JPH10273312A

JPH10273312A - 金属シリコンの溶解方法

Info

Publication number: JPH10273312A
Application number: JP9077972A
Authority: JP
Inventors: Naomichi Nakamura; 尚道中村; Masamichi Abe; 正道阿部; Kazuhiro Hanazawa; 和浩花澤; Hiroyuki Baba; 裕幸馬場; Kenkichi Yushimo; 憲吉湯下; Yasuhiko Sakaguchi; 泰彦阪口; Yoshihide Kato; 嘉英加藤
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、金属シリコンの溶解を迅速、且つ効
率良く行い、その後のボロン除去を従来より一層安価に
行なえる金属シリコンの溶解方法を提供することを目的
としている。【解決手段】固体の金属シリコンを保持容器内で溶解
し、その溶湯に酸化性ガスを吹き付け及び／又は吹込
み、溶湯が含有するボロン及び炭素を酸化除去するにあ
たり、前記固体の金属シリコンを、２種類の異なった手
段で同時に加熱して溶解する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属シリコンの溶
解方法に関し、詳しくは、太陽電池用シリコンを製造す
るに際し、出発原料となる固体金属シリコンを迅速に、
かつ効率よく溶解し、脱ボロン及び脱炭を安価に行う技
術である。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池に使用するシリコン中のＰ、
Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｏなどの不純物元素は、所
要の光電交換効率を確保するには、Ｃ、Ｏ以外は１ｐｐ
ｍ以下、Ｃ、Ｏに関しては各々５〜１０ｐｐｍ以下にす
る必要がある。また、太陽電池が広く利用されるために
は、このシリコンを安価に量産する必要がある。

【０００３】従来、太陽電池用のシリコンは、図５に示
すように、半導体用シリコンと同様、気相法を主体にし
て製造されている。つまり、高純度の酸化珪素ＳｉＯ₂
を高純度Ｃで還元して、純度の低い所謂金属シリコンを
溶製する。その後、上記金属シリコンをシラン化してか
ら、蒸留法によって高純度化し、さらに、析出法で精製
してから凝固し、基板とする方法である。この気相法
は、量産に適さず製造コストが高くなると共に、歩留も
低い。また、半導体用なので純度が高すぎ、Ｂなどは逆
に添加して調整する必要があり、太陽電池用のシリコン
の製造方法としては好ましくない。

【０００４】このような要請の下で、本出願人は、前記
粗製した固体の金属シリコンを出発原料として、冶金プ
ロセスだけで一気に太陽電池用シリコンに精製する方法
を提案している。その方法は、図６に示すように、前記
金属シリコンを真空精練で脱Ｐした後、一方向凝固（凝
固粗精製工程）によって金属不純物元素（Ａｌ、Ｔｉ、
Ｆｅ等）をある程度除去し、再び溶解して酸化精練で脱
Ｂ、脱Ｃを行い、次いで、脱Ｏ後に前記金属不純物の最
終的な除去と、インゴットの製造を兼ねた仕上の凝固精
製を行うものである。つまり、金属シリコンのＡｌ、Ｆ
ｅ、Ｔｉ等金属不純物元素については、固液分配係数の
小さいことを利用した２度の一方向凝固精製により除去
し、Ｃについては、ＳｉＣは凝固の際に表面に析出さ
せ、また固溶しているＣはＣＯとして除去し、Ｐについ
ては、その蒸気圧の高いことを利用して真空除去し、Ｂ
については、Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ あるいはＯ₂ などの酸化性
物質を添加した酸化精製により除去する。この方法によ
れば、冶金プロセスなので、設備を大型にして量産が可
能となり、製造コストがかなり安価になることが期待で
きる。なお、上記製造方法では、真空精練と酸化精練の
順序を入れ換えてもよい。

【０００５】ところで、前記図６に示した工程のうち、
脱ボロン及び脱炭を行う工程は、固体の金属シリコンを
出発原料としてプラズマで溶解し、溶融した金属シリコ
ン中のボロンを酸化除去する期間も、同一のプラズマで
該溶融金属を加熱している。通常、このプラズマ溶解に
は、図３に示す移行型あるいは図４に示す非移行型プラ
ズマのいずれか一方が使用されている。このうち、移行
型とは、被加熱物１（この場合、固体の金属シリコン
１）を保持した容器２の底に、底部陽極１１を配置し、
上方に設けたプラズマ・トーチ３との間に電圧を印加し
て、プラズマアーク１０を発生させるものである（図３
参照）。この溶解方法は、アーク１０を加熱に利用でき
るので、熱効率は比較的良好である。しかし、固体の金
属シリコン１の溶解に用いると、シリコンと直接接触し
ている容器２の底部陽極１１から不純物が混入し、それ
らを別途精製する必要があるため、溶解後の精製工程と
の連続性を考慮すると、加熱方式を移送型プラズマのみ
とすることはできない。

