FR2989075A1 - Preparing silane compound, comprises reacting silicide or silicon alloy with hydrochloric acid that is dissolved in solvent, where the silane compound is useful in the manufacture of e.g. solar cells and flat panel displays - Google Patents
Preparing silane compound, comprises reacting silicide or silicon alloy with hydrochloric acid that is dissolved in solvent, where the silane compound is useful in the manufacture of e.g. solar cells and flat panel displays Download PDFInfo
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Abstract
Description
-1- Production de silanes à partir d'alliages de silicium de formule Ca,MgySiz. -1- Production of silanes from silicon alloys of formula Ca, MgySiz.
La présente invention concerne la production des hydrures de silicium ou silanes à partir d'alliages de silicium ou de siliciures. Certains silanes et plus particulièrement le monosilane, ou tétrahydrure de silicium (SiH4) et le disilane (Si2H6) sont utilisés comme vecteur de silicium dans des techniques de dépôts de silicium amorphe, silicium polycristallin, silicium nanocristallin ou microcristallin aussi appelé nano ou micromorphe, de silice, de nitrure de silicium, ou autre composé de silicium par exemple dans des techniques de dépôt en phase vapeur. Les dépôts en couche mince de silicium amorphe, et silicium microcristallin obtenus à partir de silane, permettent de fabriquer des piles solaires. The present invention relates to the production of silicon hydrides or silanes from silicon alloys or silicides. Certain silanes and more particularly monosilane, or silicon tetrahydride (SiH4) and disilane (Si2H6) are used as a silicon vector in deposition techniques of amorphous silicon, polycrystalline silicon, nanocrystalline silicon or microcrystalline silicon also called nano or micromorph, of silica, silicon nitride, or other silicon compound for example in vapor deposition techniques. Thin layer deposition of amorphous silicon and microcrystalline silicon obtained from silane make it possible to manufacture solar cells.
On peut également obtenir des revêtements résistants à la corrosion par les acides, par craquage de silane et fabrication de composés tels que le carbure de silicium. Enfin, le silane est susceptible de s'additionner sur les liaisons simples ou multiples des hydrocarbures insaturés pour donner des organosilanes. It is also possible to obtain coatings resistant to acid corrosion, by cracking silane and to manufacture compounds such as silicon carbide. Finally, the silane is capable of adding to the single or multiple bonds of the unsaturated hydrocarbons to give organosilanes.
Le marché du monosilane et du disilane va connaître une très forte expansion pour la fabrication des semiconducteurs intégrés et la fabrication des piles solaires (photovoltaïques), ainsi que pour les composants semiconducteurs et la fabrication d'écrans plats. Plusieurs types de procédés décrits ci-dessous ont été utilisés jusqu'à 25 maintenant. Tout d'abord, la réduction de SiCI4 par LiH dans un bain de KCl/LiCI à des températures entre 450°C et 550°C est connue. Le rendement de la réaction est intéressant mais le procédé repose, d'une part, sur la disponibilité de LiH alors que les ressources de lithium sont très limitées et d'autre part, sur la possibilité de 30 recycler le lithium métal par électrolyse. Le milieu réactionnel est très corrosif et met en oeuvre des matériaux particuliers. Ce procédé a été utilisé pour produire des petites quantités de silane. La réduction de SiF4 par NaAIH4 en milieu solvants organiques est un autre exemple. Ce procédé n'est industriellement viable que lorsqu'il existe du SiF4, - 2 - sous-produit d'une autre production chimique et du sodium pour fabriquer l'hydrure d'aluminium sodium. Ce procédé n'est pas facilement utilisable, notamment pour ces deux raisons. Une autre réaction connue est l'attaque acide en milieu NH3 liquide d'un alliage stoechiométrique Mg2Si. Le bilan de la réaction est le suivant : Mg2Si + 4 HCI SiH4 + 2 MgCl2 NH3 liq. Ce procédé est réalisé à température proche de la température ambiante à pression atmosphérique. Le siliciure de magnésium (Mg2Si) a été abondamment testé en milieu aqueux et ammoniac. Bien que suffisamment acceptable pour conduire à des unités de productions industrielles, le procédé n'est pas satisfaisant à cause de la difficulté du pilotage du procédé et de la mise en oeuvre d'ammoniac liquide très réglementée. Une autre réaction connue est la dismutation du SiHCI3 sur des résines 15 comportant des groupes aminés greffés ou autres. Le procédé complet se décrit ainsi : a) 4 Si Métal. + 12 HCI 4 SiHCI3 + 4 H2 (température comprise entre environ 300°C et environ 1000°C) b) 4 SiHCI3 SiH4+ 3 SiCl4 (température proche de l'ambiante) 20 c) 3 SiCl4 + 3 H2 3 SiHCI3 + 3 HCI (température d'environ 1000°C), soit le bilan réactionnel suivant: 4 Si Métal + 9 HCI SiH4+ 3 SiHCI3+ H2. Une variante de la réaction ci-dessus se décrit ainsi : a) 4 Si Métal + 16 HCI 4 SiCl4 + 8 H2 (température comprise entre environ 25 1000°C et environ 1100°C) b) 4 SiCl4 + 4 H2 4 SiHCI3+ 4 HCI (température d'environ 1000°C) 4 SiHCI3 SiH4 + 3 SiCl4, soit le bilan réactionnel suivant: 4 Si métal + 12 HCI 3 SiH4 + 3 SiCl4+ 4 H2. 