[发明专利]用于制造高纯度硅的系统及方法

说明书

一种由包含固体SiOsubgt;2/subgt;的含SiOsubgt;2/subgt;材料生产硅的系统和方法。该方法使用反应容器，该反应容器包括第一部分和与第一部分流体连通的第二部分。该方法包括：在将固体SiOsubgt;2/subgt;转化为液体SiOsubgt;2/subgt;的足够的温度下，将包含固体SiOsubgt;2/subgt;的含SiOsubgt;2/subgt;材料加热成包含液体SiOsubgt;2/subgt;的含SiOsubgt;2/subgt;材料；在第一部分中，将液体SiOsubgt;2/subgt;转化成气态SiOsubgt;2/subgt;，其通过将反应容器中的压力降低到低于大气压的压力而流入所述第二部分；在第二部分中，使用还原气体将气态SiOsubgt;2/subgt;还原成液体硅。所述的压力降低在过渡压力的连续范围下进行，其足以由含SiOsubgt;2/subgt;的材料中蒸发污染物，并通过真空移除一种或多种蒸发的气态污染物。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月27日提交的题为“A SYSTEM AND METHOD FORMANUFACTURING HIGH PURITY SOLAR GRADE SILICON(SOG SI)”的美国临时申请号62/578,141的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

示例性实施方案关于用于生产高纯度硅(例如：用来作为高纯度太阳能级硅(solar grade silicon,SOG SI))的系统和方法。

背景技术

太阳能电池板和太阳能电池的制造需要高纯度的硅金属，以使其可以用于制造多晶硅(polycrystalline silicon(或polysilicon或poly-Si))。一般而言，硅金属是在真空电弧炉或直接电弧炉中，使用碳或焦炭与硅石或石英之间的碳热反应制造的。此类系统和方法在2016年8月8日提交的加拿大Pyrogenesis公司的PCT公开WO 2017/024378中举例说明，其通过引用整体并入本文。

已知的系统和方法需要既包含硅石或石英(SiO₂)又包含碳基还原剂(例如碳(C)的某种形式，例如，石墨、炭黑、焦炭等)的进料材料的初始反应加热过程。

进料材料(包括硅石砂或石英颗粒和碳基还原剂(例如：碳颗粒)的混合物)的加热，通常在坩埚中进行，其中该进料材料通过使用一个或多个电极的直接碳弧系统弧击穿进料材料(例如：埋弧(submerged arc))来进行反应加热。反应加热意味着将热量施加到硅石砂或石英颗粒与某种形式的碳的混合物。硅石与碳基还原剂(例如：碳颗粒)发生化学反应，使其可以还原成Si产物。

坩埚中的碳与硅石或石英(SiO₂)之间的高温反应导致Si和CO或CO₂以及许多其他可能的化合物的产生。理想的液体硅金属和许多不理想的化合物将排到坩埚的底部。这些不理想的化合物中的一些包括最初是进料材料的一部分的各种金属和其它元素，并且在某些情况下和在特定条件下，这些元素/化合物中的一些可以被蒸发。此外，作为反应物的一些碳本身也可成为不理想的硅-碳化合物(SiC)保留在所产生的材料中。收集在坩埚底部的熔融硅被定期抽出或排出。

在真空电弧炉或直接电弧炉中使用碳或焦炭与硅石或石英之间的碳热反应生产硅金属的已知系统和方法将从炉中产生各种温室气体如二氧化碳气体(CO₂)或一氧化碳气体(CO)成为主要副产物。因此，用于生产硅的已知碳热反应不是非常环保或环境友好的。

如果在这种方法中生产的硅用于太阳能电池板的应用，其中至少99.999％Si(即5N)的纯度水平可能是最低要求，因此抽出的液体硅金属需要进一步精炼或升级以移除各种污染物。