光デバイス／太陽電池

２６．ＳｏＧ－Ｓｉの作り方（その３）

　ソーラーグレードシリコン（ＳｏＧ－Ｓｉ）の作り方としてシーメンス法と冶金学的方法の２つを紹介しました。シーメンス法が早い時期に開発され、しかもかなり有力な方法でしたので、その後これを越えることを目的に多くの方法が研究されました。とくに重視された点はコストを下げることと、大量に生産できることの２点です。

　研究された方法は多彩でそれぞれ特徴をもっていますが、シーメンス法を完全に凌駕し、取って代わるまでには至っていないようです。ここですべての方法を漏れなく説明することはとてもできないので、二、三の方法を取り上げるに留めたいと思います。　

（１）亜鉛還元法(1)　

　１番目はシーメンス法と似た方法で、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）を原料にし、これと金属亜鉛（Ｚｎ）を反応させる方法です。亜鉛が塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）になり、ＳｉＣｌ_４がＳｉになるという反応を使います。

　特徴はこの反応がシーメンス法より低温で起こるので、エネルギーが少なくて済むという点です。もう一つはＺｎＣｌ_２は比較的簡単に還元してＺｎに戻すことができるので、Ｚｎを再利用することで資源の消費を減らせるという利点もあります。

　この方法はかなり以前から知られていましたが、冶金学的方法と並行してＮＥＤＯのプロジェクトでその利点を確認する実験が行われました。

（２）流動床法(2)

　これは粉体あるいは顆粒を作る方法としては古くから知られている方法です。ＳｏＧ－Ｓｉの製法としてもかなり早い時期から応用されました。図２６－１がこの方法の装置です。

　Ｓｉの塩化物の気体からＳｉを析出させる点はまったくシーメンス法と同じです。シーメンス法はＳｉの心棒の表面にＳｉを析出させていますが、心棒の表面積はそれほど大きくないので、原料ガスに無駄が多いという欠点があります。

　そこで反応容器１のなかにＳｉの粉５を入れ、ヒータ10で加熱しながら反応ガスであるトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）と水素（Ｈ_２）ガスを下側の導入管２、３から入れます。Ｓｉの粉はガスによって反応容器中全体に巻き上げられます。ガスからこの粉の表面にＳｉが析出することになるため、反応ガスが無駄なく消費されることになるわけです。粉が動き流動するので、流動床という名前がついています。

（３）水ガラス法(3)

　上記（１）と（２）の方法はＳｉの塩化物を出発点にするシーメンス法と似た方法でしたが、これとは違った観点の方法もあります。その一つがこの水ガラスを用いる方法です。

　前にも触れましたが、Ｓｉを得るための原料は元を辿ればすべて自然界にたくさんある二酸化珪素（ＳｉＯ_２）です。実際に使う鉱物は珪石あるいは珪砂です。これにコークスなど炭素を混ぜて焼くことにより、ＳｉＯ_２が還元されてＳｉができます。

　この水ガラス法はＳｉの塩化物は使わずに純度を上げる方法です。水ガラスとはケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２、ｎ＝２～４）が水に溶けたもので、ガラスのように無職透明ですが、ドロッとした液体です。色は違いますが、ちょうど水飴のような感じの不思議な物質です。実はこれ、乾燥剤のシリカゲルの原料です。

　この水ガラスは珪石に炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）を主成分とするソーダ灰というものを混ぜて焼き、水蒸気を加えることにより、作ることができますが、この過程で不純物が除かれます。この水ガラスはナトリウムを含み、強いアルカリ性ですが、塩酸により中和するとシリカゲルになります。これを脱水すると５ＮくらいのＳｉＯ_２が得られるので、これを還元すると純度の高いＳｉが得られるというわけです。

　鉱物から工業的に使える純度の高い物質を取り出すにはこのようにいろいろな手段が工夫されています。こういうことに馴染みのない人にとっては不思議かもしれませんが、いずれもかなり古くから知られていた手法を基礎にしていると言えます。

　最初にも述べたようにＳｏＧ－Ｓｉの作り方はこれ以外にも多くの方法が研究されていますが、ここではこれくらいに留めます。ＳｏＧ－Ｓｉの原材料が得られたといっても、これをそのまま太陽電池にすることはできません。基板として使えるように成形する必要があります。つぎはその段階について調べてみることにします。

(1)例えば特開昭54-84284号

(2)例えば特開昭57-135708号

(3)例えば特開平2-311310号