JP3571507B2 - Method for manufacturing polycrystalline silicon ingot - Google Patents

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polycrystalline silicon
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義丈 夏目
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、太陽電池用に用いられる多結晶シリコンインゴットを製造する方法に関し、さらに詳しくは高純度シリコンの製造にともなって生成されるシリコン粉末を造粒し、この圧粉体を溶解原料とする多結晶シリコンインゴットの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近の太陽光発電の普及にともない、太陽電池の製造技術は半導体用シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコン等と多様な分野で適用され、いずれの分野においても技術開発は著しい。開発当初の太陽電池に要求された特性は光電変換効率の向上を主眼とする高性能化であったが、太陽電池の普及にともなって低価格化が指向されるようになってきた。このため、例えば、多結晶シリコン基板の製造において、原料に半導体用シリコンとして製造された多結晶シリコンの格外品や単結晶シリコンの残材等を破砕洗浄して使用されるようになる。ところが、半導体用シリコンの品種が多種にわたるので一定品質のものが確保できない、あるいは太陽電池の生産量に応じた数量を安定して確保できない等の理由から、低価格化にも限界がある。このため、今後の太陽電池の開発には、所定の光電変換効率を発揮する高純度の品質と低コスト化に対応したシリコンの製造技術の確立が必要になる。
【0003】
従来から高純度の多結晶シリコンを製造する方法として、シーメンス法(Siemens Method)がある。この方法は、中間化合物であるトリクロロシラン(SiHCl)を水素(H)によって還元する方法であって、気化された高純度のトリクロロシランを高純度の水素とともに反応炉内に導入し、トリクロロシランを下記(A)の反応式にしたがって分解させ、両端をグラファイト電極で支えられ約1100℃に加熱された多結晶シリコン心棒の表面に多結晶シリコンを気相成長させるものである。
【0004】
SiHCl+ H → Si + 3HCl ・・・ (A)
しかしながら、このシーメンス法では、多結晶シリコン心棒の加熱に多くの電力を消費することから電力原単位が悪くなる。さらに反応炉に導入されたトリクロロシランのうち僅かの比率しか多結晶シリコンの生成に寄与しないので、生産効率が著しく低い。このため、この製造方法は、低価格化を指向する太陽電池用シリコン原料の製造方法として適さない。
【0005】
そこで、シーメンス法とは全く異なる粒状の多結晶シリコンを生成するプロセスとして、流動造粒法が開発された。この製造方法では、流動床反応炉が用いられ、反応炉内にシードとなるシリコン微粉末を流動させておき、その中にモノシラン(SiH)と水素の混合ガスとが導入され、600〜700℃に加熱された流動雰囲気中でモノシランが分解する。このとき下記(B)の反応式を経て粒状の多結晶シリコンが生成する。
【0006】
SiH→ Si + 2H・・・ (B)
シーメンス法におけるシリコン心棒に比べ、粒状シリコンの総面積は圧倒的に大きいので、流動床反応炉内での多結晶シリコンの生成効率が高い。さらに、流動造粒法によって製造された多結晶シリコンの純度はシーメンス法のそれと比べ同等であるが、消費エネルギーは1/5から1/10程度にまで低減させることができるとともに、設備投資を半減させることができる。このような観点から、流動造粒法は、太陽電池用シリコン原料の製造方法として有効な方法であるといえる。
【0007】
さらに、反応効率に優れた多結晶シリコンの製造法として、いわゆる「四塩化珪素の亜鉛還元法」(以下、単に「亜鉛還元法」という)が、太陽電池用シリコン原料の製造方法として採用されるようになってきた。この製造方法は、下記(C)の反応式で示されるように、中間化合物として四塩化珪素(SiCl)を用い、これを溶融亜鉛(Zn)で還元することによって多結晶シリコンを製造する方法である。
【0008】
SiCl+ 2Zn → Si + 2ZnCl・・・ (C)
亜鉛還元法は、上記(C)式に示すように、金属シリコンを塩化処理(ハロゲン化反応)して中間化合物を生成したのち、それを2次汚染させることなく還元・分解して製造する方法であるから、高純度シリコンの製造に適する。一方、ほぼ全ての四塩化珪素(SiCl)がシリコン(Si)に進行する反応系であるから反応効率に優れ、生産効率のよい製造方法であり、製造コストの面においても有利な製造方法である。
【0009】
図1は、亜鉛還元法による多結晶シリコンの製造工程の一例を説明する図である。同図から明らかなように、この亜鉛還元法では、反応原料(SiClおよびZn)の供給工程、還元工程、副生成物の分離工程および高純度シリコン(Si)の取り出し工程と大きく区分される。
【0010】
