[发明专利]制造光伏级硅金属的方法

说明书

优先权

本申请要求在2009年3月20日提交的美国临时申请序列号 61/162,050的优先权，其公开内容在此通过引用并入本文。

发明领域

本申请涉及纯度足以用于制作商业光伏器件的硅金属的生产，其 首先通过液态四氯化硅与熔融钠金属反应，然后处理反应产物以去除 那些污染物产物，其将有害于用于生成商业销售的电力的商业光伏器 件中硅金属的性能。

发明背景

多晶硅金属(Polycrystalline silicon metal)(也称为多晶硅 (polysilicon))是用于制造光伏器件的最常用的半导体。多晶硅现在主要 通过西门子法生产，在该方法中三氯氢硅在高温和在硅金属存在下分 解成为氯代硅烷、其它气体和硅金属的混合物。虽然西门子法生产足 够纯度的硅金属用于半导体应用——其中需要大于99.99999％的硅纯 度，通过西门子法生产的多晶硅也已经在光伏器件的制造中使用。但 是，在光伏器件中，较低的硅纯度是可接受的，且对于这些器件99.999％ -99.9999％纯度的硅金属通常被认为是可接受的，这些级别通常被认 为是光伏级的。

2009年2月5日公开的PCT公开号WO 2009/018425公开生产 高纯度元素硅的方法，其通过四氯化硅与液体金属还原剂在两个反应 器容器结构中反应。第一个反应器容器用于还原四氯化硅成为元素硅， 得到元素硅和还原的金属氯化物盐的混合物，而第二反应器容器用于 将金属硅与还原的金属氯化物盐分离。使用本发明生产的元素硅对于 生产硅光伏器件或其它半导体器件是纯度足够的。

本发明的方法已经被发展以提供光伏产业多晶硅的来源，所述多 晶硅纯度足以满足用于商业销售电力的光伏器件生产的产业的纯度需 求，而没有必要建造西门子法工厂。

发明概述

本发明涉及光伏级硅金属——即具有用于制造光伏器件的足够纯 度的硅——的生产，所述光伏器件具体地是商业地用于商业规模产生 电力的那些。所述方法包括液态四氯化硅(或其它四卤化物)与熔融钠的 反应以生产含有硅的反应产物，其然后进一步地处理以去除将有害于 光伏器件中硅的性能的污染物产物，所述光伏器件优选地为用于商业 规模产生电力的商业级器件。

本发明的一种优选地方法包括：

(a)将液态四氯化硅引入含有熔融金属钠的反应器容器中，在所述 容器中控制熔融钠的液面以保留在预定工艺参数(限度)内，由此钠相对 于四氯化硅总是化学计量过量；

(b)将反应产物(硅金属、氯化钠和金属钠的混合物)与反应器容器中 的钠金属分离；和

(c)从硅金属中去除将有害于其作为在用于产生电力的光伏器件中 使用的半导体的性能的污染物产物。

优选地，四氯化硅作为液体引入容器中。更优选地，容器中钠的 液面通过自动化方法保持在自动控制的一组限度内。优选地，含有硅 的反应产物与钠在惰性气氛下分离。

本发明的另一个实施方式是通过该方法形成的反应产物，所述反 应产物主要包括硅金属元素、氯化钠和金属钠，其中金属钠的质量分 数大于0.1％。优选地，金属钠的质量分数大于1％。

本发明的更另一个实施方式是减少反应产物中的金属钠的质量分 数的方法，包括以下步骤：在惰性气氛中加热反应产物到钠的沸点以 上的温度，赶走钠，由此减少产物中金属钠的分数。该方法形成通过 从产物中去除氯化钠和金属钠产生的金属硅组合物，其中金属硅为至 少99.999％纯，且适合于用于产生电力的光伏器件的制造。优选地是， 金属硅为至少99.9999％纯，且适合于用于产生电力的光伏器件的制 造。优选地是，光伏器件是商业级和电力进行商业销售。

在本发明的某些优选的实施方式中，在反应产物与反应器容器中 的金属钠分离后，反应产物包含按重量计大于0.1％的金属钠。

在本发明的某些优选地实施方式中，在反应产物与反应器容器中 的金属钠分离后，反应产物包含按重量计大于1％的金属钠。

在本发明的某些优选的实施方式中，通过在惰性气氛中加热反应 产物到高于800℃温度，在反应产物中包含的至少一半的钠被去除。该 加热过程可以进行重复以实现任何期望程度的硅纯度。

在本发明的某些优选的实施方式中，通过该方法产生的硅金属具 有大于10微米的平均粒子大小。