(57)【要約】  本発明に係る半導体インゴットの製造方法は、半導体融液が注がれる第１主面と該第１主面の反対側に位置する第２主面とを有しているとともに、該第２主面側の中央部が突出している種結晶を準備する種結晶準備工程と、前記半導体融液が注がれる開口部と、底面部と、前記開口部と前記底面部との間に位置している内周側面部とを有している鋳型を準備する鋳型準備工程と、該鋳型の前記底面部に前記種結晶の前記第２主面を下にして前記種結晶を配置する種結晶配置工程と、前記種結晶の前記第１主面の中央部に向けて前記半導体融液を注入する注入工程と、前記鋳型内の前記半導体融液を凝固させる凝固工程とを含む。
2013031923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体融液が注がれる第１主面と該第１主面の反対側に位置する第２主面とを有しているとともに、該第２主面側の中央部が突出している種結晶を準備する種結晶準備工程と、
前記半導体融液が注がれる開口部と、底面部と、前記開口部と前記底面部との間に位置している内周側面部とを有している鋳型を準備する鋳型準備工程と、
該鋳型の前記底面部に前記種結晶の前記第２主面を下にして前記種結晶を配置する種結晶配置工程と、
前記種結晶の前記第１主面の中央部に向けて前記半導体融液を注入する注入工程と、
前記鋳型内の前記半導体融液を凝固させる凝固工程とを含む、
半導体インゴットの製造方法。
【請求項２】
前記種結晶準備工程において、前記種結晶として、前記第２主面側の周縁部に沿った部位も突出しているものを準備する請求項１に記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項３】
前記種結晶準備工程において、前記種結晶として、複数の小種結晶同士が組み合わされているものを準備する請求項１または２に記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項４】
前記種結晶配置工程において、前記種結晶を前記鋳型の前記底面部に離型材を介して配置する請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項５】
前記種結晶配置工程において、前記鋳型の前記底面部に前記種結晶とは熱伝導率の異なる板状体を配置して、該板状体の上に前記種結晶を配置する請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項６】
前記結晶配置工程において、前記板状体として、第１板状体と、該第１板状体よりも熱伝導率が小さい複数の第２板状体とを用意して、前記種結晶を配置する前に、前記第１板状体を前記種結晶の前記第２主面の中央部に接触するように前記鋳型の前記底面部の中央部に配置するとともに、複数の前記第２板状体を前記種結晶の前記第２主面側の周縁部に接触するように前記第１板状体の周囲に配置する請求項５に記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項７】
前記凝固工程において、前記鋳型の前記底面部の中央部を該中央部の周辺部よりも温度が低くなるように冷却する請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項８】
前記凝固工程において、前記鋳型の前記底面部側から前記鋳型を支持するホルダを配置した状態で、前記鋳型のうち前記底面部の中央部に対応する外表面部位を該外表面部位の周囲よりも温度が低くなるように冷却する請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体インゴットの製造方法。
【請求項９】
前記凝固工程において、前記ホルダとして、前記鋳型の前記外表面部位に対面する部位が該部位の周囲よりも熱伝導率が大きい材料で構成されているものを用いる請求項８に記載の半導体インゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体インゴットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池素子は光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、太陽電池素子の半導体基板としてシリコン基板を用いたものが普及している。シリコン基板は、単結晶または多結晶のシリコンインゴットをワイヤーソー装置などを用いて所定の厚みにスライスすることによって得られる。【０００３】
