Плазменный процесс получения «солнечного» кремния

Abstract

Выполнен расчет непрерывного высокопроизводительного технологического процесса получения «солнечного» кремния способом плазменного пиролиза моносилана при температуре, превышающей температуру его плавления, когда разложение моносилана проходит через газообразный кремний с последующей гомогенной конденсацией в частички кремния и гетерогенной Е на поверхность расплава. При разработке нового процесса плазменного пиролиза моносилана следует руководствоваться следующими требованиями: высокая единичная производительность агрегата, более 100 кг/ч SoG-Si; удельный расход электроэнергии не более 60 кВтрч/кг SoG-Si; качество кремния не хуже чем, полученного из того же исходного сырья по технологии Siemens CVD; полученный кремний должен иметь удобную для дальнейшей переработки форму; плазменный агрегат должен отличаться низкой металлоемкостью, высокой степенью автоматизации и ремонтоспособности; технология и оборудование должны быть конкурентоспособны и оригинальны. Плазменное разложение предполагает наличие инертного теплоносителя. Анализ пиролиза газа прекурсора моносилана в водородной плазме свидетельствует о том, что какие-либо термодинамические и кинетические запреты и ограничения термического разложения моносилана при температуре выше плавления кремния из газообразного состояния в паровую, затем жидкую фазу отсутствуют. На базе данного процесса возможно создание высокопроизводительного оборудования для непрерывного получения дешевого высокочистого кремния благодаря низким капитальным и эксплуатационным затратам. Теоретический предел по энергозатратам на получение плазмохимического кремния равняется 3...5 кВтрч/кг SoG-Si. При полезной мощности плазмотрона 100 кВт производительность по кремнию составит около 25 кг/ч. Использование плазменного пиролиза моносилана позволяет организовать непрерывный процесс получения кремния, в отличие от традиционной цикличной Siemens CVD технологии. Высокая скорость реакций пиролиза (1х10⁻⁵ с) за счет повышенной температуры, температуры процесса, более температуры плавления кремния (≥1415 °С) обеспечивает сравнительно малые размеры рабочей зоны (0,1...0,2м), а также габаритов и массы всего реактора.

Calculated is the continuous high-efficient technological process of producing «solar» silicon by the method of plasma pyrolysis of monosilane at temperature, exceeding the temperature of its melting, when the monosilane decomposition is passed through a gaseous silicon with next homogeneous condensation into silicon particles and heterogeneous at the melt surface. When developing the new process of plasma pyrolysis of monosilane it is necessary to keep the following requirements: high unit efficiency of equipment, more than 100 kg/h of SoG—Si; specific consumption of electric power of not more than 60 kW⋅h/kg of SoG—Si; quality of silicon is not worse than that produced from the same initial raw material by Siemens CVD technology; the produced silicon should have a form convenient for next processing; plasma unit should be characterized by a low metal intensity, high degree of automation and repairability; technology and equipment should be compatible and unique. Plasma decomposition assumes the presence of inert heat carrier. Analysis of pyrolysis of gas of monosilane precursor in hydrogen plasma confirms that there are no any thermodynamic and kinetic prohibitions and limitations of thermal decomposition of monosilane at temperature above silicon melting from gaseous state to vapor one, then to liquid one. Basing on this process it is possible to create the high-efficient equipment for continuous producing of cheap high-purity silicon due to low capital and service expenses. The theoretical limit on power consumption for producing plasma-chemical silicon is 3...5 kW⋅h/kg of SoG—Si. At 100 kW useful power of plasmatron the efficiency as applied to silicon will be about 25 kg/h. The application of plasma pyrolysis of monosilane allows organizing the continuous process of silicon production unlike the traditional technology of cyclic Siemens CVD. The high rate of reactions of pyrolysis (1х10⁻⁵ s)) due to increased temperature of silicon melting (≥1415 °C) provides the comparatively small sizes of the working zone (0.1...0.2 m) and, respectively, dimensions and mass of the integral reactor.