30 Ce procédé demande des hautes températures dans un milieu extrêmement corrosif et consomme beaucoup d'énergie (environ 50 kWh/kg pour l'étape b)). Pour atteindre le maximum de rendement, l'étape b) requiert de nombreuses boucles de recirculation de mélanges de chlorosilanes. Outre la mise - 3 - en oeuvre de produits extrêmement corrosifs, toxiques et inflammables, un tel type de procédé est très couteux en énergie et présente beaucoup de risques industriels. La génération de monosilane, disilane et silanes supérieurs a été décrite dans le Handbook of Inorganic Chemistry Gmelin Si-Silicon, en faisant réagir en phase aqueuse, des siliciures et alliages de silicium en milieu acide ou basique. Dans les demandes de brevet EP146456 et W02006/041272, la synthèse du monosilane en phase aqueuse en faisant tomber une poudre de Alx Siy Caz, x, y et z représentant les pourcentages respectivement d'aluminium, de silicium et de calcium, dans une solution de HCI, est décrite. La composition des gaz produits était environ 80% de monosilane, 10% de disilane et 5% de trisilane ainsi que des traces de disiloxane. Ce type de procédé présente l'inconvénient de la manipulation et du stockage de HCI pur ou fortement concentré. Des sous-produits issus d'une telle réaction sont produits en grande quantité et sont néfastes pour l'environnement (en particulier des chlorures). Un autre inconvénient d'un tel procédé est la formation en abondance d'une mousse dans le milieu réactionnel, ce qui diminue le rendement de la réaction et nécessite la présence d'un anti-moussant. Une telle réaction est très exothermique et des températures supérieures à 100°C sont assez vite atteintes si la vitesse d'introduction de la poudre d'alliage n'est pas considérablement réduite. Tous ces travaux décrits ci-dessus ne garantissent pas les conditions nécessaires à la réalisation d'un procédé rentable pour un développement industriel. Les alliages ternaires (CaAI2Si2) ont montré des résultats intéressants en terme de production de silane et permettent d'obtenir des taux de silicium lié élevé (de l'ordre de 35% à 40%). La production de silane est alors accompagnée d'un dégagement d'hydrogène mais le mécanisme réactionnel aboutissant aux ratios de gaz produits est encore méconnu. La mise au point de procédés impliquant des conditions de réaction moins difficiles et/ou permettant d'être utilisés pour des petites et moyennes unités dans la quasi-totalité des environnements et à proximité de l'usage du monosilane et du disilane est un enjeu majeur pour les industries citées plus haut. -4 Un procédé simple a été trouvé, utilisant des matières premières peu coûteuses et produisant des hydrures de silicium avec un rendement industriel et ne présentant pas tous les inconvénients vus ci-dessus. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. L'objet de l'invention décrite ci- après est de proposer des optimisations supplémentaires du procédé partant des alliages AISiCa décrits ci-dessus en réduisant au maximum les inconvénients mentionnés ci-dessus. La solution proposée est d'allier le potentiel réactionnel du Mg2Si à un taux de silicium lié élevé en produisant un alliage ternaire CaxMgySiz. The market for monosilane and disilane will experience a very strong expansion for the manufacture of integrated semiconductors and the manufacture of solar cells (photovoltaic), as well as for semiconductor components and the manufacture of flat screens. Several types of methods described below have been used up to now. First, the reduction of SiCl 4 by LiH in a KCl / LiCl bath at temperatures between 450 ° C and 550 ° C is known. The yield of the reaction is interesting, but the method is based, on the one hand, on the availability of LiH while the lithium resources are very limited and, on the other hand, on the possibility of recycling the lithium metal by electrolysis. The reaction medium is very corrosive and uses particular materials. This process has been used to