例えば、単結晶のシリコンインゴットの製造方法としては、チョクラルスキー（ＣＺ）法またはフローティングゾーン（ＦＺ）法などが知られている。また、多結晶のシリコンインゴットの製造方法としてはキャスト法などが知られている。【０００４】
一般に多結晶のシリコンインゴットは、単結晶のシリコンインゴットと比較すれば簡便に製造できるが、半導体基板として多結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子の光電変換効率は、結晶粒界などの結晶欠陥に起因して、単結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子よりも劣ることが一般的である。【０００５】
そこで、キャスト法を用いて、結晶粒界および不純物などの結晶欠陥の少ない、高品質な結晶のシリコンインゴットを製造する方法として、鋳型の底面に不純物および欠陥の少ない種結晶を配置した後に、シリコン融液を鋳型内に注入して、種結晶を起点として一方向に凝固させる方法（シードキャスト法）が提案されている（例えば、特開平１０−１９４７１８号公報および特表２００９−５２３６９３号公報等を参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、シードキャスト法ではシリコン融液を鋳型内に注入する際に、鋳型の底面に配置された種結晶の一部に集中的にシリコン融液が接触し続けるため、種結晶が局所的に溶融しやすい。そして、種結晶の溶融が鋳型の底面にまで及ぶと、シリコンインゴットの底面の一部は種結晶を起点とせずに結晶成長を開始する。このため、結晶品質の低いシリコンインゴットが形成されるおそれがある。特に大量の融液を使用する大型インゴットの製造において、この問題が顕著になる。【０００７】
また、上記の問題を避けるために、種結晶が鋳型の底部にまで溶解しないように全体的に厚い種結晶を用意することは、種結晶およびインゴットの製造コストの増加につながるので望ましくない。【０００８】
さらに、従来のシードキャスト法に用いる一定厚みの種結晶では、融液からの抜熱が鋳型の底面および内周側面から行われるので、結晶成長の際の固液界面が下に凸の形状になりやすい。そのため、結晶成長がインゴットの外周部から中央部へ向かう方向になることで、インゴットの成長に伴って高品質な結晶領域が小さくなったり、鋳型または離型材を起因とする結晶欠陥および不純物欠陥が多くなったりする。【０００９】
そこで、本発明の一つの目的は、高品質で大型のシリコンインゴット等の半導体インゴットが製造できて、この半導体インゴットから切り出した基板を用いて、特に光電変換効率等の特性に優れた太陽電池素子を得ることが可能な半導体インゴットの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体インゴットの製造方法は、半導体融液が注がれる第１主面と該第１主面の反対側に位置する第２主面とを有しているとともに、該第２主面側の中央部が突出している種結晶を準備する種結晶準備工程と、前記半導体融液が注がれる開口部と、底面部と、前記開口部と前記底面部との間に位置している内周側面部とを有している鋳型を準備する鋳型準備工程と、該鋳型の前記底面部に前記種結晶の前記第２主面を下にして前記種結晶を配置する種結晶配置工程と、前記種結晶の前記第１主面の中央部に向けて前記半導体融液を注入する注入工程と、前記鋳型内の前記半導体融液を凝固させる凝固工程とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
上記の半導体インゴットの製造方法によれば、融液を鋳型に注入する際、鋳型の底面に配置された種結晶の一部に集中的に融液が接触し続けて、種結晶が局所的に溶融しても突出部の存在によって、種結晶の溶融がその底面にまで及ばないので、結晶欠陥の少ないインゴットが形成される。【００１２】
また、従来の種結晶に比べて、種結晶と鋳型底面との接触面積が狭いので、鋳型および離型材からの不純物の拡散を少なくすることができる。【００１３】
