| 研究課題/領域番号 |
16H02410
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| 研究機関 | 京都大学 |
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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)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| 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 |
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| 研究実績の概要 |
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
平成29年度は、前年までに確立したメカニズム解明のための実験手法を活用して、溶融CaCl2中における液体Znカソード上でSiO2の電解還元においては、「直接電解還元」と「電解生成したCa-Zn合金による間接還元」の二つのメカニズムが存在することを明らかにした。具体的には、1.0 V (vs. Ca2+/Ca)では液体Zn電極上での直接電解還元が、0.6 Vではそれに加えてCa-Zn合金による間接還元が進行する。トータルとして還元速度を向上させるためには、その両者が進行する0.6 Vが有望であることが分かった。ただし、卑な電位だとCa-Zn合金中のCa活量が大きくなり、生成するSi中のCa不純物濃度も増大するため、トータルの還元速度とCa不純物濃度を考慮した最適電解条件を探索する必要がある。
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
前年度に引き続き、種々の条件で液体Zn-Si合金からのSi析出実験を行った。まず、金属級Siを原料として1123 Kで作製した液体Si-Zn合金を773 Kまで降温し、固体Siを析出させた。10 K/hの降温速度で得られた粒径2 mm以上のSi粒子中の不純物濃度分析から、析出による不純物除去率はAlとCaで99 %以上、FeとTiは95 %以上、Bは88 %であった。ここでは、析出の際の降温速度が小さいほど得られるSi粒が大きくなり、Si粒が大きいほど不純物が少ないことが明らかとなった。低純度の金属級Siを原料に用いたにも関わらず、金属元素の含有濃度は、精製工程の原料Siに求められるレベルを満たしており、電解生成したSi-Zn合金を用いることでさらに高純度なSiが得られると期待できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「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、「直接電解還元」と「電解生成したCa-Zn合金による間接還元」の二つのメカニズムが存在することを明らかにした。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」については、析出Siの粒径を増大させるための基礎データが取得でき、より大きな粒径のシリコンの純度が高いことも確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
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
H29年度までの研究により、溶融CaCl2中における液体Znカソード上でSiO2の電解還元においては、「直接電解還元」と「電解生成したCa-Zn合金による間接還元」の二つのメカニズムが存在することが明らかになった。トータルとして還元速度を向上させるためには、その両者が進行する0.6 V (vs. Ca2+/Ca)付近の電位が有望であることも明らかになった。以上を踏まえ、H30年度は、より効率的な電極構造を検討する。具体的には、アルミナ製タンマン管中にSiO2棒を複数束ねたものを浸漬した形状の電極を使用する。これにより、三相界面の増大による直接電解還元速度の向上およびCa-Zn合金による間接還元速度の向上の両者が期待できる。また、さらなる還元速度向上を目指し、温度を850℃から900℃に上昇させて検討も行う。
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
H29年度までの研究により、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。結果として、析出の際の降温速度が小さいほど得られるSi粒が大きくなり、Si粒が大きいほど不純物が少ないことが明らかとなった。以上を踏まえ、H30年度は、種結晶棒を使用して、析出Siを効率的に回収することを検討する。実用化を考えると降温速度は大きい方が望ましいため、析出の際の降温速度が析出Siの形態へ与える影響を調べる。また、H29年度までに、酸洗浄方法が不純物濃度に与える影響もかなり明らかになったが、引き続き洗浄方法最適化を検討する。さらに、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ライフタイム測定により品質を評価する。
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