produce small amounts of silane. The reduction of SiF4 by NaAIH4 in organic solvent medium is another example. This process is industrially viable only when there is SiF4, a by-product of another chemical production and sodium to make sodium aluminum hydride. This method is not easily usable, especially for these two reasons. Another known reaction is the acid attack in liquid NH 3 medium of a stoichiometric Mg 2 Si alloy. The balance of the reaction is as follows: Mg 2 Si + 4 HCl SiH 4 + 2 MgCl 2 NH 3 Liq. This process is carried out at a temperature close to ambient temperature at atmospheric pressure. Magnesium silicide (Mg2Si) has been extensively tested in aqueous media and ammonia. Although sufficiently acceptable to lead to industrial production units, the process is unsatisfactory because of the difficulty of controlling the process and the implementation of highly regulated liquid ammonia. Another known reaction is the disproportionation of SiHCI3 on resins having grafted or other amino groups. The complete process is described as follows: a) 4 Si Metal. +12 HCl 4 SiHCI3 + 4H2 (temperature between about 300 ° C and about 1000 ° C) b) 4 SiHCI3 SiH4 + 3 SiCl4 (near ambient temperature) 20 c) 3 SiCl4 + 3H2 3 SiHCI3 + 3HCl (temperature of about 1000 ° C), or the following reaction: 4 Si Metal + 9 HCl SiH4 + 3 SiHCI3 + H2. An alternative of the above reaction is thus described: a) 4 Si Metal + 16 HCl 4 SiCl 4 + 8H 2 (temperature between about 1000 ° C and about 1100 ° C) b) 4 SiCl 4 + 4H 2 SiHCI 3 + 4 HCl (temperature of about 1000 ° C.) 4 SiHCI 3 SiH 4 + 3 SiCl 4, ie the following reaction balance: 4 Si metal + 12 HCl 3 SiH 4 + 3 SiCl 4 + 4H 2. This process requires high temperatures in an extremely corrosive environment and consumes a lot of energy (about 50 kWh / kg for step b)). To achieve maximum efficiency, step b) requires many recirculation loops of chlorosilane mixtures. In addition to the use of extremely corrosive, toxic and flammable products, such a type of process is very expensive in energy and has many industrial risks. The generation of monosilane, disilane and higher silanes has been described in the Handbook of Inorganic Chemistry Gmelin Si-Silicon, by reacting in the aqueous phase, silicon silicides and alloys in an acidic or basic medium. In patent applications EP146456 and WO2006 / 041272, the synthesis of monosilane in aqueous phase by dropping a powder of Alx Siy Caz, x, y and z representing the percentages respectively of aluminum, silicon and calcium, in a solution of HCI, is described. The composition of the gases produced was about 80% monosilane, 10% disilane and 5% trisilane as well as traces of disiloxane. This type of process has the disadvantage of the handling and storage of pure or highly concentrated HCl. By-products resulting from such a reaction are produced in large quantities and are harmful to the environment (in particular chlorides). Another disadvantage of such a process is the formation in abundance of a foam in the reaction medium, which decreases the yield of the reaction and requires the presence of an anti-foaming agent. Such a reaction is very exothermic and temperatures above 100 ° C are reached fairly quickly if the rate of introduction of the alloy powder is not significantly reduced. All these works described above do not guarantee the conditions necessary for the realization of a profitable process for an industrial development. The ternary alloys (CaAl 2 Si 2) have shown interesting results in terms of silane production and make it possible to obtain high bound silicon levels (of the order of 35% to 40%). The production of silane is then accompanied by a release of hydrogen, but the reaction mechanism resulting in the gas ratios produced is still unknown. The development of processes involving less difficult reaction conditions and / or which can be used for small and medium units in almost all environments and close to the use of monosilane and disilane is a major challenge. for the industries mentioned above. A simple method has been found, using inexpensive raw materials and producing silicon hydrides with industrial efficiency and not having all the disadvantages seen above. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above. The object of the invention described hereinafter is to propose additional optimizations of the process starting from the alloys AISiCa described above while minimizing the disadvantages mentioned above. The proposed solution is to combine the reaction potential of Mg2Si with a high bound silicon content by producing a CaxMgySiz ternary alloy.
