(57)【要約】【課題】金属シリコンを基盤とする太陽電池は、近来急速な市場規模の拡大に伴い、生産規模も又拡大されてきた。その結果市場にて過大競争を呈し、製品の市場価格低下が著しい。また品質の要求も急激に厳しくなって来ている。この様な環境に於いても、利益を捻出するためには、従来の技術の延長線上での改善、工夫では到底不可能になった。【解決の手段】本発明は、上記の状況に鑑み提案されたもので、金属シリコンの原料である硅石から一挙に太陽電池に適用できる高純度金属シリコンを生産するためのシステム、設備、構造及び工程に関するもので有って、劇的な原価低減を実現すると共に、ランニングキャッシュフローもまた、劇的に減少させる画期的な発明である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硅石を原料として金属シリコンを生産するに際して、還元された熔融金属シリコンを固体化すること無く、金属シリコンの純化工程を実施する事を特徴とする設備。
【請求項２】
請求項１に於いて、硅石を還元する還元炉内で還元された金属シリコンに、汚染物質の混入を避ける構造及び材料を用いることを特徴とする還元設備
【請求項３】
請求項１に於いて、金属シリコンの純化工程を、トンネル構成設備で実施する事を特徴とする設備。
【請求項４】
請求項１に於いて、純化すべき還元熔融金属シリコンを、坩堝に投入し、当該坩堝で構成されたユニットを単位として、これらを順次トンネル内を移動する事を特徴とする設備。
【請求項５】
請求項４に於いて、純化すべき還元熔融金属シリコンを、坩堝に投入し、当該坩堝で構成されたユニットを単位として、これらを順次トンネル内を移動する為の運搬システム。
【請求項６】
請求項１に於いて、金属シリコンの純化工程を大気圧近傍にて実施する工程を含むことを特徴とする、純化方法。
【請求項７】
請求項１に於いて、異なる純化方法を異なるユニットで実施する事を特徴とする純化方法。
【請求項８】
請求項７に於いて、異なる純化方法は、偏析を利用した一方向冷却工程、プラズマ照射、スラッギング材料のてんか或いは及び注入、水分の注入、を含む事を特徴とする純化方法。
【請求項９】
請求項１に於いて使用される硅石は、ボロン及びリン等特定不純物元素が１０．ｐｐｍｗ以下の純度を有することを特徴とする純化方法。
【請求項１０】
請求項２に於ける還元設備に於いて、熔融シリコンに接触する部分に使用される耐火物（煉瓦）の一部或いは全部を、硅素を主体とする材料で構成する事を特徴とする還元装置。此処で言う熔融シリコンに接触する部分とは、炉床、炉壁、出銑口、出銑道、Ｔａｐ  ｈｏｌｅ、熔融シリコンの運搬及び高温シリコンの運搬具を言う。
出銑させる通路の一部或いは全部を、酸化硅素を主体とする材料で構成する事を特徴とする硅素の還元装置。
【請求項１１】
請求項２に於ける還元設備に於いて、熔融シリコンを移動させる容器の内部に酸化硅素を主体とした材料を用いることを特徴とした硅素の還元設備。
【請求項１２】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物或いは及びガラス状物質が熔融金属シリコン内に落下しないように、築炉内部に受け部或いは及び溜め部を構成したことを特徴とした硅素の還元設備。
【請求項１３】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物とガラス様物質が形成するような物質を築炉内部に使用した事を特徴とした硅素の還元設備。
【請求項１４】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物を含む気体が煙突効果によって、容易に外部に排出され且つ又捕集出来る様に多孔質材料を使用したことを特徴とした硅素の還元炉。
【請求項１５】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物と反応して形成された物質を、炉外に積極的に誘導排出させる機構を有する事を特徴とした硅素の還元炉。
【請求項１６】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物を含む気体を早期に炉外に搬出させる様に、炉内に気体を導入する機構を有する事を特徴とした硅素の還元炉。
【請求項１７】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物が吸収或いは付着した材料の交換が容易になるような築炉構造を有する事を特徴とした硅素の還元炉。
【請求項１８】
請求項２に於ける還元設備に於いて、蒸発不純物を含む気体を早期に炉外に搬出させる様に、炉内気体気流を制御する機構を有する事を特徴とした硅素の還元装置。
【請求項１９】
請求項２に於いて、適用される構造にシリコンの純化に効果的なスラッギング要素を含有した材料を使用した事を特徴とした硅素の還元装置。  適用される構造とは、炉床、炉壁、出銑口、出銑道、Ｔａｐ  ｈｏｌｅ、熔融シリコンの運搬及び高温シリコンの運搬具を言う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、太陽電池に使用される高純度シリコンの製造方法とその設備に関する。
