Szilícium tisztítása napelem gyártási céllal

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Szilícium tisztítása napelem gyártási céllal"

Kornél Tamás
9 évvel ezelőtt
Látták:

1 Szilícium tisztítása napelem gyártási céllal Dr. Kaptay György, Tóth Gergely Bálint, Szabó József InnoEnergy EIT-KIC zárókonferencia Miskolc

2 Az alprojekt megvalósítási terve 5. K+F+I projekt: Napelem gyártáshoz használható Si új, gazdaságos gyártási technológiájának kidolgozása Feladat sorszáma Feladat 1 Határfelületi energiák vizsgálata a segédfázis / fémolvadék / Si-kristály rendszerekben és optimum keresése Várható eredmény Optimális összetétel és hőmérséklet a szilícium tisztítására 2.1 A Si tisztítás technológiai kidolgozása 1. Optimális laboratóriumi eljárás szilícium tisztítására 2.2 A Si tisztítás technológiai kidolgozása 2. Optimális laboratóriumi eljárás szilícium tisztítására 3 A Si tisztítás technológiai megvalósítása anyagprototípussal Optimális laboratóriumi eljárás szilícium tisztítására anyagprototípussal

3 Szilícium a hétköznapjainkban A szilícium ill. vegyületeinek felhasználási területei: vegyületek formájában (építőanyagok, üvegek, kerámiák, szilikonok stb.) ötvözetek (acélok, sziluminok) A tiszta Si félvezető tulajdonságú Mikroelektronikai eszközök (informatikai ill. mobileszközök) napelemek főképp Si-ból ( PV effect ) - Egykristályos - Polikristályos - Mikrokristályos - Amorf

4 A szilíciumról - Félfémes elem; félvezető tulajdonságú - Nagymennyiségben rendelkezésre áll (földkéreg tömegének 27,7 %-a) - Minden 6. atom Si a Földön - De! kötött formában SiO 2 kohászat Redukció C-nel SiO 2 (+ szennyezők) Kohászati Si (+ szennyezők)

5 A világ szilíciumipara és szilíciumfogyasztása Komoly piaci igény napelem minőségű szilíciumra! Forrás: Roskill Reports: Silicon and Ferrosilicon: Global IndustryMarkets and Outlook, 14 th edition (2014)

6 A szilícium tisztasági fokozatai Kohászati minőség (Metallurgical Grade Si) 99 % 2N MG-Si Napelem minőség (Solar Grade Si) 99,9999 % 6-7N SoG-Si Elektronikai minőség (Semiconductor Grade Si) 99, % 9-10N SeG-Si? $! Karbotermikus redukció: SiO 2(s) + 2C (s) Si (l) + 2 CO (g) A Si legfőbb szennyezői: Al, Fe, Ti, Ca, B, P, Ni, Cu, Zr, Cr stb. Próbálkozások (MG-Si SoG-Si) -Irányított kristályosítás (B,P!) -oxidálás -Salakos tisztítás -Ca-ötvözés + savas oldás -Elektrokémia -Vákuumtisztítás -Komplex technológiák -Oldásos átkristályosítás - Siemens eljárás (MG-Si SeG-Si) MG-Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 Illékony vegyületek elválasztása desztillálással (tisztítás) Pirolízis (CVD) polikristályos Si - Czochralsky-féle Si egykristálynövesztés

7 A szilícium ipari vertikum sémája SiO 2 és C bányászat (0,1 USD/kg) primér Si-metallurgia MG-Si (2N) tisztítás (<1%) egyéb piacok (1 USD/kg) itt van a mi helyünk A célzott folyamat SEG-Si (11N) SOG-Si (6N) selejt Si-elem-gyártás Si-elem gyártás Elektronikai piac (100 USD/kg) Napelem piac (10 USD/kg) A lehető legegyszerűbben közelítsünk meg mindent, de annál semmivel sem egyszerűbben. (A. Einstein)

Az oldásos átkristályosítás elve 1. MG-Si oldása fémolvadékban 2. Hűtés során Si kristályosítása > Tisztult Si 3. Si-kristályok elválasztása a mátrixtól 4.

8 Az oldásos átkristályosítás elve 1. MG-Si oldása fémolvadékban 2. Hűtés során Si kristályosítása > Tisztult Si 3. Si-kristályok elválasztása a mátrixtól 4. Utókezelés (pl: irányított kristályosítás) Oldószer lehet: Al, Fe, Cu, Sn, Ni stb. Törés, aprítás és savas oldás Nagy vegyszerigény (Al-dús mátrix feloldása) Környezetszennyező, sok elveszett energia Egyik legalkalmasabb oldószer: Al-olvadék A folyamat lépései: -Hipereutektikus összetételű Al-Si-ötvözet készítése (pl. Al-28Si, T 1 = 850 C) -Hűtés (T 2 = 600 C) -Si-kristályok dúsítása -Sóolvadék segédfázis alkalmazása (határfelületi jelenségek) -Kiegészítő eljárások - szegregálás - diszpergálás, emulzifikálás - felúsztatás (Δρ) - flotálás Al-Si fémolvadék Si kristályok kiválása - szűrés Forrás: ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams, ASM International (1993) C2 hűtés C1 T1 T2 T2*

