JP4127381B2 - 粒状シリコンの製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒状シリコンの製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンの使用量と製造コストを低減する観点から次世代の太陽電池として粒状シリコンを用いた太陽電池が注目されている。
【０００３】
この粒状シリコンの作成方法について以下に述べる。粒状シリコンの原料としては、単結晶シリコン材料を粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や流動床法で気相合成された高純度シリコンなどが用いられ、またこれらが必要に応じて分別して用いられる。
【０００４】
シリコンの粒状化法は次のとおりである。（１）赤外線や高周波コイルを用いて容器内で原料を溶融し、その後に自由落下させることで球状化させる（例えば特許文献１および特許文献２等を参照）。（２）一定の純度となるように調合してシリコンを坩堝の中で一旦溶融し、それを排出させると同時に粒子化する（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
これらの方法は、原料を溶融する坩堝本体にノズル穴を有しており、ここからシリコン融液を噴出させることによって粒状シリコンを形成するものである。このときに用いられる坩堝としては、耐熱性と強度が要求されることから、一般には石英やグラファイトが用いられる。
【０００６】
また、本出願人は、ノズル穴からシリコン融液を排出し、目的のサイズの粒状シリコンを製造するためのノズル穴の径を５〜１００μｍとし、圧力を０．０１〜０．７ＭＰａに設定することを提案した（特願２００１−３２５４７１号明細書参照）。
【０００７】
図３は、従来の粒状シリコンの製造装置を示す図である。この装置では、坩堝１でシリコン原料を溶融して主管２内を自由落下させ、回収部３に回収する。
【０００８】
図１は、粒状シリコンを製造するためのノズルの構成を示す図である。図１に示す粒状シリコンの製造装置では、シリコン融液をノズル穴ｅから排出して自由落下させる。粒子生成のメカニズムは、最初にノズル穴ｅの太さの液柱が噴出され、落下するに従って速度増大によって液柱の直径が減少し、さらに温度低下に伴う粘度の増大によって液柱が液滴に分裂することによって微小な粒状シリコンが生成するものである。
【０００９】
融点付近のシリコン融液の粘度は、常温における水とほぼ同じである。この液滴が大きくなってしたたりとなって落下すると、常温での水のしたたりと同じく体積としては１ｃｃ程度あるため、落下中に凝固するまでにかなり時間を要する。図１に示すようなノズル穴ｅから液柱が噴出されて、それが微小球に分裂する正常な過程においては、大気圧アルゴン雰囲気で直径５００μｍ以下の球では落下距離５ｍ以内で凝固する。
【００１０】
また、上記方法で作成された粒状シリコンの品質を向上させるための単結晶化技術については雰囲気ガス中で熱処理することが知られている（特許文献４参照）。
【００１１】
【特許文献１】
国際公開９９／２２０４８号パンフレット
【特許文献２】
米国特許第４１８８１７７号明細書
【特許文献３】
米国特許第６０７４４７６号明細書
【特許文献４】
米国特許第４４３０１５０号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１に示す従来の粒状シリコンの製造装置では、シリコン融液をノズル穴ｅから排出させる過程において、図２に示すように、ノズル穴ｅの周りにシリコン融液の飛沫が付着して大きな液滴になることがある。大きな液滴は落下距離が５ｍでは凝固せずに液体のまま落下して回収済みの粒状シリコン上に落ちる。凝固せずに液体のまま落下すると回収済みの粒子がこのシリコンの液滴によって再溶融したり互いに固着したりして歩留まりが大幅に低下するという問題が発生する。
【００１３】
また、図３に示す粒状シリコンの製造装置において生成した粒状シリコンが完全に冷却凝固する前に主管２に付着し、この塊が大きく成長して主管２からはがれて落下することがある。この大型の塊は回収部３に落下してきたときに完全に固体であるので、回収部３を破損させたり回収された粒状シリコンを押しつぶして品質を低下させたりする。
【００１４】
このような問題を解消するために、粒状シリコン回収部３に純水などの液体を溜め、この液体中に粒子を落下させて回収することも考えられる。この方法では、凝固しないまま落下したシリコン融液も液面到達の瞬間に凝固するためにそのまま回収できるが、液体中に落下した場合はその液体を除去して乾燥する必要があり、また液滴が落下して生じた大型球を除去することが必要で、工程が増えるという問題がある。
