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

• 研究課題/領域番号: 16H02410
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 金属・資源生産工学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野平 俊之 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (00303876)
• 研究分担者: 安田 幸司 京都大学, 工学研究科, 特定准教授 (20533665)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 44,850千円 (直接経費: 34,500千円、間接経費: 10,350千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2019年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2018年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2017年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2016年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
• キーワード: 太陽電池 / 溶融塩 / 電解還元 / シリコン / 液体合金カソード

研究成果の概要

高純度シリカから低エネルギー・低コスト・高生産性で太陽電池用シリコンを製造する方法を研究した。従来の炭素熱還元に代わる還元方法として溶融塩中における電解還元法を採用し、以下の成果を得た。(1)溶融塩化カルシウム中における液体Zn電極上でのシリカの電解還元のメカニズムを検討した。電気化学測定および試料分析を行った結果、Zn-Si合金が直接形成する電位領域およびZn-Ca合金を経由して間接的にZn-Si合金が形成する電位領域が存在することが分かった。(2)液体Zn-Si合金からのSi析出を検討した結果、金属不純物が効率的に除去できることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

溶融塩化カルシウム中におけるシリカの電解還元については、新規な太陽電池用シリコン製造法への応用が期待されてきたが、従来の固体電極を用いる方法では「低生産性」および「不純物混入しやすい」という課題があった。本研究により、どちらの課題も解決できる可能性が示された。特に、液体Zn-Si合金からのSi析出における金属不純物除去を実証したことは重要である。本研究がさらに発展すれば、社会的にニーズの高い太陽電池用シリコンの新規製造法の確立が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Silicon Refining by Solidification from Liquid Si–Zn Alloy and Floating Zone Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Ma Yuanjia、Yasuda Kouji、Ido Akifumi、Shimao Takeyuki、Zhong Ming、Hagiwara Rika、Nohira Toshiyuki
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 62 号: 3 ページ: 403-411
  • DOI: 10.2320/matertrans.M-M2020872
  • NAID: 130007990803
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 年月日: 2021-03-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel Electrochemical Reactions in Molten Salts and Ionic Liquids and Their Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: NOHIRA Toshiyuki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 88 号: 6 ページ: 477-488
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00098
  • NAID: 130007936840
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2020-11-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In situ synchrotron X-ray diffraction study of the electrochemical reduction of SiO2 in molten CaCl2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Katasho Yumi、Norikawa Yutaro、Yamamoto Takayuki、Yasuda Kouji、Nohira Toshiyuki
  • 雑誌名: Electrochemistry Communications 巻: 115 ページ: 106740-106740
  • DOI: 10.1016/j.elecom.2020.106740
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of Electrolytic Reduction of SiO2 at Liquid Zn Cathode in Molten CaCl2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Ma Yuanjia、Ido Akifumi、Yasuda Kouji、Hagiwara Rika、Homma Takayuki、Nohira Toshiyuki
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 166 号: 6 ページ: D162-D167
  • DOI: 10.1149/2.1211904jes
  • 査読あり
• [雑誌論文] Purity and Minority Carrier Lifetime in Silicon Produced by Direct Electrolytic Reduction of SiO₂ in Molten CaCl₂ (2018)
  • 著者名/発表者名: ZHONG Ming、YASUDA Kouji、HOMMA Takayuki、NOHIRA Toshiyuki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 86 号: 2 ページ: 77-81
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.17-00087
  • NAID: 130006434075
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrolytic Production of Silicon Using Liquid Zinc Alloy in Molten CaCl 2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Kouji、Shimao Takeyuki、Hagiwara Rika、Homma Takayuki、Nohira Toshiyuki
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 164 号: 8 ページ: H5049-H5056
  • DOI: 10.1149/2.0121708jes
  • NAID: 120006305972
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of Si Addition on the Electrochemical Reduction Rate of SiO2 Granules in Molten CaCl2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhong Ming、Yang Xiao、Yasuda Kouji、Homma Takayuki、Nohira Toshiyuki
  • 雑誌名: Metallurgical and Materials Transactions B 巻: 49 号: 1 ページ: 341-348
  • DOI: 10.1007/s11663-017-1132-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Electrolytic Production Process of Silicon Using Liquid Zn Alloy Cathode in Molten Salt (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Nohira, Akifumi Ido, Takeyuki Shimao, Xiao Yang, Kouji Yasuda, Rika Hagiwara, Takayuki Homma
