JP2010083686A

JP2010083686A - Silicon polycrystal and producing method of the same

Info

Publication number: JP2010083686A
Application number: JP2008251833A
Authority: JP
Inventors: Tsuguo Fukuda; 承生福田; Keiji Inoue; 圭司井上
Original assignee: Fukuda Crystal Laboratory
Current assignee: Fukuda Crystal Laboratory
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2010-04-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such problems that the generation efficiency of silicon is extremely low, silicon carbide cannot be sufficiently removed from generated silicon and the like although a method for producing silicon being a raw material for a solar cell by the reaction of quartz and carbon with arc discharge is known conventionally as a method for reducing the production cost of the solar cell. <P>SOLUTION: Silicon is generated from waste silicon as a raw material with arc discharge. High purity silicon can be produced with high generation efficiency because the raw material is silicon. As silicon carbide being an impurity can be removed by using a member comprising carbon for a part of a furnace body in an arc furnace, the content of silicon carbide in the generated silicon can be sufficiently reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコン廃棄物を原料として、主に太陽電池の製造に用いるシリコン多結晶を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silicon polycrystal mainly used for the production of solar cells using silicon waste as a raw material.

特開昭62-252393号公報JP-A-62-252393 特開平11-180709号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-180709 特開2003-101056号公報JP 2003-101056 A

資源枯渇、地球温暖化の問題を抱える石油、石炭を用いた火力発電や、環境汚染の問題を抱える放射性物質を用いた原子力発電に代わるクリーンなエネルギー源として、太陽光発電の重要性が急速に高まっている。それに伴い、太陽電池をより広く普及されるため、原料となるシリコンの製造コスト低減が強く望まれている。 Solar power generation is rapidly gaining importance as a clean energy source to replace thermal power generation using petroleum and coal, which have problems with resource depletion and global warming, and nuclear power generation using radioactive materials with environmental pollution problems It is growing. Accordingly, since solar cells are more widely used, it is strongly desired to reduce the manufacturing cost of silicon as a raw material.

特許文献１には、廃棄シリコンを原料とし、高周波プラズマとゾーンメルティングを組み合わせた処理で廃棄シリコンに含まれる不純物を除去して光電池用のシリコンを製造する技術が開示されている。しかし、この方法は、高周波プラズマを利用するためにエネルギー効率が悪く生産性に問題がある。また、不純物である炭化シリコンの除去ができないという問題があった。 Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing silicon for photovoltaic cells by removing impurities contained in waste silicon by a process using waste silicon as a raw material and combining high frequency plasma and zone melting. However, since this method uses high-frequency plasma, energy efficiency is poor and productivity is problematic. In addition, there is a problem that silicon carbide as an impurity cannot be removed.

特許文献２には、石英と炭素を原料としてアーク放電法によりシリコンを製造する技術が開示されている。石英としては、使用済み石英ルツボの粉砕品を用いる方法が記載されている。図３は、特許文献２に記載されたアーク炉の断面図である。図３に示すアーク炉は、断熱材１０１、上部電極となる電柱１０６、漏斗状の凹部を備えた下部電極１０３、下部電極と導通した銅電柱１０７、溶融シリコン取出口１０８からなる。原料となる石英と炭素の混合物１０２をアーク炉の内部に充填して、上下の電極に電圧を加えアーク放電を起こすと、以下の化学式で表される反応が電極付近の高温の反応領域１０４で発生する。
SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑
この反応で生成した単体のシリコンは高温で液体となり、炉の底部にある液体シリコン取出口１０８に溜まる。ある程度液体シリコン１０５が溜まった段階で、取出口１０８にある栓を抜き、液体シリコン１０５を取り出す。
しかし、特許文献２に開示された石英を炭素で還元する技術では、シリコンの生成効率に限界があり、投入された石英に対し重量％で２〜３％しかシリコンに変換できないという問題があった。また、特許文献１に開示された技術と同様に、生成されたシリコンに含まれる炭化シリコンを十分に取り除くことができないという問題があった。 Patent Document 2 discloses a technique for producing silicon by arc discharge using quartz and carbon as raw materials. As quartz, a method using a pulverized product of a used quartz crucible is described. FIG. 3 is a cross-sectional view of the arc furnace described in Patent Document 2. As shown in FIG. The arc furnace shown in FIG. 3 includes a heat insulating material 101, a power pole 106 serving as an upper electrode, a lower electrode 103 having a funnel-shaped recess, a copper power pole 107 connected to the lower electrode, and a molten silicon outlet 108. When a mixture of quartz and carbon 102 as a raw material is filled in an arc furnace and a voltage is applied to the upper and lower electrodes to cause an arc discharge, a reaction represented by the following chemical formula is performed in a high-temperature reaction region 104 near the electrodes. appear.
_{SiO 2 + 2C → Si + 2CO} ↑
The single silicon produced by this reaction becomes a liquid at a high temperature and accumulates in the liquid silicon outlet 108 at the bottom of the furnace. When the liquid silicon 105 has accumulated to some extent, the stopper at the outlet 108 is removed and the liquid silicon 105 is taken out.
However, in the technique of reducing quartz with carbon disclosed in Patent Document 2, there is a limit to the generation efficiency of silicon, and there is a problem that only 2-3% by weight can be converted to silicon with respect to the injected quartz. . Further, similar to the technique disclosed in Patent Document 1, there is a problem that silicon carbide contained in the generated silicon cannot be sufficiently removed.

