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WO2025219160A1 - Method for treating silicon-containing solid bodies - Google Patents

Method for treating silicon-containing solid bodies

Info

Publication number
WO2025219160A1
WO2025219160A1 PCT/EP2025/059600 EP2025059600W WO2025219160A1 WO 2025219160 A1 WO2025219160 A1 WO 2025219160A1 EP 2025059600 W EP2025059600 W EP 2025059600W WO 2025219160 A1 WO2025219160 A1 WO 2025219160A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
region
silicon
reactor
reaction chamber
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/059600
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hugo LUCAS
Danilo Curtolo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of WO2025219160A1 publication Critical patent/WO2025219160A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/33Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/037Purification

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating silicon-containing solid bodies.
  • the present invention relates to a method by which high-purity silicon can be produced from silicon-containing components with high efficiency.
  • the first is the chemical route, involving the preparation and purification of silanes, followed by reduction to silicon metal by chemical vapor deposition, e.g., the Siemens process.
  • the second route is the metallurgical route, in which primary metallurgical Si is purified through a combination of slag treatment, vacuum refining, and fractional solidification.
  • CA2645161A1 describes a process consisting of two interconnected molten salt electrolysis cells.
  • quartz silicon oxide
  • silicon metal is reduced to silicon metal, forming a metal alloy of silicon and another precious metal.
  • the silicon from this alloy is then further electrolytically refined in an adjacent cell, forming a high-purity silicon metal layer in the cathode region.
  • silicon kerf a high-purity metallic powder produced during wafer sawing
  • silicon kerf is recycled through a slag treatment in which the fine kerf powder is melted together with a slag system consisting of SiOi-CaO-CaFi.
  • This slag facilitates the coagulation of the molten silicon droplets, allowing the molten kerf to be completely coagulated and more efficiently recovered by purging with inert gas in the melt.
  • this process can reduce harmful elements such as B and P to acceptable levels for solar material through slag treatment.
  • Crystallization with a curved growth front which is designed to be as large as possible crystallization interface.
  • a portion of the treated silicon metal is recovered as solar-grade silicon.
  • FR 2559473 A1 describes a process for producing purified silicon in which a material forming a silicon source is subjected to an electrolytic reaction.
  • the process uses a three-layer liquid system consisting of an anode layer, a cathode layer, and an intermediate electrolyte layer arranged one above the other.
  • the anode layer consists of a silicon-containing liquid alloy, the cathode layer of liquid silicon, and the intermediate layer of a silicon dioxide-containing liquid electrolyte.
  • US 8303796 B2 describes a process for the cost-effective production of high-purity silicon, which can be suitable as a starting material for solar cells. Specifically, in the process, silicon dioxide is subjected to molten salt electrolysis in an electrolysis vessel, and steps are carried out in the following order: step (1) in which the silicon content in a silicon-containing alloy, which is in a liquid phase at the electrolysis temperature, is increased by using the alloy as a cathode and conducting electrolysis; step (2) in which the silicon-containing alloy serving as the cathode is removed from the electrolysis vessel before it reaches the concentration at which silicon begins to precipitate at the electrolysis temperature; step (3) in which silicon is solidified by cooling the removed silicon-containing alloy within the temperature range higher than the eutectic point but lower than the electrolysis temperature; and step (4) in which the solidified silicon is collected.
  • EP 2274 767 A4 describes methods, systems, and devices for recovering high-purity silicon, silicon carbide, and PEG from a slurry produced during a wafer dicing process.
  • a silicon-containing material can be used to produce a silicon-rich composition.
  • Silicon carbide and PEG recovered from the silicon-containing material can be used to produce a wafer sawing fluid.
  • the silicon-rich composition can be reacted with iodine-containing compounds, which can be purified and/or used to form deposited silicon of high purity.
  • the produced silicon can be used in the photovoltaic or semiconductor industries.
  • the object of the present invention is to at least partially improve at least one disadvantage of the prior art.
  • the object of the present invention is to provide a solution by which even highly contaminated silicon waste, such as silicon scrap, can be treated simply and efficiently to produce ultrapure silicon or its derivatives.
  • the present invention relates to a method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor, the method comprising the following steps: a) setting a treatment temperature in the reactor, wherein the treatment temperature is equal to or above the melting point of silicon under the conditions in the reactor; b) introducing silicon-containing solid bodies forming a first region into the reactor, wherein c) a second region comprising a pretreatment slag is provided such that the first region is located above the second region; d) providing a third region, wherein the third region comprises a metal alloy; e) providing a fourth region, wherein the fourth region comprises an electrolyte; wherein f) the liquid silicon forms a fifth region which is adjacent to the fourth region, in particular above the fourth region, wherein the first region, the second region, the third region, the fourth region, and the fifth region follow one another in this order in a reaction direction through the reactor.
  • the process can offer significant advantages over state-of-the-art solutions.
  • the process can provide ultrapure silicon with a purity of at least 99.9999 wt.% and can therefore be considered a recycling process.
  • the process can thus be viewed as a process for refining silicon-containing solids, in particular metallic silicon scrap.
  • the process includes further process steps based on the ultrapure silicon produced.
  • the method according to the invention is a method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor.
  • the described method comprises the following steps, whereby the method is not intended to be limited to the described steps, but rather it is possible within the meaning of the present invention to add further steps.
  • five different regions are provided or created which differ in their composition, with the first region, the second region, the third region, the fourth region and the fifth region following one another in this order in a reaction direction through the reactor.
  • the reaction direction is to be understood in particular as a direction which leads through the layers from the starting product, i.e. the silicon-containing solid bodies, to the fifth region, i.e. the purified, in particular liquid, silicon.
  • the present method initially comprises step a), namely setting a treatment temperature in the reactor, wherein the treatment temperature is equal to or above the melting point of silicon under the conditions in the reactor.
  • the reactor interior is thus heated to a temperature of > 1414 °C, preferably > 1500 °C, approximately in a range from > 1414 °C to ⁇ 2000 °C, for example, in a range from > 1500 °C to ⁇ 1700 °C.
  • the present process further comprises step b), namely the introduction of silicon-containing solid bodies forming a first region into the reactor.
  • silicon-containing solid bodies are understood to mean any solids that comprise a certain proportion of silicon.
  • Silicon-containing solids are, accordingly, in particular silicon-containing solids, preferably metallic silicon-containing solids, such as metallic silicon scrap.
  • an advantage of the process described here is that the selection of silicon-containing solids is not limited to pretreated or pre-purified solids or to bodies with a high degree of silicon purity, but rather that the process allows for considerable flexibility in the selection of starting materials.
  • the silicon-containing solids are introduced into the reactor and thereby form a mass, which is referred to as the first zone.
  • a region is to be understood as a volume in which a specific substance, in the first region the silicon-containing solid bodies as starting material, are present.
  • the first zone is located above a second zone, which contains a pretreatment slag.
  • the silicon-containing solids are applied to the second zone in the reactor, thus forming the first zone.
  • the process according to process step b) comprises providing a second region comprising a pretreatment slag, wherein the first region is located above the second region.
  • the pretreatment slag can also be referred to as LES (light-engineered slag) and serves to pretreat or precondition the silicon-containing solid bodies.
  • the silicon present in the silicon-containing solid bodies melts and flows into the second area, coming into contact with the pretreatment slag, which leads to pretreatment and, in particular, coagulation of the silicon. More precisely, when the silicon-containing solid bodies in solid state are mixed with the second When the silicon-containing solids come into contact with the first zone, they initially tend to float on the pretreatment slag. However, when the silicon-containing solids reach the melting temperature of silicon, the silicon melts and passes through the second zone, where it simply flows downwards. Upon passing through the second zone, the first silicon impurities are left behind. These can usually be thermally decomposed, are therefore particularly volatile components, and/or have a high affinity for oxygen. Non-metallic impurities can be absorbed into the pretreatment slag as gangue.
  • the pretreatment slag is preferably designed as follows.
  • slag is generally understood to be a substance comprising a mixture of oxides and other components, in particular cations, such as aluminum (Al), sulfur (S), phosphorus (P), fluorine (F), boron (B), or the like.
  • the preconditioning slag should have a density that is greater than that of the applied silicon-containing solid bodies and, above all, lower than that of liquid or molten silicon.
  • the density can be at least 5% lower than that of molten silicon, where 5% refers to the density of liquid silicon.
  • composition of the pretreatment slag also promotes the absorption of impurities and oxides from the silicon-containing solids and enables the conditioning of the metal before mixing with the underlying alloy of the third region or the penetration of the metal into the alloy.
  • the pretreatment slag may in particular comprise a system based on the components silicon oxide (SiOi), calcium oxide (CaO), and aluminum oxide (Al2O3), optionally with a lithium salt, such as in particular lithium oxide (LiO), being used for It can be added to reduce the density.
  • a lithium salt such as in particular lithium oxide (LiO)
  • CaFi calcium fluoride
  • the pretreatment slag can contain the following components in the following proportions, expressed as wt.% based on the pretreatment slag used in its raw state:
  • Al2O3 aluminum oxide
  • LiiO lithium oxide
  • CaF calcium fluoride
  • the pretreatment slag may comprise the following components in the following proportions, indicated in wt.% based on the pretreatment slag used in the raw state, i.e. without taking into account any reactions during the process, although the values may equally refer to the pretreatment slag in the process:
  • Al2O3 aluminum oxide
  • Li2O lithium oxide
  • CaF2F2 calcium fluoride
  • the exact amount of the individual components can be selected depending on the density of the silicon-containing solids and their composition. For example, many silicon-containing solids contain a certain amount of oxidized silicon, which manifests itself in the pretreatment slag by increasing the silicon content and also by increasing the viscosity. On the other hand, parts of solar cells, as exemplary components of silicon-containing solids, usually have a A conductive layer of aluminum also increases the AlCh content in the pretreatment slag during processing. Furthermore, without the use of lithium, maintaining the density gap over time when using only SiCl, CaO, and Al2O3 is often difficult.
  • these can be preferentially added due to the presence of aluminum in the cell, along with a corrective amount of SiO2, CaO, and Li2O2 to prevent the loss of the density gap or density difference after the pretreatment slag has collected the impurities associated with the cell.
  • the pretreatment slag can be in the form of a melt of the components.
  • the second region can accordingly comprise the pretreatment slag in liquid or molten form.
  • the pretreatment slag with the function of preconditioning the silicon-containing solids, in particular silicon scrap, and therefore adjusting their chemical composition, has no impact on the continuity of the process, but rather serves to optimize the required slag mixture or composition of the slag without compromising the cleaning in the third area.
  • the LES serves to precondition the slag so that regulating its chemical composition does not affect the continuity of the process, but rather serves to optimize the required slag mixture without compromising purification in the second chamber.
  • the slag (LES) specifically serves to precondition the introduced silicon-containing solid in such a way that elements with a higher oxygen affinity than silicon remain in the slag and do not influence the chemical composition of the electrolyte (the HES) within the second chamber, thus negatively impacting the electrolytic purification in the second chamber.
  • the slag (LES) which comes into contact with the scrap, initially absorbs the impurities with high oxygen affinity, including any oxides already present.
  • the liquid silicon from the incoming scrap passes through the LES and is assimilated by a Cu-Si alloy melt, whereby metallic impurities with lower oxygen affinity than silicon (Si), such as iron (Fe), copper (Cu), lead (Pb), silver (Ag), tin (Sn), etc., are also absorbed by the Cu-Si alloy or dissolved in it and remain in the alloy.
  • metallic impurities with lower oxygen affinity than silicon (Si) such as iron (Fe), copper (Cu), lead (Pb), silver (Ag), tin (Sn), etc.
  • the method further comprises, according to step d), the provision of a third region, wherein the third region comprises a metal alloy, such as a silicon-copper alloy.
  • a metal alloy such as a silicon-copper alloy.
  • the presence of copper as a component of a metal alloy in the third zone is related not only to its low cost but also to its high density and copper's ability to dissolve other metals, thus reducing the activity of lower-concentration elements that could contaminate the electrolyte in the second chamber.
  • other alloys besides copper alloys are also possible in the third zone, such as alloys based on nickel, iron, or silver.
  • a fourth region is further provided, wherein the fourth region comprises an electrolyte, in particular one that is liquid at the processing temperature, and wherein silicon is electrolytically produced in the fourth region.
  • the fourth region comprises an electrolyte, in particular one that is liquid at the processing temperature, and wherein silicon is electrolytically produced in the fourth region.
  • pure silicon is continuously produced by electrolysis using the electrolyte.
  • an electrical voltage is preferably applied in this region.
  • the electrolyte preferably contains a high concentration of SiO2, and by applying a potential between corresponding electrodes, Si ions are selectively transferred from the lower melt to the upper melt.
  • the electrolyte preferably has a higher density than liquid silicon and furthermore advantageously a relatively high electrical conductivity. If the electrolyte has a higher density than liquid silicon, the latter floats on top. Thus, step f) is realized in a particularly advantageous manner in that the liquid silicon forms a fifth region, which is adjacent to, in particular above, the fourth region. Once a certain layer thickness of purified silicon has been reached, the silicon can be continuously removed from the reactor or further processed.
  • the electrolyte can preferably be a slag, also known as HES (heavy-engineered slag). It preferably exhibits specific thermophysical properties with respect to viscosity and electrical conductivity.
  • the electrolyte can be in the form of a liquid or molten slag.
  • the fourth region can contain the electrolyte in liquid or molten form.
  • the melting point, density, and conductivity are particularly important properties that should be considered. It is recommended to use silicon dioxide concentrations of more than 20 wt.% to achieve a good ion flow through the electrolyte. Regarding density, CaO and BaO are elements that can be advantageously used to increase the density without compromising the purity of the silicon during electrolysis.
  • fluorides such as CaFi, increases electrical conductivity and thus improves process efficiency. However, their use is limited by the corrosion resistance of the furnace refractory materials, which could compromise the quality of the purified metal.
  • Electrolytes for the purification of silicon with melting points below 1400°C and densities above those of liquid silicon (2.61 g/cm 3 at 1500°C) can preferably be achieved using raw materials in the following composition ranges, where the components are given in wt.% based on the electrolyte used in the raw state, i.e. without taking into account any reactions during the process, but can equally refer to the electrolyte in the process:
  • Aluminium oxide (AI2O3) in a range of > 0 wt% to ⁇ 20 wt%;
  • the electrolyte may generally be advantageous for the electrolyte to contain silicon oxide and for further components to be added which are selected from the group consisting of calcium oxide, barium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide and calcium fluoride, in particular in the proportions mentioned above.
  • electrolytes with melting points below 1400°C and densities between 2.8 and 3.2 g/ cm3 can be used. This is advantageously possible with the compositions described above. Furthermore, they have an electrical resistance, particularly specific electrical resistance, between 0.8 and 3 ohm-cm, which makes these compositions particularly suitable as electrolytes.
  • the process described above allows a very effective treatment of silicon-containing solid bodies in a simple manner, in which even relatively unclean or impure starting substances with regard to the silicon content can be used.
  • the pretreatment slag prevents the electrolyte from rapidly becoming excessively contaminated by impurities present in the scrap used as starting materials. This, in particular, enables continuous and robust purification or refining of silicon, regardless of the source of the silicon scrap used.
  • the density of the pretreatment slag is lower than that of liquid silicon but slightly higher than that of solid silicon, five layers, or regions with different features and properties, exist in the process.
  • the third area and the pre-treatment slag contain impurities that may also be of great economic interest, which further highlights the economic advantages of the process.
  • the protective gas comprises nitrogen, argon, or an argon-hydrogen mixture, whereby the hydrogen content in the protective gas can be ⁇ 4 wt.%.
  • the reactor is filled with protective gas in addition to the described areas.
  • the process be carried out in a reactor with at least two interconnected reaction chambers, wherein the first region and the second region are arranged in the first chamber, wherein the third region is arranged in at least one of the first and second chambers, and wherein the fourth region and optionally the fifth region are arranged in the second chamber.
  • this embodiment allows for a particularly simple process control in which silicon-containing solid bodies are continuously applied to the first region and high-purity silicon can be removed in liquid form in the fifth region or downstream of the fifth region.
  • the third region can be located at the bottom of the reactor and connect the first reaction chamber to the second reaction chamber.
  • the second region can then be located above the third region and the first region above the second region.
  • the fourth region can be located above the third region and the fifth region above the fourth region.
  • further embodiments of the reactor or the arrangement of the respective regions are possible without departing from the scope of the present invention.
  • Reaction chamber generated thermal energy to temper the first This embodiment highlights a further advantage of the process described here: by using two interconnected reaction chambers, the excess energy generated during electrolysis is transported to the first chamber. Accordingly, energy can be saved and energy costs reduced. Furthermore, the process can thus be particularly sustainable.
  • the silicon can be generated directly in the fifth region and extracted therefrom and used accordingly for the production of silicon-containing components, such as for the manufacture of solar cells.
  • the resulting ultrapure silicon can also be crystallized directly.
  • liquid silicon extracted from the fifth region can be recrystallized.
  • Such crystallization techniques are described, for example, in Czochralski, "Directional Solidification,” and near-net-shape methods in WC O'Mara, RB Herring, and LP Hunt, "Handbook of Semiconductor Silicon Technology," 1.
  • an additional reaction chamber can be provided for the crystal growth method, which, for example, is present in addition to a first reaction chamber for pretreatment or preconditioning, and a second reaction chamber for electrorefining, as described above.
  • the purified silicon is fed into the crystallization chamber while still in a molten state.
  • This process is also referred to as the waste-to-wafer concept, in which silicon-containing solids are generated as waste on one side of the reactor, and crystallized products, such as monocrystalline ingots, are produced on the other side. These products can then be sliced and processed into wafers.
  • silicon-containing solids such as metallic silicon scrap can be introduced into the first reactor chamber, with high-purity liquid metallic silicon is produced, from which silicon-containing products, such as monocrystalline ingots, can be produced directly from the liquid state in a third reactor chamber.
  • the process be carried out continuously.
  • silicon-containing solid bodies it is thus possible for silicon-containing solid bodies to be continuously applied to the second region as a first layer, the silicon being purified by the process and appearing as the fifth phase in highly pure form.
  • the process according to the invention makes it particularly advantageous for the electrolyte or the fourth region to not become contaminated, or at least not to such an extent that regeneration or replacement would be necessary after a short time, even with comparatively impure silicon bodies as the starting product. This makes it possible to operate a system with long-term stability, which provides the prerequisite for a continuous process. This is a significant advantage over prior art solutions.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a reactor for carrying out a process according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the functioning of the method according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS 1 and 3 show a schematic representation of an embodiment of a reactor 10 for carrying out a method according to an embodiment of the present invention.
  • the method that can be carried out by the reactor 10 is, in particular, a continuous process for purifying silicon-containing solid bodies, such as silicon scrap, in the liquid state using two interconnected reaction chambers, a first reaction chamber 12 and a second reaction chamber 14.
  • the reactor 10 can be referred to as a five-layer electrolyzer when used.
  • High-purity silicon >99.9999%
  • the reactor 10 comprises, as described, a first reaction chamber 12 and a second
  • Reaction chamber 14 An inlet 16 is also provided through which the The starting product, namely the silicon-containing solid bodies, can be introduced into the reactor 10 or into the first reaction chamber 12.
  • the first region 18 is provided on a second region 20, which comprises a pretreatment slag.
  • the second region 20 is located above a third region 22, which comprises a metal alloy, such as a copper alloy.
  • the third region 22 forms the bottom region and connects the first reaction chamber 12 and the second
  • Reaction chamber 24 Above the third region 22, the second chamber contains the fourth region 24, which contains an electrolyte. Above this fourth region 24, the fifth region 26 is located, which contains highly pure silicon formed. The latter can be removed from the reactor 10 via an outlet 28.
  • the treatment of silicon-containing solids can proceed as follows.
  • Si scrap is introduced as the starting material in its solid state into the first reaction chamber 12.
  • the molten, preconditioned silicon is mixed with a molten Cu-Si alloy, for example.
  • the metal alloy for example, the Cu-Si alloy, is in contact with an electrolyte, referred to here as HES.
  • the ionized silicon or the Si ions move through the electrolyte of the fourth region 24 and create a layer of pure silicon as the fifth region, which, after reaching a certain height, continuously flows through the outlet 28 from the reactor 10 designed as a furnace. Accordingly, silicon is electrolytically purified or produced in the second reaction chamber 14.
  • a protective gas such as an Ar atmosphere slightly enriched with H2, which can be introduced into the reactor 10 through the inlet 30.
  • the reactor 10 will be heated, as indicated by the arrows, so that the reactor 10 or the reaction chambers 12, 14 can be heated to a treatment temperature.
  • Figure 2 describes in more detail the mechanism that purifies the starting product, i.e., the silicon-containing solids, throughout the entire process.
  • the pretreatment slag in contact with the silicon-containing solids begins to absorb impurities with high oxygen affinity, including the oxides already present.
  • Molten or molten silicon flowing through the second region 20 is assimilated by the metal alloy in the third region 22, leaving behind metallic impurities such as Fe, Cu, Pb, Ag, and Sn, with lower oxygen affinity than silicon.
  • the presence of copper in the metal alloy designed as a bottom alloy in the third region 22 is advantageous due to its high density and the ability of this metal to dissolve other metals and thus reduce the activity of smaller elements that could contaminate the electrolyte in the second reaction chamber 14.
  • the formed, not yet completely pure silicon comes into contact with the electrolyte of the fourth region 24.
  • This is advantageously designed such that it has a higher density than liquid silicon and possesses a relatively high electrical conductivity.
  • the electrolyte contains, for example, a high concentration of SiO .
  • FIG. 3 further shows that, in addition to the first reaction chamber 12 and the second reaction chamber 14, the reactor 10 has a third chamber 15 for receiving the produced pure silicon. All chambers can be designed as crucibles. The empty spaces between the crucibles, made of aluminum oxide, for example, are filled with a monolithic refractory material, also based on Al2O3. Furthermore, it is shown that the reactor 10 can be arranged in a crucible 42, made of graphite, for example, and can be closed at its top by a ceramic lid 40, made of AlOa fluoride material, for example.
  • thermocouple 38 for controlling the temperature of the reactor 10 with an induction coil is shown.
  • the structure is thus heated with an induction coil and installed in the crucible 42, which serves as a susceptor for the induction field and homogenizes the heat transfer to the system.
  • This reactor 10 could be operated as follows.
  • the scrap was fed in its solid state from the top of the first reaction chamber 12.
  • the feed material was either granules (kerf or VNS) or chips (PV cells or metallurgical Si).
  • the process began by heating the reactor 10 to 1350°C. Cu chips were then added, and after melting, polysilicon was added until a concentration of between 30 and 40 wt.% was reached. After the silicon was added, a 20-minute holding time was required for homogenization.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a reactor for carrying out the described method, wherein the same reference numerals generally apply to identical or comparable components.
  • the reactor 10 according to Figure 4 differs from the reactor 10 shown in Figure 1 in particular in that a heater is explicitly shown, which is formed by induction coils 44 for heating the reaction chambers 12, 14.
  • Figure 5 shows a combination of an AC submerged arc furnace heater 46, for example, comprising a three-phase AC submerged arc for the first reaction chamber 12, and a burner 48, for example, powered by hydrogen (H2), for the second reaction chamber 14.
  • AC submerged arc furnace heater 46 for example, comprising a three-phase AC submerged arc for the first reaction chamber 12, and a burner 48, for example, powered by hydrogen (H2), for the second reaction chamber 14.
  • corresponding burners 48 are provided for the first reaction chamber 12 and the second reaction chamber 14.
  • the burner 46 for the first reaction chamber 12 can be operated, for example, by a methane/air or methane/oxygen mixture, for example with a lambda value of ⁇ 1
  • the burner 48 for the second reaction chamber 14 can be operated, for example, by hydrogen peroxide.
  • a suitable target temperature is generally approximately 1500-1600 °C and is in any case higher than the melting temperature of silicon under the conditions prevailing in the reactor 10.