反応原料を供給工程では、原料として、金属シリコンを塩化処理した四塩化珪素(SiCl)と還元剤である金属亜鉛(Zn)とが準備される。金属亜鉛(Zn)は、反応炉への供給を容易にするために、450〜550℃の範囲に加熱され溶融状態にされる。一方、中間化合物である四塩化珪素(SiCl)は常温で収容され、液体状態に保たれる(融点−70℃)。
【0011】
還元工程では、中間化合物である四塩化珪素(SiCl)を溶融亜鉛(Zn)で還元することによって、多結晶シリコンと副生成した塩化亜鉛(ZnCl)とを得る。このとき、塩化亜鉛の沸点は732℃であるので、還元反応によって生成した塩化亜鉛(ZnCl)は蒸気となり、また、同時に生成される多結晶シリコン粉は非常に微細であり、塩化亜鉛(ZnCl)の蒸気とともに還元用の反応炉の外部に排出される。
【0012】
副生成物の分離工程では、副生成した塩化亜鉛(ZnCl)を分離するため、蒸発分離法または液体濾過法が用いられる。蒸発分離法を用いる場合、多結晶シリコンと塩化亜鉛(ZnCl)とからなる混合物が分離容器内に導入され、そののち、真空引きとともに加熱され、塩化亜鉛(ZnCl)が蒸発・分離されて、多結晶シリコンが回収される。液体濾過法を用いる場合は、分離容器内に高温特性を有し、かつ汚染が少ない多孔質のファインセラミックフィルターが施され、導入された混合物が加圧濾過される。
【0013】
高純度シリコンの取り出し工程では、上記の分離を繰り返すことによって、完全に不純物が除去され、充分に高純度化した多結晶シリコンが取り出される。この亜鉛還元法では、上記の反応原料の供給から高純度シリコンの取り出しに至る工程を連続して処理することができるので、一層、生産効率の高い製造方法を提供することができる。
【0014】
上述の通り、流動造粒法、亜鉛還元法とも、低コストに対応した生産効率の高い製造方法であり、しかも、2次汚染のおそれもないことから、太陽電池用シリコン原料の製造方法として有効な方法である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
通常、流動造粒法によって製造される粒状の多結晶シリコンは、直径100〜1500μmで、平均径が700μm程度となる。このとき発生する細粒、例えば直径3μm以下の粉末シリコンは、15%程度発生する。一方、前述の通り、亜鉛還元法では、前記(C)式で示すように、四塩化珪素を溶融亜鉛によって還元することによって生成される多結晶シリコン粉末は非常に微細であり、副生成物を分離後取り出されたシリコンはいずれも直径3μm以下の細粒のものである。
【0016】
図3は、後述する多結晶シリコンインゴットの製造に用いられる電磁誘導による連続鋳造装置の概略構成を示す図である。装置の中心には、互いに電気的に絶縁されるようにセグメントを切った金属製の水冷坩堝(コールドクルーシブル)が、誘導コイル中に設置されている。そして、磁界を坩堝内に浸透させることによって、磁気圧によって溶融シリコンは無接触で保持されて溶解が行われる。連続的にインゴットを製造するため、誘導コイル中のシリコンインゴットの上端面が溶解され、その上面に形成された溶融シリコンに粒状の溶解原料が供給され、原料の溶解および凝固を繰り返してシリコンインゴットが下方に引き出される。原料溶解中は、装置内の真空引き後、不活性ガス雰囲気に保たれる。
【0017】
このとき、溶融シリコンに供給される粒状の溶解原料が細粒、例えば直径1mm以下であると、溶融シリコンの表面に浮遊するだけであり、溶融シリコンには溶け込まず、充分な溶解ができない。しかも、不活性ガスの吹き出しやガス流れによって飛散し、装置内のガス吸引不良の要因となる。したがって、流動造粒法によって製造される粒状の多結晶シリコンを溶解原料とする場合には、直径1mm以下の細粒シリコンを除去する必要がある。このため、溶解原料コストの上昇が避けられない。また、亜鉛還元法によって生成される多結晶シリコン粉末は、全て直径3μm以下の細粒であることから、図3に示すような連続鋳造装置では使用できないことになる。
【0018】
本発明は、従来の連続鋳造法における多結晶シリコンのインゴット製造に際し、シリコン粉末が有する問題点に鑑み、細粒のシリコンの粒径改善を図り、再利用を促進することによって、生産効率が高く、低価格化に対応した高純度の多結晶シリコンを製造する方法を提供することを目的としてなされたものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の多結晶シリコンインゴットの製造方法を要旨としている。
【0020】
すなわち、「シリコン粉末を高圧成形で造粒してのち、この造粒されたシリコン圧粉体を溶解原料としてインゴットを鋳造することを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法」である。
【0021】
上記の製造方法において、造粒されたシリコン圧粉体を乾燥または/および焼結するのが望ましく、さらに、溶解原料となるシリコン圧粉体の粒径を1mm〜10mmにするのが望ましい。
【0022】
ここで、シリコン粉末には、流動造粒法によって発生する1mm未満のシリコン粉末および亜鉛還元法によって生成される多結晶シリコン粉末が含まれるが、これらの他に、製法の如何に関わらず、所定の純度を満足する直径1mm未満の細粒シリコンが対象となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