特許文献３には、廃棄シリコンウェハを原料として化学処理により太陽電池用のシリコンを製造する技術が開示されている。特許文献３に開示された技術は、酸性又はアルカリ性の処理液による化学処理によりウェハ表面の金属層及び金属不純物を除去する技術であり、廃棄シリコンの内部に拡散したリンやボロンなどのN型やP型の不純物を除去できるものではない。従って、太陽電池の製造に必要なシリコン中のN型やP型の不純物制御を十分に行えるものではない。また、工程後に大量の処理液が廃液として残り、製造コストを十分低減できないという問題があった。 Patent Document 3 discloses a technique for manufacturing silicon for solar cells by chemical treatment using a discarded silicon wafer as a raw material. The technique disclosed in Patent Document 3 is a technique for removing a metal layer and metal impurities on a wafer surface by chemical treatment with an acidic or alkaline treatment liquid, and N-type such as phosphorus and boron diffused in the waste silicon. P-type impurities cannot be removed. Therefore, N-type and P-type impurities in silicon necessary for the production of solar cells cannot be sufficiently controlled. In addition, there is a problem that a large amount of processing liquid remains as waste liquid after the process and the manufacturing cost cannot be sufficiently reduced.

本発明は、安価な材料を用い、高い生産効率で高純度のシリコン多結晶を製造する方法の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a high-purity silicon polycrystal with high production efficiency using an inexpensive material.

本発明（１）は、廃棄シリコンを原料として、前記廃棄シリコンをアーク炉に投入し、アーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去することによりシリコン多結晶を製造するシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（２）は、前記アーク放電を少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことを特徴とする前記発明（１）記載のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（３）は、前記廃棄シリコンが、半導体用又は太陽電池用のシリコンを切断する際に発生する切断屑であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（４）は、前記アーク放電において電圧を印加する電極、又は、前記アーク炉の炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（５）は、前記発明（１）乃至前記発明（４）のシリコン多結晶の製造方法を用いて製造するシリコン多結晶である。
本発明（６）は、前記発明（５）のシリコン多結晶を用いて製造する太陽電池である。
本発明（７）は、廃棄シリコンを原料としてアーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去する装置であり、アーク放電のための電圧を印加する電極、又は、炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とするシリコン多結晶の製造装置である。 The present invention (1) is a method for producing silicon polycrystals, wherein silicon waste is used as a raw material, the silicon waste is introduced into an arc furnace, and impurities contained in the silicon waste are removed by arc discharge. It is.
The present invention (2) is the method for producing silicon polycrystal according to the invention (1), wherein the arc discharge is performed in a gas atmosphere containing at least oxygen.
The present invention (3) is characterized in that the waste silicon is cutting waste generated when cutting silicon for semiconductors or solar cells. It is a manufacturing method of a crystal.
The invention (4) is characterized in that an electrode for applying a voltage in the arc discharge or a member made of carbon is used for at least a part of a furnace body of the arc furnace. 3) A method for producing a polycrystalline silicon.
The present invention (5) is a silicon polycrystal produced using the silicon polycrystal production method of the invention (1) to the invention (4).
The present invention (6) is a solar cell produced using the silicon polycrystal of the invention (5).
The present invention (7) is an apparatus for removing impurities contained in the waste silicon by arc discharge using waste silicon as a raw material. The electrode for applying a voltage for arc discharge, or at least part of the furnace body is made of carbon. An apparatus for producing polycrystalline silicon characterized in that a member made of