9 Általános kísérleti feltételek Alapanyagok MG-Si kohóalumínium Al-28Si Sókeverék segédfázis Alox tégely Kemencék Ekvimoláris (NaCl+KCl) +10w% NaF

10 Kísérleti eredmények Al-28Si szerkezete külön beavatkozás nélkül 1A technológia (Szegregáció) sémája T1 a b c d T0 e f ρ sóolv < ρ Si ; ρ fémolv a, alox tégely b, Ar védőgáz c, sóolvadék d, Al-Si fémolvadék e, tisztult Si-kristályok a határfelületen f, eut.al-si mátrixban diszpergálódott-si kristályok ρ sóolv < ρ Si ; ρ fémolv

11 Kísérleti eredmények 1B technológia (Emulzifikálás) sémája a b c d e ρ sóolv < ρ Si ; ρ fémolv f T1 T2 T2 T2 T2 T0 g a, alox tégely b, Ar védőgáz c, sóolvadék d, Al-Si fémolvadék e, tisztult Si-kristályok f, keverő ( min -1 ) g, só/si-kristály elegy T 0 -on Lassú keveréssel Emulzifikáló keveréssel

12 Kísérleti eredmények 1C technológia (Flotálás) sémája a b c e d g f ρ sóolv < ρ Si ; ρ fémolv a, alox tégely b, Ar védőgáz c, sóolvadék d, Al-Si fémolvadék e, tisztult Si-kristályok f, gázbefújó cső g, gázbuborékok határfelületükön Si-kristályokkal T1 T2 T2 f

13 Kísérleti eredmények 2. Technológia sémája ρ fémolv < ρ sóolv < ρ Si a b c d e a, alox tégely b, Ar védőgáz c, sóolvadék d, Al-Si-Cu fémolvadék e, tisztult Si-kristályok Növelt sűrűségű ötvözet Al-20Si-20Cu T1 T2 T2 Növelt sűrűségű sókeverék: (NaI), nátrium-fluorid (NaF) és kriolit (Na 3 AlF 6 ) (Egyéb kiegészítő eljárás nem volt.)

14 Si-kristályok dúsítása szűréssel 3. Si-kristályok dúsítása szűréssel Kiindulási Al-28Si ötvözet: 133,591 g Si-dús ötv. (Szűrőn fennmaradt) Si-ban szegény ötv. (szűrőn átfolyt) 42,785 g 90,806 g 51,8 % Si-tartalom 16,8 % Si-tartalom

15 A kapott tisztított Si és utókezelése Utókezelés: - Si kristályok aprítása -maradék Al-ötv. Oldása visz. kis mennyiségű savval (HCl, H 2 SO 4, HNO 3, HF) Újrahasznosítható a visszamaradt - Sóolvadék visszajáratás a technológiába - Fémolvadék öntészeti hasznosítás (közel eutektikus összetétel)

16 Analitikai eredmények Azonosító MG-Al (ppm) MG-Si (ppm) SOG-Si 5. (ppm) Al maradék B Ba 2 5 < 1 Ca Co < 1 3 < 1 Cr < 1 Cu Fe I < 1 < 1 < 1 K Mg Mn Na P Ti Ni Zr Si 96 maradék maradék ICP OES

17 Kitekintés MG-Si (2N) MG-Al (2N) Oldás T 1 -en Precipitálás T 2 -n Aprítás + Savas utókezelés Sóolvadék Víz Salak Fázis-szeparáció T 2 -n Só kimosása T 0 -n Al-extrakció T 3 -n Al acél dezoxidálásra, öntészetbe sós víz salak acél gyártásra SOG-Si (6N)

18 Benyújtott szabadalom: Kaptay György (55 %), Szabó József (35 %), Tóth Gergely Bálint (15 %): Eljárás szilícium kristályok dúsítására és elválasztására fémolvadékból szilícium tisztítására. Magyar szabadalom bejelentve október 29-én, P Tulajdonos / bejelentő: Bay Zoltán Alk. Kut. Közhasznú Nonprofit Kft., benyújtó: EMRI Patent Kft.

19 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS - Dr. Bánhidi Olivér (egyetemi docens, Miskolci Egyetem Kémia Intézet; ICP elemanalízis) - Kiss Sára Judit (szabadalmi ügyvivő, Emri-Patent Kft.) - Nagy Orsolya (PhD hallgató, Miskolci Egyetem) - Anyagfejlesztési Osztály munkatársai - Köszönjük az EITKIC_ projekt nyújtotta támogatást

20 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

Hasonló dokumentumok

Kohászati szilícium tisztítása metallurgiai módszerekkel

Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet Kohászati szilícium tisztítása metallurgiai módszerekkel Diplomamunka Készítette: Tóth Gergely Bálint