これにより、高品質な半導体インゴットを製造することができるので、光電変換効率に優れた太陽電池素子を作製可能なシリコンインゴットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる種結晶の一例を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）はその側面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる種結晶の一例を模式的に示す平面図であり、図３（ｂ）はその側面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる種結晶の一例を模式的に示す平面図であり、図４（ｂ）はその側面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる種結晶の一例を模式的に示す平面図であり、図５（ｂ）はその側面図である。
【図６】図６は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる製造装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる製造装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる製造装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本発明に係る半導体インゴットの製造方法の一実施形態に用いる製造装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、太陽電池素子の一例を模式的に示す図であり、受光面側からみた平面図である。
【図１１】図１１は、太陽電池素子の一例を模式的に示す図であり、非受光面側からみた平面図である。
【図１２】図１２は、太陽電池素子の一例を模式的に示す図であり、図１０のＫ−Ｋ線で切断した様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面は模式的に示したものであり、図面において同様な構成および機能を有する部分については同一符号を付す。また、各図における各種構成のサイズおよび位置関係等は正確に図示したものではない。
【００１６】
＜製造装置＞
まず、半導体インゴットを製造する製造装置について説明する。図１に、鋳型２内に半導体インゴット製造用の単結晶または多結晶のシリコンまたはゲルマニウム等からなる種結晶４が配置されて、鋳型２の開口部２ａに種結晶４と同様な材料からなる半導体融液が注がれる様子を示す。
【００１７】
鋳型２は、全体が有底の筒形状であり、例えば坩堝１から半導体融液が注がれる開口部２ａと、底面部２ｂと、開口部２ａと底面部２ｂとの間に位置している内周側面部２ｃとを有している。なお、開口部２ａの外形は四角状または円形状である。なお、半導体融液を鋳型２内に注ぐ方法は、図示されているように坩堝１の上方に設けた開口部から半導体融液を注いでもよいし、例えば、坩堝１の下面にノズルを設けて、このノズルから半導体融液を鋳型２内へ注ぐ方法であってもよい。
【００１８】
坩堝１および鋳型２は、いずれもシリコン等の半導体材料の融点以上の温度において、溶融、変形および分解等がしにくく、さらに半導体材料との反応が生じにくく、半導体インゴット中において、例えばこの半導体材料を用いた太陽電池素子の特性を低下させるような不純物を極力低減した材料からなる。例えばシリコンインゴットを作製する場合は、坩堝１および鋳型２は、いずれも石英またはグラファイト等を用いることができる。
【００１９】
図１に示すように、鋳型２の下面には、鋳型２を支持するホルダ５を配置している。ホルダ５は、例えば石英、グラファイト、または炭素繊維強化炭素複合材等からなり、鋳型２の底面部２ｂと密着して保持するとともに、底面部２ｂの熱量を抜熱する機能と形状とを有している。
【００２０】
さらに、ホルダ５は図示されているように冷却機構６で支持されるとよい。冷却機構６は例えばステンレス等の金属からなり、内部に水等の冷却液が導入される冷却板または水冷ジャケット等である。
【００２１】
種結晶４は、例えば図２に示すように、半導体融液３が注がれる第１主面４ａとこの第１主面４ａの反対側に位置する第２主面４ｂとを有している板状体である。種結晶４は、平面視した際に、例えば角形状または円形状等であり、角形状の場合に各角部が円弧状に面取りされていてもよい。
【００２２】
種結晶４は第２主面４ｂ側に少なくとも１つの突出部４ｃを有している。この突出部４ｃは、第２主面４ｂの少なくとも中央部に配置されている。また、突出部４ｃは、さらに第２主面４ｂの周縁部に沿った部位にも、例えば環状に配置されていて、種結晶４を鋳型２内に安定させることができる。また、種結晶４は後記するように、複数の小種結晶同士が組み合わされていて種結晶４を構成するようにしてもよい。
【００２３】
