JP2014065658A - 球状シリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球状シリコンを安価に製造することができる製造方法を提供する。
【解決手段】支持台５に、マイクロ波の照射により発熱するマイクロ波吸収体としてコイル状炭素繊維８を埋め込んでおき、その支持台５上に粉末状あるいは細片状の原料シリコン１２を敷き広げた状態とし、その敷き広げた領域にマイクロ波を照射することにより、原料シリコンの自己発熱とマイクロ波吸収体８の発熱とによって原料シリコンを溶融し、溶融状態となったシリコンを冷却して球状シリコンを製造する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池等に用いられる球状シリコンを製造する方法に関する。

球状シリコンを用いた太陽電池は、多数の球状シリコンと、集光のための凹面鏡とを組み合わせた太陽電池であり、球状シリコンの表面がｎ型半導体、内部がｐ型半導体とされ、凹面鏡が電極を兼ねている。この太陽電池は、凹面鏡との組み合わせにより球状シリコンの全面で太陽光を受けるため、太陽光を無駄なく活用でき、少ないシリコン使用量で高い変換効率が期待されている。
この球状シリコンを製造する場合、一般には、溶融状態のシリコンを滴下し、１〜２秒程度の落下の間に冷却されながら表面張力で球状にする、自由落下方式の製造方法が採用されているが、歩留りの向上が課題であった。

そこで、特許文献１では、高純度粉末状シリコンを、表面が微細な凹凸構造をし、多数の窪みを有する高純度セラミックス又は石英ガラス又は高純度多孔質セラミックス容器の窪み内に収容し、不活性ガス又は高純度不活性ガスにシランガス又はハロゲン化珪素ガスを添加した雰囲気下で窪み内の粉末状シリコンを融解させて窪み内に溌液状シリコンを生成し、その溌液状シリコンを冷却して球状シリコン結晶を得る方法を提案している。この製造方法であれば、歩留りを大幅に向上させることができると記載されている。

特開２００８−１４３７５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法であると、球状シリコンを一つずつ製造するための多数の窪みを形成した容器が必要である。また、その容器の製造に際しては、球状シリコンの粒径が１ｍｍ程度であるから、窪みも微細で高精度に加工する必要があり、製造コストの増大を招き易い。
特許文献１には、直径１．５ｍｍ、深さ１．５ｍｍで、底面が平面状の窪みを２００×２００ｍｍ、厚み２ｍｍの板状の容器に２ｍｍ間隔で縦横１００個開けることが記載されており、その窪みの直径や深さによって、得られる球状シリコンの直径等も異なることが記載されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、球状シリコンを安価に製造することができる製造方法の提供を目的とする。

本発明の球状シリコンの製造方法は、粉末状あるいは細片状の原料シリコンを支持台上に敷き広げた状態とし、その敷き広げた領域にマイクロ波を照射しながら前記原料シリコンを加熱して溶融し、溶融状態となったシリコンを冷却して球状シリコンを製造することを特徴とする。
原料シリコンは粉末状あるいは細片状であることから加熱により速やかに溶融する。支持台上で溶融したシリコンは表面張力によって球状に形成される。このとき、溶融状態のシリコンにはマイクロ波により分子レベルの振動が発生している。この分子レベルでの振動により、隣接するシリコンどうしが凝集して結合することが抑制される。したがって、支持台は、表面が平坦面であってもよく、特許文献１記載のような微細で高精度の多数の窪みを形成する必要はない。

本発明の球状シリコンの製造方法において、前記支持台に、前記マイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維を埋め込んでおくとよい。
コイル状炭素繊維がマイクロ波によって発熱するので、支持台上の原料シリコンを速やかに加熱することができ、別途設ける加熱源を削減し、あるいは省略することができる。

本発明の球状シリコンの製造方法において、前記支持台の外側に、前記マイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維を埋め込んだヒータを設けておいてもよい。
支持台は、コイル状炭素繊維を埋め込む必要がないので、構造を簡略化することができ、支持台ごと取り替えながら球状シリコンを製造する場合でも、コスト増を抑えることができる。もちろん、コイル状炭素繊維を埋め込んだ支持台を用いることにより、マイクロ波によって支持台とヒータとの両方を発熱させるようにしてもよい。