太陽電池用シリコンの製造においては、所定の光電変換効率を発揮する性能を具備することが前提となる。このため、太陽電池用に供される多結晶シリコンおよびこれを製造するためのシリコン原料には、これに必要な高純度、具体的にはそれぞれ6N(99.9999%)、7N(99.99999%)相当の純度を確保することが求められる。本発明では、粒径の細かなシリコン粉末であっても、このような高純度の多結晶シリコンを効率的に製造できるように、シリコン粉末を造粒し、これを溶解原料としてインゴットを鋳造することとしており、さらに、必要に応じて造粒されたシリコンを乾燥、焼結することを特徴としている。以下、その内容を説明する。
【0024】
(1)シリコン粉末の造粒
シリコン粉末としては、流動造粒法によって製造される細粒の多結晶シリコンおよび亜鉛還元法で生成される多結晶シリコン粉が例示され、いずれも、直径3μm以下の細粒のものである。シリコン粉末は1種または2種以上を、単独、または混合して使用することができる。いずれの場合にも、完全な均一混合にするのが望ましい。部分的なバラツキがあると、同一形状、寸法および密度比の圧粉体を製造した場合に、造粒後、または焼結後の寸法、特性が異なるからである。
【0025】
図2は、本発明でシリコン粉末の造粒の際に使用した高圧ロール成形機の模式的な構成を示す図である。同図に示すように、均一に混合されたシリコン粉末1aは、加圧ロール2によって高圧成形され、造粒されたシリコン圧粉体1bとなる。
【0026】
シリコン粉末の造粒には高圧成形が適する。シリコン粉末に高圧下で成形加工を施すことによって、粒子表面の凹凸部が相互の摩擦や押し合いによって崩壊し、または噛み合いによって粒子間にしっかりとした接触状況が作られるとともに、圧粉体の密度比を上昇されることができるからである。
【0027】
図2に示す高圧ロール成形機においては、充分に混合されたシリコン粉末1aに対し、加圧ロール2の圧下によって1T以上の圧力が加わった状態で成形される。成形されたシリコン圧粉体1bの粒径は、1mm〜10mmにするのが望ましい。これは、圧粉体には空隙が多く伝熱が難しいため、溶解性を確保するには粒径の上限を10mmとし、一方、溶解原料が細粒になりすぎると、溶融面上に浮遊するだけになるので、粒径の下限を1mmとするのが望ましいからである。
【0028】
このとき、シリコン圧粉体の成形性(密度比等)が充分でない場合には、造粒バインダー、例えば、ポリビニールアルコール(PVA)が水溶液として添加される。添加割合は、シリコン圧粉体の成形性にもよるが、PVA濃度10%溶液をシリコン粉末に対して容積比10%にするのが望ましい。
【0029】
造粒された後、シリコン圧粉体は溶解原料に供される。しかし、造粒の際にバインダーを添加した場合には、乾燥によって除去する必要がある。通常、脱バインダーのための圧粉体の乾燥は、低温の予備乾燥と真空または減圧下での高温加熱の組み合わせによる。
【0030】
造粒された圧粉体の強度が充分でなく、溶解原料のハンドリングに支障を生じる場合には、さらに焼結工程を追加するのが望ましい。前述の通り、シリコン粉末を常温で高圧成形して圧粉体を製造すると、圧粉体内の各粉末粒子間の結合は、主に機械的な噛み合いに基づくものであるから、その強度には限界がある。このため、圧粉体をさらに加熱し、粒子間に充分な原子的な結合を生じさせることによって、圧粉体の強度を確保することができる。
【0031】
また、焼結によって、さらに粒子表面間の凝着現象が進展するので、嵩密度が上昇し熱伝導性が向上するので、シリコン原料の溶解において、溶解性を向上されることができる。
【0032】
(2)インゴットの鋳造
図3は、本発明でシリコン圧粉体を溶解原料としてインゴットを連造鋳造する装置の概略構成を説明する図である。太陽電池用のシリコンインゴットの製造に際し、使用すべき装置として連続鋳造を限定するものではなく、鋳型を用いたバッチ式若しくは半連続式鋳造法でもよいが、本発明のように効率的なインゴット製造を意図する場合には、連続式鋳造装置を用いるのが望ましい。
【0033】
図3に示す装置は電磁誘導による連続鋳造方式を採用しており、この方式では磁気圧によって坩堝7と溶融シリコン11とを無接触状態で保持して溶解できるので、2次汚染を回避できる。鋳造装置の外観は、水冷処理された気密容器3からなる。気密容器3内を真空排除できるように真空引き口4は真空排気ポンプと連結され、気密容器3内を不活性ガスを任意圧力で制御できるように不活性ガス口5が設けられている。また、この気密容器3は上部および下部を真空弁6に仕切られ、原料装入およびインゴットの取り出しを不活性雰囲気中でできるようになっている。
【0034】
装置の中央部に金属製で無底形状の水冷式坩堝7が設けられ、その周囲に誘導コイル8が巻回し、誘導コイル8の下方には保温炉9が設置される。誘導コイル8中のインゴット10の上端部は溶解され、溶融シリコン11が形成される。原料装入器12の下方には原料ホッパーが設けられ、装入された粒状の溶解原料1bが旋回式の装入ダクトを介して溶融シリコンに供給される。この場合に、本発明で造粒されたシリコン圧粉体を投入することによって、溶解原料は溶融シリコンの表面に浮遊することなく、溶融シリコンに充分に溶け込み、均一に溶解することができる。さらに、不活性ガスの吹き出しやガス流れによって飛散することもない。保温炉9の下方には、引抜装置13が設けられており、シリコンインゴット10を所定の速度で連続して引き抜くようになっている。このようにして、シリコンインゴットを効率的に製造することができる。
