(57)【要約】  低純度の金属シリコンから金属不純物及びボロン及びリンを効率的に除去でき、且つ連続的な処理が可能で、コンパクトな装置構成の金属シリコンの純度を高める装置を提供する。金属不純物除去部（１１ａ）と、ボロン及びリン除去部（１１ｂ）と、不純物通過部（１１ｃ）を備えた耐火材からなるトレー（１１）と、トレーの上側に配置したシリコンを溶融可能なヒーター（１３）と、トレーの金属不純物除去部の下側に配置した水冷配管（１４ａ）及び電磁石（１５）と、トレーのボロン及びリン除去部の下側に配置した水冷配管（１４ｂ）と、トレーのボロン及びリン除去部に配置した高電圧放電用電極（１６）を備え、金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを除去する。
2014069252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属不純物除去部と、ボロン及びリン除去部と、不純物通過部を備えた耐火材からなるトレーと、
前記トレーの上側に配置したシリコンを溶融可能なヒーターと、
前記トレーの金属不純物除去部の下側に配置した水冷配管及び電磁石と、
前記トレーのボロン及びリン除去部の下側に配置した水冷配管と、
前記トレーのボロン及びリン除去部に配置した高電圧放電用電極を備え、
金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを除去することを特徴とする金属シリコンの純度を高める装置。
【請求項２】
前記金属不純物除去部は深い樋状であり、前記ボロン及びリン除去部は浅い樋状であり、前記不純物通過部は前記金属不純物除去部の端部下部に接続するように設けた筒状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記トレーの金属不純物除去部の下側と、前記トレーのボロン及びリン除去部の下側に水冷配管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記金属不純物除去部は前記電磁石の磁場により、シリコン溶湯中の金属不純物をトラップし、前記金属不純物が除去された前記溶湯が連続的に前記ボロン及びリン除去部を通過することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ボロン及びリン除去部では、高電圧放電により添加したＳｉＯ２が加熱される事で自由状態になった酸素を生成し、前記酸素の酸化作用により前記ボロンの酸化物が形成され、気化して前記溶湯中のボロンが除去されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ボロン及びリン除去部は高電圧放電により高熱が発生し、前記高熱の作用により前記溶湯中のリンが気化して除去されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【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、金属不純物及びボロン及びリンを除去することで、その純度を高める装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の普及に伴い、金属シリコンを出発材料とし、これを精錬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、精製する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、低純度の金属シリコンからアルミ、鉄、クロム等の金属不純物及びボロン及びリンを効率的に除去でき、連続的な処理が可能で、且つコンパクトな装置構成の金属シリコンの純度を高める装置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】
【０００４】
本発明の金属シリコンの純度を高める装置は、金属不純物除去部と、ボロン及びリン除去部と、不純物通過部を備えた耐火材からなるトレーと、トレーの上側に配置したシリコンを溶融可能なヒーターと、トレーの金属不純物除去部の下側に配置した水冷配管及び電磁石と、トレーのボロン及びリン除去部の下側に配置した水冷配管と、トレーのボロン及びリン除去部に配置した高電圧放電用電極を備え、金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを真空または不活性ガス雰囲気中で除去することを特徴とする。【０００５】
これにより、低純度の金属シリコン溶湯から、電磁石磁場のトラップにより金属不純物を、高電圧放電の高熱で発生する酸素によりボロン酸化物としてボロンを、高電圧放電の高熱によりリンを、それぞれ効率的に除去できる。従って、比較的コンパクトな装置構成で連続的に操業が可能で、経済的に金属シリコンの高純度化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一実施例の金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを除去する装置の説明図である。
【図２】左図は金属不純物除去部の要部断面を示す図１のＡＡ線に沿った断面図であり、右図はボロン及びリン除去部の要部断面を示す図１のＢＢ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について、図１および図２を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。
【０００８】
本発明の一実施例の金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを除去する装置は、真空又は不活性ガス雰囲気中に配置され、金属不純物及びボロン及びリンは、真空又は不活性ガス雰囲気中で除去される。アルミナ、カーボン等の耐火材からなるトレー１１は、深い樋状の金属不純物除去部１１ａと、その端部下部に接続するように設けた筒状の不純物通過部１１ｃと、浅い樋状のボロン及びリン除去部１１ｂからなる。純度２ナイン級の金属シリコンをアーク炉等により溶解して形成したシリコン溶湯１２が原料注入部Ｘからトレー１１に注入される。
