Crisoles.

Un procedimiento de fabricación de un crisol para la cristalizacón de silicio, que comprende las etapas de:

- preparar una suspensión de sólidos y líquidos, consistiendo dichos sólidos en:

- polvo de silicio metálico,

- hasta 25%

(en p/p) de polvo de SiC,

- hasta 10% (en p/p) de SiN,

- hasta 0,5% (en p/p) de un catalizador,

- hasta 1% (en p/p) de un ligante,

- formar la suspensión en un cuerpo verde de un crisol;

- calentar el cuerpo verde en una atmósfera de nitrógeno, que comprende opcionalmente un gas inerte, para que el silicio reaccione al menos parcialmente para formar nitruro de silicio.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/073250.

Solicitante: Steuler Solar GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Georg-Steuler-Str. 39 56203 Höhr-Grenzhausen ALEMANIA.

Inventor/es: ROLIGHETEN,RUNE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > C30B35/00 (Aparatos no previstos en otro lugar, especialmente adaptados para la ejecución de los procesos de crecimiento, producción o tratamiento posterior de monocristales o de materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS;... > LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES,... > Productos cerámicos modelados, caracterizados por... > C04B35/591 (obtenidas por sinterización por reacción)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > ILUMINACION; CALENTAMIENTO; HORNOS; ESTUFAS > HORNOS, ESTUFAS, HOGARES O RETORTAS DE DESTILACION,... > Hornos de crisol; Hornos de balsa > F27B14/10 (Crisoles)

PDF original: ES-2535340_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Crisoles

La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de crisoles para la producción de lingotes de silicio y el crisol.

El silicio es un elemento con diverso uso industrial.

Un uso en es aplicaciones fotovoltaicas. Para la industria fotovoltaica se necesita silicio ultrapuro.

Debido a los problemas relacionados con el cambio climático y el suministro energético, la energía solar fotovoltaica está experimentando enormes desarrollos industriales. Para ser competitiva frente a las fuentes de energía tradicionales, es vital que el coste de la energía solar se reduzca.

Para la producción de células solares se emplea silicio policristalino y monocristalno. La cristalización del silicio se realiza generalmente mediante una cristalización en crisoles. Este procedimiento se basa en el efecto de que pueden producirse lingotes a partir de silicio fundido que se enfría lentamente. Es un procedimiento de solidificación direccional. Produce lingotes que se cortan en bloques más pequeños y después en obleas.

Para mantener la pureza del silicio, el crisol debe ser altamente inerte y deber permitir controlar un gradiente de temperatura durante la solidificación. Debido a que el crisol está en contacto directo con el silicio moldeado, el crisol puede ser una fuente de contaminación. El crisol debe ser químicamente inerte y soportar altas temperaturas de hasta 15 °C durante periodos de tiempo relativamente largos.

Los materiales típicos disponibles en el mercado son los crisoles fabricados con cuarzo (Si2). Durante la transformación de fase después del enfriamiento, el material de cuarzo generalmente se agrieta. Por tanto, los crisoles de cuarzo son de un solo uso. Las impureazas del material de cuarzo pueden difundirse hacia el material de la oblea, lo cual reduce la actuación eléctrica de las células solares.

Se han intentado introducir otros materiales, en especial nitruro de silicio (SÍ3N4) como material para crisoles.

El documento WO 27/148986 describe un crisol fabricado con un denominado "nitruro de silicio con enlaces nitruro". Según este documento, un material formado a partir de una suspensión de más del 6% en peso de partículas de nitruro de silicio y menos del 4% en peso de partículas de silicio se conforma en un crisol y se calienta en una atmósfera de nitrógeno.

El documento WO 24/16835 divulga un procedimiento para la producción de crisoles mediante la presión en seco de partículas de silicio, seguido de una conversión en nitruro de silicio.

El documento EP 268 166 divulga un material para la producción, por ejemplo, de crisoles que comprenden silicio, nitrógeno y oxígeno.

Además de estos intentos, aún no se han podido producir con éxito crisoles de nitruro de silicio que sean reutilizables y que permitan la producción de lingotes de alta calidad.

Un objeto de la presente invención es proporcionar crisoles que solucionen al menos algunas de las desventajas de la técnica anterior, en especial la producción de crisoles reutilizables y/o crisoles que permitan la producción de lingotes de silicio que tengan propiedades mejoradas.

Este objeto se resuelve mediante el procedimiento de la presente invención. El procedimiento de la presente invención es un procedimiento de fabricación de un crisol que comprende las etapas de:

- preparar una suspensión de sólidos y líquidos, consistiendo dichos sólidos en:

- polvo de silicio metálico,

- hasta 25% (en p/p) de polvo de SiC,

- hasta 1% (en p/p) de SiN,

- hasta ,5% (en p/p) de un catalizador,

- hasta 1% (en p/p) de un ligante,

- formar la suspensión en un cuerpo verde de un crisol;

- calentar el cuerpo verde en una atmósfera de nitrógeno, que comprende opclonalmente un gas Inerte, para que el silicio reaccione al menos parcialmente para formar nitruro de silicio.

Según la presente invención, en una primera etapa se prepara una suspensión. La suspensión comprende sólidos y líquidos. De los sólidos en el material, al menos 63,5% en peso es polvo de silicio metálico (partículas). A partir de una mezcla de sólidos y líquidos, los sólidos pueden recuperarse calentando la mezcla en una disposición abierta a una presión normal hasta una temperatura de 25 °C durante 24 h. De estos sólidos obtenidos de esta manera, al menos 63,5% en peso es polvo de silicio metálico.