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Abstract

The invention relates to a method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor (10). The method is characterized by the following steps: a) setting a treatment temperature in the reactor (10), said treatment temperature equaling or being above the melting point of silicon under the conditions in the reactor (10); b) introducing silicon-containing solid bodies, which form a first region (18), into the reactor (10), c) a second region (20) comprising a pretreatment slag being provided in such a way that the first region (18) is located above the second region (20); d) providing a third region (22), said third region (22) comprising a metal alloy; and e) providing a fourth region (24), in which an electrolyte is provided and in which silicon is produced electrolytically; f) said liquid silicon forming a fifth region (26) adjacent to the fourth region (24), and said first region (18), second region (20), third region (22), fourth region (24) and fifth region (26) following one another, in the stated order, in a reaction direction through the reactor (10).

Description

Verfahren zum Behandeln siliziumhaltiger Feststoffkörper Process for treating silicon-containing solid bodies

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln siliziumhaltiger Feststoffkörper. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, durch welches aus siliziumhaltigen Bauteilen mit hoher Effizienz Silizium mit hoher Reinheit erzeugbar ist. The present invention relates to a method for treating silicon-containing solid bodies. In particular, the present invention relates to a method by which high-purity silicon can be produced from silicon-containing components with high efficiency.

Energiegewinnung basierend auf Solarzellen steht immer weiter im Fokus. Derzeit gibt es jedoch keine nachhaltige Lösung für das Recycling von Siliziumabfällen, die auf die direkte Herstellung von hochreinem Silizium (>99,9999 %) abzielt, das hauptsächlich für die Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Bei der herkömmlichen Produktionsmethode werden zwischen 3,5 und 9,5 kg Silizium benötigt, um 1 kg hochreine Wafer mit einem durchschnittlichen Verbrauch zwischen 0,4 und 2,1 MWh/kg herzustellen. In Anbetracht der exponentiellen Zunahme der Nutzung von Solarzellen im Hinblick auf die Bekämpfung des Klimawandels wird die Welt in den kommenden Jahren mit einem enormen Zustrom von Siliziumabfall aus ausgedienten Solarzellen konfrontiert sein, der angemessen behandelt werden muss. Für die Herstellung von Solarzellen wird hauptsächlich Silizium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9999 % verwendet. Mehrere Elemente wie Fe, Al, Cu, B und P sind ebenfalls erforderlich, um ein hochwertiges Panel herzustellen. Die herkömmliche Herstellung von hochreinem Si erfolgt auf zwei Hauptwegen. Der erste Weg ist der chemische Weg mit der Herstellung und Reinigung von Silanen, gefolgt von der Reduktion zu Siliziummetall durch chemische Gasphasenabscheidung, z. B. nach dem Siemens-Verfahren. Der zweite Weg ist der so genannte metallurgische Weg, bei dem primäres metallurgisches Si durch eine Kombination aus Schlackenbehandlung, Vakuumraffination und fraktionierter Verfestigung gereinigt wird. Energy generation based on solar cells is becoming increasingly important. However, there is currently no sustainable solution for recycling silicon waste aimed at directly producing high-purity silicon (>99.9999%), which is primarily used for solar cell manufacturing. Conventional production methods require between 3.5 and 9.5 kg of silicon to produce 1 kg of high-purity wafers, with an average consumption of between 0.4 and 2.1 MWh/kg. Given the exponential increase in the use of solar cells in the fight against climate change, the world will face a huge influx of silicon waste from end-of-life solar cells in the coming years, which must be properly treated. Solar cell production primarily requires silicon with a purity of at least 99.9999%. Several elements such as Fe, Al, Cu, B, and P are also required to produce a high-quality panel. Conventional production of high-purity Si follows two main routes. The first is the chemical route, involving the preparation and purification of silanes, followed by reduction to silicon metal by chemical vapor deposition, e.g., the Siemens process. The second route is the metallurgical route, in which primary metallurgical Si is purified through a combination of slag treatment, vacuum refining, and fractional solidification.