種結晶４は不純物および結晶粒界などの結晶欠陥の少ない半導体結晶であって、単結晶であることが好ましいが、多結晶であっても構わない。多結晶を用いる場合は、粒径が大きい単結晶領域を含むものを使用することが好ましい。種結晶４の突出部４ｃのサイズおよび形状、さらに板状体の厚みは、半導体融液３の注入の際に底部まで溶けてしまわないように設定する。例えば、突出部４ｃは直径５０〜２００ｍｍ程度の円柱状またはこれと同程度の断面積の角柱状であるとよく、また厚みは５〜５０ｍｍ程度として、板状部の厚みも５〜５０ｍｍ程度であることが好ましい。
【００２４】
また、種結晶４は突出部４ｃも含めて一体であってもよいが、複数の小種結晶を組み合わせてもよい。小種結晶を組み合わせると、種々の形状の鋳型２に容易に対応できるとともに、種結晶およびインゴットの製造コストを低減することができる。
【００２５】
種結晶４を複数の小種結晶から構成する例を図２〜５のそれぞれに示す。図２〜５において、図中の破線９で区分された領域が小種結晶である。例えば図２（ａ），（ｂ）に示すように、４個に等分割された小種結晶４個の下に、これらの小種結晶よりも小さな種結晶を配置した合計５個の小種結晶から構成されてもよい。
【００２６】
また、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、９個に等分割された小種結晶の下に、これらの小種結晶よりも大きな種結晶を配置した合計１０個の小種結晶から構成されてもよい。
【００２７】
また、図４（ａ），（ｂ）に示すように、種結晶４は平面では９個に等分割された小種結晶として、中央下部に配置する小種結晶のみを厚くしてもよい。この場合は、種結晶４を鋳型２内に安定して配置するために、種結晶４の周囲に位置する小種結晶と鋳型２の内周側面との間にも離型材８を介して種結晶４を固定するとよい。
【００２８】
また、図５（ａ）に示すように、種結晶４は９個に等分割された小種結晶と、図５（ｂ）に示すように、これら小種結晶の中央部の下に位置する第１突出部４ｃ１に相当する小種結晶１個と、図５（ｂ）に示すように、図示の左端および右端に種結晶４の一辺と同一長さの長尺の小種結晶２個との合計１２個の小種結晶で構成されていてもよい。また、長尺の小種結晶２個の代わりに環状の小種結晶を配置してもよい。
【００２９】
図５に示す種結晶４のように、種結晶４として、第２主面４ｂ側の周縁部に沿った部位も突出しているものを準備すれば、鋳型２内に種結晶４をさらに安定に配置させることができるのでよい。
【００３０】
また、種結晶４は鋳型２内の底面部２ｂおよび内周側面部２ｃに塗布されたスラリー状の離型材８を乾燥させることで鋳型２に確実に固定できる。このとき、種結晶４の突出部４ｃのみが鋳型２の底面部２ｂに接触する。そのため、鋳型２および離型材８に含まれる不純物の、半導体インゴットへの拡散が低減されて、不純物の少ない良質な半導体インゴットが製造できる。
【００３１】
また、鋳型２内に乾燥済みの離型材を薄く設けた後、スラリー状の離型材を予め形成した離型材の上に塗布して、その上に種結晶４を配置して乾燥させることによって、種結晶４を鋳型２内に固定しつつ離型性を改善することができる。
【００３２】
鋳型２内に塗布されている離型材８は、本来、インゴットの鋳型２への固着および鋳型２から半導体インゴットへの不純物拡散を低減する目的で使用されるが、半導体融液３を注入する際に、種結晶４が動いて正常なシードキャストが実施されなくなることを抑制する効果も有する。
【００３３】
離型材８は例えばシリコンインゴットを作製する場合には、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン等、またはこれらの混合物の粉末をＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダーと水またはアルコールなどの溶剤とから構成される溶液中に混合して、この混合物を攪拌してスラリーとし、これを鋳型内壁に塗布もしくはスプレー等の手段でコーティングする。なお、スラリー状の離型材８に流動性を高めるための添加材等を適宜、混合してもよい。
【００３４】
離型材８は、シリコン融液が凝固した後に、鋳型２の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑え、これらの部材を繰り返して使用することができる。また、鋳型２の底面部および内周側面部における接合部分が、塗布された離型材８によって確実に封止されるため、シリコン融液の漏洩が少なくなる。
【００３５】