Le procédé de production d'un tel alliage ternaire est similaire à celui déjà utilisé pour produire l'alliage CaAI2Si2. Un tel procédé a l'avantage d'être moins coûteux et bien maîtrisé par les fournisseurs d'alliage. A cette fin, l'invention a pour objet un procédé de préparation d'un composé ou d'un mélange de composés de formule Sin1-12,+2 dans laquelle n est un entier supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 3, comprenant une étape a) de réaction d'au moins un siliciure ou alliage de silicium de formule CaMgSi ou Ca7Mg6Sii4, avec de l'acide chlorhydrique préalablement dissous dans un solvant. L'utilisation de Ca7Mg6Sii4 a permis d'atteindre un taux de silicium lié proche de 50% (48%). The process for producing such a ternary alloy is similar to that already used to produce the CaAl 2 Si 2 alloy. Such a method has the advantage of being less expensive and well controlled by the alloy suppliers. To this end, the subject of the invention is a process for preparing a compound or a mixture of compounds of formula Sin1-12, + 2 in which n is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to 3 , comprising a step a) of reacting at least one silicide or silicon alloy of formula CaMgSi or Ca7Mg6Sii4, with hydrochloric acid previously dissolved in a solvent. The use of Ca7Mg6Sii4 made it possible to reach a bound silicon content close to 50% (48%).
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit solvant est le tétrahydrofurane (TH F). - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'alliage de silicium a pour formule CaMgSi. - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'alliage de silicium a pour formule Ca7Mg6Sii4. - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'étape a) est conduite à une température comprise entre 20°C et 100°C et à une pression comprise entre 1 bar et 10 bars. - 5 - - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la granulométrie de l'alliage de silicium est comprise entre 0,2 mm et 0,9 mm et de préférence entre 0,2 mm et 0,5 mm. - Procédé tel que défini précédemment, comprenant en outre une étape de recyclage dudit solvant non utilisé lors de l'étape a), par chauffage de ce dernier à une température supérieure à 170°C. - Procédé tel que défini précédemment, comprenant les étapes : a') Mélange d'acide chlorhydrique avec un éther couronne tel que le tétrahydrofurane ; b') Mélange entre ledit alliage de silicium et le mélange issu de l'étape a') ; c') Distillation fractionnée à une pression proche de la pression ambiante destinée à séparer le monosilane et le disilane des silanes supérieurs et autres composés volatils. - Procédé tel que défini précédemment, de préparation d'un mélange gazeux comprenant jusqu'à 90% de monosilane et au moins 10% de disilane, de préférence comprenant 80% de monosilane et 20% de disilane. - Procédé tel que défini précédemment, de préparation de disilane. Par silanes supérieurs, on comprend les composés de formules Sir,H2,2, n 3 dont le trisilane ou tétrasilane. Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features: - Process as defined above, characterized in that said solvent is tetrahydrofuran (TH F). - Process as defined above, characterized in that the silicon alloy has the formula CaMgSi. - Process as defined above, characterized in that the silicon alloy has the formula Ca7Mg6Sii4. - Process as defined above, characterized in that step a) is conducted at a temperature between 20 ° C and 100 ° C and at a pressure between 1 bar and 10 bar. - 5 - - Method as defined above, characterized in that the particle size of the silicon alloy is between 0.2 mm and 0.9 mm and preferably between 0.2 mm and 0.5 mm. - Method as defined above, further comprising a step of recycling said solvent not used in step a), by heating the latter to a temperature above 170 ° C. - Process as defined above, comprising the steps: a) Mixture of hydrochloric acid with a crown ether such as tetrahydrofuran; b ') mixing between said silicon alloy and the mixture resulting from step a'); c ') fractional distillation at a pressure near ambient pressure for separating monosilane and disilane from higher silanes and other volatile compounds. - Process as defined above, for preparing a gaseous mixture comprising up to 90% monosilane and at least 10% disilane, preferably comprising 80% monosilane and 20% disilane. - Method as defined above, of disilane preparation. By higher silanes, it is understood compounds of formulas Sir, H2,2, n 3 including trisilane or tetrasilane.
