[發(fā)明專利]硅的制造方法和制造裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080049547.0
• 申請(qǐng)日: 2010-10-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102596805A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 山原圭二;藤本博己;片山利昭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 三菱化學(xué)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): C01B33/025
• 分類號(hào): C01B33/025;F27B3/08;F27B3/28;F27D11/08;H05B7/148
• 代理公司: 北京三友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 丁香蘭;孟偉青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高純度硅的制造方法和制造裝置。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能電池具有單位發(fā)電量的二氧化碳排放量少、且不需要發(fā)電用的燃料這樣的優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)其需求逐漸增大。目前，在實(shí)用化的太陽(yáng)能電池中，使用了單晶硅或多晶硅的、具有一組pn結(jié)的單結(jié)太陽(yáng)能電池正成為主流，隨著太陽(yáng)能電池需求的增大，硅的需求也正在增大。為了提高電池效率，太陽(yáng)能電池中使用的硅被要求具有高純度。

關(guān)于硅的制造方法，已經(jīng)提出了多種提案，其中一個(gè)提案有下述方法：通過(guò)使用了二氧化硅和碳材料的碳還原而得到粗精制硅。例如，在專利文獻(xiàn)1～4中，使用碳材料在電爐內(nèi)將二氧化硅熱還原，從而制造硅。

在這種制造方法中，作為碳材料，適當(dāng)混合通常使用的木炭、冶金焦炭、石油焦炭和煙煤等而使用，這些碳材料含有揮發(fā)成分和灰分。

因此，這些碳材料與高純度的碳材料相比電阻率大，能夠避免電極的浮起現(xiàn)象，容易確保適當(dāng)?shù)碾姌O前端與爐底間的距離。另外，碳材料的揮發(fā)成分在爐內(nèi)被熱分解，形成氫氣和一氧化碳?xì)怏w等，在較寬范圍內(nèi)上升到爐表面，促進(jìn)了電弧爐的均勻的爐內(nèi)氣體的散逸。此外，基于該目的，還有時(shí)混合碳材料的10～20質(zhì)量％的木片。

這些情況暗示：假如使用了高純度碳材料時(shí)，無(wú)法避免電極的浮起現(xiàn)象和均勻的爐內(nèi)氣體的散逸，爐的操作困難。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本國(guó)特開(kāi)昭57-111223號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本國(guó)特開(kāi)昭60-200818號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本國(guó)特開(kāi)昭61-117110號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)4：日本國(guó)特開(kāi)昭62-260711號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明要解決的課題

在專利文獻(xiàn)1～4中所記載的使用低純度原料的硅的制造方法中，所得到的硅的純度不能說(shuō)足夠高，因而要求一種能夠更容易地適用于太陽(yáng)能電池等的高純度的硅原料的制造方法。

因此，本發(fā)明人考慮，在硅的制造中，代替專利文獻(xiàn)1～4中所示那樣的以往所用的低純度原料，而使用高純度的原料，從而能夠制造高純度的硅。

即，認(rèn)為通過(guò)使用高純度的二氧化硅和高純度的碳，能夠制造高純度的硅，使用這樣的原料，進(jìn)行了在電弧爐內(nèi)實(shí)際制造硅的實(shí)驗(yàn)。

但是，使用這樣的高純度原料進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，會(huì)遇到以下問(wèn)題：例如根據(jù)下述反應(yīng)式(1)，在爐內(nèi)生成并蓄積導(dǎo)電性高的碳化硅(SiC)，該碳化硅與電弧爐電極接觸而引起短路，另外由于接觸解除而引起電流降低等，該短路和電流降低等在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行，由于這種電流的急劇變化(波動(dòng))而無(wú)法穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)制造裝置。

SiO₂+3C→SiC+2CO????…(1)

本發(fā)明是鑒于上述內(nèi)容而完成的，其課題在于提供一種能夠制造高純度硅、且能夠使裝置不停止而連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的硅的制造方法和制造裝置。

用于解決課題的方案

本發(fā)明人對(duì)于能夠制造高純度硅的條件、和用于使制造裝置不停止而穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的條件進(jìn)行了深入研究，并對(duì)詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行了解明，由此得到以下見(jiàn)解。

(1)在硅的制造時(shí)，在電弧爐內(nèi)碳化硅能夠生成并蓄積的狀況下，為了使制造裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，利用功率調(diào)節(jié)裝置(優(yōu)選為飽和電抗器)穩(wěn)定電流或電壓是有效的。由此，即使在電弧爐內(nèi)生成并蓄積了碳化硅的情況下，也能夠緩和通過(guò)電極與碳化硅接觸而流入電極中的過(guò)電流，能夠?qū)崿F(xiàn)制造裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)在電弧爐內(nèi)利用所謂的埋弧方式進(jìn)行碳還原反應(yīng)，同時(shí)將電弧爐的爐床功率密度設(shè)為特定的范圍以上而以不同于現(xiàn)有常識(shí)的高輸出功率運(yùn)轉(zhuǎn)電弧爐，從而所生成的碳化硅被更積極地消耗，能夠抑制電弧爐電極與碳化硅的接觸所引起的短路，能夠?qū)崿F(xiàn)制造裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，通過(guò)為高輸出功率運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠以由電極積極地放出電弧這樣的條件使其穩(wěn)定，從而能夠有效地制造高純度硅。

(3)在使電弧爐高輸出功率運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)利用功率調(diào)節(jié)裝置，從而能夠更穩(wěn)定地進(jìn)行電弧爐的高輸出功率運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠使來(lái)自電極的電弧穩(wěn)定化。由此，能夠更有效地制造高純度硅。

(4)通過(guò)使電弧爐中具備的變壓器的容量大，能夠以大電流更穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)裝置。

本發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而完成的。即，本發(fā)明由下述方案構(gòu)成。

1.一種硅的制造方法，該方法使用鐵、鋁、鈣和鈦的含量均為0.1質(zhì)量％以下的二氧化硅原料、和碳材料，利用電弧爐通過(guò)碳還原來(lái)制造硅，其特征在于，碳還原時(shí)，利用功率調(diào)節(jié)裝置，使因所述電弧爐的電極附近的物質(zhì)變化和物質(zhì)配置的變化中的至少一者而流入所述電極中的過(guò)電流緩和。