本発明の球状シリコンの製造方法において、前記支持台の上面を粗面化しておくとよい。
支持台上面が粗面化していると、溶融状態のシリコンの接触面積を小さくして、球状化を促進することができる。

本発明の球状シリコンの製造方法によれば、マイクロ波により分子レベルの振動を生じさせながら原料シリコンを加熱溶融するので、相互の結合を抑制して、個々の球状シリコンを製造することができる。支持台に微細で高精度の窪みを形成する必要がないので、製造コスト低減を図ることができる。

本発明の製造方法に用いられるマイクロ波加熱装置の例を示す断面図である。 図１のマイクロ波加熱装置により原料シリコンを加熱溶融して球状シリコンを作製する過程を順に示す断面図である。 支持台の変形例を示す断面図である。 本発明の球状シリコンの製造方法に用いられる他のマイクロ波加熱装置を示す一部を透視した斜視図である。

以下、本発明の球状シリコンの製造方法の実施形態について説明する。
この球状シリコンの製造方法においては、図１に示すマイクロ波加熱装置１が使用される。このマイクロ波加熱装置１は、マイクロ波発振部２と、そのマイクロ波を被処理物（本発明の場合、粉末状あるいは細片状の原料シリコン）に照射するマイクロ波照射部３とから構成される。
マイクロ波発振部２は、マイクロ波エネルギーを発生するマグネトロンや電源等を有するマイクロ波発振機、マイクロ波発振機からマイクロ波照射部３へマイクロ波を伝送する導波管、制御部（いずれも図示略）等を備えている。マイクロ波は、一般には波長が１ｍ〜１ｍｍ、周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の電磁波を指すが、電子レンジなどで使用される２．５ＧＨｚ程度を使用するのが好適である。

マイクロ波照射部３には、ハウジング４内に、マイクロ波によって発熱する支持台５が設けられている。支持台５は、セラミックス、ガラス、粘土等の誘電性及び透磁性を有する材料からなるが、後述するように、支持台５上でシリコンを溶融するため、そのシリコンとの濡れ性、反応性がないものが選択され、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英ガラス等が好適である。あるいは、支持台５の表面をこれらシリコンとの濡れ性、反応性がない材料によって覆うようにしてもよい。少なくともシリコンと接触する支持台５の内側表面をこれらシリコンとの濡れ性、反応性がない材料によって形成すればよい。

この支持台５は、底板部６の回りに若干の高さの周壁部７を一体に形成した皿状の形状とされる。また、支持台５の底板部６内には、マイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波吸収体８が埋設されている。マイクロ波吸収体８は、マイクロ波が照射されると、電磁誘導によって発熱するものであり、具体的には、非晶質の炭素繊維をマイクロオーダーのピッチでコイル状に巻いたコイル状炭素繊維が好適である。
このコイル状炭素繊維は、導電性を有しており、マイクロ波が照射されると、共振点で大きな誘電起電力が発生し、その誘導起電力による誘電電流が流れてジュール熱を発生する。また、対称軸を持たないキラル（不斉）構造を有しており、入射された電磁波を吸収・散乱しながら熱エネルギーに変換する。このため、電磁波吸収体として優れた特性を有している。

コイル状炭素繊維の長さが大きく、その巻数が多いほど、誘電起電力が大きくなって、発生する熱エネルギーも大きくなる。その大きさは特に限定されるものではないが、例えば、繊維径が１ｎｍ〜５μｍ、コイル径が１ｎｍ〜２ｍｍ、コイルのピッチが１ｎｍ〜５０μｍ、長さが１０ｎｍ〜１００ｍｍとされる。このようなコイル状炭素繊維（マイクロ波吸収体）８が支持台５の底板部６内に複数個分散して埋設されている。
また、支持台５の底板部６の上面は、平滑面でもよいが、粗面化され、微細な凹凸が形成されている方が好ましい。微細な凹凸は、底板部６の上面に機械的なロール加工、ブラスト加工、レーザー加工等の処理を施すことによって形成することができるが、サンドブラスト法による処理が簡便なため好適である。

