Procedimiento de purificación de silicio metalúrgico por solidificación dirigida.

Procedimiento para la purificación de silicio metalúrgico (3) por solidificación dirigida con el fin de obtener silicio de calidad solar o fotovoltaica (6),

procedimiento caracterizado porque comprende una etapa de cristalización usando un germen de silicio (2) que recubre el fondo del crisol.

Procedimiento de purificación de silicio metalúrgico por solidificación dirigida

Ámbito técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de purificación de silicio metalúrgico por solidificación dirigida para obtener un silicio de calidad solar o fotovoltaica.

Estado de la técnica

Las células fotovoltaicas se fabrican generalmente a partir de silicio cristalizado. Los lingotes de silicio utilizados presentan mayoritariamente una estructura multicristalina: se encuentran constituidos por granos microcristalinos no orientadas, con un tamaño típico de alrededor de un centímetro, unidos entre sí por los límites de grano y siendo el resultado de un crecimiento columnar. Su crecimiento se lleva a cabo en un horno de cristalización, por ejemplo, de tipo HEM (del inglés «Heat Exchange Method», método de intercambio de calor) o de tipo Bridgman, que permite cristalizar una carga de silicio en un crisol con un gradiente de temperatura axial controlado, asegurando así un crecimiento columnar.

La cristalización comienza generalmente por una germinación de pequeños cristales que germinan a partir del fondo del crisol y, cuando se ha establecido un régimen estacionario de frente plano, el proceso continúa con el crecimiento de granos columnares de mayor tamaño.

Se distinguen tres tipos de silicio elemental en función de su contenido de impurezas metálicas:

- silicio metalúrgico, que presenta un contenido de impurezas metálicas superior al 0, 01 %,

- silicio de calidad solar, que presenta un contenido de impurezas metálicas comprendido entre el 0, 01 % y el 0, 000001 %,

- y el silicio microelectrónico, que presenta un contenido de impurezas metálicas inferior al 0, 000001 %.

Por otra parte, a menudo se entiende por silicio de calidad solar (SoG-Si, del inglés «Solar Grade Silicon») el material antes de la cristalización definitiva, y por silicio fotovoltaico (PV) el material después de la cristalización definitiva del sólido destinado a formar las células fotovoltaicas.

La materia prima utilizada para la cristalización del silicio de calidad solar a menudo procede de residuos microelectrónicos que, por consiguiente, presentan una pureza muy superior a la pureza requerida para las aplicaciones fotovoltaicas. Con el objetivo de hacer frente a la actual escasez de residuos de silicio microelectrónico y a la creciente demanda de silicio de calidad solar o fotovoltaica, se están buscando soluciones de purificación de silicio metalúrgico menos costosas y más sencillas que los procedimientos en fase gas utilizados en la actualidad.

El documento WO03/014019 propone un procedimiento de purificación por tratamiento con plasma seguido de una separación en lingotera. Sin embargo, incluso si se lleva el procedimiento de purificación por segregación hasta el límite, este procedimiento solo permite reducir el contenido de impurezas metálicas en un factor de 25, mientras que se puede prever una reducción mucho mayor habida cuenta de los coeficientes de partición en el silicio, de aproximadamente 10-5 para el hierro y de 10-4 para la mayor parte de las demás impurezas metálicas.

Una solución adoptada en el procedimiento PHOTOSIL®, descrita en el documento FR2831881, consiste en purificar el silicio metalúrgico mediante un proceso en fase líquida de tres etapas sucesivas. La primera consiste en fundir el silicio y, seguidamente, verterlo en una lingotera para segregar rápidamente las impurezas (en particular, las impurezas metálicas) . La segunda etapa de purificación se lleva a cabo por tratamiento con plasma en un baño líquido para obtener un silicio de calidad solar (SoG-Si) . Finalmente, la última etapa es la cristalización-segregación del silicio en un lingote multicristalino de calidad fotovoltaica (PV) . Sin embargo, la etapa de cristalización también presenta límites de purificación (factor de aproximadamente 100) a pesar del buen control de las condiciones térmicas en un horno de cristalización.

El documento GB 2084978 describe un procedimiento para la purificación de silicio que utiliza un germen y una interfase sólido/líquido semiesférica.

Asimismo, el documento EP 0748884 describe un sistema de control de la temperatura adaptado a una cristalización a partir de un germen monocristalino con el fin de aumentar la repetibilidad del crecimiento del silicio con excelentes propiedades cristalográficas.

Objeto de la invención

El objeto de la invención consiste en dar a conocer un procedimiento sencillo que permita purificar silicio metalúrgico con el fin de obtener silicio de calidad solar o fotovoltaica que presente una buena pureza.

De acuerdo con la invención, este objeto se consigue mediante las reivindicaciones adjuntas y, más particularmente, por el hecho de que el procedimiento comprende una etapa de cristalización usando por lo menos un germen de silicio, que presenta preferentemente una pureza de silicio de calidad al menos solar, que recubre el fondo del crisol.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características se extraerán más claramente de la descripción que viene a continuación de las formas particulares de realización de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos anexos, en los que:

- las figuras 1 y 2 representan, respectivamente, dos etapas de una forma de realización particular del procedimiento de acuerdo con la invención.