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 75 号: 15 ページ: 17-33
  • DOI: 10.1149/07515.0017ecst
  • NAID: 120006695834
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] 溶融塩およびイオン液体中における新規な電気化学反応とその応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野平俊之
  • 学会等名: 電気化学会第88回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Dissolution Behavior of SiO2 and Electrochemical Reduction of Dissolved SiO2 in Molten Chlorides (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Ma, T. Yamamoto, K. Yasuda, T. Nohira
  • 学会等名: PRiME 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 溶融NaCl-CaCl2-CaO中におけるSiO2の溶解形態および電解還元 (2020)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，山本貴之，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第52回溶融塩化学討論会
• [学会発表] Electrodeposition of Crystalline Silicon Films in Molten Salts for Photovoltaic Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Nohira
  • 学会等名: The 11th International Symposium of Advanced Energy Science
  • 国際学会
• [学会発表] 溶融NaCl-CaCl2-CaO中におけるSiO2溶解挙動とSi電析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，山本貴之，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 電気化学会第87回大会
• [学会発表] Electrodeposition of Silicon from High Temperature Molten Salts (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nohira, K. Yasuda, Y. Norikawa, T. Kato, A. Kondo
  • 学会等名: 2nd Nucleation & Growth Research Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 溶融塩中における液体Si-Zn合金からの単結晶Si基板上へのSi結晶成長 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，原口隆太郎，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第83回マテリアルズ・テーラリング研究会
• [学会発表] Crystal Growth of Silicon from Liquid Si-Zn Alloy for the Production of Solar-Grade Silicon (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Yasuda, R. Haraguchi, Y. Ma, T. Nohira
  • 学会等名: The 10th International Symposium of Advanced Energy Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 溶融NaCl-CaCl2-CaO中における溶解SiO2の電解還元 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第51回溶融塩化学討論会
• [学会発表] 溶融CaCl2中における液体Zn-Ca合金陰極を用いたSiO2の電解還元 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 電気化学会第86回大会
• [学会発表] Production of High-purity Silicon Ingot Utilizing Volatile Metal Flux and Solidification Refining (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yasuda, Y. Ma, A. Ido, T. Nohira
  • 学会等名: 10th KIFEE symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 溶融塩中における液体Si-Zn 合金からのSi の析出挙動と回収法に関する検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第50回溶融塩化学討論会
• [学会発表] 新規太陽電池級Si製造法を目的とした溶融塩化物中における液体Si－Zn合金からのSi析出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，原口隆太郎，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 2018年度第3回関西電気化学研究会
• [学会発表] 溶融CaCl2中での液体Si-Zn合金からのSi析出時における降温速度の影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，井戸彬文，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第77回マテリアルズ・テーラリング研究会
• [学会発表] A New Electrolytic Production Process of Solar Silicon Using Liquid Zn Alloy Cathode in Molten Salt (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nohira, K. Yasuda
  • 学会等名: 2017 International Forum on Liquid Salts for Energy Storage Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 溶融CaCl2中における液体Zn陰極上でのSiO2電解還元反応 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安田幸司，馬元嘉，井戸彬文，萩原理加，本間敬之，野平俊之
  • 学会等名: 第41回電解技術討論会
• [学会発表] 溶融CaCl2-CaO中における液体Zn陰極上での溶解SiO2の電解還元 (2016)
  • 著者名/発表者名: 馬元嘉，井戸彬文，安田幸司，野平俊之
  • 学会等名: 第47回溶融塩化学討論会
  • 発表場所: 新潟ときめいと
  • 年月日: 2016-11-24
• [学会発表] 溶融CaCl2中における液体Zn陰極上でのSiO2電解還元によるSi生成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 井戸彬文，安田幸司，野平俊之，萩原理加，本間敬之
  • 学会等名: 第47回溶融塩化学討論会
  • 発表場所: 新潟ときめいと
  • 年月日: 2016-11-24
• [学会発表] 溶融CaCl2中における液体Si-Zn合金の電解生成ならびに合金からのSi析出 (2016)
  • 著者名/発表者名: 安田幸司，井戸彬文，島尾武征，楊肖，野平俊之，萩原理加，本間敬之
  • 学会等名: 第40回電解技術討論会
  • 発表場所: アクトシティ浜松
  • 年月日: 2016-11-17
• [学会発表] A New Electrolytic Production Process of Silicon Using Liquid Zn Alloy Cathode in Molten Salt (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Nohira, A. Ido, T. Shimao, X. Yang, K. Yasuda, R. Hagiwara, T. Homma
  • 学会等名: PRiME 2016 (Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-state Science 2016)
  • 発表場所: Waikiki, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会