次に、このように構成したマイクロ波加熱装置１を用いて球状シリコン１１を製造する方法について説明する。
球状シリコンの原料として粉末状あるいは細片状の原料シリコン１２を用意する。この原料シリコン１２は、例えば多結晶シリコンの破砕時等に生じる最大長さ０．１ｍｍ〜１０ｍｍのものが用いられる。この原料シリコン１２は、破砕によって生じたものであるので、その形状は一定でないが、本発明に使用する原料シリコンとしては、短時間で球状形状を形成するために、その形状として、長さ及び幅のアスペクト比が１０以下のものが好ましいが、更に好ましくは５以下が良い。
この原料シリコン１２を図１及び図２（ａ）に示すように支持台５の底板部６の上に敷き広げた状態として加熱装置１のマイクロ波照射部３のハウジング４内に設置する。このとき、支持台５上で原料シリコン１２どうしが重ならないように薄く敷き広げる。また、支持台５の底板部６上に予め離型剤を塗布した後に原料シリコンを敷いてもよい。

そして、マイクロ波発振部２で発生したマイクロ波を支持台５上に照射することにより、原料シリコン１２を加熱溶融する。このとき、支持台５の底板部６内に埋め込まれたマイクロ波吸収体８がマイクロ波によって発熱する。原料シリコン１２は、マイクロ波の誘導加熱による自己発熱と支持台５からの加熱との両方の作用によって温度上昇する。この原料シリコン１２は、融点が１４００℃以上であるが、最大長さ０．１ｍｍ〜１０ｍｍの小さい粒子であるから、急激に温度上昇して速やかに全体が溶融する。
そして、溶融状態となった原料シリコンは、図２（ｂ）に示すように支持台５の上で表面張力により球状になる。マイクロ波の照射時間は５〜３０分程度であり、その後冷却される。溶融により球状となったシリコンは、球状のまま冷却され、固化、結晶化することにより球状シリコン１１となる。

この場合、支持台５の底板部６上面が粗面に形成されていることから、溶融状態のシリコンの接触面積が小さくなり、より確実に球状化することができる。
なお、マイクロ波照射部３のハウジング４内部は大気雰囲気とされるが、不活性ガス又は窒素ガス雰囲気としてもよい。

この製造工程において、原料シリコン１２が溶融状態となったときに、隣接するシリコンどうしが接触することがあるが、これらが凝集して結合することが抑制される。これは、溶融状態のシリコンにマイクロ波により分子レベルで振動が生じており、このため、シリコンどうしが接触しても、相互に反発することにより、凝集結合することが抑制されるものと考えられる。
このようにして得られた球状シリコン１１は、数ｍｍ前後の粒径で、真円度に優れるものとなり、太陽電池の用途に好適である。

確認のため、多結晶シリコンの破砕時に生じた最大長さ１．１ｍｍ〜１．３ｍｍ（アスペクト比１０以下）の原料シリコンをマイクロ波で加熱した。
支持台としては、底板部にコイル状炭素繊維を埋設したセラミックス製のるつぼを使用し、そのるつぼ内に酸化アルミニウム（アルミナ）製の内るつぼを装填し、その内るつぼの内底面に原料シリコンを敷き広げた。そして、電子レンジにより、出力１８００Ｗで、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射した。約１５分で１５００℃まで昇温させた。
自然冷却により冷却して、数時間後に確認したところ、内るつぼ内には、直径１ｍｍ程度の球状シリコンが形成されていた。
また、最大長さ３．３ｍｍ〜３．９ｍｍ（アスペクト比５以下）の原料シリコンを使用して同様の条件で球状シリコンを製造したところ、３ｍｍの球状シリコンを得ることができた。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
前述の実施形態ではるつぼの中に原料シリコンを入れて加熱したが、コンベア上に原料シリコンを敷き広げて、マイクロ波を照射するようにしてもよく、その場合に、コンベアの無端ベルトをセラミックス等からなる短冊状の板体を連結した構成とし、各板体にマイクロ波吸収体を埋設してもよい。
また、支持台の表面、少なくとも原料シリコンが載置される表面を石英により覆うようにしてもよく、作製される球状シリコンへの不純物の混入を防止して、高純度の球状シリコンを製造することができる。
また、支持台の底板部にマイクロ波吸収体を埋設したが、周壁部にも埋設してもよい。
また、本発明で使用した支持台（セラミックス製るつぼ）は加熱時の保温として、その外側に断熱材を使用した構成としてもよい。
また、別の構成として、複数の支持台を蓋を設けて縦方向に積み重ねた状態で、その外側及び下部を断熱材で覆い、マイクロ波の照射により原料シリコンを溶融させ、その後、冷却により球状シリコンを形成することとしてもよい。