本発明（１）によれば、石英と炭素の反応によりシリコンを生成する従来の製造方法と比較し、原料である廃棄シリコンの電気伝導性が石英に比べ高いので、電力利用効率が高い。また、廃棄シリコンに含まれるシリコンの含有量が極めて高いので、シリコンの生成効率が高い。
本発明（２）によれば、廃棄シリコンと酸素の反応によりシリコン生成に必要な酸化シリコンを生成できる。
本発明（３）によれば、原料中に含まれる炭化シリコンをシリコンの生成反応の原料として利用することが可能になる。
本発明（４）によれば、炭素からなる部材の近傍に不純物である炭化シリコンが集積するので、製造するシリコン多結晶に含まれる炭化シリコンの含有量を低減できる。
本発明（５）によれば、安価で高純度のシリコンを供給することが可能になる。
本発明（６）によれば、低価格の太陽電池を供給することが可能になる。
本発明（７）によれば、炭素からなる部材の近傍に不純物である炭化シリコンが集積するので、製造するシリコン多結晶に含まれる炭化シリコンの含有量を低減できる。 According to the present invention (1), compared with the conventional manufacturing method in which silicon is generated by the reaction of quartz and carbon, the electric conductivity of waste silicon as a raw material is higher than that of quartz, so that the power utilization efficiency is high. Moreover, since the silicon content contained in the waste silicon is extremely high, the production efficiency of silicon is high.
According to the present invention (2), silicon oxide necessary for silicon generation can be generated by a reaction between waste silicon and oxygen.
According to the present invention (3), silicon carbide contained in the raw material can be used as a raw material for the silicon production reaction.
According to the present invention (4), silicon carbide, which is an impurity, accumulates in the vicinity of a member made of carbon, so that the content of silicon carbide contained in the produced silicon polycrystal can be reduced.
According to the present invention (5), it is possible to supply inexpensive and high-purity silicon.
According to the present invention (6), it is possible to supply a low-cost solar cell.
According to the present invention (7), silicon carbide, which is an impurity, accumulates in the vicinity of a member made of carbon, so that the content of silicon carbide contained in the manufactured silicon polycrystal can be reduced.

以下、本発明の最良形態について説明する。本発明のシリコン多結晶の製造方法は、廃棄シリコンを原料として、アーク放電法により生じる化学反応を利用して廃棄シリコンに含まれる不純物を除去する方法である。 The best mode of the present invention will be described below. The method for producing silicon polycrystal of the present invention is a method for removing impurities contained in waste silicon using waste silicon as a raw material and utilizing a chemical reaction generated by an arc discharge method.

本発明のシリコン多結晶の製造方法では、廃棄シリコンと酸素の反応により生じた酸化シリコンと炭化シリコンをアーク放電により反応させてシリコンを生成させる。アーク放電の雰囲気は、大気中であってもよいし、そうでない場合でも酸素を含むガス雰囲気中であってもよい。本発明の一つの具体例では、アーク炉の炉体の少なくとも一部に炭素を用いる。また、炉体の一部に炭素を用いない場合でも、例えば、電極の材料として炭素を用いてもよい。さらに、炉体の一部と電極の両方に炭素を用いてもよい。炭素材料としては、高純度グラファイトを用いるのが好ましい。これらの場合は、廃棄シリコンと炭素の反応により炭化シリコンが生成するので、その炭化シリコンを反応に利用することが可能になる。また、反応に用いる炭化シリコンは、廃棄シリコンに含まれている炭化シリコンを利用してもよい。この場合は、必ずしも、アーク炉の一部に炭素を用いなくてもよい。 In the method for producing a polycrystalline silicon according to the present invention, silicon oxide and silicon carbide produced by the reaction between waste silicon and oxygen are reacted by arc discharge to generate silicon. The atmosphere of arc discharge may be in the air, or even in a gas atmosphere containing oxygen even if not. In one embodiment of the present invention, carbon is used for at least part of the furnace body of the arc furnace. Further, even when carbon is not used for a part of the furnace body, for example, carbon may be used as the material of the electrode. Furthermore, you may use carbon for both a part of furnace body and an electrode. It is preferable to use high-purity graphite as the carbon material. In these cases, silicon carbide is generated by the reaction between waste silicon and carbon, so that the silicon carbide can be used for the reaction. Silicon carbide used for the reaction may be silicon carbide contained in waste silicon. In this case, it is not always necessary to use carbon for a part of the arc furnace.

