2020 Fiscal Year Research-status Report
Next-generation carbothermal reduction process of silicon with the metal additive for solar cell application
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20K05178
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
伊高 健治 弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (40422399)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
角谷 正友 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (20293607)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | シリコン / 太陽電池 / フラックス / 炭素熱還元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現行の太陽電池の９割以上を占めるシリコン太陽電池(結晶系及び薄膜系)の原料は、シリカ（二酸化シリコン、SiO2）である。一般に還元反応には、炭素・水素などの還元剤を用いる方法や電気分解法などがあるが、電気分解は大量の電力消費を伴うため、低コストプロセスには炭素が還元剤として用いられる。しかしながら、二酸化ケイ素の熱炭素還元は一酸化珪素や炭化ケイ素を介して、生成されることが知られており、複雑な副生成物の制御が重要である。特に反応プロセスの終段であるSiOとSiCの反応は、生成物である液相のシリコンを介在して反応すると考えられるため、シリコン液相における炭素の固溶限界が律速になっていると考えられる。なぜなら、排出される一酸化炭素の炭素源は固相である炭化ケイ素から、また酸素源は、気相である一酸化珪素から供給されるため、必ずシリコン液中を通過する必要があるからである。
シリカの炭素熱還元反応について熱力学的相図を計算すると、一酸化ケイ素ガスは、1200℃程度から発生する。反応を促進するためには一酸化ケイ素ガスの分圧を上げる必要があるため、炭素るつぼで耐えられる圧力範囲においてできるだけ一酸化ケイ素ガスが逃げないようなるつぼ構造を決定して用いた。還元する温度としては、るつぼ外壁温度が2000℃程度のなる条件を設定して炭素熱還元を行った。
相図を用いた試算から、シリコンにおける炭素の固溶限界は非常に小さく、そのため、一酸化ケイ素ガスの損失が大きくなっていることがわかってきた。ニッケルなどの金属を入れることで炭素の固溶限界は大きく広がると考えられ、実際にニッケルを2重量パーセント入れたプロセスでは、生成物中のシリコンが大きく増加することがわかってきてきた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナのまん延によって、共同研究実験に必要な移動の制限や実験室における実験そのものが規制されたために、当初想定していたような研究計画に沿って進めることが出来なかったが、比較的感染状況が改善してきており、また感染対策などをしっかり行い、現状では実験を遂行することが問題無くなってきたため、実験補助を有効に活用して研究を遂行していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナのまん延によって、共同研究実験に必要な移動の制限や実験室における実験そのものが規制されたために、当初想定していたような研究計画に沿って進めることが出来なかったが、比較的感染状況が改善してきており、また感染対策などをしっかり行い、現状では実験を遂行することが問題無くなってきたため、実験補助などを有効に活用して研究を遂行していく。SiOガスの制御と生成物の組成分析を行うことにより、ニッケル元素の役割を明確にしていく。
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| Causes of Carryover |
新型コロナのまん延に伴って、共同実験のための移動、学会の中止やオンライン化など起きたことや、実験自体もさまざまな制約が課せられた時期があるため、当初の計画どおりには進めることが出来なかったことが理由である。令和３年度については、実験の制約事項がいろいろと緩和されてきており、また感染対策をしっかりと施しながら、実験補助を入れて実験の進捗を加速させて、遅れを取り戻す予定である。
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