2022 Fiscal Year Annual Research Report
New production process of solar-grade silicon utilizing liquid zinc cathode
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21H04620
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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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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / シリコン / 溶融塩 / 電解還元 / 液体亜鉛カソード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽電池用シリコンを、高純度シリカを原料として、低エネルギー・低コスト・高生産性で製造する方法を開発する。従来の炭素熱還元に代わる還元方法として溶融CaCl2中における液体亜鉛陰極を利用した電解還元法を採用し、「電解工程」と「Si析出工程」からなる新製造法の確立を目指して次の二つの要素研究を行う。
①「電解工程」における液体Zn-Si合金陰極上でのSiO2電解還元の「メカニズム解明」と「実用化に向けた条件最適化(温度、電流密度、セル形状等)」
②液体Zn-Si合金からの「Si析出工程」の基礎データ取得と、実プロセスを念頭にした条件最適化
本年度は、①に関して、プロセスを低温化する検討として、融点の低い溶融NaCl-CaCl2中で検討を行った。CaOを含む溶融NaCl-CaCl2中にSiO2が溶解したときのシリケートイオン種を顕微レーザーラマン分光法により明らかにした。その結果を踏まえ、種々のシリケートイオン種が含まれる溶融塩を準備し、液体Zn電極および固体グファイト電極を用いて、反応の電位依存性の検討などの電気化学的挙動解析を行った。次に、液体Zn電極および固体グファイト電極を用いて種々の電位で定電位電解を行いサンプルを作製した。得られたサンプルの断面観察を行った。さらに、Znを酸溶解させ、得られたSiの形態・組成をSEM/EDXで分析し、不純物量をICP-AESで分析した。
②に関して、実験手法の確立と基礎データの取得を行った。新たに購入したブリッジマン炉を用いて、種々の降温パターンでSiを析出させ、断面観察を行った。また、Znを酸溶解させ、得られたSiの形態・組成をSEM/EDXで分析し、不純物量をICP-AESで分析した。
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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
従来と比較して低温化が可能な「CaOを含む溶融NaCl-CaCl2中」にSiO2が溶解したときのシリケートイオン種をラマン分光法により明らかにすることが出来た。さらに、種々のシリケートイオン種が含まれる溶融塩を準備し、液体Zn電極および固体グファイト電極を用いて、反応の電位依存性を明らかにした。得られたサンプルの分析により、液体Zn-Si合金陰極上でのSiO2電解還元のメカニズム解明が進んだ。また、液体Zn-Si合金からのSi析出では、新たに導入したブリッジマン炉により種々の降温パターンを精密に制御できるようになり、析出形態のコントロールが出来るようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、以下のような計画で研究を推進する。
１．溶融NaCl-CaCl2中における液体Zn陰極上でのシリカ電解還元のメカニズム解明
R4年度は、プロセスを低温化する検討として、融点の低い溶融NaCl-CaCl2中で検討を行った。R5年度も引き続き、低温化検討を行う。具体的には、750℃において、新たに開発したBNるつぼ型液体電極を用いる。また、シリカ電解還元メカニズムの検討として、液体Zn電極に加えて、固体グラファイト電極も用いて比較する。さらに、R4年度に引き続き、顕微レーザーラマン分光法を用いて、溶融塩中のシリケートイオン種の同定行う。以上により、電解メカニズムの解明および最適なO2-/SiO2比の検討を行う。
２．液体合金からのシリコン析出反応の最適化
R4年度は、液体合金からのシリコン析出反応をより詳細に検討するため、新たにブリッジマン炉を購入した。これにより、再現性良く高精度に種々の降温パターンでSiを析出させることが可能となった。R5年度も引き続き、ブリッジマン炉用いた検討を行う。具体的には、溶融NaCl-CaCl2により液体Zn-Si合金の上部をカバーして亜鉛の蒸発を抑制した状態で、るつぼごと上方もしくは下方に種々の速度で移動させ、凝固させる。実験後は、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で分析する。これにより、液体Zn-Si合金からのシリコン析出の条件最適化を行う。
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