Método para obtener materia prima de silicio para células solares.

Un método para la producción de una materia prima de silicio, siendo la materia prima de silicio para laproducción de lingotes de silicio solidificados direccionalmente por el método de Czochalski, por zona de flotación omulti-cristalino, láminas de silicio delgadas o cintas para la producción de obleas de silicio para células solaresfotovoltaicas, caracterizado porque el silicio de grado metalúrgico producido en un horno de arco eléctrico medianteun horno de reducción carbotérmica y que contiene hasta 300 ppm

(átomos) de boro y hasta 100 ppm (átomos) defósforo se somete a las siguientes etapas de refino:

a) tratamiento del silicio de grado metalúrgico con una escoria de calcio-silicato para reducir el contenido de boro delsilicio a entre 0,3 ppm (átomos) y 5,0 ppm (átomos);

b) solidificar el silicio tratado con escoria de la etapa a);

c) lixiviar el silicio de la etapa b) en al menos una etapa de lixiviación mediante una disolución de lixiviación ácidapara eliminar las impurezas;

d) fundir el silicio de la etapa c);

e) solidificar el silicio fundido de la etapa d) en la forma de un lingote mediante solidificación direccional;f) eliminar la parte superior del lingote solidificado de la etapa e) para proporcionar un lingote de silicio que contiene0,3 a 5,0 ppm (átomos) de boro y 0,5 a 3,5 ppm (átomos) de fósforo, menos de 150 ppm (átomos) de elementosmetálicos y menos de 100 ppm (átomos) de carbono distribuidos en el material;

g) triturar y/o tamizar el silicio de la etapa f).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/NO2004/000003.

Solicitante: ELKEM AS.

Nacionalidad solicitante: Noruega.

Dirección: HOFFSVEIEN 65 B 0377 OSLO NORUEGA.

Inventor/es: FRIESTAD, KENNETH, ENEBAKK,ERIK, TRONSTAD,RAGNAR, ZAHEDI,CYRUS, DETHLOFF,CHRISTIAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/042 (Módulos fotovoltaicos o conjuntos de células individuales fotovoltaicos (las estructuras de soporte de los módulos fotovoltaicos H02S 20/00))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > C30B15/00 (Crecimiento de monocristales por estirado fuera de un baño fundido, p. ej. método de Czochralski (bajo un fluido protector C30B 27/00))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > C30B11/00 (Crecimiento de monocristales por simple solidificación o en un gradiente de temperatura, p. ej. método de Bridgman-Stockbarger (C30B 13/00, C30B 15/00, C30B 17/00, C30B 19/00 tienen prioridad; bajo un fluido protector C30B 27/00))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > C01B33/00 (Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen prioridad; persilicatos C01B 15/14; carburos C01B 31/36))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen... > C01B33/037 (Purificación (por fusión de zona C30B 13/00))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > Monocristales o materiales policristalinos homogéneos... > C30B29/06 (Silicio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > C30B13/00 (Crecimiento de monocristales por fusión de zona; Afinado por fusión de zona (C30B 17/00 tiene prioridad; por cambio de la sección transversal del sólido tratado C30B 15/00; bajo un fluido protector C30B 27/00; crecimiento de materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada C30B 28/00; afinado por fusión de zona de materiales específicos, ver las subclases apropiadas para estos materiales))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/0256 (caracterizados por los materiales)

PDF original: ES-2441725_T3.pdf

 

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Método para obtener materia prima de silicio para células solares.

Fragmento de la descripción:

Método para obtener materia prima de silicio para células solares Campo de la técnica La presente invención se refiere a un método para la producción de materia prima de silicio para la producción de 5 obleas para células solares.