【0035】
【実施例】
本発明の効果を、実施例1、2に基づいて具体的に説明する。
【0036】
(実施例1)
純度が7Nで、平均粒径が0.35μmのシリコン粉末を造粒し溶解原料として、シリコンインゴットを製造した。
【0037】
a.造粒
シリコン粉末の造粒には、図2に示す高圧ロール成形機を用い、加圧ロールによる圧下は1Tとした。シリコン圧粉体の成形性を確保するため、シリコン粉末中にバインダーとしてPVA濃度10%の水溶液を容積比で10%添加し、ミキサーにて均一に混合した。そののち、高圧ロール成形機の高圧成形によって、直径3〜5mmのブリケット(圧粉体)を製造した。
【0038】
b.乾燥、焼結
脱バインダーをするため、ブリケットを乾燥した。乾燥条件は、乾燥機で200℃×10時間の予備乾燥をした後、真空炉内(真空度は0.2Torr)で600℃×10hrとした。
【0039】
乾燥後は、溶解原料として強度を確保するため、真空焼結炉を用いて、真空度10−4Torrで、1300℃×2時間の焼結を行った。
【0040】
c.溶解
図3に示す連続鋳造装置によって、インゴットを製造した。気密容器内を真空排気した後、アルゴンガスを封入して+30Torrの圧力条件とした。坩堝の上方にある原料装入器の装入ダクトを横方向に退避させた状態で、図示しない発熱体を坩堝内に降下させ、インゴットの直上に接近配置して、誘導コイルに通電する。誘導コイル中のインゴットの上端面が溶解され、その上面に溶融シリコンが初期形成される。溶融シリコンを初期形成した後、造粒されたシリコン圧粉体を溶解原料として供給され、シリコン原料として溶解するとともに、保温炉内で徐々に凝固させて、引抜装置を作動させてシリコンインゴットを引き出す。
【0041】
溶解時における原料装入では、圧粉体の強度が確保されており、ハンドリングにともなう原料の欠け、崩れ等の問題がなく、充分に溶解することができ、連続して鋳造装置の下方から、高純度の粉粒体状シリコンを取り出した。取り出したインゴットを分析したところ、純度は7N(99.99999%)であり、太陽電池用として適用できることを確認した。
【0042】
(実施例2)
亜鉛還元法で四塩化珪素を還元することによって生成される多結晶シリコン粉を造粒し溶解原料として、シリコンインゴットを製造した。生成されたシリコン粉末はいずれも直径3μm以下の細粒で、純度は7Nであった。
【0043】
a.造粒
シリコン粉末中に、バインダーを混合させることなく、高圧ロール成形機の高圧成形によって、直径3〜5mmのブリケット(圧粉体)を製造した。その他の造粒条件は、実施例1の場合と同様とした。
【0044】
b.溶解
溶解時における原料装入では、ハンドリングにともなって若干の原料欠け、崩れが発生したが、溶融シリコン内で充分に溶解することができ、連続して鋳造装置の下方から、高純度の粉粒体状シリコンを取り出した。取り出したインゴットを分析したところ、純度は7N(99.99999%)であり、太陽電池用として問題のない品質であることを確認した。
【0045】
【発明の効果】
本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、細粒のシリコン粉末であっても、溶解原料としての溶解性を損なうことなく使用することができるので、溶解原料のコストを上昇させることなく、品質的に安定して、太陽電池用基板として最適な高純度の多結晶シリコンを高い効率で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】亜鉛還元法による多結晶シリコンの製造工程の一例を説明する図である。
【図2】本発明でシリコン粉末の造粒の際に使用した高圧ロール成形機の模式的な構成を示す図である。
【図3】本発明でシリコン圧粉体を溶解原料としてインゴットを連造鋳造する装置の概略構成を説明する図である。
【符号の説明】
1a:シリコン粉末、 1b:シリコン圧粉体
2:加圧ロール、 3:気密容器
4:真空引き口、 5:不活性ガス口
6:真空弁、 7:坩堝
8:誘導コイル、 9:保温炉
10:インゴット、 11:溶融シリコン
12:原料装入器、 13:引抜装置
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for producing a polycrystalline silicon ingot used for a solar cell, and more specifically, granulates a silicon powder produced in the production of high-purity silicon, and uses this compact as a melting raw material. The present invention relates to a method for manufacturing a polycrystalline silicon ingot.