【０００９】
トレー１１の上側にはシリコンを溶融可能なヒーター１３が配置され、溶湯１２を加熱することで、溶湯１２の温度を１５００−１６００℃に維持し、溶湯状態を保持する。トレー１１の金属不純物除去部１１ａの下側には水冷配管１４ａを備え、トレー１１を水冷することで、耐火材からなるトレーの強度を保持すると同時に下述の電磁石１５の強度を維持する。
【００１０】
トレー１１のさらに下側には電磁石１５が配置され、磁場がトレー１１の金属不純物除去部１１ａに形成される。その磁場により、シリコン溶湯に含まれる鉄、クロム等の強磁性体物質、銅等の反磁性体物質は、キュリー温度、ネール温度を超えると全て常磁性体となる性質を利用して、すべての金属不純物を除去部１１ａの下方にトラップする。各金属不純物には比重差があるため重い物から下から順に蓄積する。アルミニュウムは比重２.７であるが、シリコン、カーボン、ボロン、リン等は比重２．３４以下であるため、樋の上層部に集まる。シリコン、カーボン、ボロン、リンが含まれている上澄みを次工程に流す。
【００１１】
シリコン溶湯１２が原料注入部Ｘから注入され、深い樋状の金属不純物除去部１１ａ（図２左図参照）を通過する際に、上述したように、電磁石１５の磁場により溶湯１２に含まれる金属不純物が下方にトラップされ、上方には金属不純物が除去され、ボロン、カーボン、リン等が含まれた上澄みのシリコン溶湯１２が流れる。金属不純物除去部１１ａの上方の金属不純物が除去された上記上澄みの溶湯１２はトレー１１の上側の浅い樋状のボロン及びリン除去部１１ｂに流入し、連続的に通過する。
【００１２】
ボロン及びリン除去部１１ｂには、図示しないがＳｉＯ２を溶湯中に供給する機構が有り、樋状部分の両側に高電圧放電用電極１６が配置されていて（図２右図参照）、電極１６間に高電圧を印加することでアーク放電し溶湯が１７５０℃以上の高温になりＳＩＯ２が溶融して分解し自由状態になった酸素が発生する。浅い樋状のボロン除去部１１ｂを連続的に通過するシリコン溶湯１２ａはその厚さが薄く、溶湯中に含まれるボロンが、発生する酸素の酸化作用により酸化され、ボロンの酸化物Ｂ２Ｏ３が形成され、１７５０℃以上の高温で気化して蒸発し、溶湯中のボロンが除去される。シリコンも酸化されるが高電圧放電の電圧を調節する事でボロンが酸化するよりも、シリコンが酸化する反応を遅く且つ少なくすることができる。アーク放電により１７５０〜１９００℃の間で溶湯の温度を調節すると、ボロンを効率的に除去できる。  
【００１３】
リンについても、高電圧アーク放電により高熱が発生し、高熱の作用により、溶湯１２ａ中のリンが気化して除去される。ちなみに、リンは概略３つの形態があり、Ｐ４、Ｐ２は常圧下でも低温で除去できるが、Ｐは高温でないと除去が難しい。しかしながら、放電により形成される高電圧アークの高熱によりＰの除去が可能となる。トレー１１のボロン及びリン除去部１１ｂの下側には水冷配管１４ｂが配置され、水冷することで、高熱が発生するボロン及びリン除去部１１ｂ部分のトレー１１の強度を保持する。
【００１４】
かくして、ボロン及びリン除去部１１ｂを通過したシリコン溶湯１２ａは金属不純物及びボロン及びリンが除去され、純度２ナイン（９９．ｘｘｘ％）級から純度６ナイン（９９．９９９９ｘ％）級以上に精製される。精製されたシリコン溶湯１２ａは連続的に排出口Ｚから排出される。排出口Ｚ近傍には図示しない次工程の水素ガスを吹く機構があり、酸化したシリコンを還元する。そして、固化して例えば純度６ナイン（９９．９９９９ｘ％）級以上の太陽電池用金属シリコンが得られる。
【００１５】
金属不純物除去部１１ａの磁場により下方にトラップされた金属不純物は、溶湯１２の通過量に伴い、不純物濃度が徐々に増大する。このため定期的に、不純物通過部１１ｃの排出口Ｙに接続した図示しない栓を開くと共に、電磁石１５の通電を切り励磁を停止する。これにより、金属不純物を多量に含む溶湯１２ｂが不純物除去部１１ａの下部に接続した不純物通過部１１ｃを通り、排出口Ｙから排出される。金属不純物を多量に含む溶湯の排出後は、再び栓を閉じ、電磁石１５に通電し励磁を行うことで、溶湯１２中の金属不純物のトラップを継続する。
【００１６】
この金属シリコンの純度を高める装置によれば、電磁石の磁場により溶湯中の金属不純物をトラップして除去でき、ボロンを高電圧放電でＳｉＯ２を溶融後に分解して発生する酸素によりＢ２Ｏ３として除去でき、リンを高電圧放電の高熱により除去できるので、産業廃棄物が生ぜず、クリーンで環境に優しいシステムとすることができる。そして、比較的コンパクトな装置構成で連続的に操業が可能で、金属シリコン溶湯から金属不純物及びボロン及びリンを効率的に除去できるので、経済的に金属シリコンの高純度化が可能となる。この装置の操作も、従来のような熟練があまり必要なく、温度、磁力、放電電圧等の定量的な値を管理することで、容易に制御ができるので、安定した高純度の金属シリコンの製造が可能である。
【００１７】
なお、上記実施例では、冷却配管１４ａと電磁石１５とを別体として設けたが、冷却配管１４に磁場形成作用を持たせ、一体としてもよい。
【００１８】
また、ボロン及びリン除去部を金属不純物除去部の下流側に配置した例を示したが、ボロン及びリン除去部を金属不純物除去部の上流側に配置し、シリコン溶湯中からまずボロン及びリンを除去し、次に金属不純物を除去するようにしてもよい。
【００１９】
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】
【００２０】
本発明は、太陽電池の原料となる金属シリコンの純度を高める用途に好適に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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