Thermodynamic analysis of SiO2 reduction with carbon aimed at solar--grade silicon production

• Autorzy: Przybyło W. , Kopyto M. , Onderka B. , Pawlas-Foryst E. , Wypartowicz J. , Fitzner K.

Warianty tytułu

PL

Termodynamiczna analiza redukcji SiO, węglem dla produkcji krzemu do baterii słonecznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Production of silicon for solar cells application in metallurgical reactor under atmospheric pressure is possible only under conditions, which promote simultaneous formation of SiC. To assure appropriate in the presence of carbon as a fuel and reducing agent, the process has to proceed with gaseous as the intermediary product. Liquid silicon is finally obtained according to the reaction: 2 SiO(g) -> SiO2 + Si. In the present work the equilibrium between condensed phases and two-component gas phase (SiO + CO) has been evaluated for the system Si-C-O. Based on the literature data, the temperature dependencies of Gibbs free energy for five chemical reaction occuring in the system have been estimated. Next, the three-dimensional phase predominance diagram (Kellog's diagram) was constructed for temperature range 1800herm2300 K, in the coordinate system: PSiO3PCO3T. The domestic siliceous materials of the best purity available were used in the reduction tests. The experiments were carried out in small induction furnace, with various carbonaceous materials as the reducers. The products obtained were examined by means of X-ray microanalysis and phase analysis. It was found that silicon carbide and silicon are the final products of reduction process. On the basis of experimental results and thermodynamic considerations the directions of the process design have been outlined.

PL

Produkcja krzemu, przeznaczonego na ogniwa słoneczne w reaktorze metalurgicznym, pod ciśnieniem atmosferycznym jest możliwa jedynie z równoczesnym wytwarzaniem SiC. Aby zapewnić odpowiednie warunki otrzymywania krzemu, proces musi przebiegać za pośrednictwem gazowego SiO, jako produktu finalnego. Ciekły krzem powstaje ostatecznie w wyniku reakcji: 2 SiO(g) -> SiO2 + Si. W obecnej pracy dokonano charakterystyki stanu równowagi pomiędzy fazami skondensowanymi i dwuskładnikową fazą gazową (SiO + CO) w układzie Si-C-O. Na podstawie danych literaturowych wyznaczono zależności energii swobodnych Gibbsa od temperatury dla pięciu reakcji chemicznych przebiegających w układzie. Następnie skonstruowano trójwymiarowy diagram pierwszeństwa faz (diagram Kelloga) w układzie współrzędnych: Pso> POT, T dla przedziału temperatur 1800herm2300 K. Badaniom doświadczalnym redukcji poddano krajowe surowce o najwyższej dostępnej czystości. Próby wykonano w miniaturowym piecu indukcyjnym, przy użyciu różnych materiałów węglowych jako reduktorów. Produkty reakcji poddano mikroanalizie rentgenowskiej oraz analizie fazowej. Stwierdzono, że w wyniku redukcji otrzymuje się krzem krystaliczny oraz węglik krzemu. Na podstawie wyników eksperymentu oraz analizy termodynamicznej przedstawiono wytyczne do zaprojektowania tego procesu.

Słowa kluczowe

EN

silicon; reduction; Kellog's diagram; gaseous SiO

PL

krzem; redukcja; wykres Kelloga; gazowy SiO

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Metallurgy and Foundry Engineering
• Rocznik: 2001
• Tom: Vol. 27, no. 2
• Strony: 155--166
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., wykr., tab., rys.

Twórcy

autor

Przybyło W.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Kopyto M.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Onderka B.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Pawlas-Foryst E.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Wypartowicz J.

• Faculty of Metallurgy and Materials Science, University of Mining and Metallurgy, Kraków, Poland

autor

Fitzner K.

• Faculty of Non-Ferrous Metals, University of Mining and Metallurgy, Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., Vol. A23. John Wiley & Sons, New York, 1993, 721
• [2] Sakaguchi Y., Fukai M., Aratani F., Ishizaki M., Kawahara K., Yoshiyagawa M.: ISIJ, 77 (1991) 1656-1663
• [3] Shimoo T.: J. Japan Inst. Metals, 54 (1990) 1, 41-47
• [4] Nagamori M., Malinsky I., Claveau A.: Met. Trans. В, 17B (1986), 503-514
• [5] Hutchison S.G., Richardson L.S., Wai C.M.: Met. Trans. В, 19B (1988), 249
• [6] Eriksson G., Hack К.: Production of Metallurgical Grade Silicon in an Electric Arc Furnace, in: The SGTE Casebook (Thermodynamics at work), The Institute of Materials, London, 1996
• [7] Rosenquist T.: Principles of Extractive Metallurgy, Mc Graw Hill, New York, 1983
• [8] Novokhatskiy I.A., Byelov B.F.: Izv. VUZ, Tsh. Met., 1967, 9-15, after: Kelley K.K.: Contribution to the Data on Theoretical Metallurgy, Bull. 534, Washington, 1960
• [9] Barin I., Knacke О.: Thermochemical Properties of Inorganic Substances. Springer Verlag, Berlin, 1973
• [10] Glushko V.P.: Termodinamitsheskiye svoystva individualnych veshtshestv. Izd. Nauka, Moskva, 1979
• [11] Bulletin 542, U.S. Bureau of Mines, 1954
• [12] Turkdogan E.T.: Physical Chemistry of High Temperature Technology. Academic Press, New York, 1980
• [13] Kubaschewski O., Evans E.L., Alcock C.B.: Metallurgical Thermochemistry, 4th ed. Pergamon Press, Oxford, 1967
• [14] Kubaschewski O., Alcock C.B.: Metallurgical Thermochemistry, 5th ed. Pergamon Press, Oxford 1979
• [15] Schick H.L.: Thermodynamics of certain refractory compounds. Acad. Press, New York, 1966
• [16] JANAF - Thermochemical Tables, 2nd ed., 1971
• [17] Pankratz L.B.: Thermochemical properties of elements and oxides. U.S. Bureau of Mines Bull., 672, 1982
• [18] Firsova L.P., Nesmeyanov An.N.: Zh. Fiz. Khim, 34 (1960) 2615
• [19] Porter R.W., Chupka W.A., Inghram M.K.: J. Chem. Phys., 23 (1955) 216
• [20] Brewer L., Edwards R.K.: J. Phys. Chem, 58 (1954) 351
• [21] Yang L., McCabe C.L., Miller R.: The Physical Chemistry of Steelmaking. Tech. Press MIT, 1958, 63
• [22] Nagai S.I., Niva K., Shinmei M., Yokokawa T.: J. Chem. Soc. Faraday Trans., part I, 69 (1973) 9, 1628, 9, 1628