【０００６】一方、非移行型は、プラズマ・トーチ３内
に設けた陽極と陰極との間に電圧を印加して、プラズマ
・トーチ３内だけでアークを発生し、プラズマ・ジェッ
ト４を発生させる。そして、この高温のプラズマ・ジェ
ット４を高速で該プラズマ・トーチ３より噴射し、被加
熱物１を溶解・加熱する。この溶解方法（図４参照）
は、プラズマ・ジェット４の流速が高速なので、溶湯を
撹拌する力は強いが、プラズマ・トーチ３内だけでアー
クを発生させるので、投入電力の５０％以上がプラズマ
・トーチ３の冷却水で持ち去られ、さらに、被加熱物１
とアークとの接触が少ないので、固体物質の溶解方法と
しては、熱効率が著しく劣る。ちなみに、移行型と比べ
て電力消費量が４倍にもなる。

【０００７】このように従来の単一種類の熱源を用いる
方法は、移行型プラズマではシリコンの汚染・非移行型
プラズマでは高電力原単位という問題点があり、これら
の問題点を解消して太陽電池用シリコンをより安価に製
造できる技術の出現が熱望されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
を鑑み、金属シリコンの溶解を迅速、且つ効率よく行
い、その後のボロン除去を従来より一層安価に行なえる
金属シリコンの溶解方法を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため研究を重ね、電力原単位を低減するには、特
に、固体状の金属シリコンを最初に溶解する段階で、電
量消費量を減らして迅速溶解をする必要性を痛感した。
固体を液体にする時期に最もエネルギーが必要だからで
ある。そして、その問題を解決する対策を鋭意検討し、
金属シリコンの熱伝導性が常温から高温になるにつれて
急激に変化する温度の存在に着眼した。つまり、この現
象を利用すれば、１種類の加熱源だけを使用せず、電量
消費量の少ない他の加熱源との併用で、電力原単位を減
少できると考えた。本発明は、この考えを具現化したも
のである。

【００１０】すなわち、本発明は、固体の金属シリコン
を保持容器内で溶解し、その溶湯に酸化性ガスを吹き付
け及び／又は吹込み、溶湯が含有するボロン及び炭素を
酸化除去するにあたり、前記固体の金属シリコンを、２
種類の異なった手段で同時に加熱して溶解することを特
徴とする金属シリコンの溶解方法である。また、本発明
は、前記２種類の異なった手段を、非移行型プラズマ加
熱及び高周波誘導加熱とすることを特徴とする金属シリ
コンの溶解方法である。

【００１１】さらに、本発明は、電気抵抗加熱及び非移
行型プラズマ加熱とすることを特徴とする金属シリコン
の溶解方法である。加えて、本発明は、加熱時期に応じ
て前記２種類の異なった手段のいずれか一方の加熱を停
止することを特徴とする金属シリコンの溶解方法でもあ
る。本発明では、金属シリコンの溶解を、上記のよう
に、異なった２種類の加熱手段を、適切な時期に使用し
たので、固体状の金属シリコンの溶解が迅速になると共
に、消費される電力が大幅に低減する。その結果、ボロ
ン及び炭素の除去が従来より一層安価に、且つ効率良く
行えるようになった。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に係る「金属シリ
コンの溶解方法」を実施した装置例を示す。それは、被
加熱物１の金属シリコンを保持する、例えばシリカ質の
容器２と、その上方に配置した非移行型のプラズマ・ト
ーチ３と、容器２周囲に配置した高周波誘導コイル５
と、容器２の底部に配置したガス吹込み羽口６（例え
ば、ポーラス・プラグ）からなっている。従って、固体
状の金属シリコン１の溶解開始当初は、非移行型プラズ
マと高周波誘導とで加熱すれば、両者の加熱能力が組み
合わさって該金属シリコン１を迅速に溶解し、高温に維
持できることになる。そのため、単独使用では電力消費
量の多い非以降型プラズマ溶解も少ない電力で済む。そ
して、ほぼ溶解が終了し、一定温度に維持する時期に入
ったら、プラズマ加熱を止め、高周波誘導加熱のみに切
り換えればよい。

