突破半导体用高纯度硅的产率极限！通过开发氢自由基产生和输送装置，有望将产率提高15％以上
日本国立研究开发法人 物质与材料研究机构（NIMS）
国立大学法人 筑波大学
1．NIMS和筑波大学成功提高了利用西门子法的硅产率，以往，利用该方法生产半导体用高纯度硅的产率极限为25%。通过开发能够在大气压下产生并输送高反应性氢自由基的装置，并将其引入硅生产线以抑制副产物的生成，有望将产率提高15%以上。未来，在计算机和太阳能电池方面需求日益增高的高纯度硅生产工艺和成本有望得到改善。2．硅（Si）是一种常见元素，但在计算机和太阳能电池方面是一种重要的战略性材料。特别是，为了解决能源问题，预计到2040年全球累计太阳能发电引入量将超过1TW，这意味着需要108吨以上的高纯度硅。用于制作应用于太阳能电池的半导体用高纯度硅的西门子法以三氯化硅（SiHCl3）为原料，利用氢气的还原反应生成Si。但是，在实施西门子法的大气压和1200℃的环境下，原料SiHCl3会优先发生热分解，且会产生副生成物——化学稳定的四氯化硅（SiCl4）。因此，Si生产的一大难题是硅生成产率只有25%，这在工业化学工艺中极低。
3．本研究小组从热力学的角度预测，氢自由基可用于生成Si而不会生成SiCl4，且化学稳定的SiCl4也可以生成Si。然而，本研究之前，尚无研究证实在大气压下产生高反应性氢自由基的效果。此次，本研究小组开发了一种氢自由基产生和输送装置，该装置使用钨热丝在高于大气压的压力下产生氢自由基，并利用压力差将氢自由基输送至另一个反应器。而且，利用该装置证实，即使是高反应性氢自由基，仍具有较长的使用寿命，在大气压下也可运输数10cm的距离。此外，本研究小组通过使用该装置，对利用氢自由基的西门子法中产生的副生成物——SiCl4进行了还原反应（Si生成），并成功在低温和大气压下提高了Si的生成效率（目前为15%）。
4．为了以低成本量产Si材料，期望将可提高Si产率的氢自由基产生装置投入实际使用。今后，本研究小组将致力于开发提高硅产率的方法，例如将氢自由基直接引入西门子反应器，以及将氢自由基引入废气处理过程等。
5．本研究由日本国立研究开发法人物质与材料研究机构（NIMS）功能材料研究中心下一代半导体小组的首席研究员角谷正友和研修生冈本裕二（筑波大学大学院博士，现就职于出光兴产株式会社）、以及国立大学法人筑波大学的数理物质系物质工学领域的副教授铃木义和组成的研究小组实施。
本研究的一部分作为JSPS特别研究员奖学金（冈本“利用氢自由基还原法生产高纯度硅的高效制造工艺的开发”DC2）、JST地球规模课题应对国际科学技术合作项目（以撒哈拉为起点的太阳能工程的研发，代表：鲤沼秀臣，2010-2014）的一部分被实施。
6．本研究成果已于2020年7月27日在线发表于《Science and Technology of Advanced Material》杂志。
无论时代如何变化，太阳能发电都不会改变，而且无论现在还是未来，晶体硅都是真正可以通过太阳能发电解决能源问题的材料。对于有助于可持续发展的能源，其基本问题是以数10TW规模引入的太阳能电池的材料资源量、转换效率和耐久性（可靠性）。为了使太阳能电池超过全球能源供应量的1/3，预计太阳能电池的年导入量需达到200GW以上，而为超过全球能源供应量的90%，太阳能电池的固定累积量需达到70TW，年产量需达到2TW。
虽然人们对薄膜太阳能电池的进步抱有很高的期望，但其性能（转换效率、可靠性、工艺完成度）仍低于晶体硅太阳能电池，因此可以认为，未来硅晶体太阳能电池将继续保持优势。例如，用于黄铜矿（CIGS）太阳能电池的铟（In）也用于蓝色LED和平板显示器等透明导电膜，据说铟（In）的储量为2.6x103吨（图1）。一般，在3kW的CIGS系统中使用49g的In，因此即使将所有的In用于CIGS太阳能电池，发电规模也只可达到100GW。
另外，关于碲化镉（CdTe），由于碲（T