Antecedentes de la técnica En los últimos años, las células solares fotovoltaicas se han producido a partir de polisilicio de grado electrónico ultra puro virgen (EG-Si, del inglés electronic grade) complementado con trozos, recortes y rechazos adecuados procedentes de la industria del circuito integrado electrónico. Como resultado de la reciente recesión experimentada 10 por la industria de la electrónica, la capacidad de producción sobrante de polisilicio se ha adaptado para proporcionar grados de menor coste adecuados para la fabricación de células solares fotovoltaicas. Esto ha traído un alivio temporal a un mercado de otro modo forzado hacia calidades de materias primas de silicio de grado solar (SoG-Si, del inglés solar grade) . Con la demanda de dispositivos electrónicos regresando a los niveles normales, se espera que una parte importante de la capacidad de producción de polisilicio se asigne de nuevo a abastecer la industria electrónica, dejando a la industria fotovoltaica escasa en el suministro. La falta de una fuente de SoG-Si específica y de bajo coste y el desarrollo del desajuste resultante en el suministro se consideran hoy en día como uno de los más serios obstáculos para el crecimiento de la industria fotovoltaica.

En los últimos años, se han hecho varios intentos de desarrollar nuevas fuentes para el SoG-Si que sean independientes de la cadena de valor de la industria de la electrónica. Los esfuerzos abarcan la introducción de 20 nuevas tecnologías a las actuales rutas del procesado de polisilicio para reducir significativamente el coste, así como el desarrollo de procesos de refino metalúrgicos que purifiquen el abundantemente disponible silicio de grado metalúrgico (MG-Si, del inglés metallurgical grade) al necesario grado de pureza. Hasta el momento no se ha logrado reducir significativamente el coste de producción al mismo tiempo que proporcionar una adecuada pureza para la materia prima de silicio que se ajuste al requisito del rendimiento de las células solares fotovoltaicas producidas a partir de las calidades actuales de las materias primas convencionales de silicio.

El Documento de Patente de los EE.UU. de número US 4.247.528 describe la reducción de sílice en un reactor de arco directo, usando carbono. El documento de patente europea de número EP 1288163 describe un sistema para producir silicio purificado. El documento de patente de los EE.UU. de número US 2002/0021996 discute un método de purificar silicio por alimentación de un gas de inyección en un fundido líquido que contiene silicio fundido impuro.

El documento de patente de los EE.UU. de número US 5.788.945 describe la eliminación de las impurezas del silicio mediante tratamiento con escorias. El documento de patente de los EE.UU. de número US 5.961.944 se refiere a un proceso y aparato para la producción en continuo de silicio policristalino a partir de silicio metálico u óxido de silicio y para la fabricación de una oblea mediante el uso del mismo.

En la producción de células solares fotovoltaicas se prepara, funde y solidifica direccionalmente una carga de materia prima de SoG-Si en un lingote cuadrado en un horno de fundición especializado. Antes de la fusión, la carga que contiene la materia prima de SoG-Si se dopa con boro o fósforo para producir lingotes de tipo-p o lingotes de tipo-n, respectivamente. Con pocas excepciones, las células solares comerciales producidas hoy en día se basan en material de lingotes de silicio de tipo-p. La adición del único agente dopante (por ejemplo, boro o fósforo) se controla para obtener una resistividad eléctrica preferida en el material, por ejemplo en el intervalo entre 0, 5-1, 5 ohm cm.

Esto se corresponde a una adición de 0, 02-0, 2 ppm (átomos) de boro cuando se desea un lingote de tipo-p y se usa una materia prima de SoG-Si de una calidad intrínseca (silicio prácticamente puro con un contenido insignificante de agentes dopantes) . El procedimiento de dopaje supone que el contenido del otro agente dopante (en este ejemplo el caso del fósforo) es insignificante (P <1/10 B) .

Si se usa una materia prima de SoG-Si de un único agente dopante de una resistividad dada en diversos niveles de 45 adición en la carga, la adición del agente dopante se ajusta para tener en cuenta la cantidad del agente dopante ya presente en el material de materia prima pre-dopada.

Las calidades de la materia prima de un único agente dopante de tipo-n y de tipo-p también se pueden mezclar en la carga para obtener un denominado lingote "compensado". El tipo y la resistividad de cada componente de la mezcla de carga se deben conocer para obtener las propiedades deseadas del lingote.

Después de la colada, el lingote solidificado se corta en bloques con la huella de las células solares resultantes, por ejemplo, con un área de superficie de 125 mm x 125 mm. Los bloques se cortan en obleas mediante un equipo comercial de sierra multi-hilo.