[0002]
[Prior art]
With the recent spread of photovoltaic power generation, solar cell manufacturing techniques have been applied in various fields such as silicon for semiconductors, amorphous silicon, polycrystalline silicon, and the like, and technological development is remarkable in any field. The characteristics required of solar cells at the beginning of development were high performance with a focus on improving photoelectric conversion efficiency. However, with the spread of solar cells, price reduction has come to be aimed at. For this reason, for example, in the production of a polycrystalline silicon substrate, an extraordinary product of polycrystalline silicon produced as a raw material silicon for a semiconductor or a residual material of single crystal silicon is used after being crushed and washed. However, there is a limit to the cost reduction because the variety of silicon for semiconductors is so diverse that a product of a certain quality cannot be secured, or a quantity corresponding to the production amount of the solar cell cannot be secured stably. For this reason, in the future development of a solar cell, it is necessary to establish a silicon production technology that meets high-purity quality that exhibits a predetermined photoelectric conversion efficiency and that is cost-effective.
[0003]
Conventionally, as a method for producing high-purity polycrystalline silicon, there is a Siemens Method (Siemens Method). In this method, trichlorosilane (SiHCl 3 ), which is an intermediate compound, is reduced with hydrogen (H 2 ), and vaporized high-purity trichlorosilane is introduced into a reaction furnace together with high-purity hydrogen to form Chlorosilane is decomposed according to the following reaction formula (A), and polycrystalline silicon is vapor-phase grown on the surface of a polycrystalline silicon mandrel supported at both ends by graphite electrodes and heated to about 1100 ° C.
[0004]
SiHCl 3 + H 2 → Si + 3HCl (A)
However, in the Siemens method, a large amount of power is consumed for heating the polycrystalline silicon mandrel, so that the power consumption is deteriorated. Furthermore, since only a small percentage of the trichlorosilane introduced into the reactor contributes to the production of polycrystalline silicon, the production efficiency is extremely low. For this reason, this manufacturing method is not suitable as a method for manufacturing a silicon raw material for a solar cell, which is aimed at reducing costs.
[0005]
Therefore, a fluidized-granulation method has been developed as a process for producing granular polycrystalline silicon completely different from the Siemens method. In this manufacturing method, a fluidized bed reactor is used, silicon fine powder serving as a seed is fluidized in the reactor, and a mixed gas of monosilane (SiH 4 ) and hydrogen is introduced into the reactor. Monosilane decomposes in a flowing atmosphere heated to ℃. At this time, granular polycrystalline silicon is generated through the following reaction formula (B).
[0006]
SiH 4 → Si + 2H 2 (B)
Since the total area of the granular silicon is overwhelmingly larger than the silicon mandrel in the Siemens method, the production efficiency of polycrystalline silicon in the fluidized bed reactor is high. Furthermore, the purity of polycrystalline silicon produced by the fluidized-granulation method is equivalent to that of the Siemens method, but the energy consumption can be reduced from 1/5 to 1/10 and the capital investment is reduced by half. Can be done. From such a viewpoint, it can be said that the fluidized granulation method is an effective method as a method for producing a silicon raw material for a solar cell.
[0007]
Further, as a method for producing polycrystalline silicon having excellent reaction efficiency, a so-called “zinc reduction method of silicon tetrachloride” (hereinafter, simply referred to as “zinc reduction method”) is adopted as a method for producing silicon raw materials for solar cells. It has become. This production method is a method of producing polycrystalline silicon by using silicon tetrachloride (SiCl 4 ) as an intermediate compound and reducing it with molten zinc (Zn) as shown by the following reaction formula (C). It is.
[0008]
SiCl 4 + 2Zn → Si + 2ZnCl 2 (C)
As shown in the above formula (C), the zinc reduction method is a method of producing an intermediate compound by subjecting metallic silicon to a chlorination treatment (halogenation reaction), and then reducing and decomposing the intermediate compound without secondary contamination. Therefore, it is suitable for manufacturing high-purity silicon. On the other hand, since almost all silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is a reaction system that proceeds to silicon (Si), it is a production method having excellent reaction efficiency and good production efficiency, and is also advantageous in terms of production cost. is there.
[0009]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a process for producing polycrystalline silicon by a zinc reduction method. As is clear from the figure, this zinc reduction method is largely divided into a supply step of a reaction raw material (SiCl 4 and Zn), a reduction step, a separation step of by-products, and a removal step of high-purity silicon (Si). .
[0010]
In the step of supplying the reaction raw material, silicon tetrachloride (SiCl 4 ) obtained by subjecting metal silicon to chlorination and metal zinc (Zn) as a reducing agent are prepared as raw materials. Metallic zinc (Zn) is heated to a temperature in the range of 450 to 550 ° C. to be in a molten state in order to facilitate supply to the reaction furnace. On the other hand, silicon tetrachloride (SiCl 4 ), which is an intermediate compound, is stored at room temperature and kept in a liquid state (melting point -70 ° C.).