CA2645161A1 beschreibt ein Verfahren bestehend aus zwei miteinander verbundenen Salzschmelzen-Elektrolysezellen. In der ersten Zelle findet eine Reduktion von Quarz (Siliziumoxid) zu Siliziummetall statt, wobei eine Metalllegierung aus Silizium und einem anderen Edelmetall entsteht. Das Silizium aus dieser Legierung wird dann in einer benachbarten Zelle elektrolytisch weiter veredelt, wobei sich im Kathodenbereich eine hochreine Siliziummetallschicht bildet. CA2645161A1 describes a process consisting of two interconnected molten salt electrolysis cells. In the first cell, quartz (silicon oxide) is reduced to silicon metal, forming a metal alloy of silicon and another precious metal. The silicon from this alloy is then further electrolytically refined in an adjacent cell, forming a high-purity silicon metal layer in the cathode region.

Gemäß GB 2477782 A wird Siliziumkerf, also hochreines metallisches Pulver, das beim Sägen von Wafern anfällt, über eine Schlackenbehandlung recycelt, bei der das feine Kerf- Pulver zusammen mit einem Schlackensystem aus SiOi -CaO-CaFi geschmolzen wird. Diese Schlacke erleichtert die Koagulation der geschmolzenen Siliziumtröpfchen, wodurch das geschmolzene Kerf durch Spülen mit Inertgas in der Schmelze vollständig koaguliert und effizienter zurückgewonnen werden kann. Außerdem können bei diesem Verfahren schädliche Elemente wie B und P durch die Schlackenbehandlung auf ein für Solarmaterial akzeptables Niveau reduziert werden. According to GB 2477782 A, silicon kerf, a high-purity metallic powder produced during wafer sawing, is recycled through a slag treatment in which the fine kerf powder is melted together with a slag system consisting of SiOi-CaO-CaFi. This slag facilitates the coagulation of the molten silicon droplets, allowing the molten kerf to be completely coagulated and more efficiently recovered by purging with inert gas in the melt. Furthermore, this process can reduce harmful elements such as B and P to acceptable levels for solar material through slag treatment.

In CA 2634592 Al wird metallurgisches Siliziummetall durch gerichtete fraktionierteIn CA 2634592 Al, metallurgical silicon metal is produced by directed fractional

Kristallisation mit einer gekrümmten Wachstumsfront veredelt, die auf eine möglichst große Kristallisationsgrenzfläche abzielt. Bei diesem Verfahren wird ein Teil des behandelten Siliziummetalls als Solarsilizium gewonnen. Crystallization with a curved growth front, which is designed to be as large as possible crystallization interface. In this process, a portion of the treated silicon metal is recovered as solar-grade silicon.

FR 2559473 Al beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gereinigtem Silizium, bei dem ein Material, das eine Siliziumquelle bildet, einer elektrolytischen Reaktion unterzogen wird. Das Verfahren verwendet ein dreischichtiges Flüssigkeits system, das aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Elektrolyt-Zwischenschicht besteht, die übereinander angeordnet sind. Die Anodenschicht besteht aus einer siliziumhaltigen Flüssiglegierung, die Kathodenschicht aus Flüssigsilizium und die Zwischenschicht aus einem siliziumdioxidhaltigen Flüssigelektrolyten. FR 2559473 A1 describes a process for producing purified silicon in which a material forming a silicon source is subjected to an electrolytic reaction. The process uses a three-layer liquid system consisting of an anode layer, a cathode layer, and an intermediate electrolyte layer arranged one above the other. The anode layer consists of a silicon-containing liquid alloy, the cathode layer of liquid silicon, and the intermediate layer of a silicon dioxide-containing liquid electrolyte.

US 8303796 B2 beschreibt ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von hochreinem Silizium, das sich als Ausgangsmaterial für Solarzellen eignen kann. Konkret wird bei dem Verfahren Siliziumdioxid in einem Elektrolysebehälter einer Salzschmelzelektrolyse unterzogen und Schritte ausgeführt in der folgenden Reihenfolge ein Schritt (1), bei dem der Siliziumgehalt in einer siliziumhaltigen Legierung, die sich bei der Elektrolysetemperatur in einer flüssigen Phase befindet, erhöht wird, indem die Legierung als Kathode verwendet und eine Elektrolyse durchgeführt wird; ein Schritt (2), bei dem die als Kathode dienende siliciumhaltige Legierung aus dem Elektrolysegefäß entnommen wird, bevor sie die Konzentration erreicht, bei der Silicium bei der Elektrolysetemperatur auszufallen beginnt; ein Schritt (3), bei dem Silicium durch Abkühlen der entnommenen siliciumhaltigen Legierung innerhalb des Temperaturbereichs, der höher als der eutektische Punkt, aber niedriger als die Elektrolysetemperatur ist, verfestigt wird; und ein Schritt (4), bei dem das verfestigte Silicium gesammelt wird. US 8303796 B2 describes a process for the cost-effective production of high-purity silicon, which can be suitable as a starting material for solar cells. Specifically, in the process, silicon dioxide is subjected to molten salt electrolysis in an electrolysis vessel, and steps are carried out in the following order: step (1) in which the silicon content in a silicon-containing alloy, which is in a liquid phase at the electrolysis temperature, is increased by using the alloy as a cathode and conducting electrolysis; step (2) in which the silicon-containing alloy serving as the cathode is removed from the electrolysis vessel before it reaches the concentration at which silicon begins to precipitate at the electrolysis temperature; step (3) in which silicon is solidified by cooling the removed silicon-containing alloy within the temperature range higher than the eutectic point but lower than the electrolysis temperature; and step (4) in which the solidified silicon is collected.

EP 2274 767 A4 beschreibt Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Rückgewinnung von hochreinem Silizium, Siliziumkarbid und PEG aus einer Aufschlämmung, die während eines Wafer-Schneideprozesses entsteht. Ein siliziumhaltiges Material kann zur Herstellung einer siliziumreichen Zusammensetzung verarbeitet werden. Siliziumkarbid und PEG, die aus dem siliziumhaltigen Material zurückgewonnen werden, können zur Herstellung einer Wafer- Säge-Schneideflüssigkeit verwendet werden. Die siliziumreiche Zusammensetzung kann mit jodhaltigen Verbindungen umgesetzt werden, die gereinigt und/oder verwendet werden können, um abgeschiedenes Silizium von hoher Reinheit zu bilden. Das hergestellte Silizium kann in der Photovoltaik- oder Halbleiterindustrie verwendet werden. EP 2274 767 A4 describes methods, systems, and devices for recovering high-purity silicon, silicon carbide, and PEG from a slurry produced during a wafer dicing process. A silicon-containing material can be used to produce a silicon-rich composition. Silicon carbide and PEG recovered from the silicon-containing material can be used to produce a wafer sawing fluid. The silicon-rich composition can be reacted with iodine-containing compounds, which can be purified and/or used to form deposited silicon of high purity. The produced silicon can be used in the photovoltaic or semiconductor industries.

Es wurden mehrere andere Forschungsstudien und Erfindungen durchgeführt, um metallurgisches Silizium zu Solarsilizium aufzuwerten. Kein bekanntes Verfahren befasst sich jedoch mit der Reinigung hochgradig verunreinigter Siliziumrückstände, wie z. B. recyceltem siliziumhaltigem Material aus stillgelegten Solarpanels, zu Siliziummetall in Solarqualität. Daher eignen sich die oben genannten Anwendungen nur für einen engen Bereich von Ausgangsmaterialien, während sie nicht oder nur sehr eingeschränkt flexibel sind, um einen viel breiteren Strom von metallischen siliziumhaltigen Quellen auch schlechtere Reinheit zu behandeln. Several other research studies and inventions have been conducted to upgrade metallurgical silicon to solar-grade silicon. However, no known process addresses the purification of highly contaminated silicon residues, such as recycled silicon-containing material from decommissioned solar panels, into solar-grade silicon metal. Therefore, the above-mentioned applications are only suitable for a narrow range of feedstocks, while offering little or no flexibility to treat a much broader range of metallic silicon-containing sources, even those of lower purity.

Der bekannte Stand der Technik bietet somit noch Verbesserungspotential. The known state of the art therefore still offers potential for improvement.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wenigstens einen Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise zu verbessern. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche auch stark verunreinigter Siliziumabfall wie Siliziumschrott auf einfache und effiziente Weise behandelt werden kann, um so höchst reines Silizium oder deren Folgeprodukte zu erzeugen. It is therefore the object of the present invention to at least partially improve at least one disadvantage of the prior art. In particular, the object of the present invention is to provide a solution by which even highly contaminated silicon waste, such as silicon scrap, can be treated simply and efficiently to produce ultrapure silicon or its derivatives.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. The object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, in the description and in the figures, wherein further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures can be individually or in any combination may constitute an object of the invention unless the context clearly indicates the opposite.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von siliziumhaltigen Feststoffkörpern in einem Reaktor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Einstellen einer Behandlungstemperatur in dem Reaktor, wobei die Behandlungstemperatur gleich oder oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium unter den Bedingungen in dem Reaktor liegt; b) Einbringen von einen ersten Bereich ausbildenden siliziumhaltigen Feststoffkörpem in den Reaktor, wobei c) ein zweiter Bereich umfassend eine Vorbehandlungsschlacke derart bereitgestellt wird, dass sich der erste Bereich oberhalb des zweiten Bereichs befindet; d) Bereitstellen eines dritten Bereichs, wobei der dritte Bereich eine Metall-Legierung umfasst; e) Bereitstellen eines vierten Bereichs, wobei der vierte Bereich einen Elektrolyt umfasst; wobei f) das flüssige Silizium einen fünften Bereich bildet, der benachbart zu dem vierten Bereich, insbesondere oberhalb des vierten Bereichs, vorliegt, wobei der erste Bereich, der zweite Bereich, der dritte Bereich, der vierte Bereich und der fünfte Bereich in dieser Reihenfolge in einer Reaktionsrichtung durch den Reaktor aufeinander folgen. The present invention relates to a method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor, the method comprising the following steps: a) setting a treatment temperature in the reactor, wherein the treatment temperature is equal to or above the melting point of silicon under the conditions in the reactor; b) introducing silicon-containing solid bodies forming a first region into the reactor, wherein c) a second region comprising a pretreatment slag is provided such that the first region is located above the second region; d) providing a third region, wherein the third region comprises a metal alloy; e) providing a fourth region, wherein the fourth region comprises an electrolyte; wherein f) the liquid silicon forms a fifth region which is adjacent to the fourth region, in particular above the fourth region, wherein the first region, the second region, the third region, the fourth region, and the fifth region follow one another in this order in a reaction direction through the reactor.

Ein derartiges Verfahren kann gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile bieten. Insbesondere kann das Verfahren höchstreines Silizium in einer Reinheit von mindestens 99,9999 Gew.-% bereitstellen und somit als Recycling- Verfahren angesehen werden. Das Verfahren kann somit als ein Verfahren zur Raffination siliziumhaltiger Feststoffe, insbesondere metallischen Siliziumschrotts, gesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass das Verfahren basierend auf dem erzeugten höchstreinem Silizium weitere Verfahrensschritte umfasst. Such a process can offer significant advantages over state-of-the-art solutions. In particular, the process can provide ultrapure silicon with a purity of at least 99.9999 wt.% and can therefore be considered a recycling process. The process can thus be viewed as a process for refining silicon-containing solids, in particular metallic silicon scrap. However, it is also It is possible that the process includes further process steps based on the ultrapure silicon produced.

Grundsätzlich handelt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verfahren zum Behandeln von siliziumhaltigen Feststoffkörpern in einem Reaktor. Das beschriebene Verfahren weist die folgenden Schritte auf, wobei das Verfahren nicht auf die beschriebenen Schritte beschränkt sein soll, sondern wobei es im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich ist, weitere Schritte hinzuzufügen. Ferner werden insbesondere fünf verschiedene Bereiche bereitgestellt beziehungsweise erzeugt, welche sich in ihrer Zusammensetzung unterschieden, wobei der erste Bereich, der zweite Bereich, der dritte Bereich, der vierte Bereich und der fünfte Bereich in dieser Reihenfolge in einer Reaktionsrichtung durch den Reaktor aufeinander folgen. Unter der Reaktionsrichtung ist dabei insbesondere eine Richtung zu verstehen, welche durch die Schichten von dem Ausgangsprodukt, also den siliziumhaltigen Feststoffkörpern, zu dem fünften Bereich, also dem gereinigten, insbesondere flüssigen, Silizium, führt. Fundamentally, the method according to the invention is a method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor. The described method comprises the following steps, whereby the method is not intended to be limited to the described steps, but rather it is possible within the meaning of the present invention to add further steps. Furthermore, in particular five different regions are provided or created which differ in their composition, with the first region, the second region, the third region, the fourth region and the fifth region following one another in this order in a reaction direction through the reactor. The reaction direction is to be understood in particular as a direction which leads through the layers from the starting product, i.e. the silicon-containing solid bodies, to the fifth region, i.e. the purified, in particular liquid, silicon.

Das vorliegende Verfahren umfasst zunächst den Schritt a), nämlich das Einstellen einer Behandlungstemperatur in dem Reaktor, wobei die Behandlungstemperatur gleich oder oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium unter den Bedingungen in dem Reaktor liegt. Unter Normbedingungen, also insbesondere bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, wird der Reaktor in seinem Inneren somit auf eine Temperatur von > 1414 °C, bevorzugt von > 1500 °C, etwa in einen Bereich von > 1414 °C bis < 2000°C, beispielsweise in einen Bereich von > 1500 °C bis < 1700°C, erhitzt. The present method initially comprises step a), namely setting a treatment temperature in the reactor, wherein the treatment temperature is equal to or above the melting point of silicon under the conditions in the reactor. Under standard conditions, i.e., in particular at an ambient pressure of 1 bar, the reactor interior is thus heated to a temperature of > 1414 °C, preferably > 1500 °C, approximately in a range from > 1414 °C to < 2000 °C, for example, in a range from > 1500 °C to < 1700 °C.