【００１３】次に、この高周波誘導加熱に切り換わった
後、シリコンが容器内で完全に溶解したことが確認され
たら、炉底に設けた羽口１１を介して不活性ガスと酸化
性ガス（水蒸気、ＣＯ₂ 、Ｏ₂ 等）との混合ガス７を吹
込み、溶融状態となった金属シリコンのボロンを酸化除
去することになる。なお、該混合ガス７は、プラズマ・
トーチ３を介して高温のプラズマ・ジェット４に添加し
て溶湯７に吹き付けてもよい。また、酸化性ガスに加え
て、Ｈ₂ やＣＯといった還元ガスを添加することもでき
る。その際、該プラズマ・ジェット４からも熱が供給さ
れるため高周波誘導加熱源の印加電力を低減、あるいは
切断してもよい。一旦溶解したシリコンを溶融状態に維
持するだけであれば、熱源として非移行型プラズマを用
いてもそれほど電力原単位は悪くなく、高い撹拌力によ
り溶解時間が短縮されることを考慮すると、他の加熱方
法よりもむしろ有利である。

【００１４】図２は、本発明の別な実施形態を例示す
る。図１の高周波加熱装置に代えて、電熱ヒータ９を溶
解容器２の周囲に配し、非移送型プラズマ・トーチ３と
同時に動作させて固体状の金属シリコン１を溶解する。
なお、電熱ヒータ９は被溶解物の電気伝導度に関係なく
加熱することが可能なため、非移送プラズマを同時に動
作させることは必ずしも必要ではないように考えられな
くもないが、電熱ヒータ９のるつぼ周縁部からの加熱に
加えて、非移送型プラズマでるつぼ中央部からの加熱を
加えることにより溶解効率は各段に向上する。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）粉状の金属シリコン１を、前記した図１お
よび図２の装置を用いてそれぞれ３０ｋｇ溶解した。そ
して、引き続き、溶解後の溶湯から酸化性ガスの吹込み
でボロン及び炭素の除去を行った。その時の各加熱源の
電力消費量、及び溶解時間を表１に一括して示す。ま
た、表１には、図４に示す装置を用いた従来通りの方法
による溶解で消費した電力量も示してある。

【００１６】表１より、本発明に関わる３通りの方法す
べてが、溶解に要する時間が従来法の単独加熱による場
合より短く、しかも消費電力が少ないことが明らかであ
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、固体
状の金属シリコンの溶解が、従来より低い電力原単位で
しかも短時間に行えるようになった。従って、太陽電池
用シリコンの製造コストを、従来より減少させることが
できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属シリコンの溶解方法を実施す
る装置例を示す縦断面図である。

【図２】本発明に係る金属シリコンの溶解方法を実施す
る別の装置例を示す縦断面図である。

【図３】従来の金属シリコンの溶解方法を実施する移行
型プラズマ電源を用いた装置を示す図である。

【図４】従来の金属シリコンの溶解方法を実施する非移
行型電源を用いた装置を示す図である。

【図５】従来の太陽電池用シリコンの製造方法を示す工
程流れ図である。

【図６】本出願人が別途提案中の太陽電池シリコンの製
造方法を示す工程流れ図である。

【符号の説明】

１固体状の金属シリコン（被加熱物）２容器３プラズマ・トーチ４プラズマ・ジェット５高周波誘導コイル６羽口（底部羽口）７混合ガス８プラズマ用直流電源９電気抵抗加熱用ヒータ１０プラズマアーク１１底部電極（黒鉛）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者花澤和浩千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者馬場裕幸千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者湯下憲吉千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者阪口泰彦千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者加藤嘉英千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体の金属シリコンを保持容器内で溶解
し、その溶湯に酸化性ガスを吹き付け及び／又は吹込
み、溶湯が含有するボロン及び炭素を酸化除去するにあ
たり、前記固体の金属シリコンを、２種類の異なった手段で同
時に加熱して溶解することを特徴とする金属シリコンの
溶解方法。
【請求項２】前記２種類の異なった手段を、非移行型
プラズマ加熱及び高周波誘導加熱とすることを特徴とす
る請求項１記載の金属シリコンの溶解方法。
【請求項３】前記２種類の異なった手段を、電気抵抗
加熱及び非移行型プラズマ加熱とすることを特徴とする
請求項１記載の金属シリコンの溶解方法。
【請求項４】加熱時期に応じて前記２種類の異なった
手段のいずれか一方の加熱を停止することを特徴とする
請求項１〜４いずれか記載の金属シリコンの溶解方法。