[0011]
In the reduction step, polycrystalline silicon and by-product zinc chloride (ZnCl 2 ) are obtained by reducing silicon tetrachloride (SiCl 4 ), which is an intermediate compound, with molten zinc (Zn). At this time, since the boiling point of zinc chloride is 732 ° C., zinc chloride (ZnCl 2 ) generated by the reduction reaction becomes a vapor, and the polycrystalline silicon powder generated at the same time is very fine, and zinc chloride (ZnCl 2 ) 2 ) It is discharged outside the reduction reactor together with the vapor.
[0012]
In the by-product separation step, an evaporative separation method or a liquid filtration method is used to separate by-product zinc chloride (ZnCl 2 ). When the evaporative separation method is used, a mixture composed of polycrystalline silicon and zinc chloride (ZnCl 2 ) is introduced into a separation vessel, and then heated together with evacuation to evaporate and separate zinc chloride (ZnCl 2 ). , Polycrystalline silicon is recovered. When the liquid filtration method is used, a porous fine ceramic filter having high temperature characteristics and low contamination is provided in the separation vessel, and the introduced mixture is subjected to pressure filtration.
[0013]
In the step of extracting high-purity silicon, impurities are completely removed by repeating the above separation, and polycrystalline silicon with sufficiently high purity is extracted. In the zinc reduction method, the steps from the supply of the reaction raw materials to the removal of high-purity silicon can be continuously performed, so that a production method with higher production efficiency can be provided.
[0014]
As described above, both the fluidized-granulation method and the zinc reduction method are high-efficiency production methods corresponding to low costs, and are not likely to cause secondary contamination, and are therefore effective as methods for producing silicon materials for solar cells. Is a great way.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Usually, granular polycrystalline silicon produced by the fluid granulation method has a diameter of 100 to 1500 μm and an average diameter of about 700 μm. Fine particles generated at this time, for example, powdered silicon having a diameter of 3 μm or less are generated at about 15%. On the other hand, as described above, in the zinc reduction method, as shown in the above formula (C), the polycrystalline silicon powder produced by reducing silicon tetrachloride with molten zinc is very fine, and All of the silicon taken out after the separation are fine particles having a diameter of 3 μm or less.
[0016]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a continuous casting apparatus by electromagnetic induction used for manufacturing a polycrystalline silicon ingot described later. At the center of the device, a metal water-cooled crucible (cold crucible) cut into segments so as to be electrically insulated from each other is installed in an induction coil. Then, by infiltrating the magnetic field into the crucible, the molten silicon is held in a non-contact manner by the magnetic pressure to be melted. In order to continuously manufacture the ingot, the upper end surface of the silicon ingot in the induction coil is melted, and the granular molten material is supplied to the molten silicon formed on the upper surface, and the melting and solidification of the material are repeated to form the silicon ingot. Pulled down. During the melting of the raw material, the atmosphere in the apparatus is maintained in an inert gas atmosphere after evacuation.
[0017]
At this time, if the granular dissolved raw material supplied to the molten silicon is fine, for example, 1 mm or less in diameter, it only floats on the surface of the molten silicon, does not melt into the molten silicon, and cannot be sufficiently dissolved. In addition, the inert gas is scattered due to the blowing or the gas flow, which causes gas suction failure in the apparatus. Therefore, when using granular polycrystalline silicon produced by the fluidized-granulation method as a melting raw material, it is necessary to remove fine-grain silicon having a diameter of 1 mm or less. For this reason, an increase in the cost of the dissolved raw material is inevitable. Further, since the polycrystalline silicon powder produced by the zinc reduction method is all fine particles having a diameter of 3 μm or less, it cannot be used in a continuous casting apparatus as shown in FIG.
[0018]
The present invention, in the production of ingots of polycrystalline silicon in the conventional continuous casting method, in view of the problems that silicon powder has, in order to improve the particle size of fine-grained silicon, promote reuse, high production efficiency It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing high-purity polycrystalline silicon corresponding to a reduction in cost.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is the following method for producing a polycrystalline silicon ingot.
[0020]
That is, it is "a method for producing a polycrystalline silicon ingot, which comprises granulating silicon powder by high-pressure molding, and then casting an ingot by using the granulated silicon compact as a melting raw material."
[0021]
In the above-mentioned production method, it is desirable to dry and / or sinter the granulated silicon compact, and it is further desirable to set the particle size of the silicon compact as a melting raw material to 1 mm to 10 mm.