Das vorliegende Verfahren umfasst ferner den Schritt b), nämlich das Einbringen von einen ersten Bereich ausbildenden siliziumhaltigen Feststoffkörpern in den Reaktor. Unter siliziumhaltigen Feststoffkörpern sollen im Sinne der vorliegenden Erfindungen jegliche Feststoffe verstanden werden, welche in einem gewissen Anteil Silizium umfassen. Die siliziumhaltigen Feststoffkörper sind entsprechend insbesondere siliziumhaltige Feststoffe, vorzugsweise metallische siliziumhaltige Feststoffe, wie insbesondere metallischer Siliziumschrott. Wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist es ein Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens, dass die Auswahl der siliziumhaltigen Feststoffkörper nicht auf bereits vorbehandelte beziehungsweise vorgereinigte Feststoffkörper beziehungsweise auf Körper mit einer hohen Reinheit hinsichtlich des Siliziums beschränkt ist, sondern dass das Verfahren sehr frei ist in der Auswahl der Ausgangsprodukte. Die siliziumhaltigen Feststoffkörper werden in den Reaktor eingebracht und bilden dadurch eine Masse aus, welche als erster Bereich bezeichnet wird. The present process further comprises step b), namely the introduction of silicon-containing solid bodies forming a first region into the reactor. For the purposes of the present invention, silicon-containing solid bodies are understood to mean any solids that comprise a certain proportion of silicon. Silicon-containing solids are, accordingly, in particular silicon-containing solids, preferably metallic silicon-containing solids, such as metallic silicon scrap. As described in more detail below, an advantage of the process described here is that the selection of silicon-containing solids is not limited to pretreated or pre-purified solids or to bodies with a high degree of silicon purity, but rather that the process allows for considerable flexibility in the selection of starting materials. The silicon-containing solids are introduced into the reactor and thereby form a mass, which is referred to as the first zone.

Unter einem Bereich ist dabei im Sinne der Erfindung ein Volumen zu verstehen, in welchem eine bestimmte Substanz, bei dem ersten Bereich eben die siliziumhaltigen Feststoffkörper als Ausgangsmaterial, vorhanden sind. In the context of the invention, a region is to be understood as a volume in which a specific substance, in the first region the silicon-containing solid bodies as starting material, are present.

Dabei liegt der erste Bereich oberhalb eines zweiten Bereichs vor, welcher eine Vorbehandlungs-Schlacke umfasst. Somit werden die siliziumhaltigen Feststoffkörper auf den zweiten Bereich in dem Reaktor aufgebracht und bilden so den ersten Bereich aus. The first zone is located above a second zone, which contains a pretreatment slag. Thus, the silicon-containing solids are applied to the second zone in the reactor, thus forming the first zone.

Entsprechend umfasst das Verfahren gemäß dem Verfahrensschritt b) das Bereitstellen eines zweiten Bereichs umfassend eine Vorbehandlungs-Schlacke, wobei sich der erste Bereich oberhalb des zweiten Bereichs befindet. Die Vorbehandlung-Schlacke kann auch als LES (light-engineered slag) bezeichnet werden und dient einer Vorbehandlung beziehungsweise Vorkonditionierung der siliziumhaltigen Feststoffkörper. Accordingly, the process according to process step b) comprises providing a second region comprising a pretreatment slag, wherein the first region is located above the second region. The pretreatment slag can also be referred to as LES (light-engineered slag) and serves to pretreat or precondition the silicon-containing solid bodies.

Dadurch, dass im Inneren des Reaktors die vorbeschriebene Behandlungstemperatur eingestellt wurde, schmilzt das in den siliziumhaltigen Feststoffkörpem vorhandene Silizium auf und läuft in den zweiten Bereich und kommt so mit der Vorbehandlungs schlacke in Kontakt, was zu einer Vorbehandlung und insbesondere einer Koagulierung des Siliziums führt. Genauer, wenn die siliziumhaltigen Feststoffkörper in festem Zustand mit dem zweiten Bereich in Kontakt kommen, neigen sie zunächst dazu, auf der Vorbehandlungs-Schlacke zu schwimmen. Wenn die siliziumhaltigen Feststoffkörper jedoch die Schmelztemperatur von Silizium erreicht haben, schmilzt das Silizium auf und durchläuft den zweiten Bereich, in dem es schlicht nach unten läuft. Bei dem Durchlaufen des zweiten Bereichs werden erste Verunreinigungen des Siliziums zurückgelassen. Diese können meist thermisch zersetzt werden, sind also insbesondere flüchtige Bestandteile, und/oder haben eine hohe Affinität zu Sauerstoff. Nichtmetallische Verunreinigungen können als Gangart (engl. gangue) in der Vorbehandlungs schlacke auf genommen werden. Due to the fact that the prescribed treatment temperature has been set inside the reactor, the silicon present in the silicon-containing solid bodies melts and flows into the second area, coming into contact with the pretreatment slag, which leads to pretreatment and, in particular, coagulation of the silicon. More precisely, when the silicon-containing solid bodies in solid state are mixed with the second When the silicon-containing solids come into contact with the first zone, they initially tend to float on the pretreatment slag. However, when the silicon-containing solids reach the melting temperature of silicon, the silicon melts and passes through the second zone, where it simply flows downwards. Upon passing through the second zone, the first silicon impurities are left behind. These can usually be thermally decomposed, are therefore particularly volatile components, and/or have a high affinity for oxygen. Non-metallic impurities can be absorbed into the pretreatment slag as gangue.

Hierzu ist die Vorbehandlungs-Schlacke bevorzugt wie folgt ausgestaltet. Zunächst ist unter Schlacke grundsätzlich insbesondere eine Substanz zu verstehen, die ein Gemisch aus Oxiden und anderen Komponenten, insbesondere Kationen, wie etwa von Aluminium (Al), Schwefel (S), Phosphor (P), Fluor (F), Bor (B), oder ähnlichem umfasst. Hinsichtlich der Anordnung der verschiedenen Bereiche sollte, um eine einfache Realisierung zu ermöglichen, die Vorkonditionierungs-Schlacke eine Dichte aufweisen, welche größer ist, als die der aufgebrachten siliziumhaltigen Feststoffkörper, und die vor allem niedriger ist, als die von flüssigem oder geschmolzenem Silizium. Insbesondere kann die Dichte um wenigstens 5% geringer sein, als die von geschmolzenem Silizium, wobei sich 5% auf die Dichte von flüssigem Silizium beziehen. For this purpose, the pretreatment slag is preferably designed as follows. First, slag is generally understood to be a substance comprising a mixture of oxides and other components, in particular cations, such as aluminum (Al), sulfur (S), phosphorus (P), fluorine (F), boron (B), or the like. Regarding the arrangement of the various regions, in order to facilitate simple implementation, the preconditioning slag should have a density that is greater than that of the applied silicon-containing solid bodies and, above all, lower than that of liquid or molten silicon. In particular, the density can be at least 5% lower than that of molten silicon, where 5% refers to the density of liquid silicon.

Die Vorbehandlungs-Schlacke fördert durch ihre Zusammensetzung ferner die Absorption von Verunreinigungen und Oxiden aus den siliziumhaltigen Feststoffkörpern und ermöglicht die Konditionierung des Metalls vor der Vermischung mit der darunter liegenden Legierung des dritten Bereichs oder dem Eindringen des Metalls in die Legierung. The composition of the pretreatment slag also promotes the absorption of impurities and oxides from the silicon-containing solids and enables the conditioning of the metal before mixing with the underlying alloy of the third region or the penetration of the metal into the alloy.

Die Vorbehandlungs-Schlacke kann insbesondere ein System umfassen, welches auf den Komponenten Siliziumoxid (SiOi), Calciumoxid (CaO), und Aluminiumoxid (AI2O3) basiert, wobei gegebenenfalls ein Lithiumsalz, wie insbesondere Lithiumoxid (Li O), zur Verringerung der Dichte hinzugegeben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann gegebenenfalls Calciumfluorid (CaFi) in Abhängigkeit der Ausgangsprodukte, also der siliziumhaltigen Feststoffkörper, zugegeben werden. Beispielsweise kann die Vorbehandlungs-Schlacke die folgenden Komponenten in den folgenden Anteilen, angegeben in Gew.-% bezogen auf die im Rohzustand eingesetzte Vorbehandlungs-Schlacke, aufweisen: The pretreatment slag may in particular comprise a system based on the components silicon oxide (SiOi), calcium oxide (CaO), and aluminum oxide (Al2O3), optionally with a lithium salt, such as in particular lithium oxide (LiO), being used for It can be added to reduce the density. Alternatively or additionally, calcium fluoride (CaFi) may be added, depending on the starting materials, i.e., the silicon-containing solids. For example, the pretreatment slag can contain the following components in the following proportions, expressed as wt.% based on the pretreatment slag used in its raw state:

Siliziumoxid (SiCh) in einem Bereich von > 10 Gew.-% bis < 80 Gew.-%; Silicon oxide (SiCh) in a range of > 10 wt% to < 80 wt%;

Calciumoxid (CaO) in einem Bereich von > 10 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Aluminiumoxid (AI2O3) in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 30 Gew.-%; Lithiumoxid (LiiO) in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 20 Gew.-%; und Calciumfluorid (CaF ) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 15 Gew.-%. Calcium oxide (CaO) in a range of > 10 wt% to < 60 wt%; aluminum oxide (Al2O3) in a range of > 5 wt% to < 30 wt%; lithium oxide (LiiO) in a range of > 5 wt% to < 20 wt%; and calcium fluoride (CaF) in a range of > 0 wt% to < 15 wt%.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorbehandlungs-Schlacke die folgenden Komponenten in den folgenden Anteilen aufweisen, angegeben in Gew.-% bezogen auf die im Rohzustand eingesetzte Vorbehandlungs -Schlacke, also ohne das in Betracht Ziehen etwaiger Reaktionen während des Verfahrens, wobei sich die Werte jedoch gleichermaßen auf die im Verfahren befindliche Vorbehandlungs-Schlacke beziehen können: In a preferred embodiment, the pretreatment slag may comprise the following components in the following proportions, indicated in wt.% based on the pretreatment slag used in the raw state, i.e. without taking into account any reactions during the process, although the values may equally refer to the pretreatment slag in the process:

Siliziumoxid (SiOi) in einem Bereich von > 40 Gew.-% bis < 54 Gew.-%; Silicon oxide (SiOi) in a range of > 40 wt% to < 54 wt%;

Calciumoxid (CaO) in einem Bereich von > 15 Gew.-% bis < 31 Gew.-%; Aluminiumoxid (AI2O3) in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 21 Gew.-%; Lithiumoxid (Li2O) in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 16 Gew.-%; und Calciumfluorid (CaF2) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 7 Gew.-%. Calcium oxide (CaO) in a range of > 15 wt% to < 31 wt%; aluminum oxide (Al2O3) in a range of > 5 wt% to < 21 wt%; lithium oxide (Li2O) in a range of > 5 wt% to < 16 wt%; and calcium fluoride (CaF2) in a range of > 0 wt% to < 7 wt%.

Dabei kann die exakte Menge der einzelnen Komponenten gewählt werden etwa in Abhängigkeit der Dichte der siliziumhaltigen Feststoffkörper und auch deren Zusammensetzung. Beispielsweise haben viele siliziumhaltige Feststoffkörper einen gewissen Anteil an oxidiertem Silizium, das sich in der Vorbehandlungs-Schlacke durch Erhöhung des Siliziumgehalts und auch durch Erhöhung der Viskosität äußert. Andererseits haben Teile von Solarzellen als beispielhafte Bestandteile der siliziumhaltigen Feststoffkörper meist eine leitende Schicht aus Aluminium, wodurch sich der ALCh-Gchalt in der Vorbehandlungs- Schlacke während der Verarbeitung oder Prozessierung ebenfalls erhöht. Ferner wird ohne die Verwendung von Lithium die Aufrechterhaltung des Dichteab stands im Laufe der Zeit bei ausschließlicher Verwendung von SiCL, CaO und AI2O3 oftmals schwierig. Im Falle von Recycling-Solarzellen können diese bevorzugt aufgrund des Vorhandenseins von Aluminium in der Zelle zusammen mit einer korrigierenden Menge an SiOi, CaO und Li O zugeführt werden, um den Verlust der Dichtelücke bzw. des Dichteunterschieds zu vermeiden, nachdem die Vorbehandlungs-Schlacke die mit der Zelle einhergehenden Verunreinigungen gesammelt hat. The exact amount of the individual components can be selected depending on the density of the silicon-containing solids and their composition. For example, many silicon-containing solids contain a certain amount of oxidized silicon, which manifests itself in the pretreatment slag by increasing the silicon content and also by increasing the viscosity. On the other hand, parts of solar cells, as exemplary components of silicon-containing solids, usually have a A conductive layer of aluminum also increases the AlCh content in the pretreatment slag during processing. Furthermore, without the use of lithium, maintaining the density gap over time when using only SiCl, CaO, and Al2O3 is often difficult. In the case of recycled solar cells, these can be preferentially added due to the presence of aluminum in the cell, along with a corrective amount of SiO2, CaO, and Li2O2 to prevent the loss of the density gap or density difference after the pretreatment slag has collected the impurities associated with the cell.

Ferner können auch andere Elemente, wie MgO, NaiO, ebenfalls in der Vorbehandlungs- Schlacke eingesetzt werden. Furthermore, other elements, such as MgO, NaiO, can also be used in the pretreatment slag.

Weiter sei erwähnt, dass der Zusatz von Lithium oder Fluor in der Vorbehandlungs -Schlacke die Verflüchtigung dieser Elemente im Rauchgas erhöht, das zusammen mit der Zugabe von siliziumhaltigen Feststoffkörpern kontinuierlich zugeführt werden kann. It should also be mentioned that the addition of lithium or fluorine in the pretreatment slag increases the volatilization of these elements in the flue gas, which can be continuously added together with the addition of silicon-containing solids.

Die Vorbehandlungsschlacke kann in Form einer Schmelze der Komponenten vorliegen. Der zweite Bereich kann entsprechend die Vorbehandlungsschlacke in flüssiger oder schmelzflüssiger Form umfassen. The pretreatment slag can be in the form of a melt of the components. The second region can accordingly comprise the pretreatment slag in liquid or molten form.

