(57)【要約】【課題】所定のシリコン純度を維持しながら、製造コストが低く、安定運転を確保することができて生産性の高い高純度シリコンの製造方法等を提供する。【解決手段】精製したシリカＲＳに、溶融炉３においてバーナ４より噴射した酸水素ＯＨを燃焼させて生じた火炎を接触させ、シリカＲＳを溶融させながら、還元剤を添加して溶融物ＭＳを還元し、高純度シリコンＰＳを製造する。炭素材料からの不純物の流入がないため、不純物としての炭素を除去する工程を簡略化することができ、ガス反応を生じさせないため、装置構成がコンパクトになり、設備コストを低く抑えることなどが可能となる。高純度シリコンＰＳの溶融物を仕上炉９の底部９ａから徐々に排出しながら鉛直下方に一方向凝固させ、製品として固体状態の高純度シリコンＰＳが得られる。前記還元を行うにあたって水素Ｈ2を還元剤として添加することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
精製したシリカに、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて該シリカを溶融させながら、還元剤を添加して該溶融物を還元することを特徴とする高純度シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記還元剤として水素を添加することを特徴とする請求項１に記載の高純度シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記酸素と水素は、水を電気分解して得られたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高純度シリコンの製造方法。
【請求項４】
精製したシリカに、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させるバーナを備える溶融炉と、
該溶融炉に還元剤を添加する還元剤添加装置とを備えることを特徴とする高純度シリコンの製造装置。
【請求項５】
前記溶融炉で溶融還元されたシリコンを一方向凝固させる仕上炉を備えることを特徴とする請求項４に記載の高純度シリコンの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度シリコンの製造方法及び製造装置に関し、特に、太陽電池用結晶シリコンを製造する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電は、二酸化炭素を発生させずに電気エネルギーを生成させるため、生成した電気で家庭の電気需要を補い、火力発電所での化石燃料の消費量を削減することで、地球温暖化防止に貢献することができる。
【０００３】
この太陽光発電に用いられる太陽電池は、光吸収層の材料、素子の形態等で多種に分類される。例えば、ＧａＡｓ系太陽電池は、宇宙用等、特に高い変換効率が必要な用途に用いられ、光吸収層（光電変換層）に有機化合物を用いた有機系太陽電池も開発されている。しかし、結晶系シリコンを用いた太陽電池が、変換効率、耐用年数に優れることから、世界的に広く用いられている。
【０００４】
従来、太陽電池に用いられる結晶シリコンは、半導体素子用シリコンのような１１Ｎ（99.999999999％）の高純度の物は必要ではないものの、６Ｎ（99.9999％）〜７Ｎ（99.99999％）程度の純度が求められ、このような高純度シリコンを得るにあたって、シーメンス法、冶金法 、流動床法、亜鉛還元法（特許文献１参照）、シリコンの塩素化合物を還元する方法（特許文献２参照）、シリカを電解還元する方法（特許文献３参照）等が用いられ、又は提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４５１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２８４２５９号公報
【特許文献３】特開２００６−３２１６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の太陽電池用結晶シリコンの製造方法においては、いずれの方法においても、得られるシリコンの純度、装置及び運転コスト、装置の安定運転等の面で課題があり、改善の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明は、太陽電池用結晶シリコンを製造するにあたって、所定のシリコン純度を維持しながら、製造コストが低く、安定運転を確保することができて生産性の高い方法及び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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、高純度シリコンの製造方法であって、精製したシリカに、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて該シリカを溶融させながら、還元剤を添加して該溶融物を還元することを特徴とする。ここで、酸素と水素の混合気とは、酸素と水素を別々に発生させた後、混合したものでもよく、水を電気分解して得られる、いわゆる酸水素ガスでもよい。尚、酸素と水素を別々に発生させる場合には、その混合比は概ね１：２であることが望ましい。
【０００９】
そして、本発明によれば、精製したシリカを溶融させるにあたって酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を用いるため、炭素熱還元に比較して炭素材料から持ち込まれる不純物の流入がない。そのため、不純物としての炭素を除去する工程を簡略化することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、高純度シリコンの製造にあたり、Ｈ2Ｏ（水蒸気）のみ発生し、有害ガスを生じさせないため、装置構成がコンパクトになり、設備コストを低く抑えることができる。
【００１１】
さらに、酸水素の燃焼により容易に高温が得られるため、反応温度の制御が容易となり、また、酸水素の燃焼により水蒸気のみ発生するため、従来酸素を除去するために必要であった不活性ガスの供給が不要となり、運転コストを低く抑えることができる。
