[发明专利]制备太阳能级硅的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及制备硅的方法，特别涉及制备太阳能级硅(solar gradesilicon)的方法。

背景技术

硅用在将太阳能转换为电能的太阳能电池中。太阳能电池中所使用的硅具有被称为“太阳能级”的质量，其纯度大于约99.999％。对于太阳能级硅来说，含有极少量的元素周期表第III族和第V族中的电活性元素，尤其是硼和磷是尤为重要的，因为这些杂质的存在会给太阳能电池的性能带来不利影响。

太阳能电池和基于太阳能电池的装置的广泛使用在很大程度上依赖于太阳能级硅的可获得性和成本。2005年，光电工业使用了超过15,000吨的硅，并以每年约30％的速率增长。制备太阳能级硅的一些方法是已知的，但是大多数这些方法都具有一个或多个涉及工艺的缺点。这些方法中的一些是基于如二氧化硅的含硅化合物的碳热还原，并可能要求原材料具有高纯度以制备太阳能级硅。

因而，需要提供一种能解决太阳能级硅制备中一个或多个前述问题的方法。

发明内容

根据本发明的实施方案，提供一种制备硅的方法。该方法包括提供包含许多颗粒的起始材料，该颗粒包含二氧化硅和置于至少一些颗粒之上的涂层，该涂层包含碳。该方法进一步包括加热起始材料以形成包含二氧化硅和碳化硅的中间产物。该方法进一步包括使中间产物反应以形成硅。

附图简述

参考附图阅读下述详细说明后，可以更好地理解本发明中的这些和其它特性、方面和优点，其中在所有附图中同样的附图标记代表同样的部分，其中：

图1是根据发明的实施方案制备硅的方法的流程图；和

图2是依照发明的实施方案制备硅的装置。

具体实施方式

在下述说明书和其后面的权利要求中，将提及应定义具有下述含义的许多术语。单数形式“一个”、“一种”和“该”也包括复数对象，除非上下文明确地另行规定。本文所使用的术语“总压”是指混合物中所有组分的分压之和。本文所使用的术语“分压”是指相对于总压某一特定组分的压力。

基于硅的太阳能工业的发展在一定程度上受太阳能级硅成本的限制。太阳能级硅的成本可归因于生产用原料的成本以及加工成本。硅制备中典型的原料包括硅源和碳源。采用较廉价原料的方法可能会需要较昂贵的加工条件以纯化所得到的硅。本发明的实施方案解决了这些和其它问题。

根据本发明的实施方案，通过使用烃物种(hydrocarbon species)还原二氧化硅制备太阳能级硅。烃物种与其它碳源例如高纯碳黑相比相对便宜。而且液态或气态烃物种更易于以高纯形式得到。在本发明的再一个实施方案中，通过使用粒状原料来改善原料在反应器中的填充，这可以进一步降低加工成本。

现在转向附图，图1是根据本发明实施方案，制备太阳能级硅的方法的流程图10。在步骤12，提供置于反应器中的包括许多颗粒和置于至少部分颗粒之上的涂层的起始材料。本文所使用的术语“颗粒”指起始材料的单个单元，其例如与材料的固体连续体如大块不同；此处所使用的该术语包括从尺寸为微米级(例如，325目的粉末)的极小的粉末微粒到尺寸为厘米级的相对大的的材料丸粒的单元。在一些实施方案中，所述许多颗粒具有在约1微米至约150微米范围内的中值粒度(median granule size)。所述许多颗粒可包含纯二氧化硅，并可通过研磨较大的二氧化硅粒子制备。所述颗粒可额外地在无机酸中洗涤以提高二氧化硅纯度，所述无机酸例如但不限于硝酸，盐酸，氢氟酸，王水，氟硅酸，硫酸，高氯酸，磷酸及它们的任意组合。在某些其它实施方案中，所述颗粒是团聚体(agglomerate)，如球团(pellet)。该球团的中值粒度通常为厘米级。在一些实施方案中，通过如下方式形成团聚体：将二氧化硅粉末或粒子与粘合剂混合以形成混合物，并通过蒸发溶剂、或通过焙烧、或通过加热将混合物干燥、部分分解或分解粘合剂。粘合剂的例子包括烃类、糖类、纤维素、碳水化合物、聚乙二醇、聚硅氧烷和聚合物材料。在一些实施方案中，起始材料具有在约150微米至约1毫米范围内的中值粒度。在某些实施方案中，起始材料具有在约1毫米至约5毫米范围内的中值粒度。在其它实施方案中，起始材料具有在约5毫米至约5厘米范围内的中值粒度。

起始材料的纯度对于最终的太阳能级硅的性能可具有显著影响。在一些实施方案中，起始材料的纯度为约99.999％。在另一实施方案中，起始材料的纯度大于约99.9999％。同样希望起始材料中硼和磷的量低于一定界限。通常所述界限在约十亿分之五十至约十亿分之五百的范围内。