Die Vorbehandlungs-Schlacke mit der Funktion der Vorkonditionierung der siliziumhaltigen Feststoffkörper, insbesondere von Siliziumschrott, und daher die Anpassung ihrer chemischen Zusammensetzung hat ferner keine Auswirkungen auf die Kontinuität des Prozesses, sondern dient vielmehr dazu, die erforderliche Schlackenmischung oder Zusammensetzung der Schlacke zu optimieren, ohne die Reinigung im dritten Bereich zu beeinträchtigen. Die LES hat die Funktion, die Schlacke vorzukonditionieren, so dass die Regulierung ihrer chemischen Zusammensetzung keine Auswirkungen auf die Kontinuität des Prozesses hat, sondern vielmehr dazu dient, das erforderliche Schlackengemisch zu optimieren, ohne die Reinigung in der zweiten Kammer zu beeinträchtigen. Die Schlacke (LES) hat insbesondere die Funktion, den eingebrachten siliziumhaltigen Feststoff in einer Weise vorzukonditionieren, dass Elemente mit einer höheren Sauerstoffaffinität als Silizium in der Schlacke verbleiben und keinen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten (der HES) innerhalb der zweiten Kammer ausüben und somit die elektrolytische Aufreinigung in der zweiten Kammer negativ beeinflussen. Die Schlacke (LES), die mit dem Schrott in Kontakt kommt, absorbiert zunächst die Verunreinigungen mit hoher Sauerstoffaffinität, einschließlich der bereits vorhandenen Oxide. Das flüssige Silizium aus dem zugeführten Schrott durchläuft die LES und wird von einer Cu-Si-Legierungsschmelze assimiliert, wobei metallische Verunreinigungen mit geringerer Sauerstoffaffinität als Silizium (Si), wie Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Blei (Pb), Silber (Ag), Zinn (Sn) usw. ebenfalls von der Cu-Si-Legierung aufgenommen bzw. in dieser gelöst werden und in der Legierung Zurückbleiben. Furthermore, the pretreatment slag, with the function of preconditioning the silicon-containing solids, in particular silicon scrap, and therefore adjusting their chemical composition, has no impact on the continuity of the process, but rather serves to optimize the required slag mixture or composition of the slag without compromising the cleaning in the third area. The LES serves to precondition the slag so that regulating its chemical composition does not affect the continuity of the process, but rather serves to optimize the required slag mixture without compromising purification in the second chamber. The slag (LES) specifically serves to precondition the introduced silicon-containing solid in such a way that elements with a higher oxygen affinity than silicon remain in the slag and do not influence the chemical composition of the electrolyte (the HES) within the second chamber, thus negatively impacting the electrolytic purification in the second chamber. The slag (LES), which comes into contact with the scrap, initially absorbs the impurities with high oxygen affinity, including any oxides already present. The liquid silicon from the incoming scrap passes through the LES and is assimilated by a Cu-Si alloy melt, whereby metallic impurities with lower oxygen affinity than silicon (Si), such as iron (Fe), copper (Cu), lead (Pb), silver (Ag), tin (Sn), etc., are also absorbed by the Cu-Si alloy or dissolved in it and remain in the alloy.

Das Verfahren umfasst weiterhin gemäß Schritt d) das Bereitstellen eines dritten Bereichs, wobei der dritte Bereich eine Metalllegierung, etwa eine Silizium-Kupfer-Legierung umfasst. Dadurch wird es ermöglicht, dass, nachdem das vorbehandelte und insbesondere koagulierte Silizium die Vorbehandlungs-Schlacke durchlaufen hat, es sich mit der Metalllegierung vermischt. Dabei werden die in der Ausgangssubstanz, also in den siliziumhaltigen Feststoffkörpern vorhandenen Verunreinigungen mit geringer Sauerstoffaffinität, wie etwa Eisen (Fe), Nickel (Ni), Blei (Pb) Zinn (Sn) und Silber (Ag), ebenfalls von der Cu-Si- Legierung aufgenommen, wobei diese in der Legierung Zurückbleiben und somit von dem Silizium abgetrennt werden. Die Metall-Legierung kann in flüssiger oder schmelzflüssiger Form vorliegen. Der dritte Bereich kann entsprechend die Metall-Legierung in flüssiger oder schmelzflüssiger Form umfassen. The method further comprises, according to step d), the provision of a third region, wherein the third region comprises a metal alloy, such as a silicon-copper alloy. This enables the pretreated and, in particular, coagulated silicon to mix with the metal alloy after it has passed through the pretreatment slag. In this process, the impurities with low oxygen affinity present in the starting substance, i.e., in the silicon-containing solids, such as iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), tin (Sn), and silver (Ag), are also absorbed by the Cu-Si alloy, remaining in the alloy and thus being separated from the silicon. The metal alloy can be in liquid or molten form. The third area can accordingly include the metal alloy in liquid or molten form.

Das Vorhandensein von Kupfer als Bestandteil einer Metalllegierung in dem dritten Bereich, der wie nachfolgend beschrieben eine Bodenlegierung ausbilden kann, hängt neben der geringen Kosten mit seiner hohen Dichte und der Fähigkeit des Kupfers zusammen, andere Metalle aufzulösen und so die Aktivität von Elementen mit geringerer Konzentration, zu verringern, die den Elektrolyten in der zweiten Kammer verunreinigen könnten. Grundsätzlich sind außer Kupfer-Legierungen in dem dritte Bereich jedoch auch andere Legierungen möglich, wie beispielsweise Legierungen basierend auf Nickel, Eisen oder Silber. The presence of copper as a component of a metal alloy in the third zone, which can form a base alloy as described below, is related not only to its low cost but also to its high density and copper's ability to dissolve other metals, thus reducing the activity of lower-concentration elements that could contaminate the electrolyte in the second chamber. In principle, however, other alloys besides copper alloys are also possible in the third zone, such as alloys based on nickel, iron, or silver.

Gemäß dem weiteren Verfahrensschritt e) erfolgt ferner das Bereitstellen eines vierten Bereichs, wobei der vierte Bereich einen, insbesondere bei der Bearbeitungstemperatur flüssigen, Elektrolyten umfasst und wobei in dem vierten Bereich elektrolytisch Silizium erzeugt wird. In diesem Bereich wird insbesondere kontinuierlich reines Silizium durch Elektrolyse unter Verwendung des Elektrolyten erzeugt. Für die Elektrolyse wird vorzugsweise eine elektrische Spannung in diesem Bereich angelegt. Der Elektrolyt enthält bevorzugt eine hohe Konzentration an S i O2. und durch Anlegen eines Potenzials zwischen entsprechenden Elektroden werden Si-Ionen aus der unteren Schmelze selektiv auf die obere übertragen. According to the further method step e), a fourth region is further provided, wherein the fourth region comprises an electrolyte, in particular one that is liquid at the processing temperature, and wherein silicon is electrolytically produced in the fourth region. In this region, in particular, pure silicon is continuously produced by electrolysis using the electrolyte. For the electrolysis, an electrical voltage is preferably applied in this region. The electrolyte preferably contains a high concentration of SiO2, and by applying a potential between corresponding electrodes, Si ions are selectively transferred from the lower melt to the upper melt.

Der Elektrolyt weist bevorzugt eine höhere Dichte als flüssiges Silizium auf und ferner zweckmäßiger Weise eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit. Wenn der Elektrolyt eine höhere Dichte als flüssiges Silizium aufweist, schwimmt letzteres oben auf. Dadurch wird Schritt f) auf besonders vorteilhafte Weise realisiert, indem das flüssige Silizium einen fünften Bereich bildet, der benachbart, insbesondere oberhalb, zu dem vierten Bereich vorliegt. Nach Erreichen einer bestimmten Schichtdicke von gereinigtem Silizium kann das Silizium kontinuierlich aus dem Reaktor entfernt oder weiter prozessiert werden. The electrolyte preferably has a higher density than liquid silicon and furthermore advantageously a relatively high electrical conductivity. If the electrolyte has a higher density than liquid silicon, the latter floats on top. Thus, step f) is realized in a particularly advantageous manner in that the liquid silicon forms a fifth region, which is adjacent to, in particular above, the fourth region. Once a certain layer thickness of purified silicon has been reached, the silicon can be continuously removed from the reactor or further processed.

Der Elektrolyt kann wiederum bevorzugt eine Schlacke sein, die auch als HES (heavy- engineered slag) bezeichnet werden kann. Sie weist bevorzugt spezielle thermophysikalische Eigenschaften in Bezug auf Viskosität und elektrische Leitfähigkeit auf. The electrolyte can preferably be a slag, also known as HES (heavy-engineered slag). It preferably exhibits specific thermophysical properties with respect to viscosity and electrical conductivity.

Der Elektrolyt kann in Form einer flüssigen oder schmelzflüssigen Schlacke vorliegen. Der vierte Bereich kann entsprechend den Elektrolyten in flüssiger oder schmelzflüssiger Form umfassen. The electrolyte can be in the form of a liquid or molten slag. The fourth region can contain the electrolyte in liquid or molten form.

Bei dem etwa als HES ausgestalteten Elektrolyten sind insbesondere der Schmelzpunkt, die Dichte und die Leitfähigkeit wichtige Eigenschaften, die berücksichtigt werden sollten. Es wird empfohlen, Konzentrationen an Siliziumdioxid von mehr als 20 Gew.-% zu verwenden, um einen guten lonenstrom durch den Elektrolyt zu erhalten. In Bezug auf die Dichte sind CaO und BaO Elemente, die vorteilhaft verwendet werden können, um die Dichte zu erhöhen, ohne die Reinheit des Siliziums während der Elektrolyse zu beeinträchtigen. Die Verwendung von Fluoriden, wie CaFi. erhöht die elektrische Leitfähigkeit und verbessert somit die Effizienz des Prozesses. Ihre Verwendung ist jedoch durch die Korrosionsbeständigkeit der feuerfesten Materialien des Ofens eingeschränkt, was die Qualität des gereinigten Metalls beeinträchtigen könnte. Gute Reinigungsergebnisse wurden beispielsweise mit einem Gehalt von SiOi zwischen 30-40 Gew.-%, BaO zwischen 20-60 Gew.-% vorzugsweise 20-40 Gew.-%, CaO zwischen 20-40 Gew.-% oder 0-10 Gew.-% und CaFi <40 Gew.-% erzielt. Die Zusammensetzungen 40Gew.-%SiO2-30Gew.-%CaO-30Gew.-%BaO und 35Gew.-%SiO2- 30Gew.-%CaO-30Gew.-%BaO-5Gew.-%CaF2 zeigten gute Metallqualität und Stabilitätsergebnisse, etwa bei der Verwendung von AhOa-Ticgcln. Auch Zusammensetzungen 40Gew.-%SiO2-5Gew.-%CaO-55Gew.-%BaO und 40Gew.-%SiO2— 55Gew.-%BaO-5Gew.- %CaF2 zeigten gute Metallqualität und hohe Prozessstabilitäten. Elektrolyten für die Reinigung von Silizium mit Schmelzpunkten unter 1400°C und Dichten über denen von flüssigem Silizium (2,61 g/cm3 bei 1500°C) können unter Verwendung von Rohstoffen in den folgenden Zusammensetzungsbereichen bevorzugt erreicht werden, wobei die Bestandteile in Gew.-% bezogen auf den im Rohzustand eingesetzten Elektrolyten, also ohne das in Betracht Ziehen etwaiger Reaktionen während des Verfahrens, angegeben sind, sich jedoch gleichermaßen auf den im Verfahren befindlichen Elektrolyt beziehen können: For electrolytes designed as HES, for example, the melting point, density, and conductivity are particularly important properties that should be considered. It is recommended to use silicon dioxide concentrations of more than 20 wt.% to achieve a good ion flow through the electrolyte. Regarding density, CaO and BaO are elements that can be advantageously used to increase the density without compromising the purity of the silicon during electrolysis. The use of fluorides, such as CaFi, increases electrical conductivity and thus improves process efficiency. However, their use is limited by the corrosion resistance of the furnace refractory materials, which could compromise the quality of the purified metal. Good purification results have been achieved, for example, with SiOi contents between 30-40 wt.%, BaO between 20-60 wt.%, preferably 20-40 wt.%, CaO between 20-40 wt.% or 0-10 wt.%, and CaFi <40 wt.%. The compositions 40 wt.% SiO2-30 wt.% CaO-30 wt.% BaO and 35 wt.% SiO2-30 wt.% CaO-30 wt.% BaO-5 wt.% CaF2 showed good metal quality and stability results, for example, when using AlOa-TiCl. Compositions 40 wt.% SiO2-5 wt.% CaO-55 wt.% BaO and 40 wt.% SiO2-55 wt.% BaO-5 wt.% CaF2 also showed good metal quality and high process stability. Electrolytes for the purification of silicon with melting points below 1400°C and densities above those of liquid silicon (2.61 g/cm 3 at 1500°C) can preferably be achieved using raw materials in the following composition ranges, where the components are given in wt.% based on the electrolyte used in the raw state, i.e. without taking into account any reactions during the process, but can equally refer to the electrolyte in the process:

Siliziumoxid (SiCE) in einem Bereich von > 20 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Silicon oxide (SiCE) in a range of > 20 wt% to < 60 wt%;

Calciumoxid (CaO) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 50 Gew.-%; Calcium oxide (CaO) in a range of > 0 wt% to < 50 wt%;

Bariumoxid (BaO) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Barium oxide (BaO) in a range of > 0 wt% to < 60 wt%;

Aluminiumoxid (AI2O3) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 20 Gew.-%; Aluminium oxide (AI2O3) in a range of > 0 wt% to < 20 wt%;

Magnesiumoxid (MgO) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 10 Gew.-%; und Calciumfluorid (CaF ) in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 60 Gew.-%. Magnesium oxide (MgO) in a range of > 0 wt% to < 10 wt%; and calcium fluoride (CaF ) in a range of > 0 wt% to < 60 wt%.