さらに、図３に示すように、支持台２１の底面２１ａを中心部に向けて下り勾配のテーパ面状に形成し、その中心部に球状シリコンを落下させる孔２２を設け、支持台２１下部より回収する構成としてもよい。この場合、前述したように、原料シリコン１２には多結晶シリコンの破砕により生じる粉末状、細片状のシリコンが用いられる。底面２１ａの傾斜角は、この原料シリコン１２を載置した状態では転がることはないが、溶融後の冷却により球状となったシリコン１１は中心部の孔２２に向けて転がる程度の大きさに形成される。

また、図４は、本発明のマイクロ波加熱装置の他の実施形態を示しており、この実施形態では、断熱材で構成された容器３１内に、複数の支持台３２が縦方向に積み重ねられ、これら支持台３２の外側に、筒状のヒータ３３が設けられている。この場合、マイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維（マイクロ波吸収体）８は、各支持台３２には埋設されておらず、ヒータ３３に埋め込まれている。また、ヒータ３３には垂直方向にロッド３４が取り付けられており、そのロッド３４を容器３１の外部から駆動することにより、ヒータ３３を昇降させることができるようになっている。
この実施形態では、マイクロ波の照射により原料シリコン１２が誘導加熱されるとともに、コイル状炭素繊維８が発熱してヒータ３３が加熱され、その熱によって支持台３２上の原料シリコン１２が加熱され、これらの両方の作用により、原料シリコン１２が溶融する。そして、ヒータ３３は、特定の支持台３２上の原料シリコン１２を溶融させたら昇降して、他の支持台上の原料シリコンを溶融する。
この実施形態では、支持台３２は、コイル状炭素繊維を埋め込む必要がないので、構造を簡略化することができ、支持台３２ごと取り替えながら球状シリコンを製造する場合でも、コスト増を抑えることができる。
支持台３２の周壁部は円周状に設けているが、周方向の複数個所に柱状に形成したものでもよく、柱の間の空間からヒータ３３の熱を直接原料シリコン１２に作用させることができる。その場合、少なくとも３カ所に柱を設ければ、積み重ね状態を安定して支持することができる。
また、各支持台３２にもマイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維（マイクロ波吸収体）８を埋設してもよく、各支持台３２による加熱をさらにヒータ３３によって支持台３２ごとに補助することができる。

また、本発明における原料シリコン溶融後の冷却において、上部または上部及び側面部の断熱材を取り除いて、冷却させる方法により、一方向性の冷却をとりいれてもよい。

１ マイクロ波加熱装置
２ マイクロ波発振部
３ マイクロ波照射部
４ ハウジング
５ 支持台
６ 底板部
７ 周壁部
８ マイクロ波吸収体（コイル状炭素繊維）
１１ 球状シリコン
１２ 原料シリコン
２１ 支持台
２１ａ 底面
３１ 容器
３２ 支持台
３３ ヒータ

Claims (4)

1. 粉末状あるいは細片状の原料シリコンを支持台上に敷き広げた状態とし、その敷き広げた領域にマイクロ波を照射しながら前記原料シリコンを加熱して溶融し、溶融状態となったシリコンを冷却して球状シリコンを製造することを特徴とする球状シリコンの製造方法。
2. 前記支持台に、前記マイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維を埋め込んでおくことを特徴とする請求項１記載の球状シリコンの製造方法。
3. 前記支持台の外側に、前記マイクロ波の照射により発熱するコイル状炭素繊維を埋め込んだヒータを設けておくことを特徴とする請求項１又は２記載の球状シリコンの製造方法。
4. 前記支持台の上面を粗面化しておくことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の球状シリコンの製造方法。

Images