Способ производства кремния Советский патент 1990 года по МПК C01B33/02 

Изобретение относится к способам плазменного производства кремния, применяемого в солнечных элементах.

Цель изобретения - сокращение потерь и снижение себестоимости продукта за счет сокращения расхода газа.

На фиг. 1 представлен реактор, в котором используется плазма для производства кремния; на фиг.. 2 - вариант конструкции, в которой поток плазменного газа и твердых реагентов вводится в нижнюю часть реактора, предварительно незаполненного реагентами.

В качестве ко.рпуса реактора 1 ис пользуется резервуар типа сосуда или подобный, известные в технике конструирования плавильного оборудования. Генератор плазмы 2 расположен таким образом, чтобы первый электрод 3 располагался на верху корпуса реактора 1,а второй электрод 4 - на расстоя- НИИ от электрода 3 внутри корпуса реактора 1. Плазменный генератор присоединен к блоку 5, подающему вос- станавливаюпсий или инертный газ, или их смесь в плазменный генератор. В плазменном генераторе данной конструкции поток плазменного газа дви- хется сверху в низ реактора.

Для потока твердых реагентов в корпус реактора 1 и в плазму в верхней части реактора 1 установлен блок 6 подачи смеси двуокиси кремния и твердой восстанавливающей добавки.Кроме этого,на верху реактора 1 установлен блок 7, служапа-1й для подачи двуокиси кремния в плазму. Смесь двуокиси кремния и твердой восстанавливающей добавки с блокя 6 и двуокись кремния с блока 7 под ают в корО5О tsD

СО СО

см

пус реактора ив плазму порознь. ,Пдя управления работой блоков 6 и 7 служит блок Я управления. Как показано на фиг,1 корпус реактора 1 частично заполнен слоем твердых реагентов 9 до начала реакции. В качестве слоя реагентов может быть использована одна твердая восстанавливающая добавка или смесь двуокиси кремния и твердой восстанавливакяцей добавки. Расплавленный продукт кремния собирается на дне корпуса реактора 1, и с помощью блока 10 удаляется расплавленный кремний. В нижней части реак- тора 1 образуются сопутствуюир-ге газы, имеется блок 11 для удаления сопутствуюл13 х газов из реактора.

Реактор сконструирован так, что может выдерживать давление от атмос- ферного до 6 атмосфер. Высокое давление используется для обеспечения условий максимального использования энергии и сырья. Работа закрытого реактора при атмосгЪер;;ом давлении или вьпче луч1че способствует процессу удаления сопутствующих газов.

Приме р . В качестве газа плазмы используют водород и углеводород1 или инертный газ типа аргона или азо- та, или смесь восстанавливающего и инертного газа.

Двуокись кремния, которую подают в плазму или которая в смеси с твердой восстанавливающей добавкой может быть использовано для частичного заполнения реактора, берется в.виде кварца в его многих разновидностях, встречаюрщхся в природе, или в виде расплавленной двуокиси кремния в ее многих разновидностях. Двуокись кремния берут в виде порошков, гранул, кусков, гальки, шариков или брикетов В качестве твердой восстанавливающей добавки, которая подается в плаз му, и Твердой восстанавливаю1чей добаки, которая частично заполняет реактор, выбирают черный уголь, древесный уголь, кокс, уголь, деревянные брикеты. Применяют твердую восставав ливающую добавку в виде порошка, гранул, пластин, кусков, шариков и брикетов.

Смесь двуокиси кремния и твердой Восстанавливающей добавки,которую под ют в плазму и которая может быть исполь- эована для частичного заполнения реактра,может применяться в виде порошков, гранул,кусков,шариков и брикетов.

В реактор помещают множество поых графитовых трубок, установленных вертикально по его периферии. Газы плазм1.1 (фиг, 1) проходят верхнюю- часть реактора,но, встретив сопротивление потока газа в поде, возвращаются назад в верхнюю часть реактора и затем проходят вниз через графитовые трубки. При этом газы отдают свое тепло верхней части разряда путем i прямого контакта и стенкам трубок путем проводимости и конвекции,Благодаря этому 1 аз плазмы не разбавляет газы процесса реак1Ц1и внутри зоны реакции. Газы плазмы и реакции далее соединяются вместе в нижней част,и реактора, проходя через отверстие в ней.

По мере протекания реактщи твердые реагенты последовательно подают в зону реакции. При этом сначала подают смесь SiO и углерода, содержа- тую 20 мас.% избытка восстановителя, а затем только кремнезем в количестве, обеспечиваю1ч:ём стехиометрическое отношение реагентов в плазме по реакции SiO,j + 2С Si + 2СО. ПосЛе завершения работы реактора анализ про- дуктов показал, что суммарные потери веса твердых веществ составили 32 мае .%, Затем давление в сосуде поднимают до 2 атм. Газы плазмы и газы реакции объединяют в нижней части реактора и пропускают в газоочиститель. Установлено, что графитовЕ 1е трубки и выпускные трубки забиты углеродом и угольной пылью. Вблизи графитовых трубок обнаружены отложения кремния. Содержание кремния в продукт е 99,6 мас.%. Расход газа на осуществление способа составляет 283-707,5 л/мин и соответствует тому объему газа, который необходим только для создания плазмы.

По известному способу потери крем- ния составляют 34 мас.% расход газа составляет 2830-4245 л/мин и соот- .ветствует тому объему газа, который необходим для создания и перемещения плазмы.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет сократить потери продукта и снизить его себестоимость за счет уменьшения расхода плазмообразующего газа.

Формула изобретения

Способ произро дства кремния, вклю- чаю1 1 1й генерирование газовой плазмы

в реакторе, инжектирование кремнезем- содержащето сырья и твердого углерод- содержащего восстановителя, о т л и- ч а ю Ft и и с я тем, что, с целью сокращения потерь и снижения себестоимости продукта за счет сокращения расхода газа, генерирование газовой плазмы осуществляют, при помощи электродов, установленных в верхней и нижней частях корпуса реактора.

1602391

снабженного полыми графитовыми трубками, установленным - вертикально по его периферии, и инжектирование реагентов осуществляют сначала в виде смеси, срдержащий 20 мас.% избытка восстановителя от стехиометрии, а затем только в виде кремйеземсодержа- щего сырья в количестве, обеспечивающем стехнометрическое отношение реагентов в плазме.

Изобретение относится к плазменному производству кремния, применяемого в солнечных элементах, и позволяет снизить потери и себестоимость продукта за счет сокращения расхода газа. Непосредственно в плазму и в реактор, снабженный электродами для генерирования плазмы, установленными в верхней и нижней частях корпуса реактора, а также полыми графитовыми трубками, установленными вертикально по его периферии, подают сначала смесь углеродсодержащего восстановителя и кремнезема, содержащую 20 мас.% избытка восстановителя, а затем только кремнеземсодержащее сырье в количестве, обеспечивающем стехиометрическое отношение реагентов в плазме. 2 ил.

Г

Фиг.1

Фиг. 2