Entsprechend kann es grundsätzlich von Vorteil sein, dass der Elektrolyt Siliziumoxid aufweist und weitere Komponenten addiert werden können, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Calciumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Calciumfluorid, insbesondere in den zuvor genannten Anteilen. Accordingly, it may generally be advantageous for the electrolyte to contain silicon oxide and for further components to be added which are selected from the group consisting of calcium oxide, barium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide and calcium fluoride, in particular in the proportions mentioned above.

Insbesondere können Elektrolyte verwendet werden, die Schmelzpunkte unter 1400°C und Dichten zwischen 2,8 und 3,2 g/cm3 aufweisen. Dies ist vorteilhaft möglich durch die vorbeschriebenen Zusammensetzungen. Außerdem haben sie einen elektrischen Widerstand, insbesondere spezifischen elektrischen Widerstand, zwischen 0,8 und 3 Ohm- cm, was diese Zusammensetzungen als Elektrolyten besonders geeignet macht. In particular, electrolytes with melting points below 1400°C and densities between 2.8 and 3.2 g/ cm³ can be used. This is advantageously possible with the compositions described above. Furthermore, they have an electrical resistance, particularly specific electrical resistance, between 0.8 and 3 ohm-cm, which makes these compositions particularly suitable as electrolytes.

Das vorstehend beschriebene Verfahren erlaubt auf einfache Weise eine sehr effektive Behandlung von siliziumhaltigen Feststoffkörpern, bei dem auch vergleichsweise unsaubere beziehungsweise mit Bezug auf den Gehalt an Silizium unreine Ausgangssubstanzen verwendet werden können. Im Detail verhindert insbesondere die Vorbehandlungs-Schlacke, dass der Elektrolyt schnell durch die in den als Ausgangssubstanzen verwendeten Schrotten vorhandenen Verunreinigungen in zu hohem Maße verschmutzt wird. Insbesondere dadurch wird es möglich, dass eine kontinuierliche und robuste Aufreinigung oder Raffination von Silizium unabhängig von der Quelle der verwendeten Siliziumschrotte ermöglicht wird. The process described above allows a very effective treatment of silicon-containing solid bodies in a simple manner, in which even relatively unclean or impure starting substances with regard to the silicon content can be used. Specifically, the pretreatment slag prevents the electrolyte from rapidly becoming excessively contaminated by impurities present in the scrap used as starting materials. This, in particular, enables continuous and robust purification or refining of silicon, regardless of the source of the silicon scrap used.

Wenn die Dichte der Vorbehandlungs-Schlacke geringer ist als die von flüssigem Silizium, aber etwas höher als die von festem Silizium, existieren in dem Prozess fünf Schichten beziehungsweise Bereiche mit unterschiedlichen Merkmalen und Eigenschaften, was diese Erfindung zu einer wesentlichen Verbesserung gegenüber der bestehenden Dreischicht- Elektrolyseur-Technologie macht und für die Reinigung von Siliziumabfällen, etwa für die Waferproduktion (Waste-to-Wafer-Konzept) oder auch für die Produktion von Solarzellen, fachsprachlich als Photovoltaikzellen bezeichnet, geeignet macht. Daher kann die durch dieses Verfahren erzeugte Anordnung auch als Fünf-Schicht-Elektrolyseur bezeichnet werden. If the density of the pretreatment slag is lower than that of liquid silicon but slightly higher than that of solid silicon, five layers, or regions with different features and properties, exist in the process. This makes this invention a significant improvement over existing three-layer electrolyzer technology and suitable for the purification of silicon waste, for example, for wafer production (waste-to-wafer concept) or for the production of solar cells, technically known as photovoltaic cells. Therefore, the arrangement produced by this process can also be referred to as a five-layer electrolyzer.

Durch die Kombination der Eigenschaften der jeweiligen Bereiche war es möglich, Silizium aus verschiedensten Ausgangssubstanzen, insbesondere metallischen siliziumhaltigen Ausgangsmaterialien, etwa Siliziumabfällen, insbesondere metallischen Siliziumschrotts, wie insbesondere Solarzellen, Guss-Siliziumfraktionen (SSF, engl. Silicon Small Fraction), Kerf und metallurgischem Silizium problemlos zu reinigen und hochreines Silizium zu erzeugen. Das Verfahren erwies sich als robust und langzeitstabil, so dass ein kontinuierlicher und flexibler Reinigungsprozess erreicht wurde. Möglich wird so die Herstellung von hochreinem Silizium für die Produktion von Halbleitern, insbesondere von Wafern für Solarpaneele. By combining the properties of the respective areas, it was possible to easily purify silicon from a wide variety of starting materials, especially metallic silicon-containing starting materials, such as silicon waste, especially metallic silicon scrap, such as solar cells, cast silicon fractions (SSF, silicon small fraction), kerf, and metallurgical silicon, and to produce high-purity silicon. The process proved to be robust and long-term stable, thus achieving a continuous and flexible purification process. This enables the production of high-purity silicon for the production of semiconductors, especially wafers for solar panels.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass etwa im Rahmen der Kreislaufwirtschaft die beispielsweise in dem dritten Bereich und die Vorbehandlungs-Schlacke Verunreinigungen umfassen, die ebenfalls wirtschaftlich von hohem Interesse sein können, was die wirtschaftlichen Vorteile des Verfahrens weiter hervorhebt. Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren unter einer inerten Atmosphäre aus Schutzgas ausgeführt wird. Dadurch können ungewollte Nebenreaktionen und beispielsweise Oxidbildung verhindert werden, so dass die Langzeitstabilität und Robustheit besonders groß sein kann. Beispielsweise umfasst das Schutzgas Stickstoff, Argon oder auch ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, wobei der Anteil an Wasserstoff in dem Schutzgas in einem Anteil von < 4 Gew.-% sein kann. In dieser Ausgestaltung kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Reaktor zusätzlich zu den beschriebenen Bereichen mit Schutzgas gefüllt ist. It should also be noted that, in the context of the circular economy, for example, the third area and the pre-treatment slag contain impurities that may also be of great economic interest, which further highlights the economic advantages of the process. In principle, it can be advantageous to carry out the process under an inert atmosphere of protective gas. This can prevent unwanted side reactions and, for example, oxide formation, thus ensuring particularly high long-term stability and robustness. For example, the protective gas comprises nitrogen, argon, or an argon-hydrogen mixture, whereby the hydrogen content in the protective gas can be < 4 wt.%. In this embodiment, it can be provided, in particular, that the reactor is filled with protective gas in addition to the described areas.

Es kann ferner bevorzugt sein, dass das Verfahren in einem Reaktor mit wenigstens zwei miteinander verbundenen Reaktionskammern ausgeführt, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich in der ersten Kammer angeordnet ist, wobei der dritte Bereich in wenigstens einem von der ersten und der zweiten Kammer angeordnet ist, und wobei der vierte Bereich und gegebenenfalls der fünfte Bereich in der zweiten Kammer abgeordnet sind. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders einfache Verfahrensführung erlaubt werden, in welcher kontinuierlich ein Auftrag von siliziumhaltigen Feststoffkörpem in den ersten Bereich erfolgt und im fünften Bereich oder stromabwärts des fünften Bereichs hochreines Silizium in flüssiger Form entnommen werden kann. Dabei kann beispielsweise der dritte Bereich am Boden des Reaktors vorliegen und die erste Reaktionskammer mit der zweiten Reaktionskammer verbinden. In der ersten Reaktionskammer kann dann oberhalb des dritten Bereichs der zweite Bereich und oberhalb des zweiten Bereichs der erste Bereich vorliegen. In der zweiten Reaktionskammer kann oberhalb des dritten Bereichs der vierte Bereich und oberhalb des vierten Bereichs der fünfte Bereich vorliegen. Grundsätzlich können jedoch noch weitere Ausgestaltungen des Reaktors beziehungsweise der Anordnung der jeweiligen Bereiche möglich sein, ohne den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It may further be preferred that the process be carried out in a reactor with at least two interconnected reaction chambers, wherein the first region and the second region are arranged in the first chamber, wherein the third region is arranged in at least one of the first and second chambers, and wherein the fourth region and optionally the fifth region are arranged in the second chamber. In particular, this embodiment allows for a particularly simple process control in which silicon-containing solid bodies are continuously applied to the first region and high-purity silicon can be removed in liquid form in the fifth region or downstream of the fifth region. For example, the third region can be located at the bottom of the reactor and connect the first reaction chamber to the second reaction chamber. In the first reaction chamber, the second region can then be located above the third region and the first region above the second region. In the second reaction chamber, the fourth region can be located above the third region and the fifth region above the fourth region. In principle, however, further embodiments of the reactor or the arrangement of the respective regions are possible without departing from the scope of the present invention.

Dabei kann es besonders bevorzugt sein, dass die bei der Elektrolyse in der zweitenIt may be particularly preferred that the electrolysis in the second

Reaktionskammer erzeugte thermische Energie zum Temperieren der ersten Reaktionskammer verwendet wird. In dieser Ausgestaltung wird ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens deutlich, wonach durch die Verwendung von zwei miteinander verbundenen Reaktionskammern die bei der Elektrolyse erzeugte überschüssige Energie in die erste Kammer transportiert werden. Entsprechend kann Energie eingespart und können Energiekosten gesenkt werden. Ferner kann das Verfahren so besonders nachhaltig sein. Reaction chamber generated thermal energy to temper the first This embodiment highlights a further advantage of the process described here: by using two interconnected reaction chambers, the excess energy generated during electrolysis is transported to the first chamber. Accordingly, energy can be saved and energy costs reduced. Furthermore, the process can thus be particularly sustainable.

Grundsätzlich kann das Silizium unmittelbar im fünften Bereich anfallen und diesem entnommen und entsprechend zur Produktion von siliziumhaltigen Bauteilen, wie etwa zum Herstellen von Solarzellen, verwendet werden. In einer Ausgestaltung kann das gebildete höchstreine Silizium jedoch auch insbesondere unmittelbar kristallisiert werden. In anderen Worten kann dem fünften Bereich entnommenes flüssiges Silizium umkristallisiert werden. Dadurch wird es möglich, dass etwa in einem industriellen Prozess das erzeugte Silizium direkt etwa mit einer kontrollierten Kristallisationstechnik zur Herstellung von entsprechenden Produkten, wie etwa von Wafern, weiterverarbeitet werden kann. Derartige Kristallisationstechniken sind etwa beschrieben in Czochralski, Directional Solidificartion und Near-net-shape-Methoden in W. C. O'Mara, R. B. Herring, and L. P. Hunt, Handbook of Semiconductor Silicon Technology, 1. Park Ridge, NJ: William Andrew, 1990. Hierzu kann eine weitere Reaktionskammer zur Kristallzüchtungsmethode vorgesehen sein, welche etwa zusätzlich zu einer ersten Reaktionskammer die Vorbehandlung beziehungsweise für die Vorkonditionierung, und einer zweiten Reaktionskammer für die Elektroraffination, wie vorstehend beschrieben, vorliegt. Bei diesem integrierten Verfahren wird das gereinigte Silizium noch in geschmolzenem Zustand in die Kristallisationskammer geleitet. Dieses Verfahren ist auch als Waste-to-Wafer-Konzept zu bezeichnen, bei dem auf der einen Seite des Reaktors siliziumhaltige Feststoffkörper als Abfälle anfallen und auf der anderen Seite kristallisierte Produkte, wie etwa monokristalline Ingots, erzeugt werden, die dann in Scheiben geschnitten und zu Wafern verarbeitet werden können. Hier können insbesondere siliziumhaltige Feststoffe wie insbesondere metallischer Siliziumschrott in die erste Reaktorkammer eingetragen werden, wobei auf der anderen Seite hochreines flüssiges metallisches Silizium anfällt, aus welchem in einer dritten Reaktorkammer direkt aus dem flüssigen Zustand kristallisierte siliziumhaltige Produkte, wie etwa monokristalline Ingots, erzeugt werden können. In principle, the silicon can be generated directly in the fifth region and extracted therefrom and used accordingly for the production of silicon-containing components, such as for the manufacture of solar cells. In one embodiment, however, the resulting ultrapure silicon can also be crystallized directly. In other words, liquid silicon extracted from the fifth region can be recrystallized. This makes it possible, for example, for the produced silicon to be further processed directly in an industrial process, for example using a controlled crystallization technique, to manufacture corresponding products, such as wafers. Such crystallization techniques are described, for example, in Czochralski, "Directional Solidification," and near-net-shape methods in WC O'Mara, RB Herring, and LP Hunt, "Handbook of Semiconductor Silicon Technology," 1. Park Ridge, NJ: William Andrew, 1990. For this purpose, an additional reaction chamber can be provided for the crystal growth method, which, for example, is present in addition to a first reaction chamber for pretreatment or preconditioning, and a second reaction chamber for electrorefining, as described above. In this integrated process, the purified silicon is fed into the crystallization chamber while still in a molten state. This process is also referred to as the waste-to-wafer concept, in which silicon-containing solids are generated as waste on one side of the reactor, and crystallized products, such as monocrystalline ingots, are produced on the other side. These products can then be sliced and processed into wafers. Here, in particular, silicon-containing solids such as metallic silicon scrap can be introduced into the first reactor chamber, with high-purity liquid metallic silicon is produced, from which silicon-containing products, such as monocrystalline ingots, can be produced directly from the liquid state in a third reactor chamber.

Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Verfahren kontinuierlich ausgeführt wird. Wie vorstehend bereits angedeutet ist es so möglich, dass kontinuierlich als erste Schicht siliziumhaltige Feststoffkörper auf den zweiten Bereich aufgegeben werden, durch das Verfahren das Silizium aufgereinigt wird und als fünfte Phase in hochreiner Form auftritt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf besonders vorteilhafte Weise möglich, dass der Elektrolyt beziehungsweise der vierte Bereich auch bei vergleichsweise unreinem Siliziumkörpern als Ausgangsprodukt nicht oder zumindest nicht derart verschmutzt, dass nach kurzer Zeit eine Regenerierung oder ein Austausch notwendig wäre. Dadurch ist das Betreiben eines langzeitstabilen Systems möglich, was die Voraussetzung für ein kontinuierliches Verfahren bietet. Dies ist ein signifikanter Vorteil gegenüber den Eösungen aus dem Stand der Technik. It may further be preferred that the process be carried out continuously. As already indicated above, it is thus possible for silicon-containing solid bodies to be continuously applied to the second region as a first layer, the silicon being purified by the process and appearing as the fifth phase in highly pure form. The process according to the invention makes it particularly advantageous for the electrolyte or the fourth region to not become contaminated, or at least not to such an extent that regeneration or replacement would be necessary after a short time, even with comparatively impure silicon bodies as the starting product. This makes it possible to operate a system with long-term stability, which provides the prerequisite for a continuous process. This is a significant advantage over prior art solutions.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können, und wobei die Erfindung nicht auf die folgende Zeichnung, die folgende Beschreibung und das folgende Ausführungsbeispiel beschränkt ist. The invention is explained below by way of example with reference to the attached drawings, wherein the features shown below can represent an aspect of the invention both individually and in combination, and wherein the invention is not limited to the following drawing, the following description and the following embodiment.

Es zeigen: They show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Reaktors zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a reactor for carrying out a process according to an embodiment of the present invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines weiteren Reaktors zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines weiteren Reaktors zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines weiteren Reaktors zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines weiteren Reaktors zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 is a schematic representation of the functioning of the method according to the invention; Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention; Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention; Fig. 5 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention; and Fig. 6 is a schematic representation of an embodiment of a further reactor for carrying out a method according to an embodiment of the present invention.

In den Figuren 1 und 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Reaktors 10 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Durch den Reaktor 10 ausführbare Verfahren ist dabei insbesondere ein kontinuierliches Verfahren zur Reinigung von siliziumhaltigen Feststoffkörpern, wie etwa von Siliziumschrott, im flüssigen Zustand unter Verwendung zweier miteinander verbundener Reaktionskammern, einer ersten Reaktionskammer 12 und einer zweiten Reaktionskammer 14. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Reaktor 10 bilden sich fünf Bereiche aus, weshalb der Reaktor 10 bei Verwendung als Fünf-Schicht-Elektrolyseur bezeichnet werden kann. Dieser stellt eine deutliche Verbesserung eines bekannten Dreischicht-Elektrolyseurs dar, um die Verwendung von Siliziumschrott unterschiedlicher Qualität und auch von entsprechenden Mischungen von Produkten unterschiedlicher Reinheit als Ausgangsprodukt zu ermöglichen, ohne dass ein ständiger Austausch des Elektrolyten erforderlich ist. Dabei kann hochreines Silizium (>99,9999 %), etwa für die Herstellung von Wafern, erzeugt werden durch ein fünfstufiges Elektrolyseverfahren, bei dem unreines metallisches siliziumhaltiges Ausgangsmaterial recycelt und zu hochreinem Siliziummetall veredelt wird. Figures 1 and 3 show a schematic representation of an embodiment of a reactor 10 for carrying out a method according to an embodiment of the present invention. The method that can be carried out by the reactor 10 is, in particular, a continuous process for purifying silicon-containing solid bodies, such as silicon scrap, in the liquid state using two interconnected reaction chambers, a first reaction chamber 12 and a second reaction chamber 14. When the method according to the invention is carried out in the reactor 10, five zones are formed, which is why the reactor 10 can be referred to as a five-layer electrolyzer when used. This represents a significant improvement over a known three-layer electrolyzer, enabling the use of silicon scrap of different qualities and also corresponding mixtures of products of different purity as starting products, without the need for constant replacement of the electrolyte. High-purity silicon (>99.9999%), for example for the production of wafers, can be produced through a five-stage electrolysis process in which impure metallic silicon-containing starting material is recycled and refined into high-purity silicon metal.

Der Reaktor 10 umfasst wie beschrieben eine erste Reaktionskammer 12 und eine zweiteThe reactor 10 comprises, as described, a first reaction chamber 12 and a second

Reaktionskammer 14. Es ist ferner ein Einlass 16 vorgesehen, durch welchen das Ausgangsprodukt, nämlich die siliziumhaltigen Feststoffkörper in den Reaktor 10 beziehungsweise in die erste Reaktionskammer 12 einbringbar ist. Dadurch bildet sich ein erster Bereich 18 aus, welcher die siliziumhaltigen Feststoffkörper umfasst. Der erste Bereich 18 ist auf einem zweiten Bereich 20 vorgesehen, welcher eine Vorbehandlungs-Schlacke umfasst. Der zweite Bereich 20 liegt oberhalb eines dritten Bereichs 22 vor, welcher eine Metall-Legierung, etwa einer Kupfer-Legierung umfasst. Der dritte Bereich 22 bildet den Bodenbereich aus und verbindet die erste Reaktionskammer 12 und die zweiteReaction chamber 14. An inlet 16 is also provided through which the The starting product, namely the silicon-containing solid bodies, can be introduced into the reactor 10 or into the first reaction chamber 12. This forms a first region 18, which comprises the silicon-containing solid bodies. The first region 18 is provided on a second region 20, which comprises a pretreatment slag. The second region 20 is located above a third region 22, which comprises a metal alloy, such as a copper alloy. The third region 22 forms the bottom region and connects the first reaction chamber 12 and the second

Reaktionskammer 24. Oberhalb des dritten Bereichs 22 liegt in der zweiten Kammer zunächst der vierte Bereich 24 vor, welcher einen Elektrolyten umfasst. Oberhalb dieses vierten Bereichs 24 liegt der fünfte Bereich 26 vor, welcher hochreines gebildetes Silizium umfasst. Letzteres kann aus einem Auslass 28 aus dem Reaktor 10 entfernt werden. Reaction chamber 24. Above the third region 22, the second chamber contains the fourth region 24, which contains an electrolyte. Above this fourth region 24, the fifth region 26 is located, which contains highly pure silicon formed. The latter can be removed from the reactor 10 via an outlet 28.

Bei einem derart bestückten Reaktor 10 kann eine Behandlung von siliziumhaltigen Feststoffkörpern wie folgt ablaufen. Si-Schrott wird als Ausgangsmaterial in festem Zustand in die erste Reaktionskammer 12 eingebracht. Durch Wärmeübertragung von der geschmolzenen Vorbehandlungs-Schlacke und externer Wärme beginnt der Schrott zu schmelzen, ändert seine Dichte und passiert die Vorbehandlungs-Schlacke, wobei die Gangart in der Schlacke verbleibt. Das geschmolzene, vorkonditionierte Silizium wird etwa mit einer geschmolzenen Cu-Si-Legierung vermischt. In der zweiten Reaktionskammer 14 steht die Metall-Legierung, beispielsweise die Cu-Si-Legierung, in Kontakt mit einem Elektrolyten, der hier als HES bezeichnet wird. Durch ein externes Potenzial, eingebracht durch eine positive Elektrode 34 und eine negative Elektrode 32, wobei sich die negative Elektrode 32 in dem fünften Bereich 26 befindet und wobei sich die positive Elektrode in dem dritten Bereich 22 befindet, bewegen sich das ionisierte Silizium beziehungsweise die Si-Ionen durch den Elektrolyten des vierten Bereichs 24 und erzeugen eine Schicht aus reinem Silizium als fünften Bereich, die nach Erreichen einer bestimmten Höhe kontinuierlich durch den Auslass 28 aus dem als Ofen ausgestalteten Reaktor 10 fließt. Entsprechend wird in der zweiten Reaktionskammer 14 Silizium elektrolytisch gereinigt beziehungsweise erzeugt. Der gesamte Prozess wird durch Schutzgas, etwa eine mit H2 schwach angereicherte Ar- Atmosphäre, geschützt, welche durch den Eingang 30 in den Reaktor 10 einbringbar ist. Ferner wird der Reaktor 10, wie durch die Pfeile dargestellt sein soll, beheizt werden, so dass der Reaktor 10 beziehungsweise die Reaktionskammern 12, 14 auf eine Behandlungstemperatur geheizt werden können. In a reactor 10 equipped in this way, the treatment of silicon-containing solids can proceed as follows. Si scrap is introduced as the starting material in its solid state into the first reaction chamber 12. Through heat transfer from the molten pretreatment slag and external heat, the scrap begins to melt, changes its density, and passes through the pretreatment slag, leaving the gangue in the slag. The molten, preconditioned silicon is mixed with a molten Cu-Si alloy, for example. In the second reaction chamber 14, the metal alloy, for example, the Cu-Si alloy, is in contact with an electrolyte, referred to here as HES. Through an external potential introduced by a positive electrode 34 and a negative electrode 32, with the negative electrode 32 located in the fifth region 26 and the positive electrode in the third region 22, the ionized silicon or the Si ions move through the electrolyte of the fourth region 24 and create a layer of pure silicon as the fifth region, which, after reaching a certain height, continuously flows through the outlet 28 from the reactor 10 designed as a furnace. Accordingly, silicon is electrolytically purified or produced in the second reaction chamber 14. The entire The process is protected by a protective gas, such as an Ar atmosphere slightly enriched with H2, which can be introduced into the reactor 10 through the inlet 30. Furthermore, the reactor 10 will be heated, as indicated by the arrows, so that the reactor 10 or the reaction chambers 12, 14 can be heated to a treatment temperature.

Das in dem Reaktor ablaufende Verfahren soll ferner in der Figur 2 näher dargestellt sein. Genauer beschreibt Figur 2 den Mechanismus, der die Reinigung des Ausgangsprodukts, also der siliziumhaltigen Feststoffkörper, während des gesamten Prozesses bewirkt. In der ersten Reaktionskammer 12 beginnt die Vorbehandlungs-Schlacke die mit den siliziumhaltigen Feststoffkörpern in Kontakt ist, die Verunreinigungen mit hoher Sauerstoffaffinität zu absorbieren, einschließlich der bereits vorhandenen Oxide. Geschmolzenes bzw. aufgeschmolzenes Silizium, das durch die den zweiten Bereich 20 fließt, wird von der Metall- Eegierung in dem dritten Bereich 22 assimiliert, wobei metallische Verunreinigungen, wie Fe, Cu, Pb, Ag, Sn, mit geringerer Sauerstoffaffinität als Silizium Zurückbleiben. Das Vorhandensein von Kupfer in der als Bodenlegierung ausgestalteten Metall-Eegierung im dritten Bereich 22 hängt ist vorteilhaft aufgrund seiner hohen Dichte und der Fähigkeit dieses Metalls, andere Metalle aufzulösen und so die Aktivität kleinerer Elemente zu verringern, die den Elektrolyten in der zweiten Reaktionskammer 14 verunreinigen könnten. In der zweiten Reaktionskammer 14 kommt das gebildete noch nicht ganz reine Silizium mit dem Elektrolyten des vierten Bereichs 24 in Kontakt. Dieser ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass er eine höhere Dichte aufweist als flüssiges Silizium und eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der Elektrolyt enthält beispielsweise eine hohe Konzentration an SiOi. und durch Anlegen eines Potenzials zwischen den Elektroden 32, 34, welche an eine Spannungsquelle 36 angeschlossen sind, werden Si-Ionen aus der unteren Schmelze selektiv auf die obere, also in den vieren Bereich 24, übertragen. Insbesondere, wenn der Elektrolyt in dem vierten Bereich 24 eine höhere Dichte als reines flüssiges Silizium aufweist, schwimmt dieses als fünfter Bereich oben auf und kann aus dem Auslass 28 entnommen werden. Die Figur 3 zeigt weiterhin noch, dass der Reaktor 10 zusätzlich zu der ersten Reaktionskammer 12 und der zweiten Reaktionskammer 14 eine dritte Kammer 15 zum Aufnehmen von erzeugtem reinen Silizium aufweist, wobei sämtliche Kammern als Tiegel ausgestaltet sein können. Die Leerräume zwischen den Tiegeln, etwa aus Aluminiumoxid gestaltet, sind mit einem monolithischen Feuerfestmaterial, ebenfalls etwa auf der Basis von AI2O3, ausgefüllt. Darüber hinaus ist gezeigt, dass der Reaktor 10 in einem Tiegel 42, etwa aus Graphit ausgestaltet, angeordnet sein kann und an seiner Oberseite durch einen keramischen Deckel 40, etwa aus AhOa-Fcucrfcstmatcrial ausgebildet, verschlossen sein kann. Ferner ist ein Thermoelement 38 zum Temperieren des Reaktors 10 mit einer Induktionsspule gezeigt. Der Aufbau wird somit mit einer Induktionsspule beheizt und dem Tiegel 42 installiert, der als Suszeptor für das Induktionsfeld dient und die Wärmeübertragung auf das System homogenisiert. Dieser Reaktor 10 konnte wie folgt betrieben werden. Der Schrott wurde von der Oberseite der ersten Reaktionskammer 12 in festem Zustand zugeführt. Bei dem zugeführten Material handelte es sich um Granulat (Kerf oder VNS) oder Späne (PV-Zellen oder metallurgisches Si). Der Prozess begann mit dem Erhitzen des Reaktors 10 auf 1350° C. Dann wurden Cu-Späne hinzugefügt, und nach dem Schmelzen wurde Polysilizium zugeführt, bis eine Konzentration zwischen 30 und 40 Gew.-% erreicht war. Nach der Zuführung des Siliziums war eine 20-minütige Haltezeit für die Homogenisierung erforderlich. Nacheinander wurden die Vorbehandlungs-Schlacke und der Elektrolyt zugeführt. Sobald sich die Schlacken in den Reaktionskammern 12, 14 befanden, wurde der Reaktor 10 mit einer Keramikabdeckung verschlossen, die Elektroden 32, 34, etwa ausgestaltet als zylindrische Graphit-Elektroden, wurden positioniert und angeschlossen, und der Reaktor 10 wurde auf 1500° C aufgeheizt. Schließlich wird die Elektrolysezelle, also die zweite Reaktionskammer 14 gleichzeitig mit der Zuführung des Schrotts in die erste Reaktionskammer 12 eingeschaltet. Unabhängig vom geprüften Schrott war die Qualität des erzeugten Silizium in Bezug auf die Reinheit ähnlich, was die Robustheit des Prozesses beweist. In der Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung eines Reaktors zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens gezeigt, wobei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen für gleiche oder vergleichbare Bauteile gelten. Der Reaktor 10 gemäß Figur 4 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Reaktor 10 insbesondere dadurch, dass explizit eine Heizung gezeigt ist, welche durch Induktionsspulen 44 ausgebildet ist, um die Reaktionskammem 12, 14 zu heizen. The process taking place in the reactor is further illustrated in Figure 2. Figure 2 describes in more detail the mechanism that purifies the starting product, i.e., the silicon-containing solids, throughout the entire process. In the first reaction chamber 12, the pretreatment slag in contact with the silicon-containing solids begins to absorb impurities with high oxygen affinity, including the oxides already present. Molten or molten silicon flowing through the second region 20 is assimilated by the metal alloy in the third region 22, leaving behind metallic impurities such as Fe, Cu, Pb, Ag, and Sn, with lower oxygen affinity than silicon. The presence of copper in the metal alloy designed as a bottom alloy in the third region 22 is advantageous due to its high density and the ability of this metal to dissolve other metals and thus reduce the activity of smaller elements that could contaminate the electrolyte in the second reaction chamber 14. In the second reaction chamber 14, the formed, not yet completely pure silicon comes into contact with the electrolyte of the fourth region 24. This is advantageously designed such that it has a higher density than liquid silicon and possesses a relatively high electrical conductivity. The electrolyte contains, for example, a high concentration of SiO . By applying a potential between the electrodes 32, 34, which are connected to a voltage source 36, Si ions are selectively transferred from the lower melt to the upper, i.e., fourth, region 24. In particular, if the electrolyte in the fourth region 24 has a higher density than pure liquid silicon, this floats on top as the fifth region and can be removed from the outlet 28. Figure 3 further shows that, in addition to the first reaction chamber 12 and the second reaction chamber 14, the reactor 10 has a third chamber 15 for receiving the produced pure silicon. All chambers can be designed as crucibles. The empty spaces between the crucibles, made of aluminum oxide, for example, are filled with a monolithic refractory material, also based on Al2O3. Furthermore, it is shown that the reactor 10 can be arranged in a crucible 42, made of graphite, for example, and can be closed at its top by a ceramic lid 40, made of AlOa fluoride material, for example. Furthermore, a thermocouple 38 for controlling the temperature of the reactor 10 with an induction coil is shown. The structure is thus heated with an induction coil and installed in the crucible 42, which serves as a susceptor for the induction field and homogenizes the heat transfer to the system. This reactor 10 could be operated as follows. The scrap was fed in its solid state from the top of the first reaction chamber 12. The feed material was either granules (kerf or VNS) or chips (PV cells or metallurgical Si). The process began by heating the reactor 10 to 1350°C. Cu chips were then added, and after melting, polysilicon was added until a concentration of between 30 and 40 wt.% was reached. After the silicon was added, a 20-minute holding time was required for homogenization. The pretreatment slag and the electrolyte were added sequentially. Once the slags were in the reaction chambers 12, 14, the reactor 10 was sealed with a ceramic cover, the electrodes 32, 34, roughly configured as cylindrical graphite electrodes, were positioned and connected, and the reactor 10 was heated to 1500°C. Finally, the electrolysis cell, i.e., the second reaction chamber 14, is switched on simultaneously with the feeding of scrap into the first reaction chamber 12. Regardless of the scrap tested, the quality of the produced silicon was similar in terms of purity, demonstrating the robustness of the process. Figure 4 shows a further embodiment of a reactor for carrying out the described method, wherein the same reference numerals generally apply to identical or comparable components. The reactor 10 according to Figure 4 differs from the reactor 10 shown in Figure 1 in particular in that a heater is explicitly shown, which is formed by induction coils 44 for heating the reaction chambers 12, 14.

