способ получения поликристаллического кремния, включающий термическое восстановление кремнийсодержащих соединений до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, отличающийся тем, что синтез осуществляют с использованием алюминий-индуцированной кристаллизации продуктов жидкого полиэтилгидросилоксанового олигомера с содержанием от 5% до 10% мас. Al пудры; полиэтилгидросилоксановую жидкость и алюминиевую пудру перемешивают в течение не менее 2 мин, далее смесь нагревают при постоянном перемешивании в воздушной среде в емкости из нержавеющей стали до температуры 250-260°С и выдерживают в течение не менее 60 мин, после чего полученную смесь охлаждают до комнатной температуры, измельчают порошок в мельнице и осуществляют отжиг в муфельной печи при температуре 550-600°С в течение не менее 35 часов.