Les alliages ou siliciures employés dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont des alliages ou siliciures servant également à piloter le moussage et la désoxygénation des laitiers en fonderies d'acier. Ce sont des produits industriels à bas coût et facilement produits. Un des avantages du procédé objet de l'invention est de pouvoir mener les réactions dans les conditions proches des conditions ambiantes (température et pression) dans des matériels courants dans l'industrie chimique minérale tels que des réacteurs en verre armé par exemple. Les procédés mettant en jeu ces alliages ou siliciures peuvent permettre de produire le silane dans des unités de petites et moyennes tailles au plus proche des marchés. Quels que soient les alliages et siliciures disponibles et - 6 - les contraintes d'exploitation et d'environnement, la même unité peut être utilisée en ajustant les paramètres de fonctionnement. Dans tous les cas, les sous-produits sont des produits minéraux valorisables ou réutilisables. Il a également été découvert que la granulométrie de la poudre d'alliage a une influence sur la cinétique de la réaction et par conséquent, sur le rendement de la réaction. La cinétique croît lorsque la taille des particules diminue. La formation de mousses au cours de la réaction constitue le facteur limitant la taille des particules. Toutes conditions égales par ailleurs, lorsque la taille des particules est divisée par 10, la quantité de silane produite dans le même temps est multipliée par environ 15. Le procédé objet de la présente invention met en oeuvre un solvant aprotique de type éther et préférentiellement le tétrahydrofurane (THF). D'autres solvants sont envisageables, par exemple, le diéthyléther, le diméthyléther, le diglyme (di(2-méthoxyéthyl)ether), ou le triglyme. The alloys or silicides used in the implementation of the process according to the invention are alloys or silicides also used to control the foaming and deoxygenation of slags in steel foundries. These are low-cost, easily produced industrial products. One of the advantages of the process that is the subject of the invention is that it can conduct the reactions under conditions close to ambient conditions (temperature and pressure) in materials that are common in the mineral chemical industry, such as glass-reinforced reactors, for example. Processes involving these alloys or silicides can make it possible to produce silane in small and medium size units closest to the markets. Regardless of the alloys and silicides available and the operating and environmental constraints, the same unit can be used by adjusting the operating parameters. In all cases, the by-products are valuable or reusable mineral products. It has also been found that the particle size of the alloy powder has an influence on the kinetics of the reaction and therefore on the reaction efficiency. The kinetics increase when the particle size decreases. Foaming during the reaction is the limiting factor for particle size. All other conditions being equal, when the particle size is divided by 10, the quantity of silane produced at the same time is multiplied by about 15. The process which is the subject of the present invention uses an aprotic solvent of the ether type and preferentially the tetrahydrofuran (THF). Other solvents are conceivable, for example, diethyl ether, dimethyl ether, diglyme (di (2-methoxyethyl) ether), or triglyme.
Un tel solvant a pour avantage d'éviter la formation de siloxanes et hydroxydes de silicium. Dans un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, l'acide chlorhydrique (HCI) est d'abord dissous dans un solvant tel que le THF afin de former un milieu réactionnel homogène. Such a solvent has the advantage of avoiding the formation of siloxanes and hydroxides of silicon. In one embodiment of the process according to the invention, hydrochloric acid (HCl) is first dissolved in a solvent such as THF in order to form a homogeneous reaction medium.
Le THF dissout en grande quantité les chlorures des métaux alcalinoterreux et aluminium grâce à sa fonction d'éther couronne et l'acide HCI dissous dans du THF réagit très rapidement avec les métaux pour former les chlorures correspondants qui se dissolvent en même temps dans le THF. Selon un mode préféré du procédé selon l'invention, la solution de THF contenant le HCI sera injectée de façon à « laver » en permanence la surface de l'alliage afin d'aboutir à la réaction quasi-complète du milieu solide et en proportion telle qu'il n'y aura pas d'excès de HCI non réagi présent dans le milieu. Il est connu que lors de la production de silane à partir de Mg2Si, telle que décrite ci-dessus, la réaction de HCI en milieu aqueux ou ammoniac liquide s'accompagne de la formation de silanes supérieurs allant jusqu'à des gommes de silicones très visqueuses et inflammables. Ceci s'explique par le fait que la liaison Si-H est très labile avec un caractère ionique prononcé (Si+ -- H-). Les chlorures dont MgC12, CaCl2, AlC13, catalysent facilement la polymérisation linéaire ou ramifiée pour donner des chaînes du types H-(SiH2),-H. Au cours de la mise en - 7 - oeuvre d'un mode particulier du procédé objet de la présente invention, la solution HCI dans THF lave la poudre d'alliage de façon à dissoudre les chlorures en permanence. Ainsi, les silanes désirés sont séparés des chlorures immédiatement après leur formation. THF dissolves in large quantities the chlorides of alkaline earth metals and aluminum by virtue of its crown ether function and the HCl acid dissolved in THF reacts very rapidly with the metals to form the corresponding chlorides which dissolve at the same time in THF. . According to a preferred embodiment of the process according to the invention, the THF solution containing the HCl will be injected so as to continuously "wash" the surface of the alloy in order to achieve the almost complete reaction of the solid medium and in proportion such that there will be no excess of unreacted HCl present in the medium. It is known that during the production of silane from Mg 2 Si, as described above, the reaction of HCl in aqueous medium or liquid ammonia is accompanied by the formation of higher silanes up to very high silicone gums. viscous and flammable. This is explained by the fact that the Si-H bond is very labile with pronounced ionic character (Si + - H-). Chlorides including MgCl2, CaCl2, AlCl3, readily catalyze linear or branched polymerization to give H- (SiH2), - H chains. During the implementation of a particular mode of the process which is the subject of the present invention, the HCl solution in THF wipes off the alloy powder so as to dissolve the chlorides permanently. Thus, the desired silanes are separated from the chlorides immediately after their formation.