本願明細書において「廃棄シリコン」とは、例えば、単結晶引き上げ時のルツボ残留物や、半導体用又は太陽電池用の高純度シリコンを切断する際に発生する切断屑のことを指す。これらの廃棄シリコンは、従来廃棄されていた材料であるため、材料コストは極めて安価である。切断屑を原料として用いる場合は、切断に用いた刃やワイヤーに含まれている炭化シリコンが原料自体に含まれている。また、切断時に通常冷却水を用いるので、回収した切断屑には水分が多く含まれる。そのため、アーク放電によるシリコン生成処理を行う前に自然乾燥或いは加熱処理により原料となる廃棄シリコンの粉末に含有される水分を十分に除去するのが好ましい。 In the present specification, “waste silicon” refers to, for example, crucible residue at the time of pulling a single crystal or cutting waste generated when cutting high-purity silicon for semiconductors or solar cells. Since these discarded silicons are materials that have been discarded in the past, the material cost is extremely low. When using cutting waste as a raw material, the silicon carbide contained in the blade and wire used for cutting is contained in the raw material itself. Moreover, since cooling water is normally used at the time of a cutting | disconnection, much moisture is contained in the collect | recovered cutting waste. Therefore, it is preferable to sufficiently remove the moisture contained in the waste silicon powder as a raw material by natural drying or heat treatment before performing the silicon generation process by arc discharge.

（本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例）
以下、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例について、アーク炉の図面を用いて説明する。
図１(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例によるアーク炉の断面図である。図１(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、図１(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。図１(a)に示すアーク炉の炉体は、耐火物からなる炉体２と、炭素からなる炉体１と、電極３と、栓４とから構成される。炭素からなる炉体１は導電性であり、電極としての機能も兼ね備えている。耐火物は、例えば、アルミナ等の酸化物である。係るアーク炉に廃棄シリコン５をシリコン製造の原料として投入する。その後、電極３を廃棄シリコン５に接触させ、電極３と炭素からなる炉体１との間に電圧を印加し、アーク放電を起こす。
この状態である程度時間が経過した時点でのアーク炉の断面図が図１(b)である。投入された廃棄シリコンはアーク放電により高温となり溶融して液体シリコンになっている。この液体シリコン中には、シリコンの他に、ボロン、リン、ナトリウム、鉄などのさまざまな不純物が含まれている。電極３の周辺領域７では、廃棄シリコンと大気中の酸素が次の反応式で表される反応を生じる。
Si + O₂ → SiO₂
また、廃棄シリコンと炉体の炭素が次の反応式で表される反応を生じる。反応により生じた炭化シリコンは、主に炉体の炭素からなる部分に接触する領域９、１０に集積する。
Si + C → SiC
さらに、生じたSiO₂とSiC、又は、もともと廃棄シリコンに含まれる炭化シリコンが次の反応式で表される反応を生じる。
SiO₂ + SiC → 2Si + CO₂↑
SiO₂ + 2SiC → 3Si + 2CO↑
炭化シリコンに含まれる炭素は、反応により二酸化炭素又は一酸化炭素に変化し、気体として原料内から排除され、図１(b)の電極周辺の反応領域７において反応が進むにつれて、反応領域の酸化シリコンと炭化シリコンは高純度のシリコンへと変化していき、同時に、炭素や酸素以外の不純物も除去され、比重の関係で高純度の液体シリコン８がアーク炉の底部に溜まる。出来上がった液体シリコン８は、例えば、炉の側面に設けた栓４を抜いてアーク炉の外に取り出す。取り出された液体シリコンを冷却すると、例えば、太陽電池に用いることが可能な高純度のシリコン多結晶が出来上がる。 (First specific example of the method for producing a polycrystalline silicon according to the present invention)
Hereinafter, a first specific example of the method for producing silicon polycrystal of the present invention will be described with reference to the drawings of an arc furnace.
1 (a) and 1 (b) are cross-sectional views of an arc furnace according to a first specific example of the method for producing silicon polycrystal of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view before the reaction for generating silicon, and FIG. 1B is a cross-sectional view during the reaction for generating silicon. The furnace body of the arc furnace shown in FIG. 1 (a) includes a furnace body 2 made of a refractory, a furnace body 1 made of carbon, an electrode 3, and a plug 4. The furnace body 1 made of carbon is conductive and also has a function as an electrode. The refractory is, for example, an oxide such as alumina. Waste silicon 5 is introduced into the arc furnace as a raw material for silicon production. Thereafter, the electrode 3 is brought into contact with the waste silicon 5, and a voltage is applied between the electrode 3 and the furnace body 1 made of carbon to cause arc discharge.
FIG. 1B is a cross-sectional view of the arc furnace when a certain amount of time has passed in this state. The thrown-out waste silicon is heated to high temperature by arc discharge and melted into liquid silicon. In addition to silicon, the liquid silicon contains various impurities such as boron, phosphorus, sodium, and iron. In the peripheral region 7 of the electrode 3, waste silicon and atmospheric oxygen undergo a reaction represented by the following reaction formula.
Si + O ₂ → SiO ₂
Further, the waste silicon and the carbon of the furnace body cause a reaction represented by the following reaction formula. Silicon carbide generated by the reaction accumulates in the regions 9 and 10 that are in contact with the carbon portion of the furnace body.
Si + C → SiC
Furthermore, the generated SiO ₂ and SiC, or silicon carbide originally contained in the waste silicon, causes a reaction represented by the following reaction formula.
SiO ₂ + SiC → 2Si + CO ₂ ↑
SiO ₂ + 2SiC → 3Si + 2CO ↑
The carbon contained in the silicon carbide changes to carbon dioxide or carbon monoxide by the reaction and is excluded from the raw material as a gas. As the reaction proceeds in the reaction region 7 around the electrode in FIG. Silicon and silicon carbide change to high-purity silicon, and at the same time, impurities other than carbon and oxygen are removed, and high-purity liquid silicon 8 accumulates at the bottom of the arc furnace because of its specific gravity. The finished liquid silicon 8 is taken out of the arc furnace, for example, by removing the plug 4 provided on the side surface of the furnace. When the extracted liquid silicon is cooled, for example, a high-purity silicon polycrystal that can be used for a solar cell is completed.

