成果報告書詳細
管理番号20160000000114
タイトル平成22年度ー平成26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/極限シリコン結晶太陽電池の研究開発(スライス時のカーフの回収・再利用)」
公開日2016/5/24
報告書年度2010 - 2014
委託先名公立大学法人兵庫県立大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 太陽電池用の結晶シリコン基板は、結晶シリコンインゴットをマルチワイヤーソーでスライスすることで作製されている。基板厚さをより薄くすることで原料使用量が減少するため、コスト削減のためには、基板の薄型化は極めて重要な課題である。実際、2010年においては、基板厚さは0.2mm程度であったものが、現在では0.15?0.18mm程度となっている。ここで注意しなければならないことは、仮に基板厚さを現状の半分にしたとしても、一つのインゴットから得られる基板枚数は単純に2倍とはならないということである。これは、ワイヤーにより切断される際に削られる部分(カーフ)が存在するからである。カーフは遊離砥粒や他の薬剤と混合しているため、通常、産業廃棄物として処理されている。現状ではカーフは基板厚さと同程度であることから、インゴットの50%が産業廃棄物となっていることになる。仮に基板厚さが0.2mmから0.1mmと半分になったとしても、カーフ量が現状と同じであれば基板枚数は1.33倍にとどまり、廃棄物はインゴットの67%を占めることになる。カーフ量も半分まで削減出来て基板枚数は2倍となり、基板コストが半減される。しかし発電コスト7円/kWhを達成するためには、現状の1/3?1/4程度のコストまで削減する必要がある。そこで飛躍的な低コスト化を実現するために、現状では産業廃棄物であるカーフを回収し、原料として再利用する技術を開発することを目的として、 (a) カーフ/不純物の分離技術の開発、 (b) 原料再生技術の開発を実施した。
 カーフ/不純物の分離技術の開発に関しては、クロスフローろ過による廃クーラントの濃縮および全量ろ過による固液分離について検討を行い、両者のろ過特性のモデル化を行った。どちらも実験結果を良好に再現することが出来た。これらの基礎的な研究をベースに、両者を組み合わせたろ過システムの最適化を行う上で必要となる設計指針も作成した。回収率および純度は開発目標を達成した。
 原料再生技術の開発に関しては、回収シリコン切削屑が非常に小さいことに起因した問題の解決法の開発に重点を置いた。中でもシリコン表面の薄い酸化膜の除去が極めて重要であり、融解直前に高温減圧処理を行うことで完全融解が可能とした。融解後のシリコン中の不純物濃度を評価した結果、金属冶金型シリコン原料と同等程度の品質が得られることを示した。
英文要約Title : High Performance PV Generation System for the Future. R and D on Ultimate Wafer-based Si Solar Cells. / Recovery of silicon powder from multi-wire-saw sludge and reproduction to feedstock (FY2010-FY2014) Final report

(1) Development of separation process of silicon powder and impurities
The particle size distributions of the solid materials in the waste coolants were measured by DLS method. Although the range of particle sizes was almost same (0.03~6 um), the distribution of each sample was different. Over 50 vol% of solid materials were retrieved from each coolants by pressurized filtrations with a pore size of 0.45 um.
In order to explain experimental results of pressurized filtration, we proposed a model equation. Figure 4 shows the filtration volume as a function of filtration time. The calculated results using the model equation correspond with the experimental results. Then, we used the equation to forecast a filtration time when the waste coolant was diluted by water. From the result of forecast, optimum dilution ratio is 1. In order to confirm the forecast, filtration experiments with diluted waste coolants were carried out. The experimental result was consistent with the forecast.
After consideration about a reduction of dead-end filtration time using the model equation which was proposed by our group last year, it was predicted that it is effective for reduction a filtration time by dilution of a waste coolant due to decrease of viscous resistance. To verify the prediction, the dead-end filtration using actual waste coolant and diluted coolant was carried out. The experimental results showed validation of the model equation.
In order to concentrate silicon powders in a waste coolant, a cross-flow filtration is required. In order to explain experimental results of cross-flow filtration, we proposed a model equation. The calculated results using the model equation correspond with the experimental results.

(2) Development of reproduction process of feedstock
The metal contents in retrieved Si were measured by ICP-MS. The metal concentrations are too high to use as feedstock for crystal growth. However, the quality of the retrieved Si is better than that of metal-grade Si. Therefore, after refining by directional solidification, the metal concentrations will be decreased, and they will be low enough for solar-grade (SOG) Si.
To improve heat transference and to facilitate handling, the retrieved Si powders were shaped into pellets by pressure. The maximum filling fraction of about 50% was obtained at about 0.5GPa.
The surface of retrieved Si powder was oxidized during wire-saw slicing. Since the oxidized layer inhibited melting of silicon, it is necessary to remove the oxidized layer. Although the oxidized layer can be removed by HF solution treatment, the surface of silicon powder was re-oxidized during drying process at 80C. To reduce the re-oxidization, we found that reduced-pressure drying at room temperature is suitable. Coupling with the high-temperature treatment, we succeeded melting of retrieved silicon pellets.
We evaluated impurities concentration in recycled silicon. The concentrations at final solidified region is higher than that at initial solidified region. It means that segregation was occurred effectively. By optimizing the process, the concentration of recycled silicon might be the same level as UMG-Si.
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