(57)【要約】【課題】コンパクトな装置構成で且つ連続的な処理が可能で、金属シリコンからボロンおよびリンを低コストで効率的に除去できる装置および方法を提供する。【解決手段】コイル１１を角型水平巻き又は丸型水平巻きとし、コイルの上辺１１ａを、該コイルの軸方向Ｄに沿って水平方向又は傾斜して配列し、コイルの下辺１１ｂをコイルの水平方向に対して一以上の谷底Ｅを備えるように階段状に配列し、谷底Ｅに行く部分は傾斜になっている高周波誘導コイル一体型坩堝１０を用いる。そして、シリコン材料に酸化剤を添加して溶湯状態とし、谷Ｖ内の溶湯Ｓに両辺側から力Ｆが交差するように作用し強い撹拌作用が生じる。又、ＳｉＯ２を溶融できる程度の高温にすることが可能なため、又セルフライニングが出来るので、特別な坩堝が要らずにボロンおよびリンの低コストで効率的な除去が可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを角型水平巻き又は丸型水平巻きとし、
前記コイルの上辺を、該コイルの軸方向に沿って水平方向に又は傾斜して配列し、
前記コイルの下辺を前記コイルの前記水平方向に対して一以上の谷底を備えるように階段状に配列し、谷底に行く部分は傾斜になっていることを特徴とする高周波誘導コイル一体型坩堝。
【請求項２】
前記坩堝の入口側のコイルの下辺に対して、出口側のコイルの下辺が低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導コイル一体型坩堝。
【請求項３】
コイルを角型水平巻き又は丸型水平巻きとし、前記コイルの上辺を、該コイルの軸方向に沿って水平方向に又は傾斜して配列し、前記コイルの下辺を前記コイルの前記水平方向に対して一以上の谷底を備えるように階段状に配列し、谷底に行く部分は傾斜になっている高周波誘導コイル一体型坩堝を用い、シリコン材料に酸化剤を添加して溶湯状態とし、
前記コイルの下辺列は谷底に行く部分は傾斜になっていて、前記コイルの下辺列によって形成される磁界も傾斜し、前記磁界の時間変化によりその周方向に誘導電流が形成され、該誘導電流によって、シリコン溶湯は前記磁界に直交する方向の力を受け、撹拌作用が生じ、
シリコン溶湯中のボロンが酸化され気化して除去され、リンが気化して除去されることを特徴とする金属シリコンからボロンおよびリンを除去する方法。
【請求項４】
前記シリコン材料にＳｉＯ２粉末を添加して前記坩堝に投入し、前記ＳｉＯ２粉末の融点以上の温度に加熱して溶融状態とすることを特徴とする請求項３に記載の金属シリコンからボロンおよびリンを除去する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の原料となる低純度の金属シリコンから、特にボロンおよびリンを効率的に除去することで、その純度を高める装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の普及に伴い、低純度の金属シリコンを出発材料とし、これを精製して太陽電池を製作することが行われている。出発材料としての金属シリコンは一般に９９．ｘｘｘ％（２ナイン）程度の純度を有し、リン（Ｐ）、アルミ（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）等の不純物が含まれている。太陽電池を製作するためには、これらの不純物を効率的且つ経済的に除去して、９９．９９９９ｘｘ％（６ナイン）以上に、特に、ボロン（Ｂ）の含有量が０．３ｐｐｍ以下に、リン（Ｐ）の含有量が０．１ｐｐｍ以下に、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）等の金属族類の含有量が０．１ｐｐｍ以下に精製する必要がある。
【０００３】
例えば金属シリコン中にはボロンが単体で２０−３０ｐｐｍ程度含まれていて、この除去が必要である。しかしながら、ボロンは、蒸気圧が低いため単純な真空による除去はできない、又偏析係数が１に近いため一方向凝固では偏析除去ができない、という理由により、特に除去が困難であることが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、コンパクトな装置構成で且つ連続的な処理が可能で、金属シリコンからボロンおよびリンを低コストで効率的に除去できる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の金属シリコンからボロンおよびリンを除去する方法は、コイル１１を角型水平巻き又は円型水平巻きとし、コイルの上辺１１ａを、該コイルの軸方向Ｄに沿って水平方向に又は傾斜して配列し、コイルの下辺１１ｂを１以上の谷底Ｅを備えるように階段状に配列し、谷底Ｅに行く部分は傾斜になっている高周波誘導コイル一体型坩堝１０（図１参照）を用いる。そして、坩堝１０の谷Ｖ内の溶湯Ｓには、磁界Ｂおよび誘導電流Ｉにより谷Ｖの両辺側から力Ｆが交差するように作用する（図３参照）。これにより強い撹拌作用が生じることから、又、ＳｉＯ２を溶融できる程度に高温にすることが可能なため、又、セルフライニングにより連続的にスカルを作成できるため特別な坩堝の必要が無く、金属シリコン溶湯からボロンおよびリンの効率的且つ低コストでの除去が可能となる。