Die Ausgestaltung der Figuren 5 und 6 unterscheiden sich ferner im Wesentlichen durch die verwendete Heizung. So ist in der Figur 5 eine Kombination aus einer Wechselstrom- Tauchlichtbogenofen- Heizung 46 etwa umfassend einen dreiphasigen AC-Tauchlichtbogen für die erste Reaktionskammer 12 und einem Brenner 48, etwa betrieben durch Wasserstoff (H2), für die zweite Reaktionskammer 14 gezeigt. The configurations of Figures 5 and 6 also differ essentially in the heating system used. Figure 5 shows a combination of an AC submerged arc furnace heater 46, for example, comprising a three-phase AC submerged arc for the first reaction chamber 12, and a burner 48, for example, powered by hydrogen (H2), for the second reaction chamber 14.

In der Figur 6 sind entsprechende Brenner 48 für die erste Reaktionskammer 12 und die zweite Reaktionskammer 14 vorgesehen, wobei der Brenner 46 für die erste Reaktionskammer 12 etwa durch ein Methan/Luft- beziehungsweise Methan-Sauerstoff- Gemisch, etwa mit einem Lambda-Wert <1, betreibbar sein kann und der Brenner 48 für die zweite Reaktionskammer 14 etwa durch Wasserstoffperoxid betreibbar ist. Eine geeignete Zieltemperatur liegt grundsätzlich etwa bei 1500-1600 °C und ist jedenfalls größer, als die Schmelztemperatur von Silizium unter den in dem Reaktor 10 gegebenen Bedingungen. In Figure 6, corresponding burners 48 are provided for the first reaction chamber 12 and the second reaction chamber 14. The burner 46 for the first reaction chamber 12 can be operated, for example, by a methane/air or methane/oxygen mixture, for example with a lambda value of <1, and the burner 48 for the second reaction chamber 14 can be operated, for example, by hydrogen peroxide. A suitable target temperature is generally approximately 1500-1600 °C and is in any case higher than the melting temperature of silicon under the conditions prevailing in the reactor 10.

10 Reaktor 10 reactor

12 erste Reaktionskammer 12 first reaction chamber

14 zweite Reaktionskammer 14 second reaction chamber

15 dritte Kammer 15 Third Chamber

16 Einlass 16 Entrance

18 erster Bereich 18 first area

20 zweiter Bereich 20 second area

22 dritter Bereich 22 third area

24 vierter Bereich 24 fourth area

26 fünfter Bereich 26 fifth area

28 Auslass 28 Outlet

30 Eingang 30 Entrance

32 Elektrode 32 Electrode

34 Elektrode 34 Electrode

36 Spannungsquelle 36 Voltage source

38 Thermoelement 38 thermocouple

40 Deckel 40 lids

42 Tiegel 42 crucibles

44 Induktionsspule 44 Induction coil

46 Wechselstrom-Tauchlichtbogenofen- Heizung46 AC submerged arc furnace heater

48 Brenner 48 burners

Claims

Ansprüche Claims 1. Verfahren zum Behandeln von siliziumhaltigen Feststoffkörpem in einem Reaktor (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Einstellen einer Behandlungstemperatur in dem Reaktor (10), wobei die Behandlungstemperatur gleich oder oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium unter den Bedingungen in dem Reaktor (10) liegt; b) Einbringen von einen ersten Bereich (18) ausbildenden siliziumhaltigen Feststoffkörpern in den Reaktor (10), wobei c) ein zweiter Bereich (20) umfassend eine Vorbehandlungs-Schlacke derart bereitgestellt wird, dass sich der erste Bereich (18) oberhalb des zweiten Bereichs (20) befindet; d) Bereitstellen eines dritten Bereichs (22), wobei der dritte Bereich (22) eine Metall- Legierung umfasst; e) Bereitstellen eines vierten Bereichs (24), wobei der vierte Bereich (24) einen Elektrolyt umfasst; und wobei in dem vierten Bereich (24) elektrolytisch Silizium erzeugt wird; wobei f) das flüssige Silizium einen fünften (26) Bereich bildet, der benachbart zu dem vierten Bereich (24) vorliegt, wobei der erste Bereich (18), der zweite Bereich (20), der dritte Bereich (22), der vierte Bereich (24) und der fünfte Bereich (26) in dieser Reihenfolge in einer Reaktionsrichtung durch den Reaktor (10) aufeinander folgen. 1. A method for treating silicon-containing solid bodies in a reactor (10), characterized in that the method comprises the following steps: a) setting a treatment temperature in the reactor (10), wherein the treatment temperature is equal to or above the melting point of silicon under the conditions in the reactor (10); b) introducing silicon-containing solid bodies forming a first region (18) into the reactor (10), wherein c) a second region (20) comprising a pretreatment slag is provided such that the first region (18) is located above the second region (20); d) providing a third region (22), wherein the third region (22) comprises a metal alloy; e) providing a fourth region (24), wherein the fourth region (24) comprises an electrolyte; and wherein silicon is produced electrolytically in the fourth region (24); wherein f) the liquid silicon forms a fifth (26) region adjacent to the fourth region (24), the first region (18), the second region (20), the third region (22), the fourth region (24) and the fifth region (26) following one another in this order in a reaction direction through the reactor (10). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Reaktor (10) mit wenigstens zwei miteinander verbundenen Reaktionskammem (12, 14) ausgeführt wird, wobei der erste Bereich (18) und der zweite Bereich (20) in einer ersten Reaktionskammer (12) angeordnet sind, wobei der dritte Bereich (22) in wenigstens einem von der ersten Reaktionskammer (12) und der zweiten Reaktionskammer (14) angeordnet ist, und wobei der vierte Bereich (24) und gegebenenfalls der fünfte Bereich (26) in der zweiten Reaktionskammer (14) abgeordnet sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that the method is carried out in a reactor (10) having at least two interconnected reaction chambers (12, 14), wherein the first region (18) and the second region (20) are arranged in a first reaction chamber (12), wherein the third region (22) is arranged in at least one of the first reaction chamber (12) and the second reaction chamber (14), and wherein the fourth region (24) and optionally the fifth region (26) are arranged in the second reaction chamber (14). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (22) als Bodenbereich der ersten Reaktionskammer (12) und der zweiten Reaktionskammer (14) vorliegt und die erste Reaktionskammer (12) und die zweite Reaktionskammer (14) miteinander verbindet, und dass in der ersten Reaktionskammer (12) der erste Bereich (18) und der zweite Bereich (20) oberhalb des dritten Bereichs (22) vorliegen und dass in der zweiten Reaktionskammer (14) der vierte Bereich (24) und der fünfte Bereich (26) oberhalb des dritten Bereichs (22) vorliegen. 3. Method according to claim 2, characterized in that the third region (22) is present as a bottom region of the first reaction chamber (12) and the second reaction chamber (14) and connects the first reaction chamber (12) and the second reaction chamber (14) to one another, and in that in the first reaction chamber (12) the first region (18) and the second region (20) are present above the third region (22) and in that in the second reaction chamber (14) the fourth region (24) and the fifth region (26) are present above the third region (22). 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Elektrolyse in der zweiten Reaktionskammer (14) erzeugte thermische Energie zum Temperieren der ersten Reaktionskammer (12) verwendet wird. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that thermal energy generated during the electrolysis in the second reaction chamber (14) is used to temper the first reaction chamber (12). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlungs-Schlacke wenigstens eines von Siliziumoxid, Calciumoxid, und Aluminiumoxid umfasst. 5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the pretreatment slag comprises at least one of silicon oxide, calcium oxide, and aluminum oxide. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlungs- Schlacke die folgenden Komponenten in den folgenden Anteilen, angegeben in Gew.-% bezogen auf die Vorbehandlungs-Schlacke, aufweist: 6. A process according to claim 5, characterized in that the pretreatment slag comprises the following components in the following proportions, expressed in wt.% based on the pretreatment slag: Siliziumoxid in einem Bereich von > 10 Gew.-% bis < 80 Gew.-%; Silicon oxide in a range of > 10 wt% to < 80 wt%; Calciumoxid in einem Bereich von > 10 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Aluminiumoxid in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 30 Gew.-%; Lithiumoxid in einem Bereich von > 5 Gew.-% bis < 20 Gew.-%; und Calciumfluorid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 15 Gew.-%. Calcium oxide in a range of > 10 wt% to < 60 wt%; aluminum oxide in a range of > 5 wt% to < 30 wt%; lithium oxide in a range of > 5 wt% to < 20 wt%; and calcium fluoride in a range of > 0 wt% to < 15 wt%. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung eine Kupfer-Silizium-Legierung umfasst. 7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metal alloy comprises a copper-silicon alloy. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt Siliziumoxid aufweist und gegebenenfalls weitere Komponenten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Calciumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Claciumfluorid. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the electrolyte comprises silicon oxide and optionally further components selected from the group consisting of calcium oxide, barium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide and calcium fluoride. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt die folgenden Bestandteile, angegeben in Gew.-% bezogen auf den Elektrolyt, aufweist: 9. A method according to claim 8, characterized in that the electrolyte comprises the following components, expressed in wt.% based on the electrolyte: Siliziumoxid in einem Bereich von > 20 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Silicon oxide in a range of > 20 wt% to < 60 wt%; Calciumoxid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 50 Gew.-%; Calcium oxide in a range of > 0 wt% to < 50 wt%; Bariumoxid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 60 Gew.-%; Barium oxide in a range of > 0 wt% to < 60 wt%; Aluminiumoxid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 20 Gew.-%; Aluminium oxide in a range of > 0 wt% to < 20 wt%; Magnesiumoxid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 10 Gew.-%; und Calciumfluorid in einem Bereich von > 0 Gew.-% bis < 60 Gew.-%. Magnesium oxide in a range of > 0 wt% to < 10 wt%; and calcium fluoride in a range of > 0 wt% to < 60 wt%. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die siliziumhaltigen Feststoffkörper Siliziumabfälle umfassen, insbesondere aus Solarzellen, einer Guss-Siliziumfraktion, Kerf und metallurgischem Silizium. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the silicon-containing solid bodies comprise silicon waste, in particular from solar cells, a cast silicon fraction, kerf and metallurgical silicon. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Silizium kristallisiert wird. 11. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the silicon formed is crystallized. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich ausgeführt wird. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the method is carried out continuously. 5 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das5 13. Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the Verfahren unter einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird. Process is carried out under an inert atmosphere.
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