Бесхлорное получение солнечного кремния

Презентация: Бесхлорное получение солнечного кремния

Введение

Существуют несколько основных способов получения поликристаллического кремния солнечного качества:

  1. Радиционные подходы, основанные на переводе металлургического кремния в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния;
  2. Доочистка металлургического кремния до необходимой чистоты;
  3. Получение кремния из особо чистого кварца путем его восстановления с последующей доочисткой.

Основным способом получения поликристаллического кремния является сейчас Siemens-технология в печах водородного восстановления трихлорсилана. Но экологическая небезопасность, большие расходы и технические трудности подготовки исходных реагентов и, как следствие, высокая себестоимость конечного продукта сдерживают рост объемов производства поликремния.

Общеизвесно, что основными источниками загрязнения поликремния являются примесные элементы, содержащиеся в сырьевых, технологических и вспомогательных материалах, используемых в процессе получения кремния. Это обстоятельство определяет невозможность получения чистого кремния в рудно-термических печах, в которых в настоящее время реализуется процесс прямого восстановления кварцитов с получением технического кремния.

Вместе с тем, технология прямого восстановления высококачественного кремнезема чистыми углеводородными восстановителями  может стать альтернативой классическому процессу получения поликремния в печах водородного восстановления трихлорсилана. В этом случае исключаются из процесса экологически вредные (хлорсодержащие) вещества и значительно снижается себестоимость конечной продукции.

Чистым углеводородным восстановителем может служить синтез-газ (смесь окиси углерода с водородом), получаемый из смеси особо чистых газообразных углеводородов и окислителей (кислорода, паров воды и др.) с помощью плазмотрона, работающего на смеси углеводород  и окислитель в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем протекание реакции конверсии, а также создающим высокий  необходимый для восстановления кварцитов уровень температур в печном пространстве.

                                                            Описание

Установка по бесхлорному получению кремния состоит из двух основных функциональных частей: технологической и системы электропитания. Технологическая часть представляет собой электродугову шахтную плазменную печь с внутренней футеровкой из графита. Печь оснащена механизмом поворота вокруг горизонтальной оси. На верхней крышке печи расположено загрузочное устройство и патрубок печных газов, ведущий в цеховую систему дожига и очистки отходящих газов. Снизу в печь подводится подовый электрод, а на приступке боковой поверхности корпуса печи расположен графитовый электрод – катод с механизмом его перемещения. На боковой стенке печи находятся газоподводящие трубки.

            Система электропитания включает в себя разделительный трансформатор, преобразователь и индуктивность.

Рабочие параметры:

Напряжение внешней питающей сети                                   380 В

Частота внешней питающей сети                                             50 Гц

Выпрямленное напряжение холостого хода                         220 В

Номинальный рабочий ток                                                      500 А

Пределы регулирования тока                                           100-500 А

Потребляемая мощность нагрузки                                          100 кВт

Охлаждение                                                                            водяное

Производительность по металлу                                        8,0 кг/ час

Перед разогревом печи сырье в печном пространстве отсутствует. После подачи напряжения на источник питания верхний электрод – катод опускается до касания с подом печи, имеющим электрический контакт с подовым электродом. При поднятии катода между ним и подом возникает дуговой разряд, который разогревает печное пространство. При разогреве в печь подается азот. По мере разогрева печи на подину подается измельченный лом кремния и после его расплавления привязка дуги осуществляется на поверхность кремния. С этого момента через загрузочное устройство в шахту печи подается кварцит, а вместо азота в печное пространство поступает смесь углеводорода с окислителем в соотношении, обеспечивающим образование синтез-газа. Кварцит, поступая от загрузочного устройства вниз по шахте печи, восстанавливается встречным потоком синтез-газа и кремний стекает на подину. Довосстановление провалившегося, но не прореагированного в шахте кварцита происходит в самом расплаве за счет восстановительной атмосферы в печном пространстве и активного перемешивания расплава под действием электродинамических сил тока разряда. По мере увеличения количества расплава кремния он через летку сливается в накопитель.

Как уже говорилось выше, чистота конечного продукта зависит главным образом от чистоты исходных материалов. При карботермическом способе производства кремния это кварцит и восстановитель. В настоящее время существуют способы глубокой очистки кварцитов при сохранении  невысокой стоимости конечного продукта. Так, например, московская фирма Quartz Park гарантирует очистку кварцита до величин 99,995% при цене конечного продукта не выше 2 долл/кГ. Производительность процесса очистки кварцита определяется запросом потребителя. Восстановителем в предлагаемом карботермическом процессе используется высокочистый  пироуглерод, получаемый высокотемпературным пиролизом любых углеводородов в плазменной струе.При необходимости доочистка полученного кремния будет проводиться на установке рафинирования известным способом – от бора в атмосфере аргона с 5% Н2О, от фосфора – в вакууме.

Предлагаемый  карботермический способ получения кремния защищен патентом Российской Федерации № RU2385291от 29.03.2010 «Способ получения кристаллического кремния высокой чистоты», авторы: Заддэ В.В., Стенин В.В., Стребков Д.С.

Данный карботермический способ  является более перспективным способом производства кремния по сравнению с хлоридными методами благодаря следующим преимуществам:

  • снижение затрат на производство кремния по сравнению с существующими технологиями;
  • снижение затрат на обслуживание оборудования;
  • минимизация затрат на строительство производства;
  • высокая энергоэффективность технологического процесса;
  • экологически чистое производство;
  • сокращение трудозатрат;
  • сокращение отходов производства;
  • возможность получения более чистой продукции по сравнению с традиционными способами.

 Резюме

Основные составляющие себестоимости конечного продукта будет стоимость кварцита, пироуглерода и затраченной электроэнергии. Для получения 1 кг кремния понадобится 2,5 кг кварцита – около 5 $, 1,0 кг пироуглерода – 4 $, 15 кВт-час электроэнергии – 3 $. С учетом затрат на зарплату и амортизационные отчисления ожидаемая себестоимость не превысит 15 $ кремния, что делает его конкурентноспособным даже с китайским кремнием.