【０００６】
坩堝の入口側のコイルの下辺１１ｂに対して、出口側のコイルの下辺１１ｂが低くなっていることが好ましい（図１参照）。これにより、溶湯Ｓは入口側から出口側に連続的に流れ、連続的なボロンおよびリンの除去処理が可能となる。又、シリコン材料にＳｉＯ２粉末を添加して坩堝に投入し、ＳｉＯ２粉末の融点以上の温度に加熱して溶融状態とすることで、溶融状態のＳｉＯ２はボロンに対して酸化力を有し、ボロン除去の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例の高周波誘導コイル一体型坩堝の断面図である。
【図２】左図は図１のＡＡ線に沿った断面図であり、右図は図１のＣＣ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の他の実施例の高周波誘導コイル一体型坩堝の断面図である。
【図４】使用状態の図１の坩堝の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部材又は要素には、同一の符号を付して説明する。
【０００９】
図１および図２は、本発明の高周波誘導コイル一体型坩堝を示す。この坩堝１０は水冷コイル１１を角型水平巻き又は丸型水平巻きしたもので、コイル１１に高周波電流を供給することで、コイルの軸方向Ｄに磁束密度Ｂの交番磁界が形成される。坩堝１０の内部にシリコン溶湯Ｓが存在すると、溶湯Ｓ中に誘導電流が形成され、溶湯Ｓが誘導加熱される。なお、コイル１１自体は内部に冷却水が流れ、冷却されているので、コイル１１周辺のシリコン溶湯は凝固し、凝固層が形成され、その上部に高温に加熱されたシリコン溶湯が存在し、坩堝として機能する。
【００１０】
本発明の坩堝１０は、コイル１１の上辺１１ａを該コイルの軸方向Ｄに沿って水平方向に配列し、コイル１１の下辺１１ｂを上記水平方向に対して１以上の谷底Ｅを備えるように階段状に配列し、谷底Ｅに行く部分は傾斜になっている。この実施例では、谷底Ｅを二箇所に備え、図中左側の谷Ｖで主として粉末シリコンの溶解を行い、右側の谷Ｖで主としてシリコン溶湯からボロンおよびリンの除去を行う。
【００１１】
この坩堝１０では、入口側のコイルの下辺１１ｂに対して、出口側のコイルの下辺１１ｂが低くなっている。このことは、入口側で下辺１１ｂの位置が高く、出口側で下辺１１ｂの位置が低く、入口側で投入された金属シリコン片又は粉末は溶湯Ｓとなり、溶湯Ｓは入口側から出口側に流れ、出口側から流出する。これにより、入口側から連続的にシリコン材料を投入することで、連続的なボロンおよびリンの除去処理が可能となる。
【００１２】
図３は本発明のコイル一体型坩堝の変形例を示す。この変形例の坩堝１０ａは、コイル１１の上辺１１ａをＶ字型に傾斜して配列している。コイル１１の下辺１１ｂは２箇所に谷底Ｅを備えるように階段状に配列し、谷底Ｅに行く部分は傾斜になっている点は図１の実施例と同様である。なお、コイル１１の上辺１１ａを下辺列１１ｂと同様に２箇所にＶ字型を形成するように配列してもよい。上辺１１ａをＶ字型に傾斜して配列することで、溶湯Ｓにおける磁界Ｂを少し強めることができる。
【００１３】
本発明の金属シリコンからボロンおよびリンを除去する方法は、図１に示す坩堝１０又は図３に示す坩堝１０ａを使用する。この坩堝１０，１０ａでは、コイル１１の中にカーボンを入れスタートする。コイル１１は予め溶射等でＡＬ２Ｏ３又はＳｉＯ２でコートしておく。コイルとカーボンの間にＳｉ片又は粉末を入れ誘導加熱する。Ｓｉは溶融すれば導電性になるが固体では高抵抗となる。コイルは水冷してあるため、溶融したＳｉはコイル近傍では固体となり、コイルの内周面にスカル状の坩堝を形成する。コイル近傍ではＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２，Ｓｉ等の多重の層からなるスカル状の坩堝が形成される。
【００１４】
従って、セルフライニングが出来るため溶解用の坩堝の必要が無く、コイルの冷却能力を高める事により溶融温度を３０００℃程度迄も高める事が可能となり、ＳｉＯ２も単独で溶融する事ができる。それ故、形成されたコイル一体型坩堝１０、１０ａ内にカーボンを入れ、周りに金属Ｓｉ片又は粉末を入れ、１７００℃程度に加熱して溶融し、カーボンを抜く。これにより、１７００℃程度のシリコン溶湯Ｓが形成される。