Descripción de una forma de realización preferente de la invención La figura 1 representa un crisol 1 para la purificación de silicio metalúrgico por solidificación dirigida para obtener un silicio de calidad solar o fotovoltaica que presente una pureza predeterminada. En una etapa de cristalización, se utiliza al menos un germen de silicio 2 que presenta preferentemente una pureza de calidad al menos solar.

el germen de silicio presenta, por ejemplo, una pureza de calidad solar o fotovoltaica (que presenta un contenido de impurezas metálicas comprendido entre el 0, 01 % y el 0, 000001 %) , o incluso una pureza de calidad microelectrónica (que presenta un contenido de impurezas metálicas inferior al 0, 000001 %) . En particular, se puede utilizar un germen 2 de calidad solar o fotovoltaica que presenta un contenido de impurezas metálicas inferior al 0, 01 %, por ejemplo del 0, 0001 %.

El germen de silicio 2 presenta, idealmente, una pureza superior o sustancialmente igual a la pureza predeterminada del silicio de calidad solar que se desea obtener.

En las figuras 1 y 2, por ejemplo, se utilizan tres gérmenes 2. Los gérmenes 2 de las figuras 1 y 2 están constituidos por obleas de silicio y se encuentran dispuestos sobre el fondo del crisol 1.

En la figura 1, el crisol se carga con silicio metalúrgico 3 que, preferentemente, se encuentra dispuesto sobre una capa intermedia 4 de silicio sólido de calidad al menos metalúrgica. La capa intermedia 4 se encuentra dispuesta sobre los gérmenes de silicio 2. La carga de silicio metalúrgico 3 se puede disponer en el crisol 1 en forma líquida o sólida.

Al calentar intensamente el crisol 1 a través de la parte superior, un frente de separación 5 entre una fase líquida superior y una fase sólida inferior desciende en la dirección del fondo del crisol 1, de manera que la capa intermedia 4 se funde progresivamente, como se ilustra en la figura 1.

Cuando la carga de silicio metalúrgico 3 (y cuando se encuentra presente la capa intermedia 4) se ha fundido por completo, el germen 2 comienza a fundirse. En este momento se aumenta la potencia de refrigeración a través del fondo del crisol, de manera que el frente de separación 5 entre las fases líquida y sólida se detenga en la parte superior del germen 2 y se desplace progresivamente hacia la parte superior del crisol 1, como se ilustra en la figura 2. De este modo, la fase sólida que se cristaliza en la parte inferior del crisol 1 es de silicio de calidad solar 6 o fotovoltaica.

La purificación se lleva a cabo durante la cristalización gracias al del germen 2 de silicio de calidad solar o fotovoltaica o microelectrónica que recubre el fondo del crisol 1. La ventaja del uso del germen de silicio 2, y en particular de calidad al menos solar, consiste en permitir una buena segregación del silicio metalúrgico 3. En efecto, en ausencia del germen sobre la totalidad del fondo del crisol, una fase transitoria de germinación heterogénea iniciada a partir del fondo del crisol 1 o del fondo de una lingotera, provoca la formación de un frente de solidificación desestabilizado, hecho que resulta perjudicial para la pureza del lingote obtenido, incluso si la posterior solidificación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la purificación de silicio metalúrgico (3) por solidificación dirigida con el fin de obtener silicio de calidad solar o fotovoltaica (6) , procedimiento caracterizado porque comprende una etapa de cristalización usando un germen de silicio (2) que recubre el fondo del crisol.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el germen de silicio (2) presenta una pureza de calidad al menos solar.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el germen de silicio (2) presenta una pureza de calidad al menos microelectrónica.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el germen de silicio (2) presenta una pureza de calidad solar o fotovoltaica.

5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, presentando el silicio de calidad solar o fotovoltaica (6) una pureza predeterminada, el germen de silicio (2) presenta una pureza al menos igual a la pureza predeterminada del silicio de calidad solar o fotovoltaica (6) .

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el germen de silicio (2) presenta una pureza sensiblemente igual a la pureza predeterminada del silicio de calidad solar o fotovoltaica (6) .

7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el germen de silicio (2) proviene de una cristalización anterior.

8. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el germen de silicio (2) está formado por una oblea de silicio.

9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende el uso de un germen (2) monocristalino o multicristalino con textura.

10. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se disponen de forma adyacente entre sí varios gérmenes (2) rectangulares.

11. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se dispone una capa intermedia (4) de silicio sólido de calidad al menos metalúrgica sobre el germen de silicio (2) y se dispone una carga de silicio metalúrgico (3) sobre la capa intermedia (4) .

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la capa intermedia (4) y el germen (2) están separados por un espacio predeterminado.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el espacio predeterminado se obtiene por medio de una gran rugosidad de una cara de la capa intermedia (4) dispuesta frente al germen (2) .

14. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende la medición de la temperatura al nivel del germen (2) y, cuando se detecta un aumento de la temperatura al nivel del germen (2) , el aumento de una potencia de refrigeración con el fin de iniciar la cristalización.

15. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque una cara inferior del germen (2) se coloca en contacto directo con un suelo conductor térmico.