【背景技術】
【０００２】    従来の太陽電池の生産に使用される高純度シリコンは、いわゆるシーメンス法と称する化学的手法を用いて生産されていたが、有害な副産物が派生されること、設備が高価で且つ建設期間が長いこと、及び莫大な電力が消費されることと言う欠陥がった。【０００３】    また原料には、金属シリコンが必要で有り、金属シリコンの生産には、硅石を還元させるという工程が必要である。【０００４】    即ち従来手法に依れば、硅石を採取し、それを高温によって還元して金属シリコンを生産し、本金属シリコンを化学的方法によって３塩化シリコン（ＳｉＨＣｌ３）を得、これを多段蒸留を経て高純度３塩化シリコンを得、更に化学的方法いわゆるＣＶＤ法によって高純度金属シリコンを得ている。【０００５】    この工程には、爆発物質である水素及び３塩化シリコンを使用し、また有毒ガスである塩素を大量に取り扱うという危険な生産である。【０００６】    また派生物質として、空気と発熱反応し、かつ危険な塩素を発生する４塩化シリコンが自動的に出来る。【０００７】    本発明は、従来のこの様な複雑な工程で、危険で且つ高価な設備を必要とせず、源材料の硅素から生産される熔融シリコンを固化させること無く、一貫した設備（Ｉｎｌｉｎｅ）で、一切の派生物質が無く、しかも危険のある材料、」原料を使用しない安全でグリーンな工程で、太陽電池の生産に好適な高純度シリコンを生産するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】    以上に述べた太陽電池の生産に好適な、従来の高純度シリコンの生産には、危険で有害な化学薬品の使用と、危険で有害な派生物質を、自動的に発生させるという
安全上問題があった。【０００９】      また生産には１キログラムのシリコンを生産するために、２００〜３００ＫＶＷと言う莫大な電力を必要とした。【００１０】    更に複雑な化学反応を密閉部分で実行させるために、設備が高価で、生産原価も高価である。【００１１】    また原料には、金属シリコンが必要で有り、その為に原料を準備する段階で、既に大きな電力を消費する工程が必要という欠点がある。【００１２】    いわゆるシーメンス法以外にも、冶金法で高純度金属シリコンの生産方法がある。【００１３】    冶金法もシーメンス法と同様に原料として、金属シリコンを使用する。【００１４】    冶金法では、一般的な工程は、硅石−＞金属シリコン＝＞純化−１＝＞純化−２＝＞純化−３と言う多段工程で実行される。【００１５】    またその多段工程毎に冷却、熔融を繰り返すために、多大なる電力消費と坩堝などの消耗資材が費やされる結果、原価的にも問題である。【００１６】    本発明は、上記したような様々な問題を一挙に解決する為の画期的な提案である。
【問題を解決するための手段】
【００１７】    本発明は、上記の状況に鑑み提案されたもので、金属シリコンの原料である硅石から一挙に太陽電池に適用できる高純度金属シリコンを生産するためのシステム、設備、構造及び工程の全分野に関するもので有って、単純なシステム構築で、劇的な原価低減を実現すると共に、ランニングキャッシュフローもまた、劇的に減少させる画期的な発明である。
【００１８】    問題解決の為の第一の手段は、硅素から金属シリコンを生産する還元炉の構造及びそれを構築するための材料に関するものである。
【００１９】    問題解決のための第二の手段は、硅素から金属シリコンを生産時、熔融シリコンを固体化すること無く、純化工程を実行することである。
【００２０】    問題解決のための第三の手段は、大気中気体環境で純化工程を実行することである。
【００２１】    問題を解決するための第四の手段は、大気圧近傍の圧力で純化工程を実行することである。
【００２２】    問題を解決するための第五の手段は、多段に渡る純化工程を、トンネル構造を有する設備で、実行することである。
【００２３】    問題を解決するための第六の手段は、大気中気体環境で摂氏１６００度以上の高温が得られる発熱体を使用することである。
【００２４】    問題を解決するための第七の手段は、熔融シリコンを直接坩堝に投入しても破損しない材料を坩堝として使用することである。
【００２５】    問題を解決するための第八の手段は、大気圧近傍の圧力で安定的に動作する高温プラズマを使用することである。
【００２６】    問題を解決するための第九の手段は、大気圧近傍の圧力で安定的に動作する低温プラズマを使用することである。
【００２７】    問題を解決するための第十の手段は、高温プラズマ発生器を水の注入器として使用することである。
【００２８】    問題を解決するための第十一の手段は、低温プラズマ発生器を、シリコンを純化するための材料の注入器として、使用することである。
【００２９】    問題を解決するための第十二の手段は、硅素から金属シリコンを還元反応時、温度域に適した材料を使用して還元炉を構築する事である。