本発明のシリコン多結晶の製造方法は、アーク放電法を利用して、廃棄シリコンから生成した酸化シリコンと炭化シリコンの反応によりシリコンを生成することで、廃棄シリコンに含まれる不純物を除去し高純度のシリコンを生成するものである。アーク放電法を利用していても、石英と炭素の反応によりシリコンを生成する従来の製造方法と比較し、シリコンの生成効率が高い。
一つの理由は、エネルギー利用効率の観点では、石英が電気を通しにくい絶縁性の原料であるのに対し、本発明では電気を通しやすいシリコンを用いており、シリコン中にはやはり電気を通しやすい炭化シリコンが含まれるために供給した電力を反応エネルギーに変換する効率が高いためであると考えられる。
次に、原料の組成の観点では、石英に含まれるシリコンは原料のごく一部であるのに対し、本発明で用いる廃棄シリコンは、もともとほとんどがシリコンであるため、不要な部分が少なく、本発明のシリコン多結晶の製造方法は、含まれる炭素分を除去し、同時に他の不純物を除去するだけで目的材料に到達する効率の高い手法を用いている。
また、従来のシリコンの製造方法と比較して、不純物の含有量を大幅に低減することが可能である。特に、アーク炉の炉体の一部を炭素からなる部材で構成することにより、原料に含まれる炭化シリコンや反応により生成する炭化シリコンがアーク炉の側壁部に集積し、反応により生成したシリコンと分離することが可能である。そのため、従来方法で困難であったシリコン中に含まれる炭化シリコンの含有量の低減が可能になる。 The method for producing silicon polycrystal of the present invention uses an arc discharge method to generate silicon by reaction of silicon oxide generated from waste silicon and silicon carbide, thereby removing impurities contained in the waste silicon and high purity. This produces silicon. Even when the arc discharge method is used, the silicon production efficiency is high as compared with the conventional manufacturing method in which silicon is produced by the reaction between quartz and carbon.
One reason is that, from the viewpoint of energy utilization efficiency, quartz is an insulating material that is difficult to conduct electricity, whereas in the present invention, silicon that is easy to conduct electricity is used, and it is easy to conduct electricity in silicon. This is considered to be because the efficiency of converting supplied electric power into reaction energy is high because silicon carbide is contained.
Next, from the viewpoint of the composition of the raw material, the silicon contained in the quartz is a small part of the raw material, whereas the waste silicon used in the present invention is originally mostly silicon, so there are few unnecessary parts. The method for producing a silicon polycrystal of the invention uses a highly efficient method of reaching the target material by simply removing the carbon content and simultaneously removing other impurities.
Moreover, it is possible to significantly reduce the impurity content as compared with the conventional silicon manufacturing method. In particular, by constituting a part of the arc furnace body with carbon members, silicon carbide contained in the raw material and silicon carbide produced by the reaction accumulate on the side wall of the arc furnace, and the silicon produced by the reaction It is possible to separate. Therefore, it is possible to reduce the content of silicon carbide contained in silicon, which has been difficult with the conventional method.