Las células solares fotovoltaicas se producen a partir de las obleas en una serie de etapas de proceso de las cuales las más importantes son el decapado químico de la superficie, la difusión del emisor de POCl3, la deposición del

PECVD SiN, el aislamiento de los bordes y la formación de los contactos en el parte frontal y posterior.

Descripción de la invención Por la presente invención se ha encontrado ahora que se pueden producir células solares fotovoltaicas que satisfacen los objetivos de eficacia comercial a partir de una materia prima de SoG-Si producida a partir de silicio de grado metalúrgico por medio de los procesos de refino metalúrgico diseñados específicamente para la aplicación de materia prima de energía de tipo solar fotovoltaica.

La presente invención se refiere a un método para la producción de una materia prima de silicio, siendo la materia prima de silicio para la producción de lingotes de silicio solidificado direccionalmente por el método de Czrochralski, por zona de flotación o multi-cristalino, láminas de silicio delgadas o cintas para la producción de obleas de silicio para células solares fotovoltaicas, cuyo método está caracterizado porque el silicio de grado metalúrgico producido en un horno de arco eléctrico mediante un horno de reducción carbotérmica y que contiene hasta 300 ppm (átomos) de boro y hasta 100 ppm (átomos) de fósforo se somete a las siguientes etapas de refino:

a) tratamiento del silicio de grado metalúrgico con una escoria de calcio-silicato para reducir el contenido de boro del silicio a entre 0, 3 ppm (átomos) y 5, 0 ppm (átomos) ;

b) solidificar el silicio tratado con escorias de la etapa a) ;

c) lixiviar el silicio de la etapa b) en al menos una etapa de lixiviación mediante una disolución de lixiviación ácida para eliminar impurezas;

d) fundir el silicio de la etapa c) ;

e) solidificar el silicio fundido de la etapa d) en la forma de un lingote mediante solidificación direccional;

f) eliminar la parte superior del lingote solidificado de la etapa e) para proporcionar un lingote de silicio que contiene 20 0, 3 a 5, 0 ppm (átomos) de boro, 0, 5 a 3, 5 ppm (átomos) de fósforo y menos de 150 ppm (átomos) de elementos metálicos y menos de 100 ppm (átomos) de carbono distribuidos en el material;

g) triturar y/o tamizar el silicio de la etapa f) .

Se ha encontrado que la materia prima de silicio producida según este método es muy adecuada para la producción de lingotes solidificados direccionalmente, láminas delgadas y... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para la producción de una materia prima de silicio, siendo la materia prima de silicio para la producción de lingotes de silicio solidificados direccionalmente por el método de Czochalski, por zona de flotación o multi-cristalino, láminas de silicio delgadas o cintas para la producción de obleas de silicio para células solares fotovoltaicas, caracterizado porque el silicio de grado metalúrgico producido en un horno de arco eléctrico mediante un horno de reducción carbotérmica y que contiene hasta 300 ppm (átomos) de boro y hasta 100 ppm (átomos) de fósforo se somete a las siguientes etapas de refino:

a) tratamiento del silicio de grado metalúrgico con una escoria de calcio-silicato para reducir el contenido de boro del silicio a entre 0, 3 ppm (átomos) y 5, 0 ppm (átomos) ;

b) solidificar el silicio tratado con escoria de la etapa a) ;

c) lixiviar el silicio de la etapa b) en al menos una etapa de lixiviación mediante una disolución de lixiviación ácida para eliminar las impurezas;

d) fundir el silicio de la etapa c) ;

e) solidificar el silicio fundido de la etapa d) en la forma de un lingote mediante solidificación direccional;

f) eliminar la parte superior del lingote solidificado de la etapa e) para proporcionar un lingote de silicio que contiene 0, 3 a 5, 0 ppm (átomos) de boro y 0, 5 a 3, 5 ppm (átomos) de fósforo, menos de 150 ppm (átomos) de elementos metálicos y menos de 100 ppm (átomos) de carbono distribuidos en el material;

g) triturar y/o tamizar el silicio de la etapa f) .

Figura 1 Figura 2