El polvo de silicio metálico según la invención es un polvo de color gris plateado o gris oscuro con un brillo metálico. Puede comprarse en una serie de empresas con diferentes tamaños de partícula. Un polvo según la Invención es un material que tiene un tamaño de partícula de hasta 5 pm.

En algunas realizaciones, resulta útil emplear unos tamaños de partícula menores que 1 pm o menores que 45 pm. También es posible emplear diferentes tamaños de partícula del polvo de silicio u otros ingredientes juntos.

Según la invención, el polvo de metal de silicio se combina con un líquido. Un líquido preferido es el agua, pero también pueden emplearse disolventes orgánicos o mezclas de disolventes orgánicos con agua.

Las partículas generalmente se ofrecen en Intervalos de tamaño de partícula, por ejemplo, de a 1 pm, o de a 45 pm. En estos casos, las partículas tienen un tamaño de partícula de 1 pm o menor, o de 45 pm o menor, respectivamente.

En una realización, el tamaño de partícula se determina basándose en la mediana del tamaño de partícula. En este caso, la distribución del tamaño de partícula se analiza según ISO 9276-5.

La mediana de la masa del tamaño de partícula divide las partículas en dos mitades: 5% de la masa de las partículas es mayor, 5% de la masa de las partículas es menor. Esto también se designa como d5.

En este caso, la media del diámetro de la masa del tamaño de partícula debe estar preferiblemente entre 15 y 75

pm.

En otra realización, se emplea el intervalo de tamaño de partícula que aparece con más frecuencia para caracterizar una distribución del tamaño de partícula. Esto también se denomina "modo". Se prefiere un modo de tamaño de partícula de 15 a 75 pm.

Mezclando al menos dos distribuciones diferentes del tamaño de partícula, la distribución global del tamaño de partícula se convierte en al menos bimodal. Esto es especialmente preferido. En una mezcla bimodal, existen dos diámetros de partícula que aparecen con una frecuencia mayor que los tamaños de partícula vecinos.

En algunas realizaciones, la suspensión que se forma en un cuerpo verde comprende también polvo de SiC. Si está presente el polvo de SiC, este está presente en una cantidad de al menos 1%, preferiblemente al menos 5% en peso de los sólido. En algunas realizaciones, la cantidad de polvo de SiC es hasta 1% o hasta 2% o hasta 25% en peso de los sólidos.

La presencia de SiC aumenta aún más la conductividad térmica.

En algunas realizaciones, la mezcla comprende también un catalizador. Se ha descubierto que es suficiente una cantidad de aproximadamente hasta ,5% en peso de los sólidos. Un catalizador preferido es FeO.

En otras realizaciones, el material comprende un ligante. Un ligante puede ayudar a estabilizar el cuerpo verde. Una cantidad del ligante del 1,% en peso de la mezcla generalmente es suficiente. Los ligantes adecuados son, por ejemplo, dispersiones de polímeros acuosas.

Cualquier material orgánico se quema y se elimina del material durante la fase temprana de encendido y no está presente en el crisol final.

Es posible que el material para formar el cuerpo verde también comprenda nitruro de silicio. Se prefiere que no se utilice nitruro de silicio para la produción del cuerpo verde. La cantidad... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1.- Un procedimiento de fabricación de un crisol para la cristalizacón de silicio, que comprende las etapas de:

- preparar una suspensión de sólidos y líquidos, consistiendo dichos sólidos en:

- polvo de silicio metálico,

- hasta 25% (en p/p) de polvo de SiC,

- hasta 1% (en p/p) de SIN,

- hasta ,5% (en p/p) de un catalizador,

- hasta 1% (en p/p) de un ligante,

- formar la suspensión en un cuerpo verde de un crisol;

- calentar el cuerpo verde en una atmósfera de nitrógeno, que comprende opcionalmente un gas Inerte, para que el silicio reaccione al menos parcialmente para formar nitruro de silicio.

2.- El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el tamaño de partícula del polvo de silicio metálico está en el intervalo de a 1 pm, preferiblemente de a 45 pm.

3.- El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, en el que al menos 75% (en p/p) de los sólidos son polvo de silicio metálico.

4.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los sólidos comprenden hasta 15% (en p/p) de polvo de SiC.

5.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el catalizador es FeO y/o el ligante es una dispersión de polímeros acuosa.

6.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el gas inerte es seleccionado de argón, helio y sus mezclas.

7.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la presión del nitrógeno, que incluye opcionalmente un gas inerte, es entre 2 y 14 mbar.

8.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el calentamiento se realiza a unas temperaturas mayores que 15 °C, preferiblemente mayores que 125 °C, y más preferiblemente mayores que 14°C.

9.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el calentamiento se realiza durante 3 a 14 días a unas temperaturas mayores que 1 °C.

1.- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el polvo de silicio metálico tiene una distribución de tamaño de partícula bimodal o multimodal.

11.- Un crisol que puede obtenerse mediante el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1.

12.- El crisol de la reivindicación 11, que tiene una porosidad aparente del 14% al 25%, medida según ASTM C-2.

13.- El crisol de la reivindicación 11 o 12, que tiene una densidad de 2,3 a 2,6 kg/dm3

14.- El uso del crisol de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para la cristalización de silicio.

15.- El uso según la reivindicación 14, en el que el silicio es monocristalino.

16.- El uso según la reivindicación 14, en el que el silicio es policristalino.