（本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例）
図２(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例によるアーク炉の断面図である。図２(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、図２(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。図２(a)に示すアーク炉の炉体は、耐火物からなる炉体２２と、炭素からなる炉体２１と、電極２３と、栓２４とから構成される。図２に示すアーク炉は炉の底部が平底ではなく下方に突き出た形状である点で図１に示すアーク炉と異なる。また、生成されたシリコンを取り出す栓が側面ではなく、炉の下面に設けられている。係るアーク炉に廃棄シリコン２５をシリコン製造の原料として投入する。その後、電極２３を廃棄シリコン２５に接触させ、電極２３と炭素からなる炉体２１との間に電圧を印加し、アーク放電を起こす。
この状態である程度時間が経過した時点でのアーク炉の断面図が図２(b)である。投入された廃棄シリコンはアーク放電により高温となり溶融して液体シリコンになっている。アーク放電により生じる反応は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例について記載した反応と同じである。反応により生じた炭化シリコンは、主に炉体の炭素からなる部分に接触する領域２９、３０に集積し、高純度の液体シリコン２８がアーク炉の底部に溜まる。出来上がった液体シリコン２８は、例えば、炉の下面に設けた栓２４を抜いてアーク炉の外に取り出す。取り出された液体シリコンを冷却すると、例えば、太陽電池に用いることが可能な高純度のシリコン多結晶が出来上がる。
生成されたシリコンは比重の関係で炭化シリコンよりも下のほうに溜まりやすいので、下方に突き出た底部を有するアーク炉を用いると、シリコンと炭化シリコンの分離をより効率的に行うことが可能で、高純度のシリコンを生成することができる。 (Second specific example of the method for producing a polycrystalline silicon according to the present invention)
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views of an arc furnace according to a second specific example of the method for producing silicon polycrystal of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view before the reaction for generating silicon, and FIG. 2B is a cross-sectional view during the reaction for generating silicon. The furnace body of the arc furnace shown in FIG. 2A includes a furnace body 22 made of a refractory, a furnace body 21 made of carbon, an electrode 23, and a plug 24. The arc furnace shown in FIG. 2 is different from the arc furnace shown in FIG. 1 in that the bottom of the furnace is not flat but protrudes downward. Moreover, the stopper which takes out the produced | generated silicon | silicone is provided in the lower surface of the furnace instead of the side. Waste silicon 25 is introduced into the arc furnace as a raw material for silicon production. Thereafter, the electrode 23 is brought into contact with the waste silicon 25, and a voltage is applied between the electrode 23 and the furnace body 21 made of carbon to cause arc discharge.
FIG. 2B is a cross-sectional view of the arc furnace when a certain amount of time has passed in this state. The thrown-out waste silicon is heated to high temperature by arc discharge and melted into liquid silicon. The reaction caused by the arc discharge is the same as the reaction described for the first specific example of the method for producing silicon polycrystal of the present invention. The silicon carbide produced by the reaction accumulates in the regions 29 and 30 that are in contact with the carbon portion of the furnace body, and high-purity liquid silicon 28 accumulates at the bottom of the arc furnace. The finished liquid silicon 28 is taken out of the arc furnace, for example, by removing the plug 24 provided on the lower surface of the furnace. When the extracted liquid silicon is cooled, for example, a high-purity silicon polycrystal that can be used for a solar cell is completed.
Since the generated silicon tends to accumulate below silicon carbide due to the specific gravity, it is possible to separate silicon and silicon carbide more efficiently by using an arc furnace having a bottom part protruding downward. High purity silicon can be produced.