種結晶４の周縁部４ｄと鋳型２の内周側面部２ｃとは離型材８などで封止されていてもよいし、隙間が空いていてもよい。離型材８などで封止されている場合は、半導体融液３は種結晶４の下部には到達し得えないので、鋳型２の底面部２ｂおよび離型材８から半導体インゴットへの不純物の拡散を低減できるとともに、結晶の育成の際に上に凸な形状の固液界面を形成しやすくなるので、良好な品質の半導体インゴットを製造することができる。
【００３６】
一方、種結晶４の周縁部４ｄと鋳型２の内周側面部２ｃとの間が空いている場合は、半導体融液３が鋳型２の底面部２ｂに到達して凝固するが、この凝固部と種結晶４との間に空隙が形成されているので、鋳型２および離型材８に含まれる不純物の、半導体インゴットへの拡散は低減されて、不純物の少ない良質な半導体インゴットが製造できる。
【００３７】
種結晶４の突起部４ｃを種結晶の第２主面４ｂ側の中央部に配置することによって、半導体インゴットはその底面中央部から冷却されることとなる。さらに、結晶成長方向がインゴット中央部から周縁部へと向かうため、結晶粒界および転位などの結晶欠陥が低減できる。
【００３８】
種結晶４の突出部４ｃと鋳型２の底面部２ｂとの間に、種結晶４とは熱伝導率が異なる材質からなる板状体７を設置することによって、鋳型２底面からの熱伝導の制御が可能となる。これにより、結晶成長速度や凝固時の固液界面の制御が可能となって、半導体インゴット中の結晶欠陥を低減することができる。さらに、鋳型２および離型材８から半導体インゴットへの不純物の拡散を低減することができる。
【００３９】
種結晶４の突出部４ｃと鋳型２の底面部２ｂとの間に配置させる板状体７の材質としては、シリコン等の半導体材料の融点以上の温度において、溶融、変形および分解がなくて、シリコン等の半導体材料との反応を生じにくく、半導体インゴット中で完成品となる太陽電池素子の特性を低下させるような不純物を極力低減したセラミックスまたは金属等を用いることができ、二酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコンなどが好適に用いられる。
【００４０】
＜製造方法＞
以下、半導体インゴットの製造方法の一例について説明する。
【００４１】
基本的な製造方法について説明する。まず、半導体融液が注がれる第１主面４ａと第１主面４ａの反対側に位置する第２主面４ｂとを有しているとともに、第２主面４ｂ側の中央部が突出している種結晶４を準備する種結晶準備工程を行なう。
【００４２】
次に、半導体融液が注がれる開口部２ａと、底面部２ｂと、開口部２ａと底面部２ｂとの間に位置している内周側面部２ｃとを有している鋳型２を準備する鋳型準備工程を行なう。
【００４３】
次に、鋳型２の底面部２ｂに種結晶４の第２主面４ａを下にして種結晶４を配置する種結晶配置工程を行なう。
【００４４】
次に、種結晶４の第１主面４ａの中央部４ｇに向けて半導体融液３を注入する注入工程を行なう。坩堝１から鋳型２への半導体融液３の注入は、図１に示すように、半導体融液が入った坩堝１を傾けることで、坩堝１の上部の開口部から鋳型２内へ半導体融液を注入してもよいし、坩堝１の底部に注液口を設けて、この注液口から鋳型２内へ半導体融液３の注入を行なってもよい。
【００４５】
そして、鋳型２内の半導体融液を凝固させる凝固工程を行なう。この際、突出部４ｃが種結晶４の中央部に存在することによって、最初の結晶成長方向がインゴット中央部から周縁部へと向かうため、結晶粒界や転位などの結晶欠陥が低減できる。
【００４６】
上述したように、上記種結晶準備工程において、種結晶４として、第２主面４ａ側の周縁部に沿った部位も突出しているものを準備するとよい。
【００４７】
また、上述したように、上記種結晶準備工程において、種結晶４として、複数の小種結晶同士が組み合わされているものを準備するとよい。
【００４８】
また、上記種結晶配置工程において、種結晶４を鋳型２の底面部２ｂに離型材８を介して配置するとよい。
【００４９】
また、図６に示すように、上記種結晶配置工程において、鋳型２の底面部２ｂに種結晶４とは熱伝導率の異なる板状体７を配置して、この板状体７の上に種結晶４を配置するとよい。このような配置によって、上記凝固工程において、結晶の育成の際に上に凸な形状の固液界面を形成しやすくなるので、良好な品質の半導体インゴットを製造することができる。さらに、成長した結晶中に、結晶粒界および不純物などの偏析による結晶欠陥を少なくすることができる。
【００５０】