【００３０】    問題を解決するための第十三の手段は、硅素から金属シリコンを還元反応時に発生、蒸発する物質をガラス化する事が出来る材料を使用して、還元炉を構築する事である。
【００３１】    問題を解決するための第十四の手段は、硅素から金属シリコンを還元反応時に発生、付着することによって、還元炉を構築している材料が部分的に滴下或いは及び剥落しても、熔融シリコン中に落下或いは流れ入る事が無いように、還元炉を設計、構築する事である。
【００３２】    問題を解決するための第十五の手段は、熔融シリコンと接触する材料の一部に、硅素を主体とした材料を使用することである。
【００３３】    問題を解決するための第十六の手段は、熔融シリコンに接触する材料の一部に、シリコインの純化に有益な要素を含んだ材料を使用することである。
【００３４】    問題を解決するための第十七の手段は、硅石から金属シリコンを還元生産するに際して発生する生成反応物及び蒸発物質を炉壁に接触させないように、或いは及び接触を最小限に限定、管理するために、気体を還元炉内に導入することである。
【００３５】    問題を解決するための第十八の手段は、硅石から金属シリコンを還元生産するに際して発生する生成反応物及び蒸発物質を炉壁に接触させないように、或いは及び接触を最小限に限定、管理するために、還元炉内に導入した気体の流速、方向を変更出来る機構を導入することである。
【発明の効果】
【００３５】    上記した様に本発明の効果は、従来の高純度シリコンの生産に関するビジネスモデルが完全に破壊され、より完全なグリーン環境でしかも会社運営に関しても、規模や市場環境に適した管理が適時に容易で、しかも安全に実施できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】    以下本発明の実施の形態を図１〜図    に基づいて説明する。【００３７】    図１は、従来技術による典型的な硅素から金属シリコンを生産するための還元炉の断面図である。【００３８】    図２は、本発明になる還元炉の１実施例である。【００３９】    図３は、本発明になる金属シリコンの純化装置の１実施例である。【００４０】    図４は、本発明になる金属シリコンの純化装置を構成する移動台の１実施例である。【００４１】    図５は、典型的な従来の冶金法による金属シリコンの純化工程例である。【００４２】    図６は、本発明になる金属シリコンの純化工程の実行工程の１実施例である。【００４３】    図７は、金属不純物が、太陽電池の変換効率に与える影響を示したものである。【００４４】    図８は、図４の下部に設置する保温のための発熱部分を示したものである。【００４５】    第一表は、実験に使用した硅石の純度である。【００４６】    第二表は、第一表を用いて第一図に示す還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度である。【００４７】    第三表は、実施例２で使用した硅石の純度を示す。【００４８】    第四表は、第三表に示す純度を有する硅石を使用して第一図にて示す還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度を示す。【００４９】    第五表は、図２に示す本発明の構造を有する還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度を示す。【００５０】      第六表は、実施例４で得られた金属シリコンの分析結果である。【００５１】      第七表は、実施例５で得られた金属シリコンの分析結果である。
以下本発明実施の形態を実施例に基づいて説明する。【００５２】      第八表は、実施例６，７，８で得られたリンの純化結果である
【実施例１】    硅素を原料として、金属シリコンを還元法にて生産するために、以下の条件で金属シリコンを生産した。
目標金属シリコンの生産量：５０Ｋｇ
硅石：１３５Ｋｇ
炭素：５５Ｋｇ．
木片：１０Ｋｇ．
電力消費：７５０ＫＷ．
還元時間：略１０時間
なを適用した還元炉の構造は、第一図のとおりである。
また硅石の純度は、第一表の通りである。
また生産された金属シリコンの純度は、第二表の通りである。
上記にて予定通りの金属シリコンの生産が確認できた。
【実施例２】    実施例１と同様な条件で、使用した硅石の純度を第三表に示すように、純度の高い硅石をした時に得られた金属シリコンの純度を第四表に示す。第四表は、高純度の硅石を使用したにも関わらず、全体的に汚染されていることが認められる。
【実施例３】    実施例２と同様な条件で図２に示す本発明の還元炉を使用した場合に生産された金属シリコンの純度を第五表に示す。汚染は殆ど認められない。即ち図２の本発明還元炉は、従来構造に比較して、内部構造物からの剥離、落下などの２時汚染が殆ど防止されたことが分かる。
