Исследование и разработка метода получения кремния для солнечной энергетики карботермическим восстановлением с последующим плазменным рафинированием

• Автор: Абдюханов, Ильдар Мансурович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 249 с. : ил.

Содержание
Введение..

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Анализ возможных технологических схем

производства солнечного кремния.

1.2. Кремнийсодержащие сырье для производства

солнечного кремния

1.2.1. Требования к кремнезему, как к сырью для производства солнечного кремния

1.2.2. Структура, свойства и нахождение в природе кремнезема

Т.2.3. Структура и свойства других оксидов кремния

1.3. Углеродсодержащие восстановители и их свойства

1.3.1. Требования к восстановителю для получения солнечного кремния карботермическим восстановлением кремнезема.
1.3.2. Сажа.
1.3.3. Графит.
1.3.4. Карбид кремния.
1.4. Описание процессов, протекающих при карботермическом восстановлении кремнезема.
1.5. Особенности процессов очистки кремния, полученного карботермическим восстановлением кремнезема, до уровня
солнечного кремния
Выводы к главе 1
Глава 2. Использованные материалы, методики исследования
и установки для проведения экспериментов
2.1. Использованные материалы и методики исследования.
2.2. Установка для плазменного восстановления
кремнезема метаном.
2.3. Печь с плазменным нагревом.
2.4. Резистивные печи.
Глава 3. Исследование плазменного восстановления кремнезема
газообразным восстановителем
3.1. Термодинамический анализ процесса плазменного
восстановления кремнезема метаном.
3.2. Экспериментальное исследование процесса восстановления
кремнезема метаном в плазме высокочастотного разряда
Выводы к главе 3.
Глава 4. Термодинамика процессов, протекающих при
карботермическом восстановлении кремнезема при атмосферном и пониженном давлениях.
4.1. Влияние понижения давления на термодинамическую стабильность исходных веществ, промежуточных продуктов
и продуктов реакции карботсрмического восстановления.
4.2. Влияние давления на равновесные концентрации веществ
в системах, содержащих , С, О
4.3. Расчет технических параметров процесса
восстановления кремнезема карбидом кремния.
Выводы к главе 4.
Глава 5. Исследование процесса получения карбида кремния для
карботсрмического восстановления кремнезема
5.1. Получение и исследование карбида кремния с использованием
кокса фенол формальдегидной смолы в качестве восстановителя.
5.2. Получение и исследование карбида кремния с использованием
пироуглерода в качестве восстановителя.
5.3. Получение и исследование карбида кремния с использованием
сажи в качестве восстановителя.
Выводы к главе 5.
Глава 6. Исследование процесса карботермического
восстановления кремнезем.
6.1. Восстановление кремнезема в плазменной печи
6.2. Восстановление кремнезема в резистивной печи.
Выводы к главе 6.
Глава 7. Разработка процесса плазменного рафинирования
расплава кремния.
7.1. Анализ термодинамической возможности удаления
примесей в процессе плазменного рафинирования
7.2. Разработка устройства плазменного рафинирования . и экспериментальное исследование его
эффективности
Выводы к главе 7.
Основные выводы
Использованные источники.

Введение.
Актуальность


Основной проблемой этих технологии является невысокая скорость роста слоев осаждаемого кремния, Например, при использовании трихлорсилана она составляет около мкм/мин. К. Это приводит к тому, что стоимость солнечного кремния, полученного такими способами, даже при использовании способа, предложенного фирмой “Wacker”, значительно превышает стоимость кремния, полученного карботермическим восстановлением. Метод фирмы “Wacker” заключается в водородном восстановлении трихлорсилана в реакторе, имеющим большие площади осаждения и характеризуется высокой •*# производительностью [2]. Так как галогеноводороды, как правило, характеризуются высокой коррозионной активностью, то приходится принимать специальные меры по защите технологического оборудования от воздействия агрессивной среды. Гидрометаллургическое рафинирование кремния. Оно заключается, как правило, в измельчении исходного технического кремния и его последующей обработке в растворах кислот (соляной, плавиковой и т. Кроме кислот может использоваться перекись водорода, различные щелочи [1,2, , -]. Часто многократную кислотную обработку совмещают с промежуточными отжигами и окислением растравленной поверхности для более эффективного удаления примесей [, ]. Такие технологии не могут рассматриваться как перспективные, так как примеси бора, фосфора, марганца, титана и др. Обработка расплава кремния активными шлаками, в составе которых применяют различные соли, щелочи, окислы, фториды и т. Хотя этим способом можно несколько снизить концентрацию бора, но содержание примесей железа, хрома, марганца и др. Газовая экстракция примесей из кремния. Метод состоит в продувке расплава технического кремния активными газами [1, 2, 8, , , ]. В качестве реагентов используют: хлор, кислород, пары воды, углекислый газ, аммиак, аргон с парами воды и т. Часто такую обработку сочетают с выдержкой расплава кремния в условиях вакуума для снижения содержания фосфора. Продувкой расплава галогенсодержащими газами можно значительно снизить содержание примесей алюминия и кальция в кремнии. В [] сообщалось, что обработкой расплава технического кремния эквимолекулярной смесью кислорода и НС1(Г) удалось получить металл, содержащий ,% масс, кремния. Для снижения концентрации бора и фосфора в работе [] предложили использовать предварительное вакуумирование расплава кремния и его последующую обработку аммиаком и синтетическими шлаками. Однако, проведенные эксперименты показали, что концентрации бора и фосфора остались на уровне: - рртуу (бор) и - ррту (фосфор). В работе [] показано, что при использовании смеси аргона и паров воды получены обнадеживающие результаты по удалению бора из расплава кремния. Авторы [] добились снижения содержания бора в расплавленном кремнии до уровня ниже 0,3ррту при использовании смеси активных газов (каких именно не сообщается) и паров воды одновременно с обработкой расплава синтетическими шлаками. Однако, концентрация фосфора после такой обработки не изменилась и осталась на уровне - ррту. Авторы указали, что разработка технологии снижения концентрации бора в кремнии позволит использовать для производства солнечных элементов отходы полупроводникового кремния, сильно легированные бором. Такой материал стоит около 2долл/кг и содержит бор на уровне от до 0ррта, остальные примеси находятся на уровне, характерном для полупроводникового кремния, поэтому для производства из него солнечных элементов необходимо только снизить концентрацию бора до требуемых 0,1-0,Зррту. По оценкам [] такого материала достаточно для производства солнечных элементов в объеме 0МВатт/год. Одним из недостатков метода газовой экстракции является большая длительность процесса. В частности в работе [II] показано, что для достижения требуемого уровня содержания бора пришлось проводить процесс очистки -,5 часов. Это приводит к большим энергозатратам и повышает стоимость полученного кремния. Кроме того, в [, ] было показано, что необходимого понижения содержания бора в кремнии можно добиться только при одновременной обработке расплава газами и синтетическими шлаками. Использование шлаков также повышает стоимость операции очистки кремния.