制备太阳能级硅和光电池的方法技术

描述了一种制造高纯度元素硅的方法。该方法包括如下来制备硅胶组合物的步骤：将至少一种有机硅烷化合物与含水组合物进行反应，来形成硅胶颗粒。然后在该硅胶组合物存在下，将烃物质通过烃裂化反应进行分解，目的是将由该烃物质分解所形成的碳沉积在硅胶组合物颗粒上。将该含碳的硅胶组合物加热到高温来生产元素硅产物。还描述了使用元素硅来制造光电池的相关方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及一种形成元素硅的方法。更具体的，本专利技术涉及 太阳能级硅的制备，其可以通过光电("PV，，)工业来用于生产晶体硅基 的PV组件。传统上，P V工业依赖于为电子工业所生产的硅来作为它的硅 给料。直到大约2000年，用于PV工业的硅给料是由来自半导体工业的 等级外的或者不合格的材料组成。通常，来自电子工业的初级材料(例如 剩料)、不合格品和废料通常被用作给料。对于电子工业而言，硅给料的 成本小于装置成本的5%，而对于PV工业而言，它可能高达组件成本的 30%。因为PV工业巨大的增长，目前主要的硅源是初级硅。最终，硅 的成本是通过PV装置所产生的电的成本的限制因素。因此，低成本的 太阳能级(SoG)硅源能够变成一种用于广泛的PV用途的可授权的工艺。中所用的这些方法:但是，、生产者已经简化;它:的加工中的一些步骤来提供给PV工业。由于成本考虑，这里已经进行了许多的尝试来用更 廉价的替代方法替代目前的基于化学气态净化的净化方法。 一种示例性 的技术包括冶金学净化(凝相)。近年来已经取得了显著的进步，并且几 个试验工厂已经投入运行。但是，这些材料仅仅緩慢的引入到市场中， 并且通常仅仅用作初级材料的"稀释剂，，。SoG硅的发展集中在两个主要的领域(a)使用化学加工的电 子级(EG)硅变体的生产，和(b)提高质量的冶金学级(MG)硅的生产。在 化学加工路线中的进步通过降低EG硅的价格而使得电子工业受益。但 是，这种材料的成本对于PV应用来说仍然是不理想的高的。通过使用用于生产SoG硅的化学加工路线，全部的杂质会被 降低到小于大约lppba的程度。但是，用高达0.1ppma的金属杂质也能 够生产高效率的电池。因此，该给料可以包含比EG硅给料更高程度的 杂质，而不会危及太阳能电池的性能。几种用于生产太阳能级硅的方法是已知的，但是这些方法的 大部分具有与加工和成本相关的一种或多种缺点。这些方法中的一些基4于硅的化合物例如二氧化硅的碳高温还原，并且可能需要高纯度的原料来生产太阳能级硅(solar-gradesilicon)。为了满足这些来自PV工业的需 要，非常需要发展一种能够生产相对纯的SoG硅的经济性方法。本专利技术 解决上前述的一种或多种在太阳能级硅的生产中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术的 一种实施方案涉及一种制造高纯度元素硅的方法， 其包括下面的步骤(a) 通过这样的技术来制备硅胶组合物，该技术包括将至少一种有机 硅烷化合物与含水组合物进行反应，来形成硅胶颗粒；(b) 在该硅胶组合物存在下，将烃物质通过烃裂化反应进行分解，目 的是将由该烃物质分解所形成的碳沉积在该凝胶组合物颗粒上；和(c) 将该含碳的硅胶组合物加热到高于大约155(TC的温度，来生产 包含元素硅的产物。本专利技术另外一种实施方案涉及一种制造光电池的方法，其包 括步骤(A) 如下来制备高纯度元素硅加热硅胶组合物或者衍生自硅胶组 合物的中间组合物，其中该硅胶组合物或者中间组合物包含至少大约5 重量％的碳，并且该加热温度高于大约155CTC，来生产一种包含元素硅 的产物；(B) 由该元素石圭形成半导体基底；和(C) 在该半导体基底之内或者之上形成至少一种 p-n结0具体实施例方式根据本专利技术的一种实施方案，将硅胶组合物在此处所述的生 产元素硅的条件下进行加热。该组合物的主要成分是硅胶本身，其是多 种形式的市售品。(硅胶也描述在许多的参考文献中，例如"Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology",第3版笫21巻第1020-1032页， 其在此引入作为参考)。通常，硅胶是一种粒状的多孔形的二氧化硅。