[0022]
Here, the silicon powder includes a silicon powder of less than 1 mm generated by a fluid granulation method and a polycrystalline silicon powder generated by a zinc reduction method. The target is fine-grain silicon having a diameter of less than 1 mm that satisfies the purity.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the production of silicon for solar cells, it is premised that the silicon has the performance to exhibit a predetermined photoelectric conversion efficiency. For this reason, polycrystalline silicon used for solar cells and silicon raw materials for producing the same are required to have high purity, specifically, 6N (99.9999%) and 7N (99.999999), respectively. %) It is required to ensure a considerable purity. In the present invention, silicon powder is granulated so that even high-purity polycrystalline silicon can be efficiently produced even with a silicon powder having a small particle diameter, and an ingot is cast using the granulated silicon powder. Further, the method is characterized in that the granulated silicon is dried and sintered as required. Hereinafter, the contents will be described.
[0024]
(1) Granulated silicon powder Examples of the silicon powder include fine-grained polycrystalline silicon produced by a flow granulation method and polycrystalline silicon powder produced by a zinc reduction method, each having a diameter of 3 μm or less. Fine-grained. One or more silicon powders can be used alone or in combination. In either case, it is desirable to achieve complete uniform mixing. This is because if there is partial variation, when compacts having the same shape, size and density ratio are manufactured, the size and characteristics after granulation or sintering are different.
[0025]
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a high-pressure roll forming machine used for granulating silicon powder in the present invention. As shown in the figure, the uniformly mixed silicon powder 1a is subjected to high pressure molding by a pressure roll 2 to form a granulated silicon compact 1b.
[0026]
High pressure molding is suitable for granulation of silicon powder. By subjecting the silicon powder to high-pressure molding, the irregularities on the particle surface collapse due to mutual friction and pressing, or solid contact is created between the particles due to meshing, and the density ratio of the green compact Because it can be raised.
[0027]
In the high-pressure roll forming machine shown in FIG. 2, the sufficiently mixed silicon powder 1a is formed while a pressure of 1T or more is applied by the pressure of the pressure roll 2. It is desirable that the particle size of the formed silicon compact 1b be 1 mm to 10 mm. This is because the green compact has many voids and it is difficult to conduct heat, so the upper limit of the particle size is set to 10 mm in order to ensure solubility, while if the dissolved raw material is too fine, it floats on the molten surface. This is because the lower limit of the particle size is desirably set to 1 mm.
[0028]
At this time, if the moldability (density ratio, etc.) of the silicon compact is not sufficient, a granulating binder, for example, polyvinyl alcohol (PVA) is added as an aqueous solution. Although the addition ratio depends on the moldability of the silicon compact, it is desirable that the volume ratio of the 10% PVA solution to the silicon powder be 10%.
[0029]
After being granulated, the silicon compact is supplied to a molten raw material. However, if a binder is added during granulation, it must be removed by drying. Usually, drying of the green compact for debinding is by a combination of low-temperature pre-drying and high-temperature heating under vacuum or reduced pressure.
[0030]
When the strength of the granulated green compact is not sufficient and there is a problem in handling the molten raw material, it is desirable to further add a sintering step. As described above, when silicon powder is molded under high pressure at room temperature to produce a green compact, the bonding between the powder particles in the green compact is mainly based on mechanical meshing, so the strength is limited. There is. Therefore, the strength of the green compact can be ensured by further heating the green compact to generate sufficient atomic bonds between the particles.
[0031]
In addition, since the sintering further promotes the adhesion phenomenon between the particle surfaces, the bulk density increases and the thermal conductivity improves, so that the solubility of the silicon raw material can be improved.
[0032]
(2) Casting of Ingot FIG. 3 is a view for explaining a schematic configuration of an apparatus for continuously forming and casting an ingot using silicon compact as a melting raw material in the present invention. In manufacturing a silicon ingot for a solar cell, continuous casting is not limited as a device to be used, and a batch or semi-continuous casting method using a mold may be used. In this case, it is desirable to use a continuous casting apparatus.
[0033]
The apparatus shown in FIG. 3 employs a continuous casting method by electromagnetic induction. In this method, the crucible 7 and the molten silicon 11 can be held and melted in a non-contact state by magnetic pressure, so that secondary contamination can be avoided. The appearance of the casting apparatus is composed of a water-cooled airtight container 3. The vacuum port 4 is connected to a vacuum pump so that the inside of the airtight container 3 can be evacuated to a vacuum, and an inert gas port 5 is provided so that the inert gas can be controlled at an arbitrary pressure in the airtight container 3. The upper and lower portions of the airtight container 3 are partitioned by a vacuum valve 6 so that the raw material can be charged and the ingot can be taken out in an inert atmosphere.
[0034]
At the center of the device, a water-cooled crucible 7 made of metal and having no bottom is provided, around which an induction coil 8 is wound, and a heat insulating furnace 9 is installed below the induction coil 8. The upper end of the ingot 10 in the induction coil 8 is melted to form molten silicon 11. A raw material hopper is provided below the raw material charging device 12, and the charged granular molten raw material 1b is supplied to the molten silicon through a swirling charging duct. In this case, the molten raw material can be sufficiently dissolved in the molten silicon and uniformly dissolved without floating on the surface of the molten silicon by introducing the silicon compact compacted in the present invention. In addition, it is not scattered by blowing out an inert gas or a gas flow. A drawing device 13 is provided below the heat retaining furnace 9 so that the silicon ingot 10 is continuously drawn at a predetermined speed. Thus, a silicon ingot can be manufactured efficiently.