また、図７に示すように、上記結晶配置工程において、板状体７として、第１板状体７ａと、この第１板状体７ａよりも熱伝導率が小さい複数の第２板状体７ｂとを用意して、種結晶４を配置する前に、第１板状体７ａを種結晶４の第２主面４ｂの中央部４ｇに接触するように鋳型２の底面部２ｂの中央部に配置するとともに、複数の第２板状体７ｂを種結晶４の第２主面４ｂ側の周縁部に接触するように第１板状体７ａの周囲に配置するとよい。
【００５１】
第１板状体７ａ、第２板状体７ｂの材質は、熱伝導率が異なっていれば互いに同じ材質でもよいし、互いに異なる材質でもよい。例えば熱伝導率の異なる２種類の二酸化シリコンの板状体７ａ、７ｂを用いてもよいし、炭化シリコンからなる第１板状体７ａと、窒化シリコンからなる第２板状体７ｂとを組み合わせて用いてもよい。
【００５２】
また、上記凝固工程において、鋳型２の底面部２ｂの中央部を該中央部の周辺部よりも温度が低くなるように冷却するとよい。具体的には、ホルダ５または冷却機構６の中央部をその周辺部よりも温度が低くなるように冷却するとよい。
【００５３】
また、上記凝固工程において、鋳型２の底面部２ｂ側から鋳型２を支持するホルダ５を配置した状態で、鋳型２のうち底面部２ｂの中央部に対応する外表面部位を該外表面部位の周囲よりも温度が低くなるように冷却するとよい。具体的には、例えば、図８に示すように、冷却機構６を中央部６ａとその周縁部６ｂとに分割し、それぞれに温度制御された別系統の冷却液を供給するとともに、冷却機構６の中央部６ａに供給する冷却液の温度を、冷却機構６の周縁部６ｂに供給する冷却液の温度よりも低く設定すればよい。
【００５４】
また、上記凝固工程において、ホルダ５として、鋳型２の外表面部位に対面する部位が該部位の周囲よりも熱伝導率が大きい材料で構成されているものを用いるとよい。具体的には、例えば、図９に示すように、ホルダ５を中央部５ａとその周縁部５ｂとに分割して、中央部５ａをカーボングラファイトで作製するとともに、周縁部５ｂをそれよりも熱伝導率の小さい炭素繊維強化炭素複合材で作製して、両者を組み合わせて一体化することでホルダ５を構成するようにすればよい。
【００５５】
上記の半導体インゴットの製造方法によれば、半導体融液を鋳型２に注入する際に、鋳型２の底面に配置された種結晶４の一部に集中的に半導体融液が接触し続けて、種結晶４が局所的に溶融しても突出部４ｃの存在によって、種結晶４の溶融がその底面にまで及ばないので、結晶欠陥の少ないインゴットが形成される。
【００５６】
また、従来の種結晶に比べて鋳型２の底面との接触面積が狭いので、鋳型２および離型材８からの不純物の拡散を少なくすることができる。これにより、高品質な半導体インゴットを製造することができるので、光電変換効率に優れた太陽電池素子を作製可能なシリコンインゴットを提供することができる。
【００５７】
＜太陽電池素子＞
次に、上記ようにして作製した半導体インゴットから半導体基板を切り出して、これを太陽電池素子の半導体基板として用いることができる。
【００５８】
まず、太陽電池素子の基本構成について説明する。図１０〜１２に示すように、太陽電池素子３０は、光が入射する受光面（図１２における上面）２９ａと、この受光面２９ａの反対側の面である非受光面（図１２における下面）２９ｂとを有する。
【００５９】
この太陽電池素子３０は、半導体基板２１を有しており、この半導体基板２１は一導電型の半導体層である第１半導体層２２と、この第１半導体層２２における受光面２９ａ側に設けられた逆導電型の半導体層である第２半導体層２３とを有する。また、半導体基板２１の受光面２９ａには反射防止層２４が設けられている。また、太陽電池素子３０は半導体基板２１の受光面２９ａ上に設けられた第１電極２５と、半導体基板２１の非受光面２９ｂ上に設けられた第２電極２６とを有する。
【００６０】
次に、太陽電池素子３０のより具体的な構成例について説明する。一導電型（例えば、ｐ型）を有する第１半導体層２２を備えた半導体基板２１として、シリコン基板が好適に用いられる。
【００６１】
まず、半導体基板としてｐ型シリコン基板を用意する。シリコン基板としては、本発明に係るインゴットの製造方法で作製された多結晶シリコンインゴットを所望の形状のブロックに切り出した後、マルチワイヤーソー装置などを用いてスライスして基板状にしたものを用いることができる。
【００６２】
ｐ型化のドーピング元素としてはボロン（Ｂ）を用いることが望ましく、濃度は１×１０１６〜１×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］程度として、このときシリコン基板の比抵抗値は０．２〜２Ω・ｃｍ程度となる。シリコン基板に対するボロンのドーピング方法としては、ボロン元素単体を適量、シリコンインゴット製造時に含ませてもよいし、既にドープ濃度の分かっているボロン含有シリコン塊を適量含ませてもよい。
