成果報告書詳細
管理番号20140000000813
タイトル平成22年度-平成24年度 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 太陽電池用シリコンの革新的プロセス研究開発(シリカの直接還元プロセスの開発)
公開日2015/5/1
報告書年度2010 - 2012
委託先名国立大学法人弘前大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成22年度-24年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 太陽電池用シリコンの革新的プロセス研究開発(シリカの直接還元プロセスの開発)

日本が誇っていた太陽電池世界一の座は、2004年に明け渡してしまった。以来、日本の太陽電池メーカーの苦戦が続いている。日本の太陽電池世界一からの急落の原因はどこにあったのか-という問題提起を真摯に受け止め、この問題を解決するカギとして結晶シリコン系材料の革新的プロセス技術に提案した。この数年のシリコン系太陽電池における海外企業の活躍は目覚ましいものがある。日本も太陽電池における新たな優位を確保すべく新しい素材の開発に意欲的に取り組んでいるが、当面シリコン系太陽電池が主流であることに変わりはない。このような状況の下、大学が保有する様々な知見を太陽電池に活用して、再び日本のシリコン系太陽電池の優位を取り戻すための一助とすべく、標記のテーマに取り組んだ。現状のシリコン製造プロセスでは、原料の珪石を中国・ブラジルなどの諸外国で炭素を使って還元された金属級シリコンを輸入して、塩酸処理などによって塩化物ガスを製造して高純度化する。これを水素で還元することによって超高純度シリコンを得るといういわゆるシーメンス法が殆どである。このプロセスは、半導体級を目指しているために、非常に高純度なシリコンを製造するのには適しているが、収率やエネルギーコストはよくなく、シリコン製造コストの大きな要因となっていた。また、シリカを炭素で還元するプロセスも大量のシリカヒュームを排出しながら行うために、収率は高くなく大量の二酸化炭素を排出する。また、シーメンス法によるトリクロロシランの還元反応の収率も20%程度で多くは四塩化珪素になってしまい、再処理が必要であることもコスト増の大きな要因となっている。そこで、我々の取り組んだプロセスは、化学的に処理された高純度シリカを原料として還元を行い、太陽電池級シリコン(SOG-Si)へ直接還元するものである。半導体級シリコンに比べると、太陽電池級シリコンに必要とされる不純物濃度の要求レベルは低いため、シリカの段階でボロン・リンの不純物濃度について太陽電池級までの高純度化を行い、高純度の炭素で還元することによって、プロセスの無駄を省き、高い収率でシリコンを得るものである。若干の残留した不純物については、東京大学森田研究室で開発している還元脱P技術や酸リーチング技術でさらにボロン・リンの不純物濃度を低下させることができる。原料としては、太平洋セメント株式会社提供の高純度シリカと東海カーボン株式会社性のカーボンを用いて実験を行った。高純度シリカや高純度カーボン、そして中間生成物である高純度炭化ケイ素を層状にして交互に投入することによって、還元シリコンを得ることができた。ICP-AES分析による不純物濃度はボロン1.3ppmw、リン1.9ppmw(原料のSiO2換算で、0.6ppm・0.8ppm)であり、ボロン・リンに関する不純物濃度を維持しながら還元することに成功しており、太陽電池級シリコンのレベルに到達している。SiOガスとCOガスの分圧比が反応経路を支配しており、SiOガスの閉じ込めとCOガス排出が収率に大きく影響すること、またこの分圧比の制御に、SiCの部分的投入が有効であることが判明した。これらの知見は、実証炉の設計に役立つものと考えられる。
英文要約Title:Direct Reduction Process of Silica(SiO2) to SOG-Si-- High Temperature Heating Reduction Process of Mixture Silica and Carbon Composite Pellet (Fy2010-2012) Final Report

In the present silicon production process, the metal class silicon to which silica of the raw material was returned in foreign countries, such as Chugoku and Brazil, using carbon is imported, and chloride gas is manufactured and highly purified by hydrochloric acid treatments. What is called a Siemens method of getting ultrapure silicon is almost the case by returning this from hydrogen. Since this process aimed at the semiconductor class, it was suitable for manufacturing very high grade silicon. But low yield and low energy cost of the Si are main factor for silicon manufacturing cost. And, while the process of returning silica with carbon also discharges a lot of silica fume, in order to carry out, a yield emits a lot of carbon dioxide highly. And, also in the yield of the reduction reaction of the trichlorosilane by a Siemens method, it becomes a silicon tetrachloride at about 20%. It has become a major factor of cost increase that reprocessing is also required. Since this process aimed at the semiconductor class, it was suitable for manufacturing very high grade silicon, but a yield and energy cost had become a factor whose silicon manufacturing cost it is not good and is major.And, while the process of returning silica with carbon also discharges a lot of silica fume, in order to carry out, a yield emits a lot of carbon dioxide highly.And, also in the yield of the reduction reaction of the trichlorosilane by a Siemens method, it becomes a silicon tetrachloride at about 20%, and, as for many, it has become a major factor of cost increase that reprocessing is also required. Then, the process which we tackled returns by using as a raw material high purity silica processed chemically, and it carries out direct reduction to solar cell class silicon (SOG-Si). Since the request level of the impurity concentration needed for solar cell class silicon compared with semiconductor class silicon is low, by performing high grade-ization to the solar cell class about the impurity concentration of boron Lynn in the stage of silica, and returning with carbon of a high grade, the futility of a process is excluded and silicon is got with a high yield. About the impurity in which some remained, the impurity concentration of boron Lynn can be further reduced with the reduction removing Phosphorus technology and acid leaching technology which are developed at the University of Tokyo Morita laboratory.It experimented using the high purity silica of Taiheiyo Cement Corp. offer, and C of the Tokai Carbon Co., Ltd. as raw materials. Reduction silicon was able to be got by making stratified high grade silicon carbide which is high purity silica, high grade C, and an intermediate product, and supplying it by turns. The impurity concentration by ICP-AES analysis is boron 1.3ppmw and Lynn 1.9ppmw (it is SiO2 conversion of a raw material and). It is 0.6 ppm and 0.8 ppm, and it has succeeded in returning maintaining the impurity concentration about boron Lynn, and has reached the level of solar cell class silicon. The partial pressure ratio of SiO gas and CO gas was governing the reaction path. It became clear that the partial injection of SiC was available in that confinement and CO gas emission of SiO gas influence a yield greatly and control of this partial pressure ratio.
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