【００１５】
また、自由落下によって製造した粒状シリコンはそのままの状態では多結晶体であるので、光電変換装置の材料として用いるためには回収した後に加熱処理によって単結晶化することが必要である。この観点からも自由落下した粒状シリコンを乾燥状態のまま回収して単結晶化のための炉内に搬入することが望ましい。
【００１６】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、シリコンの融液が落下中に凝固せずに液体のまま回収部に落下して回収済みの粒状シリコンを熔着させたり、大型の塊が回収部に落下して回収済みの粒状シリコンを破損するという従来の問題を解消した粒状シリコンの製造装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の粒状シリコンの製造装置は、ノズル穴からシリコン融液の液滴を排出して落下中に凝固させて粒状シリコンを形成して回収部に収容する粒状シリコンの製造装置において、前記回収部に前記落下中に凝固しなかった液滴の侵入を阻止する手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
上記粒状シリコンの製造装置では、前記回収部の入り口に前記落下中に凝固しなかった液滴が衝突する遮蔽板を設けることが望ましい。
【００１９】
また、上記粒状シリコンの製造装置では、前記回収部を前記ノズル穴の鉛直方向から外れた位置に設けることが望ましい。
【００２０】
また、上記粒状シリコンの製造装置では、前記落下中に凝固した粒状シリコンを気体流で前記回収部に誘導することが望ましい。
【００２１】
また、上記粒状シリコンの製造装置では、前記落下中に凝固した粒状シリコンを静電気で前記回収部に誘導してもよい。
【００２２】
また、上記粒状シリコンの製造装置では、前記落下中に凝固した粒状シリコンを板に衝突させて前記回収部に誘導してもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本発明に係る粒状シリコンの製造装置においても、ノズル部の構成は図１に示す従来の装置とほぼ同一であり、全体の構成は図３に示す従来の装置とほぼ同一である。すなわち、ノズル穴ｅから排出されたシリコン融液は液柱ｆとなり、これが液滴に分裂して粒状シリコンｇとなって回収部３に回収される。
【００２４】
本発明に係る粒状シリコンの製造装置の回収部を図４〜図９に示す。本発明の粒状シリコンの製造装置では、ノズル穴ｅから排出されたものの落下中に凝固しなかった液滴の侵入を阻止する手段を設けている。
【００２５】
この液滴の侵入を阻止する手段として、図４〜図６に示す粒状シリコンの製造装置では遮蔽板ｍ、ｏ、ｐを設けている。粒状シリコンの回収部３は、粒状シリコンが落下する管２の最下部に備えられる。この回収部３は管２に接続する部分は管２とほぼ同じ断面積を有するが、それより下部で断面積が徐々に減少する領域を有し、粒状シリコンが堆積する最下部で管２より小さい断面積を有し、かつ回収部３の断面積が減少する領域において、上方からみて堆積した粒状シリコンを完全に遮蔽し、かつその周囲では粒状シリコンがその脇を落下することが可能であるような幅の隙間Ｘがある遮蔽板ｍ、ｏ、ｐを有する。凝固しないまま落下してきた液滴は遮蔽板ｍ、ｏ、ｐの上では付着した瞬間に凝固し、液滴が直接回収部３内に侵入することが阻止される。一方、凝固して落下してくる粒状シリコンは遮蔽板ｍ、ｏ、ｐの周囲の隙間を通って回収小皿ｌに回収される。
この遮蔽板ｍ、ｏ、ｐは熱衝撃に耐える必要があり、石英ガラス、サファイア、アルミナセラミック、その他のセラミックスが用いられる。
【００２６】
図５に示す粒状シリコンの製造装置において、遮蔽板としてはたらく液滴付着板ｏのスタンド部は三脚のように放射状に伸びた支柱で構成されており、支柱の脚の間から粒状シリコンが回収小皿ｌに落下していくものである。
【００２７】
図４に示す粒状シリコンの製造装置のスタンド部ｎは、回収小皿ｌの底に載せてあるため、粒状シリコンを残さず回収することが可能である。また、主管２に付着したシリコン塊落下物も遮蔽板としてはたらく液滴付着板ｍによって速度を止められ、回収部３の粒状シリコンの品質を低下させることも防止できる
図６に示す粒状シリコンの製造装置では、遮蔽板としてはたらく羽根車ｐは凝固して落下してくる粒状シリコンが羽根車ｐの隙間にはいって回転しているので、回収小皿ｌに回収される。冷却凝固しないまま落下してきた液滴は羽根車ｐに付着する。
