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本研究では、シリコン酸化物からのシリコン生成反応時に、精製効果を同時に得ることができるプロセスを構築することを目的とした研究を行った。還元剤には、アルカリ土類金属もしくはアルカリ土類金属水素化物を用いた。最終年度においては、温度計を用いた反応メカニズムの解析を行った。
(1)シリコンの融解の有無： アルカリ土類金属（カルシウム、マグネシウム）もしくはそれらの水素化物を、SiO2と混合粉末とした後にペレット化し、高温で反応を行った。熱力学解析からは、還元反応の反応熱でシリコンと副生成物酸化物をともに融解させることが理論的に可能であることが示された。還元生成物の分析から、平滑な表面性状を有するシリコンが得られたことから、反応中にシリコンが融解していることが実験的にも実証された。
(2)生成シリコンの純度： 還元試験で得られた試料を2段階で酸浸出し、誘導結合プラズマ原子発光分析により、還元時にどの相へ不純物が移行しているかの分配を解析した。生成シリコンの純度は99％程度で、現時点では太陽電池用途には不十分な値であったが、アルミニウムなどの金属不純物が副生成物である酸化物相に分配されていた。このことから、シリコン生成反応時に生成物が融解すると、不純物が酸化物相へ移行するために、シリコンが精製される効果があることが解明された。
(3)還元メカニズムの解明： 熱電対と放射温度計を用いた反応解析を行い、反応系内が0.2秒から5秒程度シリコンの融点以上であることが確認された。揮発成分を生じない反応系の方が熱のロスが少なく、融解時間が長くなることが明らかとなった。反応メカニズムとして、SiO2と還元剤との接触部分のみがテルミット反応となることで融解シリコンが生成し、一方で接触部以外では、ガス状で還元剤が反応して温度上昇が小さくなるため、固体シリコンが生成することが推定された。
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