Procedimiento de purificación de silicio para aplicaciones fotovoltaicas.

Procedimiento de purificación de silicio por exposición de silicio líquido (3) a un plasma (20),

caracterizado por que el silicio (3) fluye de manera continua en un canal (4) de tal manera que su superficie libre esté expuesta al plasma (20), siendo la relación entre el tiempo de exposición al plasma y el grosor del silicio en el canal tal que las impurezas tengan el tiempo de difundirse hacia la superficie para ser volatilizadas y eliminadas

Procedimiento de purificación de silicio para aplicaciones fotovoltaicas.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de purificación de silicio para aplicaciones fotovoltaicas. Antecedentes de la invención

Las aplicaciones fotovoltaicas - células solares fotovoltaicas - necesitan un silicio de pureza muy elevada, designada por la expresión "SoG-silicium" (acrónimo del término anglosajón "Solar Grade"). Típicamente, el contenido en impurezas debe ser del orden de 1'6 a 1 5, es decir del orden de 1 a 1 ppm. Se trata de un contenido medio, no teniendo todos los elementos incluidos en el silicio la misma nocividad. Por ejemplo, el contenido en tungsteno (W) debe ser inferior a ,1 ppm, en fósforo (P) inferior a 5 ppm y el contenido en boro (B) inferior a 1 ppm.

Para obtener un silicio de esta calidad, se conoce utilizar unos residuos de silicio de calidad electrónica.

Sin embargo, la demanda industrial de silicio de calidad fotovoltaica se ha vuelto tan elevada que estos residuos están en cantidad insuficiente para responder a la demanda del mercado; esta escasez se traduce en particular por una fuerte subida de los precios del silicio de calidad fotovoltaica.

Por otra parte, existe un procedimiento metalúrgico que consiste en gasificar el silicio, en efectuar una destilación de con el fin de un cloro-silano que debe después ser convertido en sllano (SiH4), y después sufrir un craqueo, permitiendo así obtener un polvo de silicio.

Sin embargo, este procedimiento se caracteriza por un gran número de operaciones, y la emisión de cloro durante la conversión del cloro-silano en silano. Además, la calidad del silicio metalúrgico es inferior a la calidad requerida para las aplicaciones fotovoltaicas.

Por lo tanto, se han desarrollado unos procedimientos, que consisten en someter silicio líquido al flujo de una antorcha de plasma en la que se añaden unos gases reactivos susceptibles de provocar la volatilización de las impurezas.

La reacción se produce en la interfaz líquido-plasma y necesita la renovación rápida de los gases y del líquido en esta interfaz.

Esta renovación se obtiene mediante una agitación electromagnética o una agitación por inyección de gas en el silicio líquido.

Sin embargo, se trata de un procedimiento discontinuo, denominado tratamiento por"batch". En efecto, el silicio está contenido en un crisol. La duración del tratamiento depende directamente de la superficie libre y del volumen del crisol.

Para lograr un procedimiento casi continuo, el documento JP 11-29195 propone la colocación en cascada de varios crisoles de silicio. Cada uno de estos crisoles está equipado de cañones de electrones, cuya función es asegurar el calentamiento de la sílice y la evaporación del fósforo.

Sin embargo, esta solución no es óptima, ya que si el silicio no es renovado en la superficie, la eficacia (es decir la velocidad de purificación) disminuye rápidamente, y cualquier agitación provoca, en el Interior de un mismo crisol, la mezcla entre el silicio no purificado y el silicio purificado.

La multiplicación del número de crisoles permite reducir esta dificultad pero hace el procedimiento complejo. Necesita en particular unas operaciones de manutención numerosas y costosas. Multiplica por otra parte las fuentes, cañones de electrones o antorchas de plasma.

Uno de los objetivos de la invención es por lo tanto proponer un procedimiento de purificación de silicio que permita suprimir la mayoría de las operaciones de manutención. Otro objetivo de la invención es garantizar la ausencia de contaminación del silicio purificado por el silicio no purificado.

Breve descripción de la invención

De acuerdo con la invención, se propone un procedimiento de purificación de silicio por exposición de silicio líquido a un plasma, estando dicho procedimiento caracterizado por que el silicio fluye de manera continua en un canal, de tal manera que su superficie libre esté expuesta al plasma.

El caudal Q de silicio, la longitud L y la anchura I del canal están relacionados con la variación de la concentración C de Impureza mediante la relación:

en la que Co es la concentración inicial de la impureza y k es la constante de tiempo de purificación.

Según un primer modo de realización de la invención, una pluralidad de antorchas de plasma, que generan unos chorros de plasma, están dispuestas frente a la superficie libre del silicio.

De manera preferida, dichas antorchas están dispuestas al tresbolillo por encima del canal, de tal manera que los chorros de plasma cubren la anchura del canal.

Se puede efectuar, en la parte aguas arriba del canal, un tratamiento oxidante del silicio y, en su parte aguas abajo, una desoxigenación del silicio. Dicho tratamiento oxidante comprende la inyección, en el plasma, de oxígeno y de hidrógeno o de vapor de agua, o de una mezcla de estos gases. La desoxigenación comprende la exposición de un plasma de argón o de argón-hidrógeno.

Según otro modo de realización de la invención, el canal está dispuesto en una cuba circular provista de deflectores.

En este caso, dicha cuba está expuesta al plasma generado por una antorcha, de tal manera que el plasma generado por esta antorcha cubra una superficie cuyo diámetro es superior o igual al de la cuba.

De manera particularmente ventajosa, se controla el caudal de silicio en la entrada y/o en la salida del canal.