【００２８】
図７〜図９に示す粒状シリコンの製造装置では、回収部３を図１に示すノズル穴ｅの鉛直方向から外れた位置に設け、凝固した粒状シリコンを回収部３に誘導するとともに、凝固しなかったシリコン融液はそのまま鉛直方向に落下して回収部３には侵入しないように構成している。
【００２９】
図７に示す粒状シリコンの製造装置では、気体導入部ｑから例えばアルゴンガスなどの気体を導入して気体排出部ｒから排出させる。主管２を自由落下する粒状シリコンをこのガスの流れに乗せて枝管ｕに導入する。このガス流量を調整することで目的の大きさの粒状シリコンのみを枝管ｕに導き、液滴ｊや主管付着シリコン塊などは主管の方に落下させることが可能である。
【００３０】
すなわち、粒状シリコンの回収部３は、粒状シリコンが落下する管は垂直に伸びる主管２の側面部に主管２とほぼ同じか小さい断面積を有する枝管ｕがつながっており、この枝管ｕは垂直な主管２から斜め下方に伸びている。管２の上方から下方に向かって気体流を有し、下部では分岐した枝管ｕのみで気体の排出を行い、気体流の流量は目的とする大きさの粒状シリコンを全量気体流に乗せて枝管ｕのみに回収し、かつそれ以上の大きさをもつシリコン塊を主管の方に落下させるように調整をする。
【００３１】
図８に示す粒状シリコンの製造装置では、図６と同様に目的の大きさの粒状シリコンのみを枝管ｕに導こうとするものであるが、自由落下の粒状シリコンを主管２から枝管ｕに導くための駆動力として、粒状シリコンを帯電させて電界をかけようとするものである。
【００３２】
すなわち、粒状シリコンの回収部３は、粒状シリコンが落下する管２は垂直に伸びる主管２の側面部に主管２とほぼ同じか小さい断面積を有する枝管ｕがつながっており、この枝管ｕは垂直な主管２から斜め下方に伸びている。この管２の分岐部より上方に主管２の内側側面から粒状シリコンを帯電させる静電気付加部を有し、この管２の分岐部で電界をかけ、このとき帯電の強度および電界の強度としては、帯電した粒状シリコンを枝管ｕのみに回収しかつそれ以上の大きさをもつシリコン塊を主管２の方に落下させるように調整する。
【００３３】
このとき、静電気付加部ｓの静電器発生強度および電界印加部ｔの電界強度を調整することで目的の大きさの粒状シリコンのみを枝管ｕに導き、液滴ｊや主管２に付着するシリコン塊などは主管２の方に落下させることが可能である。
【００３４】
図９に示す粒状シリコンの製造装置では、途中で主管２が曲がっているので冷却凝固しないまま落下してきた液滴はこの曲がっている部分に設置されている液滴付着板ｖに付着する。したがって、凝固しなかったシリコンが回収部３に侵入することはない。
【００３５】
【実施例１】
図１に示すようにホットプレスで焼結したグラファイト素材を所定の形状に加工して外壁部材ｂと内壁部材ａを形成した。ノズル穴ｅの位置は円板形状のノズル体部ｄの中心から同心円状に８個を等間隔に形成したものである。ノズル穴ｅは、レーザー加工条件を最適化することによってノズル部ｄの下側開口部の直径が６０μｍになるようにした。これらの部材を図１に示すような構成で坩堝１に組み立てた。
【００３６】
組み立てた坩堝１を不活性雰囲気に維持できる炉の中にセットして１４６０℃に昇温した。不活性雰囲気中で１４６０℃の温度に維持した状態の坩堝へ同じく不活性雰囲気に保たれた経路を通じてシリコン原料１８ｇを供給し、完全に溶融させて溶融シリコンｃを形成した。十分に溶解した状態になるまで待ってからアルゴンガスを用いて圧力０．１ＭＰａで溶融シリコンｃを加圧してノズル穴ｅからジェットして粒状シリコンｇを生成した。生成した粒状シリコンｇを径８インチの石英製の主管の中のアルゴンガス雰囲気中を自由落下させた。
【００３７】
１８ｇをジェットした一回目は、図２に示すような液滴の発生はなかったが、２回目からジェットするたびに図２に示すような液滴が発生した。このときの回収部３としては図４に示すような液滴付着板ｍを備えたものを用いた。五回ジェットして投入原料９０ｇに対して合計７０ｇの粒状シリコンが得られ、原料歩留まりは７８％であった。
【００３８】
【実施例２】
実施例１と同じ条件で粒状シリコンを生成した。このときの回収部３としては図７に示すような枝管付のシステムで行った。主管８インチ径に対し枝管、４インチ、気体導入と排出はそれぞれアルゴンガスを毎分１リットルの流量で流すことにより回収部３に回収した。
【００３９】
五回ジェットして投入原料９０ｇに対して合計６７ｇの粒状シリコンが得られ、原料歩留まりは７４％であった。