【００１５】
そこにＳｉＯ２を、Ｓｉ中に含有するボロンの量に応じた量を添加する。この坩堝１０では攪拌作用が大きいため、少量のＳｉＯ２でシリコン溶湯中のボロンが酸化され気化し効率的に除去される。又リンもシリコン溶湯の高温化が可能なので効率的に除去される。なお、運転は真空又は不活性ガス中で行う。
【００１６】
次に、図３を参照して、本発明のボロンおよびリンの除去処理について説明する。上述の坩堝１０の入口側に原料投入口１２を備え、処理対象の金属シリコン片又は粉末に酸化剤としてＳｉＯ２粉末を添加して坩堝１０の入口側に投入する。理論的には、処理対象の金属シリコン３Ｋｇ中にボロンが２０ＰＰＭ程度存在しているとすると、このボロンの酸化除去処理に要するＳｉＯ２粉末は６ｇ程度と非常に少ない量となる。
【００１７】
そして、コイル１１に通電し、ＳｉＯ２粉末の融点（約１６５０℃）以上の約１７００℃程度の温度にシリコン溶湯を誘導加熱して、シリコン溶湯中でＳｉＯ２粉末を溶融状態とする。従って、溶融状態のＳｉＯ２はボロンに対して酸化力を有し、シリコン溶湯中のボロンを酸化し、Ｂ２Ｏ３を形成し、ガス化し気化させて除去する。
【００１８】
坩堝１０のコイルの下辺１１ｂの列は谷底Ｅに行く部分は傾斜になっていて、コイル１１の下辺列１１ｂによって形成される磁界Ｂも傾斜する。そして、磁界Ｂの時間変化によりその周方向に誘導電流Ｉが形成される。この誘導電流Ｉによって、シリコン溶湯Ｓは磁界Ｂに直交する方向の力Ｆを受ける。谷底Ｅに行く両側のコイル下辺列１１ｂが反対方向に傾斜している（Ｖ字形をなしている）ことから、谷Ｖ内の溶湯Ｓに谷Ｖの両辺側から力Ｆが交差するように作用し、溶湯Ｓは谷Ｖの両辺側から衝突するような力を受け、これにより強い撹拌作用が生じる。
【００１９】
シリコン溶湯中のボロンは、この強い撹拌作用により溶融状態のＳｉＯ２により酸化が促進され、Ｂ２Ｏ３となりガス化され、気化し除去される。そして、シリコン溶湯中のリンも溶湯の強い撹拌作用により溶湯表面に浮上してシリコン溶湯との蒸気圧差から気化して除去される。このように、谷Ｖ内の溶湯に谷Ｖの両辺側から力Ｆが交差するように作用し、強い撹拌作用が生じることから、又、セルフライニングによりＳｉＯ２を溶融できる程度に高温にすることが可能なため、ボロンおよびリンの効率的な除去が可能となる。
【００２０】
ボロンおよびリンが除去されたシリコン溶湯Ｙは出口側から排出され、同時に発生すると思えるＳｉＯを除去するために少量の水素ガスを吹き付けて還元処理しても良い。以上の処理により、ボロンが０．３ｐｐｍ以下、リンが０．１ｐｐｍ以下の（金属族類成分を除くと）太陽電池級のシリコン溶湯となり、次工程に送られる。なお、真空又はアルゴン雰囲気が採用されるので、還元ガス量は軽微である。
【００２１】
上述の実施例は図１に示す坩堝１０についてのものであるが、図３に示す坩堝１０ａについても同様に適用が可能である。すなわち、コイル１１の下辺１１ｂは２箇所に谷底Ｅを備えるように階段状に配列し、谷底Ｅに行く部分は傾斜になっているので、同様に、谷Ｖ内の溶湯Ｓに谷Ｖの両辺側から力Ｆが交差するように作用し、これにより強い撹拌作用が生じる。
【００２２】
次工程では、例えば、アルミ（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）等の金属族類成分の除去処理が行われる。なお、上記実施例では、金属シリコン粉末からシリコン溶湯を形成し、ボロンおよびリンの除去処理を行う例について説明したが、まず、金属シリコンの溶湯を形成し、金属族類成分を除去した後その溶湯に酸化剤を添加し原料投入口１２から坩堝１０，１０ａに注入するようにしてもよい。
【００２３】
坩堝１０，１０ａでは、原料投入口１２から連続的にシリコン材料を投入することで、連続的なボロンおよびリンの除去処理が可能である。そして、運転に際して、消耗品が殆ど要らないので、長期間の連続運転が可能となり、精錬コストを低減できる。そして、坩堝１０自体は従来からある高周波誘導コイル一体型坩堝（例えば特許４６３８００２号参照）に谷底を形成したものなので、コンパクトな装置構成であり、金属シリコンの精製システムに容易に組み込み可能である。
【００２４】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、太陽電池の原料となる金属シリコンの精製、特にボロンおよびリンの除去処理に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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