[0035]
【Example】
The effects of the present invention will be specifically described based on Embodiments 1 and 2.
[0036]
(Example 1)
Silicon powder having a purity of 7N and an average particle diameter of 0.35 μm was granulated to produce a silicon ingot as a melting raw material.
[0037]
a. For granulation of the granulated silicon powder, a high-pressure roll forming machine shown in FIG. 2 was used, and the reduction by a pressure roll was set to 1T. In order to secure the moldability of the silicon compact, an aqueous solution having a PVA concentration of 10% was added as a binder to the silicon powder at a volume ratio of 10%, and the mixture was uniformly mixed with a mixer. Thereafter, briquettes (compacts) having a diameter of 3 to 5 mm were produced by high-pressure molding using a high-pressure roll molding machine.
[0038]
b. The briquettes were dried for drying and sintering. The drying conditions were as follows: pre-drying was performed at 200 ° C. × 10 hours with a dryer, and then 600 ° C. × 10 hours in a vacuum furnace (the degree of vacuum was 0.2 Torr).
[0039]
After drying, sintering was performed at 1300 ° C. for 2 hours at a degree of vacuum of 10 −4 Torr using a vacuum sintering furnace in order to secure strength as a melting raw material.
[0040]
c. An ingot was produced by the continuous casting apparatus shown in FIG. After the inside of the airtight container was evacuated to vacuum, argon gas was sealed therein and the pressure was adjusted to +30 Torr. With the charging duct of the raw material charging device above the crucible retracted in the horizontal direction, a heating element (not shown) is lowered into the crucible, placed close to the ingot, and energized to the induction coil. The upper end surface of the ingot in the induction coil is melted, and molten silicon is initially formed on the upper surface. After the initial formation of molten silicon, the granulated silicon compact is supplied as a melting raw material, and is melted as a silicon raw material, and is gradually solidified in a warm furnace, and a drawing device is operated to pull out a silicon ingot. .
[0041]
In charging the raw material during melting, the strength of the green compact is ensured, there is no problem such as chipping of the raw material due to handling, collapse, etc., it can be sufficiently melted, continuously from below the casting device, High-purity granular silicon was taken out. When the taken out ingot was analyzed, the purity was 7N (99.999999%), and it was confirmed that the ingot could be used for a solar cell.
[0042]
(Example 2)
A polycrystalline silicon powder produced by reducing silicon tetrachloride by a zinc reduction method was granulated to produce a silicon ingot as a melting raw material. All of the produced silicon powders were fine particles having a diameter of 3 μm or less, and the purity was 7N.
[0043]
a. Briquettes (compacts) having a diameter of 3 to 5 mm were produced by high-pressure molding using a high-pressure roll molding machine without mixing a binder into the granulated silicon powder. Other granulation conditions were the same as in Example 1.
[0044]
b. In the charging of raw materials during melting, some raw materials were chipped or collapsed due to handling, but they could be sufficiently dissolved in the molten silicon, and high-purity powder particles were continuously obtained from below the casting equipment. The body silicon was taken out. When the taken out ingot was analyzed, the purity was 7N (99.999999%), and it was confirmed that the quality was satisfactory for a solar cell.
[0045]
【The invention's effect】
According to the method for producing polycrystalline silicon of the present invention, even fine-grain silicon powder can be used without impairing the solubility as a dissolving raw material, without increasing the cost of the dissolving raw material, It is possible to stably produce high-purity polycrystalline silicon optimal for a solar cell substrate with high efficiency in terms of quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a process for producing polycrystalline silicon by a zinc reduction method.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a high-pressure roll forming machine used for granulating silicon powder in the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for continuously forming and casting an ingot using silicon compact as a melting raw material according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1a: Silicon powder, 1b: Silicon green compact 2: Pressure roll, 3: Airtight container 4: Vacuum outlet, 5: Inert gas port 6: Vacuum valve, 7: Crucible 8: Induction coil, 9: Heat insulation furnace 10: ingot, 11: molten silicon 12, raw material charging device, 13: drawing device

Claims (3)

シリコン粉末を高圧成形で造粒してのち、この造粒されたシリコン圧粉体を溶解原料としてインゴットを鋳造することを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法。A method for producing a polycrystalline silicon ingot, comprising: granulating silicon powder by high pressure molding; and casting an ingot using the granulated silicon compact as a melting raw material. 造粒されたシリコン圧粉体を、乾燥または/および焼結することを特徴とする請求項1記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein the granulated silicon compact is dried and / or sintered. 溶解原料となるシリコン圧粉体の粒径を1mm〜10mmにすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 1 or 2, wherein the particle size of the silicon compact as a melting raw material is 1 mm to 10 mm.
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