2016 Fiscal Year Annual Research Report
シリカ直接電解還元と液体合金カソードを用いた高生産性太陽電池用シリコン製造法
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16H02410
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
野平 俊之 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (00303876)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安田 幸司 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (20533665)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / 溶融塩 / 電解還元 / シリコン / 液体合金カソード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．溶融CaCl2中における液体合金カソード上でのシリカ電解還元のメカニズム解明
まず、メカニズム解明のための実験手法の確立を行った。実験目的によって、大・中・小の液体Zn電極を使い分けた。電極(小)は、反応の電位依存性の検討など電気化学的挙動解析に最適であることが明らかとなった。次に、反応界面の分析のために電極(中)を作製した。この電極は、「溶融塩/液体Zn/固体SiO2」三相界面の再現性に優れており、反応界面の特定も容易である。実際に電解還元を行った結果、電解時間に応じて、反応界面が内部へ進行する様子が観察された。電極(大)は、大容量での還元実験に用いた。電解後に、サンプルを水洗・切断した後、反応界面部分をSEM/EDXを用いて分析した。その結果、反応界面付近へのSi析出を確認した。さらに、Zn全体を酸溶解させた後のSiについて、形態をSEM 観察した。得られたSiについては、フッ酸および硝酸の混合液で溶解させた後ICP-AESにより分析し、不純物濃度を明らかにした。
２．液体合金からのシリコン析出反応の基礎データ取得と最適化
グラファイトるつぼ中に高純度Znを装荷し、上部を溶融CaCl2でカバーした。中央のカーボン管を使用して、金属級Si(純度99%、不純物濃度既知)を投下した。完全に液体合金化した後に、種々の降温パターンでSiを析出させた。その後、断面観察を行った後、Znを酸溶解させ、得られたSiの形態・組成をSEM/EDXで、不純物量をICP-AESで分析した。原料Si、原料Zn、生成Si、および実験後Zn中における各種不純物元素濃度を分析することで、不純物除去率を算出した。その結果、主な金属元素は予想通り大きく減少すること、既存の手法では除去が困難なBやCも大きく減少することが明らかとなった。さらに、理論的には減少しないと予想されたOも減少することが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「１．溶融CaCl2中における液体合金カソード上でのシリカ電解還元のメカニズム解明」については、平成28年度の目標である「実験手法の確立」が達成できた。また、「２．液体合金からのシリコン析出反応の基礎データ取得と最適化」についても、実験手法が確立しており、今後の研究の進展が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、以下のような方針で研究を推進する。
１．溶融CaCl2中における液体合金カソード上でのシリカ電解還元のメカニズム解明
H28年度の研究により、溶融CaCl2中における液体Znカソード上でSiO2の電解還元が可能であること、電解還元速度の検討が可能であることが明らかとなった。引き続き、メカニズム解明を行うが、特に還元速度を大きくする上で重要な律速過程について重点的に検討する。律速過程としては、(1) SiO2の電解還元反応(電荷移動や生成O2-イオンの拡散)、(2) Zn-Si合金化反応、の二つが考えられる。電解初期は(1)が、液体Zn-Si合金中のSi濃度が大きくなると(2)が律速になると予想されるが、これを詳細に検討する。
２．液体合金からのシリコン析出反応の基礎データ取得と最適化
H28年度の研究により、液体Zn-Si合金からのSi析出反応に関する実験手法が確立した。引き続き、析出実験を継続するが、特に実験パラメータが、析出Siの形態、サイズ、不純物濃度に及ぼす影響を明らかにする。具体的には、析出の際の降温速度の影響、酸洗浄方法が不純物濃度に与える影響を検討する。また、得られた析出Siを浮遊帯域溶融法により結晶棒として、不純物濃度や少数キャリアのライフタイム測定により品質を評価する。
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Research Products
(5 results)