通 常，硅胶可以更具体的表述为胶体二氧化硅球形粒子的一种粘着一起 的、刚性的、连续的三维网络。该凝胶结构通常包含硅氧烷和硅烷醇键 二者。孔可以是相互连接的，并且可以至少部分地填充有水和/或醇，这取决于用于制备该凝胶的具体的水解和缩合反应。该硅月交可以通过多种技术来制备，如Kirk-Othmer教科书中 所述。非限定的例子包括整体沉降(bulk-set)、浆体和水解方法。该凝胶 也可以由无盐的胶体二氧化硅直接制备；或者由纯的硅化合物例如硅酸 乙酯或者四氯化硅的水解来制备。在一些优选的实施方案中，该硅胶是通过不同的有机硅烷水 解来制备的。(作为此处使用的，"酸解"和"碱性水解"被认为处于"水 解，，的范围内)。例如， 一种或多种有机硅烷可以与含水组合物例如水和 任选的与至少一种选自下面的化合物进行反应醇、酸性催化剂(例如有 机酸)和碱性催化剂(例如有机碱)。碱性催化剂可以优选的用于其他的实 施方案中。此外，该有机硅烷通常包含了下式的化合物SiHw(R')xCly(OR)z;其中0《w, x《2; 0《y, z<4; w+x+y+z=4; y+z>2;和R和R'每个 独立的选自烷基、芳基或者酰基基团。该有机硅烷非限定性的例子是 Si(OCH3)4、 SiH(OCH3)3、 Si(OC2Hs)4和SiH(OC2H5)3。前述任意的组合 也是可能的。如同本领域技术人员所理解的那样，不同类型的硅胶可以具 有多种不同的特性。通常，凝胶是通过形状、大小、表面积和该凝胶粒 子的密度；粒子分布；和凝胶结构的聚集强度或者聚结来表征的。如上 述提到的Kirk-Othmer教科书中所述，硅胶通常被表征为三种类型之一 普通密度；中等密度；和低密度。区别因素涉及粒度，孔径；孔体积； 表面积；溶剂含量(例如水含量)；和制备方法。在一些具体的实施方案中，硅胶粒子的平均尺寸范围是大约 0.01微米-大约400微米，并且典型的，范围是大约0.1微米-大约100 微米。此外，该硅胶粒子通常的平均表面积范围是大约10m"g-大约 3000m2/g。在一些具体的实施方案中，该表面积的范围可以是大约 100m"g-大约1000m2/g。此外，该硅胶通常的振实密度范围是大约 0.5g/cc-大约1.2g/cc,更通常的范围是大约0.7g/cc-大约1.0g/cc。该硅胶可以进一步通过它的挥发物含量来表征。通常，主要 的挥发性成分是水(处于不同的形式中)，或者相关的化合物或者部分。 例子包括共价键合的氢、羟基基团和物理吸附的水。通常，该键合氲， 羟基基团和物理吸附的水的总浓度至少是大约0.01原子％。在一些具体的实施方案中，这些成分的总浓度范围是大约0.01原子％-大约5原子％。 在一些优选的实施方案中，该二氧化硅键合的氢和羟基基团的总浓度范 围是大约0.03原子％-大约1原子％。如上面所引用的Kirk-Othmer教科 书中所述，处于表面羟基基团形式的水的百分比会是一种有用的特性， 这是因为在表面上较高的羟基基团浓度能够提供更大的吸附水和其他 极性分子的能力。用于太阳能级硅的起始材料的纯度通常会对最终产物的性能 产生明显的影响。因此，在优选的实施方案中，将硅胶进行清洗和/或进 行其他的技术来净化。该技术非限定性的例子包括用水和/或相容的溶剂 进行清洗，有时候使用清洗溶液(例如含有氨)，该溶液包含了各种其他 成分或者添加剂。该添加剂非限定性的例子包括各种离子或者非离子化 合物。也可以使用多种蒸馏或者过滤技术。(如下所述，这些技术中的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造高纯度元素硅的方法，其包括下面的步骤：　（ａ）通过这样的技术来制备硅胶组合物，该技术包括将至少一种有机硅烷化合物与含水组合物进行反应，来形成硅胶颗粒；　（ｂ）在该硅胶组合物存在下，将烃物质通过烃裂化反应进行分解，目的是将 由该烃物质分解所形成的碳沉积在硅胶组合物颗粒上；和　（ｃ）将该含碳的硅胶组合物加热到高于大约１５５０℃的温度，来生产包含元素硅的产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：TF麦努蒂，JT勒曼，LN路易斯，MP德伊维恩，VL劳，R舒巴，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]