【００４０】
【実施例３】
実施例１と同じ条件で粒状シリコンを生成した。このときの回収部３としては図８に示すような枝管付のシステムで行った。主管８インチ径に対し枝管、４インチである。
【００４１】
静電気付加部としては主管側面に対向して設けられた一対の電極から放電させる。パワーとしてはＡＣ１００Ｖ、５Ｗで行った。また、電界印加部としては電界強度として５Ｖ／ｃｍとなるようにして行った。
【００４２】
五回ジェットして投入原料９０ｇに対して合計６０ｇの粒状シリコンが得られ、原料歩留まりは６６％であった。
【００４３】
【比較例】
実施例１において回収部３としては、図４に示すもので液滴付着板ｍがないものを用いたところ、液滴による粒状シリコンの相互固着により五回のジェットで合計４０ｇの粒状シリコンしか得られず、原料歩留まりとしては４４％であった。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る粒状シリコンの製造装置によれば、ノズル穴からシリコン融液の液滴を排出して落下中に凝固させて粒状シリコンを形成して回収部に収容する際に、落下中に凝固しなかった液滴の侵入を阻止する手段を上記回収部に設けたことから、回収済みのシリコン粒子が落下中に凝固しなかったシリコンの液滴によって再溶融したり互いに固着したりすることを防止でき、高品質の粒状シリコンを製造することが可能となり、かつ原料歩留まりも向上して粒状シリコンを用いた光電変換装置の製造の品質向上およびコスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粒状シリコンの製造装置におけるノズル部の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の粒状シリコンの製造装置におけるノズル部の他の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の粒状シリコンの製造装置全体構成の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明の粒状シリコンの製造装置における回収容器の一実施形態を示す図である。
【図５】本発明の粒状シリコンの製造装置における回収容器の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明の粒状シリコンの製造装置における回収容器の一実施形態を示す図である。
【図７】本発明の粒状シリコンの製造装置全体構成の一実施形態を示す図である。
【図８】本発明の粒状シリコンの製造装置全体構成の一実施形態を示す図である。
【図９】本発明の粒状シリコンの製造装置全体構成の一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１：坩堝、２：主管、３：回収部、ａ：坩堝内壁部材、ｂ：坩堝外壁部材、ｃ：シリコン融液、ｄ：ノズル体部、ｅ：ノズル穴、ｆ：液柱、ｇ：粒状シリコン、ｈ：加熱部、ｉ：液溜まり、ｊ：しずく、ｋ：収納部上側、ｌ：回収小皿、ｍ：液滴付着板、ｎ：スタンド部、ｏ：液滴付着板、ｐ：羽根車、ｑ：気体導入部、ｒ：気体排出部、ｓ：静電気付加部、ｔ：電界印加部、ｕ：枝管、ｖ：液滴付着板

Claims (6)

1. ノズル穴からシリコン融液の液滴を排出して落下中に凝固させて粒状シリコンを形成して回収部に収容する粒状シリコンの製造装置において、前記回収部に前記落下中に凝固しなかった液滴の侵入を阻止する手段を設けたことを特徴とする粒状シリコンの製造装置。
2. 前記回収部の入り口に前記落下中に凝固しなかった液滴が衝突する遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒状シリコンの製造装置。
3. 前記回収部を前記ノズル穴の鉛直方向から外れた位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒状シリコンの製造装置。
4. 前記落下中に凝固した粒状シリコンを気体流で前記回収部に誘導することを特徴とする請求項３に記載の粒状シリコンの製造装置。
5. 前記落下中に凝固した粒状シリコンを静電気で前記回収部に誘導することを特徴とする請求項３に記載の粒状シリコンの製造装置。
6. 前記落下中に凝固した粒状シリコンを板に衝突させて前記回収部に誘導することを特徴とする請求項３に記載の粒状シリコンの製造装置。

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