En outre, en restant à une température largement inférieure à 200°C, les risques de formation de chlorosilanes par réaction entre les silanes légers et HCI sont très faibles. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure 1. In addition, remaining at a temperature well below 200 ° C, the risk of formation of chlorosilanes by reaction between light silanes and HCl are very low. Other particularities and advantages will appear on reading the following description, made with reference to FIG.
La figure 1 représente un schéma d'une installation servant à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. L'unité de production 1 comporte au moins trois parties contenant un réacteur 2, un système d'épuration 3 et un système de recyclage 4 du solvant issu du réacteur 2. FIG. 1 represents a diagram of an installation used to implement the method according to the invention. The production unit 1 comprises at least three parts containing a reactor 2, a purification system 3 and a system 4 for recycling the solvent from the reactor 2.
La réaction de production de silanes a lieu dans un réacteur 2 muni d'un moyen de mélange 40 tel qu'un racleur ou un malaxeur. Le réacteur 2 est rempli à l'aide d'un alliage de silicium issu d'une source 5 d'une part et d'autre part, depuis une source 6, d'une solution contenant un acide, tel que HCI par exemple, préalablement mélangé à un solvant aprotique de type éther, tel que le THF. Les proportions du mélange sont choisies préalablement à la réaction par l'utilisateur dans le but d'obtenir le rendement le meilleur possible compte tenu des problèmes à résoudre identifiés plus haut. Le réacteur 2 peut, par exemple, être solidaire d'un couvercle amovible par le haut fixé par des arceaux. Le couvercle dispose d'une ouverture étanche permettant de connecter une trémie 7 étanche. De préférence, le réacteur est entouré d'une gaine d'isolation thermique. Au voisinage du réacteur 2, un moyen 7 d'écoulement de l'alliage de silicium est présent. Un tel moyen d'écoulement est par exemple une trémie 7 initialement remplie d'un alliage de silicium sous forme de poudre. Par exemple, la trémie 7 comporte une vis sans fin et un boyau de constriction permettant d'isoler la trémie 7 du réacteur 2. La conception de la trémie 7 est par exemple similaire aux trémies utilisées pour verser le carbure de calcium dans les réacteurs d'acétylène. L'alliage est amené dans des fûts semblables aux fûts utilisés pour transporter le carbure de calcium dans les unités de production d'acétylène. - 8 - Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, au-dessus du couvercle du réacteur 2, sont disposées deux vannes étanches de gaz, d'isolement en série comportant entre les deux un piquage latéral permettant de purger le réacteur 2 avant déconnection. Un dispositif 8 analogue équipe la sortie 5 du fond du réacteur 2 pour évacuer les liquides. Le fond du réacteur 2 est obturé par un moyen 9, par exemple un dôme, évitant aux produits liquides de stagner dans le canal de fond. Ce dôme se soulève en actionnant la vanne 8 de fond. Les liquides sont envoyés vers un système de cristalliseur 10 via une conduite 11. Afin de récupérer les silanes désirés, les produits issus du réacteur 2 qui ne 10 sont pas envoyés vers le système cristalliseur 10 sont dirigés vers un système d'épuration 3 par une conduite 12. Ledit système d'épuration 3 comporte au moins une colonne de fractionnement présente pour séparer les silanes des autres produits présents et enfin une colonne de double distillation servant à récupérer le monosilane pur, utilisé ensuite pour les applications désirées. Il est également 15 prévu un système de fractionnement apte à délivrer un mélange silane/disilane. En effet, l'utilisation d'un mélange contenant environ 80% de silane et environ 20% de disilane peut être envisagée dans des techniques de dépôts de silicium. Ainsi, selon un mode particulier, l'invention a pour objet un procédé et une 20 unité de production permettant de produire en continu des mélanges de silanes gazeux dont les mélanges monosilane/disilane. Ces mélanges sont utilisables directement pour la fabrication des piles solaires en couches minces. Le procédé permet de produire des mélanges de composition typique 80% de monosilane et 20% de disilane en volume.The silane production reaction takes place in a reactor 2 equipped with a mixing means 40 such as a scraper or a kneader. The reactor 2 is filled with a silicon alloy from a source 5 on the one hand and, from a source 6, an acid-containing solution, such as HCl for example, previously mixed with an aprotic solvent of the ether type, such as THF. The proportions of the mixture are chosen before