JP4035323B2 - 冶金品位ケイ素の精製 - Google Patents

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Description

【0001】
(技術分野)
本発明は冶金品位(metallurgical grade)のケイ素(シリコン)から高純度のケイ素を製造する方法に関する。
【0002】
(背景技術)
冶金品位のケイ素は、太陽電池に用いるには不適当とさせる若干の金属不純物及び非金属不純物を含有する。ホウ素及びリンの如き非金属不純物は、主としてケイ素金属の製造に適当な原料を選択することにより低減させ得るが最も重要な金属不純物Fe、Al、Mn、Cu、Ni等についてはこれはある程度まで可能であるに過ぎない。然しながら高純度の原料はきわめて高価でありそれ故精製したケイ素が太陽電池の製造に適当であるような低い度合にまで金属不純物を除去及び/又は低減させ得る簡単で安価な精製法を獲得するのが望ましい。
【0003】
多数の金属不純物が晶出中にケイ素金属によって拒絶されることは知られておりしかも金属不純物が金属間化合物としてあるいはケイ化物としてケイ素の粒子境界(grain borders)に沿って晶出することは知られている。これは特に鉄及びアルミニウムの場合である。それ故ケイ素の精製は、例えば結晶の延伸(drawing)、分帯融解又は同様な方法によりあるいはケイ素金属を侵食しない酸で不純物を溶解することにより不純物を収集し且つ除去し得るように晶出を行うことにより成される。
【0004】
結晶の延伸並びに分帯融解はきわめて有効な精製法であるが、きわめて高価でありしかも満足な太陽電池の特性を得る前に冶金品位のケイ素を少なくとも2回精製することが要求される。
【0005】
米国特許第4,539,194号から、溶融ケイ素を1〜10重量%のカルシウムと共に合金化し、その後に固化した合金を2工程で浸出する方法は公知である。第1の浸出工程においては、FeCl3とHClとの水溶液が用いられ、これによってケイ素は小さなケイ素粒子に崩壊される。第2の浸出工程においては、HFとHNO3との水溶液が用いられる。この方法により、鉄とアルミニウムとの両方について且つまた或る程度までリンについて良好な精製が得られる。然しながら、米国特許第4,539,194号の方法には若干の欠点がある。即ち合金化中のカルシウムの損失は高く、ケイ素中のカルシウムの量が増大すると共に該損失は増大するので、ケイ素に対して相対的に多量のカルシウムを添加することは高価である。更には、高熱の発生に因りしかも自己発火及び爆発を生起してしまうシランとH2ガスの形成に因り両方の浸出工程での浸出反応を制御するのが困難である。最後に、ケイ素中に多量のカルシウムがあるときわめて微細な粒状ケイ素の形で比較的多量のケイ素が損失され、該微粒子は浸出工程後に行なう洗浄工程で損失される。
【0006】
(発明の開示)
今般見出された所によれば驚くべきことには、精製すべき冶金品位のケイ素中のAlとFeとの間の重量比を或る範囲内に保持するのであれば、少量のカルシウムの添加により特にFeの良好な精製作用が得られる。同時に見出された所によれば、精製すべきケイ素中に少量のカルシウムがあると微細な粒状ケイ素の損失が低くなるものである。
【0007】
従って、本発明は冶金品位ケイ素の精製方法であって、ケイ素を炉から取出す前に又は取出した後にカルシウム含有化合物を溶融ケイ素に添加し、その後にケイ素を鋳造し、ケイ素を比較的高い冷却速度で固化し、固化したケイ素を破砕し、2回の浸出工程よりなる精製過程を施し、第1の浸出工程ではケイ素をFeCl3又はFeCl3及びHClの水溶液で処理しこれによってケイ素の崩壊を生起し、第2の浸出工程ではケイ素をHF又はHF/HNO3の水溶液で処理する冶金品位ケイ素の精製方法において、
カルシウム含有化合物は溶融ケイ素中に0.3〜0.95重量%のカルシウムを与えるのに必要な量で溶融ケイ素に添加し、溶融ケイ素中のAlとFeとの間の重量比は溶融ケイ素にアルミニウムを添加することにより0.5〜2.0に調節することを特徴とする、冶金品位ケイ素の精製方法に関する。
【0008】
AlとFeとの重量比は0.6〜1.2に調節するのが好ましい。
【0009】
溶融ケイ素に添加したカルシウムの量が米国特許第4,539,194号の方法によるよりも実質的に少ないとしても、米国特許第4,539,194号の方法により処理したケイ素中における程低い鉄含量を精製したケイ素に得ることができることが驚くべきことには見出された。更には、生成するシランの量が実質的に減少しかくして爆発の可能性が低下するという事実により2回の浸出工程で行なわれる反応の制御が向上する。本発明の方法は、微細な粒状ケイ素の形での損失がカルシウム含量の低下と共に減少されることを示したのでケイ素の向上した収率を与える。
【0010】
(発明の好ましい実施形態)
実施例1
冶金品位の溶融ケイ素に種々の量のカルシウム及びアルミニウムを添加した。
【0011】
得られた合金を比較的高い冷却速度で成形型に鋳造した。固化した合金を120 mm以下の粒度にまで破砕し、合金の若干については30 mm以下の粒度に破砕した。これらの合金の化学組成及びAl/Feの重量比を表1に示す。
【0012】
表1中の合金No.2及び3は本発明によるものであり、然るに表1中の合金No.1及び4は本発明の範囲外のAl/Fe重量比を有する。
【0013】
表1
Figure 0004035323
その後にFeClとHClとの水溶液を用いて合金を第1の浸出工程で浸出した。第1の浸出工程からの未溶解のケイ素を水洗し、その後に5%HF溶液を用いて第2の浸出工程を行なった。第2の浸出工程からの固体ケイ素を水洗した。
【0014】
精製したケイ素合金を不純物について分析し、結果を以下の表2に示す。
【0015】
Figure 0004035323
表2から見られる通り、不純物の除去は合金No.1及び4についてよりも合金No.2及び3についての方が実質的により良い。表1から見られる通り合金No.1ではAl/Feの重量比が合金No.2及び3についてよりも低く、合金 No. 4では Al Fe の重量比が合金 No. 2及び3についてよりも高い。

Claims (2)

  1. 冶金品位ケイ素の精製方法であって、ケイ素を炉から取出す前に又は取出した後にカルシウム含有化合物を溶融ケイ素に添加し、その後にケイ素を鋳造し、ケイ素を比較的高い冷却速度で固化し、固化したケイ素を破砕し、2回の浸出工程よりなる精製過程を施し、第1の浸出工程ではケイ素をFeCl3又はFeCl3及びHClの水溶液で処理しこれによってケイ素の崩壊を生起し、第2の浸出工程ではケイ素をHF又はHF/HNO3の水溶液で処理する冶金品位ケイ素の精製方法において、
    カルシウム含有化合物は溶融ケイ素中に0.3〜0.95重量%のカルシウムを与えるのに必要な量で溶融ケイ素に添加し、溶融ケイ素中のAlとFeとの間の重量比は溶融ケイ素にアルミニウムを添加することにより0.5〜2.0に調節することを特徴とする、冶金品位ケイ素の精製方法。
  2. AlとFeとの重量比は0.6〜1.2に調節することを特徴とする請求の範囲第1項記載の方法。
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