従来の製造方法による石英と炭素を原料としてアーク放電により生成したシリコンと、本発明の製造方法による廃棄シリコンを原料としてアーク放電により生成したシリコンに含まれる不純物含有量を比較した。本発明の製造方法により生成したシリコンの純度は従来の製造方法により生成したシリコンの純度である99.98%と比較して99.99%と高く、良好なものであった。
また、同じ電力量を使用し、同じ重量の原料を用いた場合に、得られるシリコン多結晶の重量は、従来技術である石英を還元する方法と比較して、本発明では従来技術の１０倍のシリコン結晶が得られて、生成効率が大幅に向上することが確認された。

Impurity contents contained in silicon produced by arc discharge using quartz and carbon as raw materials by the conventional production method and silicon produced by arc discharge using waste silicon produced by the production method of the present invention were compared. The purity of silicon produced by the production method of the present invention was as high as 99.99% compared to 99.98%, which is the purity of silicon produced by the conventional production method, and was good.
Further, when the same amount of power is used and the same weight of raw material is used, the weight of the obtained silicon polycrystal is 10 times that of the prior art in the present invention compared to the conventional method of reducing quartz. It was confirmed that the production efficiency was greatly improved.

以上のように、本発明に係るシリコン多結晶、及び、その製造方法は、安価な原料である廃棄シリコンから高い生成効率で高純度のシリコンを製造することが可能であり、太陽電池の低価格化、クリーンなエネルギー源である太陽光発電の普及に大きく寄与する。 As described above, the silicon polycrystal according to the present invention and the method for producing the same can produce high-purity silicon with high production efficiency from waste silicon, which is an inexpensive raw material. And contribute greatly to the spread of solar power generation, a clean energy source.

(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例によるアーク炉の断面図である。(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、(b)は、シリコンの生成反応中、及び、反応後の断面図である。(a), (b) is sectional drawing of the arc furnace by the 1st specific example of the manufacturing method of the silicon polycrystal of this invention. (a) is a cross-sectional view before the reaction for generating silicon, and (b) is a cross-sectional view during and after the reaction for generating silicon. (a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例によるアーク炉の断面図である。(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。(a), (b) is sectional drawing of the arc furnace by the 2nd example of the manufacturing method of the silicon polycrystal of this invention. (a) is a cross-sectional view before the reaction for generating silicon, and (b) is a cross-sectional view during the reaction for generating silicon. 従来のアーク炉の断面図である。It is sectional drawing of the conventional arc furnace.

Explanation of symbols

１、２１炭素からなる炉体
２、２２耐火物からなる炉体
３、２３電極
４、２４栓
５、６、２５、２６廃棄シリコンからなる原料
７、２７反応領域
８、２８液体シリコン
９、１０、２９、３０炭化シリコン
１０１断熱材
１０２石英と炭素の混合物
１０３下部電極
１０４反応領域
１０５液体シリコン
１０６電柱
１０７銅電柱
１０８液体シリコン取出口 1, 21 Furnace body 2 made of carbon, 22 Furnace body 3 made of refractory, 23 Electrode 4, 24 Plug 5, 6, 25, 26 Raw material made of waste silicon 7, 27 Reaction zone 8, 28 Liquid silicon 9, 10 , 29, 30 Silicon carbide 101 Heat insulating material 102 Mixture of quartz and carbon 103 Lower electrode 104 Reaction region 105 Liquid silicon 106 Electric pole 107 Copper electric pole 108 Liquid silicon outlet

Claims

A method for producing silicon polycrystal, wherein silicon polycrystal is produced by using waste silicon as a raw material, putting the waste silicon into an arc furnace, and removing impurities contained in the waste silicon by arc discharge.

2. The method for producing a silicon polycrystal according to claim 1, wherein the arc discharge is performed in a gas atmosphere containing at least oxygen.

3. The method for producing silicon polycrystal according to claim 1, wherein the waste silicon is cutting waste generated when silicon for semiconductors or solar cells is cut. 4.

4. The silicon polycrystal according to claim 1, wherein an electrode for applying a voltage in the arc discharge or a member made of carbon is used for at least a part of a furnace body of the arc furnace. 5. Production method.

A silicon polycrystal produced using the method for producing a silicon polycrystal according to any one of claims 1 to 4.

The solar cell manufactured using the silicon polycrystal of Claim 5.

A device for removing impurities contained in the waste silicon by arc discharge using waste silicon as a raw material, and using an electrode for applying a voltage for arc discharge, or a member made of carbon for at least a part of the furnace body An apparatus for producing polycrystalline silicon characterized.