the reaction by the user in order to obtain the best possible yield given the problems to be solved identified above. The reactor 2 may, for example, be secured to a removable lid at the top fixed by arches. The lid has a sealed opening for connecting a sealed hopper 7. Preferably, the reactor is surrounded by a thermal insulation sheath. In the vicinity of the reactor 2, a means 7 for the flow of the silicon alloy is present. Such a flow means is for example a hopper 7 initially filled with a silicon alloy in the form of powder. For example, the hopper 7 comprises a worm and a constriction hose for isolating the hopper 7 of the reactor 2. The design of the hopper 7 is for example similar to the hoppers used to pour the calcium carbide into the reaction vessels. 'acetylene. The alloy is fed into drums similar to the drums used to transport the calcium carbide in the acetylene production units. According to a particular embodiment of the invention, above the reactor lid 2 are arranged two gas-tight valves, isolated in series, having in between a lateral tapping for purging the reactor 2 before. disconnection. A similar device 8 equips the outlet 5 of the bottom of the reactor 2 to evacuate the liquids. The bottom of the reactor 2 is closed by means 9, for example a dome, preventing the liquid products from stagnating in the bottom channel. This dome is raised by actuating the bottom valve 8. The liquids are sent to a crystallizer system 10 via a line 11. In order to recover the desired silanes, the products from the reactor 2 that are not sent to the crystallizer system 10 are directed to a purification system 3 by a liquidator. 12. Said purification system 3 comprises at least one fractionation column present to separate the silanes from the other products present and finally a double distillation column used to recover pure monosilane, which is then used for the desired applications. There is also provided a fractionation system capable of delivering a silane / disilane mixture. Indeed, the use of a mixture containing about 80% of silane and about 20% of disilane can be envisaged in silicon deposition techniques. Thus, according to a particular embodiment, the subject of the invention is a process and a production unit making it possible to continuously produce mixtures of gaseous silanes, including monosilane / disilane mixtures. These mixtures can be used directly for the manufacture of thin-film solar cells. The process makes it possible to produce mixtures with a composition of 80% monosilane and 20% disilane by volume.
25 Il est également prévu la possibilité selon un mode de réalisation de la présente invention de produire uniquement du disilane. La poudre du composé (l'alliage de silicium) est introduite dans le réacteur 2 en continu par la trémie 7. Le réacteur 2 est constitué d'un premier fond légèrement tronconique 13 constitué d'un média filtrant métallique 15 sur lequel 30 est ajouté un média filtrant organique 14, par exemple un papier filtre, dont le but est de retenir les particules n'ayant pas réagi. Le fond tronconique 13 contient en son milieu un trou obturé par une bonde amovible mécaniquement de l'extérieur. Le réacteur 2 renferme également un racleur 40 dont la fonction est de brasser la poudre du composé. 2 9890 75 - 9 - De l'acide, par exemple l'acide chlorhydrique (HCI), gazeux est injecté par des diffuseurs 16 au-dessus du niveau maximum 17 prévu pour le niveau de solide contenu dans le fond tronconique. Le solvant aprotique, tel que le THF, liquide provient du ou des condenseurs 18 surmontant le réacteur 2. Le THF gazeux provenant du ou des cristallisateurs 10 est injecté dans le réacteur 2, sous les condenseurs 18. Dans un exemple de mise en oeuvre particulier de la présente invention, par le dispositif ici décrit, la poudre du composé alliage injectée par la trémie 7 rencontre d'abord une atmosphère composée de THF gazeux, de HCI gazeux, puis un liquide contenant le mélange THF-HCI. Le composé alliage commence donc, avant de rencontrer le fond tronconique, au contact du HCI et THF gazeux, par former des silanes évacués vers le système d'épuration 3 via la conduite 19. Les chlorures, comme CaCl2 issus de la réaction entre l'alliage et le HCI dissous dans le solvant, sont eux-mêmes dissous par le THF présent dans le fond tronconique 13, puis évacués via la conduite 11 et le système d'évacuation des liquides 8. Ces produits liquides (CaCl2, THF....) atteignent ensuite le système de cristalliseur(s) 10. Une fois que la solution de THF contenant les chlorures (CaCl2) a traversé la couche de (du) composé alliage reposant sur le fond tronconique 13, ladite solution est dirigée vers un ou plusieurs