【００１２】
上記高純度シリコンの製造方法において、前記還元剤として水素を添加することができる。尚、上記燃焼用の酸素と水素の混合気を得るにあたって酸素と水素を別々に発生させる場合には、還元剤として添加する水素の分を増量して混合気を生成する。
【００１３】
また、本発明は、高純度シリコンの製造装置であって、精製したシリカに、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させるバーナを備える溶融炉と、該溶融炉に還元剤を添加する還元剤添加装置とを備えることを特徴とする。本発明によれば、上記発明と同様に、炭素材料から持ち込まれる不純物を除去する工程を簡略化し、装置構成がコンパクトになり、設備コスト及び運転コストを低く抑えることができる。
【００１４】
上記高純度シリコンの製造装置に、さらに、前記溶融炉で溶融還元されたシリコンを一方向凝固させる仕上炉を備えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、所定のシリコン純度を維持しながら、低い製造コストで、安定運転を確保しながら高純度シリコンを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる高純度シリコンの製造装置の一実施の形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる高純度シリコンの製造装置（以下、「製造装置」という）の一実施の形態を示し、この製造装置１は、大別して、溶融室２内に配置された溶融炉３と、溶融炉３の上方に位置するバーナ４と、バーナ４に供給する酸水素ＯＨを製造する酸水素製造装置６と、溶融炉３内で溶融したシリカに還元剤として添加する水素ガスＨ2を製造する水素製造装置７と、溶融炉３から排出された高純度シリコンＰＳを底部９ａから鉛直下方に一方向凝固させる仕上炉９等で構成される。
【００１９】
溶融炉３は、供給シュート１０から供給された精製したシリカＲＳを溶融させるために備えられ、溶融炉３の上方に配置されたバーナ４の火炎によって溶融炉３の内部のシリカＲＳが加熱されて溶融する。
【００２０】
バーナ４は、酸水素製造装置６で製造した酸水素ＯＨをバーナ先端から加熱炉３に向けて噴射し、噴射した酸水素ＯＨを燃焼させて生じた高温の火炎を溶融炉３の内部のシリカＲＳに接触させてシリカＲＳを溶融させるために備えられる。尚、本実施の形態ではバーナ４は、１本配置されているが、バーナ４の設置本数は、１本又は２本以上から適宜選択することができる。
【００２１】
酸水素製造装置６は、バーナ４に供給する酸水素ＯＨを発生させるために設けられ、酸水素製造装置６で製造した酸水素ＯＨは、配管６ａを介してバーナ４に供給される。
【００２２】
水素製造装置７は、溶融炉３に還元剤として添加する水素ガスを製造するために備えられ、製造された水素ガスは供給管７ａを介して溶融炉３内のシリカＲＳに添加される。
【００２３】
仕上炉９は、溶融炉３の下方に配置され、溶融炉３において溶融し、水素ガスによって還元され、溶融炉３の底部から抜き出された高純度シリコンＰＳを凝固させるために備えられる。仕上炉９の高純度シリコンＰＳは、底部９ａから鉛直下方に一方向凝固して排出される。
【００２４】
次に、上記構成を有する製造装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。
【００２５】
まず、シリカＲＳを供給シュート１０を介して溶融炉３に供給する。次に、酸水素製造装置６で製造した酸水素ＯＨを配管６ａを介してバーナ４に供給し、バーナ先端から溶融炉３に向けて噴射して燃焼させる。この燃焼によって発生する高温の火炎によりシリカＲＳが溶融する。一方、酸水素ＯＨの燃焼により生じた水蒸気Ｓは、排気部２ａから溶融室２の外部に排出される。
【００２６】
上記シリカＲＳの溶融と同時に、水素製造装置７から配管７ａを介して溶融炉３に水素ガスを吹き込み、溶融したシリカＲＳを還元し、還元によって高純度シリコンＰＳの溶融物を得る。尚、還元剤としての上記水素ガスは、配管７ａからではなく、酸水素ＯＨとともに配管６ａを介して添加することもできる。
【００２７】
上述のようにして得られた溶融状態の高純度シリコンＰＳを、溶融炉３の底部から仕上炉９に供給し、仕上炉９において凝固させる。仕上炉９の底部９ａから高純度シリコンＰＳを徐々に排出しながら鉛直下方に一方向凝固させ、製品として固体状態の高純度シリコンＰＳが得られる。
【００２８】
尚、本発明では、シリカＲＳを溶融させるにあたって酸水素ＯＨを燃焼させて生じた火炎を用いるため、従来の炭素熱還元に比較して炭素材料からの不純物の流入がない。そのため、炭素材料から持ち込まれる不純物を除去する工程を簡略化することができる。また、その他の金属不純物の除去については、大気中の酸素雰囲気でシリカＲＳを加熱することで、ガス化させて除去したり、塩素ガスを導入して塩化揮発法によって非鉄金属を塩化物ガスとして除去することができる。
【００２９】
尚、上記実施の形態においては、溶融したシリカＲＳを還元するにあたって水素ガスを用いる場合を例示したが、この他に、亜鉛ガス等を還元剤として用いることもできる。
【００３０】
また、上記実施の形態においては、仕上炉９の底部９ａから高純度シリコンＰＳを徐々に排出しながら一方向凝固させたが、るつぼを用いて溶融凝固させることもできる。
【００３１】
また、排気部２ａから排出された高温の水蒸気Ｓを用いて発電することもでき、発電によって得られた電力を酸水素製造装置６、水素製造装置７等で用いることもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１  高純度シリコンの製造装置
２  溶融室
２ａ  排気部
３  溶融炉
４  バーナ
６  酸水素製造装置
６ａ  配管
７  水素製造装置
７ａ  配管
９  仕上炉
９ａ  底部
１０  供給シュート
【図１】
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