【実施例４】    実施例３で得られた金属シリコンとほぼ同等な金属シリコンを、図４に示す移動台の坩堝に投入して、図３に示す純化装置を使用して、以下の条件にて純化した。
金属シリコン量：５０Ｋｇ
ボロン除去工程：１０時間
純化雰囲気：アルゴンガス
純化圧力：５０Ｔｏｒｒ
純化物質注入：１００Ｋｇ／ｃｍの高圧ポンプにて熔融シリコンに注入
純化された金属シリコンの純度を、第六表に示す。指標となるボロンの減少は認められるが、顕著な効果は認められない。
【実施例５】    実施例４と同様な装置を利用して、以下の条件で、ボロンを純化した。
金属シリコン量：５０Ｋｇ
ボロン除去時間：１０時間
純化雰囲気：空気中
純化圧力：大気中
純化物質注入：プラズマ流に添加
純化された金属シリコンに含まれているボロンの量を第七表に示す。指標となるボロンが顕著に減少していることが認められる。
【実施例６】      実施例４と同様な装置を利用して、以下の条件でリンを純化した。
金属シリコン量：５０Ｋｇ．
リン除去時間：１０時間
純化雰囲気：アルゴンガス。
純化圧力：５０Ｔｏｒｒ．
純化物質注入：熔融シリコン投入前に予め投入
純化された金属シリコンに含まれているリンの量を、第八表に示す。リンの含量が減少していることが分かる。
【実施例７】      実施例５と同様な条件で、以下の項目のみを変化させて、リンの含量を分析した。
純化物質注入：低温プラズマに添加。
純化された金属シリコンに含まれているリンの量は、第八表とほぼ同等で、リン除去効果に相違は無いと言える。
【実施例８】      実施例５及び７をそれぞれユニットとして図３に示すトンネル内に連結的な運搬システムとして設置し、ボロン及びリンの除去効果を測定した。その結果は、ボロンに関しては第七表、リンに関しては第八表とほぼ同じ結果が得られた。
【実施例９】      実施例３に於いて、本発明になる還元炉の金属シリコンの貯留である底部の構成材料を、アルミナを主体とした材料、炭素を主体とした材料及び硅素を主体とした材料を用いて、生産された金属シリコンの純度を比較した。その結果、硅素を主体とした材料の場合、材料からの汚染が一番少なかった。但し還元反応域では、炭素を主体とした材料が安定的に長期間の使用に耐えた。
【実施例１０】      実施例３に於いて、本発明になる還元炉の天井構築材料を、還元温度領域で蒸発する各種不純物を大量捕獲、収集するために、多孔質構造を有する構成材でそれらがガラス様物質となるような以下の構成物質を含む材料を使用した。
シリカ、アルミナ、酸化鉄、酸化りん、酸化ボロン、酸化マグネシューム、炭化シリコン。この場合、上記多孔質材料を使用しないで、且つガラス様反応物の生成が積極的に形成されない材料の場合、生産される金属シリコンに対して、重量で３〜４％の固体物質が排出ガス中に含有されていたが、上記対応材料を用いた場合、排出されるガス中に含有される固体物質が、半減した。又この場合、炉頂部からの構成材料の剥落が減少し、金属シリコン製品の純度低下が減少した。
【図面の簡単な説明】    図１は、従来技術による典型的な硅素から金属シリコンを生産するための還元炉の断面図である。
図２は、本発明になる還元炉の１実施例である。
図３は、本発明になる金属シリコンの純化装置の１実施例である。
図４は、本発明になる金属シリコンの純化装置を構成する移動台の１実施例である。
図５は、典型的な従来の冶金法による金属シリコンの純化工程例である。
図６は、本発明になる金属シリコンの純化工程の実行工程の１実施例である。
図７は、金属不純物が、太陽電池の変換効率に与える影響を示したものである。
図８は、図４の下部に設置する保温のための発熱部分を示したものである。
第一表は、実験に使用した硅石の純度である。
第二表は、第一表を用いて第一図に示す還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度である。
第三表は、実施例２で使用した硅石の純度を示す。
第四表は、第三表に示す純度を有する硅石を使用して第一図にて示す還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度を示す。
第五表は、図２に示す本発明の構造を有する還元炉を用いて生産された金属シリコンの純度を示す。
第六表は、実施例４で得られた金属シリコンの分析結果である。
第七表は、実施例５で得られた金属シリコンの分析結果である。
第八表は、実施例６，７，８で得られたリンの純化結果である
【符号の説明】
【００５３】    ０１：気体導入口
０２ａ：反応ガス排出孔
０２ｂ：反応ガス排出孔
０３ａ：電極
０３ｂ：電極
０３ｃ：電極
０４ａ：原料投入孔
０４ｂ：原料投入孔
０５：固体、粒子、ガラス性物体排出孔
０６ａ：固体、剥離落下物体、ガラス性物質貯留部
０６ｂ：固体、剥離落下物体、ガラス性物質貯留部
０７：金属シリコン排出孔
０８：固体、粒子、ガラス性物体排出孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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