cristallisateurs 10 fonctionnant à plus de 170°C pour évaporer le THF et précipiter les chlorures solides. Ces chlorures peuvent être soit extraits en l'état pour être recyclés, soit dissous dans de l'eau pour faire une saumure transportée vers des unités de recyclage. Grâce au flux liquide s'écoulant à l'aide du THF provenant des condenseurs 18, les vapeurs de HCI n'ayant pas réagi et les poussières du composé alliage sont piégées et entraînées vers le fond tronconique 13 où se trouve une couche du composé alliage n'ayant pas encore réagi. Le flux liquide de THF-HCI traverse cette couche en réagissant avec le composé alliage tandis que le THF dissout les chlorures préalablement formés. De préférence, le procédé est régulé de façon à ce que le débit de THF circulant dans le réacteur 2 soit 4 à 5 fois le débit de HCI en masse. Les conditions générales de la réaction sont comprises de préférence, pour la pression entre 1 bar et 10 bars, et pour la température entre 50°C et 130°C. Un avantage du THF est de dissoudre les polymères silicones qui pourraient se former lors de la réaction. Ainsi, le THF est recyclé par chauffage de la solution après réaction au moins à 170°C. -10- En outre, le THF peut dissoudre les polymères silicones qui pourraient se déposer sur les parois froides du système. There is also provided the possibility according to one embodiment of the present invention to produce only disilane. The powder of the compound (the silicon alloy) is introduced into the reactor 2 continuously through the hopper 7. The reactor 2 consists of a first slightly frustoconical bottom 13 consisting of a metal filter medium 15 on which 30 is added an organic filter medium 14, for example a filter paper, the purpose of which is to retain the unreacted particles. The frustoconical bottom 13 contains in its center a hole closed by a bung removable mechanically from the outside. The reactor 2 also contains a scraper 40 whose function is to stir the powder of the compound. Acid, for example hydrochloric acid (HCl), is injected by gas diffusers 16 above the maximum level 17 provided for the level of solid contained in the frustoconical bottom. The aprotic solvent, such as liquid THF, comes from the condenser (s) 18 overcoming the reactor 2. The THF gas from the crystallizer (s) 10 is injected into the reactor 2, under the condensers 18. In a particular embodiment of the present invention, by the device described here, the powder of the alloy compound injected by the hopper 7 first meets an atmosphere composed of gaseous THF, gaseous HCl, then a liquid containing the THF-HCl mixture. The alloy compound therefore starts, before encountering the frustoconical bottom, in contact with the HCl and gaseous THF, by forming silanes discharged to the purification system 3 via the pipe 19. The chlorides, such as CaCl 2 resulting from the reaction between the alloy and the HCI dissolved in the solvent, are themselves dissolved by the THF present in the frustoconical bottom 13, and then discharged via the pipe 11 and the liquid discharge system 8. These liquid products (CaCl 2, THF, etc. .) then reach the crystallizer system (s) 10. Once the THF solution containing the chlorides (CaCl 2) has passed through the layer of (the) alloy compound resting on the frustoconical bottom 13, said solution is directed to one or several crystallizers operating at more than 170 ° C to evaporate THF and precipitate solid chlorides. These chlorides can be either extracted in the state for recycling or dissolved in water to make a brine transported to recycling units. Due to the liquid flow flowing with the THF from the condensers 18, the unreacted HCI vapors and the dust of the alloy compound are trapped and entrained towards the frustoconical bottom 13 where there is a layer of the alloy compound not yet reacted. The THF-HCl liquid stream passes through this layer reacting with the alloy compound while the THF dissolves the previously formed chlorides. Preferably, the process is regulated so that the flow rate of THF circulating in the reactor 2 is 4 to 5 times the mass HCI flow rate. The general conditions of the reaction are preferably, for the pressure between 1 bar and 10 bar, and for the temperature between 50 ° C and 130 ° C. An advantage of THF is to dissolve the silicone polymers that may form during the reaction. Thus, THF is recycled by heating the solution after reaction to at least 170 ° C. In addition, THF can dissolve silicone polymers that could be deposited on the cold walls of the system.
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2012
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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