Otro objeto se refiere a un dispositivo de purificación de silicio, que comprende:

- un medio de alimentación de silicio líquido,

- un canal para la fluidez del silicio,

- unos medios de generación de plasma,

en el que el canal y los medios de generación del plasma están dispuestos de tal manera que la superficie libre del silicio que fluye en el canal esté expuesta al plasma.

El dispositivo comprende ventajosamente unos medios de control del caudal de silicio en la entrada y/o en la salida del canal.

El caudal Q de silicio, la longitud L y la anchura I del canal están relacionados con la variación de la concentración C de impureza mediante la relación:

en la que Co es la concentración Inicial de la impureza y k es la constante de tiempo de purificación.

Según un primer modo de realización del dispositivo, el plasma está generado por una pluralidad de antorchas dispuestas al tresbolillo por encima del canal.

Preferentemente, las antorchas situadas en la parte aguas arriba del canal comprenden unos medios de inyección, en el plasma, de un gas oxidante y la antorcha más aguas abajo comprende unos medios de inyección, en el plasma, de un gas desoxigenante.

Según otro modo de realización posible del dispositivo, el canal está dispuesto en el interior de una cuba circular por medio de deflectores, y el plasma está generado por una antorcha cuyo diámetro de flujo es superior o igual al de la cuba.

Según una variante, el canal está dispuesto en el interior de varias cubas circulares sucesivas provistas de deflectores.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la invención aparecerán a partir de la descripción detallada siguiente, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es una vista general del dispositivo de acuerdo con la invención,

- la figura 2 ilustra un primer modo de realización de la invención,

- la figura 3 ilustra un segundo modo de realización de la invención,

- la figura 4 presenta dos secciones longitudinales del canal con dos modos de realización posibles del fondo,

- la figura 5 es un gráfico que compara los rendimientos de los diferentes procedimientos.

Descripción detallada de la invención

En referencia a la figura 1, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende un dispositivo 1 de fusión del silicio 3, un canal 4, unos medios 2 de generación de plasma, un molde para la solidificación del silicio (no representado).

Dispositivo de fusión del silicio

El dispositivo comprende en primer lugar un dispositivo 1 de fusión que permite hacer fundir el silicio sólido. Este dispositivo de fusión es conocido en sí mismo y por lo tanto no será objeto de una descripción detallada.

Comprende un crisol refractario, por ejemplo de sílice o de carbono, en el interior del cual los bloques de silicio se funden por calentamiento eléctrico directo o por inducción. La inducción presenta la ventaja de procurar una agitación que mejora la transferencia de calor.

El crisol se alimenta continuamente con bloques de silicio con el fin de mantener un nivel de líquido constante... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de purificación de silicio por exposición de silicio líquido (3) a un plasma (2), caracterizado por que el silicio (3) fluye de manera continua en un canal (4) de tal manera que su superficie libre esté expuesta al plasma (2), siendo la relación entre el tiempo de exposición al plasma y el grosor del silicio en el canal tal que las impurezas tengan el tiempo de difundirse hacia la superficie para ser volatilizadas y eliminadas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el caudal (Q) de silicio, la longitud (L) y la anchura (I) del canal (4) están relacionados con la variación de concentración (C) de impureza mediante la relación:

en la que Co es la concentración inicial de la impureza y k es la constante de tiempo de purificación.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que una pluralidad de antorchas de plasma (2) que generan unos chorros de plasma (2) están dispuestas frente a la superficie libre del silicio (3).

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que las antorchas (2) están dispuestas al tresbolillo por encima del canal (4) de tal manera que los chorros de plasma (2) cubren la anchura del canal (4).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que en la parte aguas arriba del canal se efectúa un tratamiento oxidante del silicio, y por que en la parte aguas abajo del canal se efectúa una desoxigenación del silicio.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que el tratamiento oxidante comprende la inyección, en el plasma (2), de oxígeno y de hidrógeno o de vapor de agua, o de una mezcla de estos gases.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que la desoxigenación comprende la exposición a un plasma (2) de argón o de argón-hidrógeno.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el canal (4) está dispuesto en una cuba circular (5) provista de deflectores (5).

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado por que la cuba (5) está expuesta al plasma (2) generado por una antorcha (2), cubriendo dicho plasma una superficie cuyo diámetro es superior o igual al de dicha cuba.

1. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que se controla el caudal de silicio a la entrada y/o a la salida del canal (4).

11. Dispositivo de purificación de silicio, caracterizado porque comprende:

- un medio (1) de alimentación de silicio líquido (3);

- un canal (4) para el flujo del silicio;

- unos medios (2) de generación de plasma (2);

estando el canal (4) y los medios (2) de generación de plasma dispuestos de tal manera que la superficie libre del silicio (3) que fluye en el canal (4) esté expuesta al plasma (2).

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por que comprende unos medios de control del caudal de silicio a la entrada y/o a la salida del canal (4).

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado por que el plasma está generado por una pluralidad de antorchas dispuestas al tresbolillo por encima del canal.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado por que las antorchas (2) situadas en la parte aguas arriba del canal (4) comprenden unos medios de inyección, en el plasma (2), de un gas oxidante, y por que la antorcha más aguas abajo comprende unos medios de inyección, en el plasma, de un gas desoxigenante.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado por que el canal (4) está dispuesto en el interior de una cuba circular (5) por medio de deflectores (5), y por que el plasma (2) está generado por una antorcha (2) cuyo diámetro de flujo es superior o igual al de la cuba.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado por que el canal (4) está dispuesto en el Interior de vahas cubas circulares (5) sucesivas provistas de deflectores (5).