【００６３】
半導体基板２１の厚みは、例えば、３００μｍ以下であるのが好ましく、２００μｍ以下とするのがさらに好ましい。
【００６４】
第１半導体層２２とｐｎ接合を形成する第２半導体層２３は、第１半導体層２２と逆の導電型を呈する層であり、半導体基板２１における受光面２９ａ側に設けられている。半導体基板２１がｐ型の導電型を呈するシリコン基板においては、第２半導体層２３は半導体基板２１における受光面２９ａ側にリン（Ｐ）等の不純物を拡散させることによって形成できる。
【００６５】
反射防止層２４は、所望の波長領域の光の反射率を低減させて、光生成キャリア量を増大させる役割を果たす。反射防止層２４は、例えば、窒化シリコン膜、酸化チタン膜または酸化シリコン膜などからなる。反射防止層２４の厚みは、構成する材料によって適宜選択されて、適当な入射光に対して無反射条件を実現できるように設定される。例えばシリコンからなる半導体基板２１においては、屈折率は１．８〜２．３程度、厚み５００〜１２００Å程度が好ましい。
【００６６】
半導体基板２１の非受光面２９ｂ側に設けられるＢＳＦ（Back-Surface-Field）領域７は、非受光面２９ｂの近傍でキャリアの再結合による効率の低下を低減させる役割を有しており、非受光面２９ｂ側に内部電界を形成するものである。ＢＳＦ領域２７は第１半導体層２２と同一の導電型を呈しているが、第１半導体層２２が含有する多数キャリアの濃度よりも高い濃度の多数キャリアを有している。ＢＳＦ領域６は、半導体基板２１がｐ型を呈するのであれば、例えば、非受光面２９ｂ側にボロンまたはアルミニウムなどのドーパント元素を拡散させることによって、これらドーパント元素の濃度が１×１０１８〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度となるように形成されるのが好適である。
【００６７】
図１０に示すように、第１電極２５は、第１出力取出電極２５ａと、複数の線状の第１集電電極２５ｂとを有する。第１出力取出電極２５ａの少なくとも一部は、第１集電電極２５ｂと交差している。この第１出力取出電極２５ａは、例えば、１．３〜２．５ｍｍ程度の幅を有している。
【００６８】
一方、第１集電電極２５ｂはその線幅が５０〜２００μｍ程度であり、第１出力取出電極２５ａよりも細い。また、第１集電電極２５ｂは、互いに１．５〜３ｍｍ程度の間隔を空けて複数設けられている。
【００６９】
また、このような第１電極２５の厚みは、１０〜４０μｍ程度である。第１電極２５は、例えば銀粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等からなる電極形成用ペーストをスクリーン印刷等によって所望の形状に塗布した後、これを焼成することによって形成することができる。
【００７０】
また、図１１に示すように、第２電極２６は第２出力取出電極２６ａと第２集電電極２６ｂとを有する。本実施形態の第２出力取出電極２６ａの厚みは１０〜３０μｍ程度、幅は１．３〜７ｍｍ程度である。第２出力取出電極２６ａは、上述の第１電極２５と同等の材質および製法で形成することができる。例えば銀ペーストを所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成してもよい。また、第２集電電極２６ｂは、厚みが１５〜５０μｍ程度であり、半導体基板２１の非受光面２９ｂの第２出力取出電極２６ａの一部を除いた略全面に形成される。この第２集電電極２６ｂは、例えばアルミニウムペーストを所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成することができる。
【実施例】
【００７１】
以下に、上述した実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。【００７２】
図１および図２に示す半導体インゴット製造用の種結晶と鋳型とを用いてシリコンインゴットの作製を行なった。【００７３】
まず、図１に示す石英製の坩堝１と、グラファイト製の鋳型２と、図２に示すような小種結晶５個で構成された種結晶４とをそれぞれ用意した。【００７４】
実施例１では、種結晶４としては、ミラー指数で（１００）面の結晶方位を有しており、１５０ｍｍ角、高さ１０ｍｍの単結晶シリコンを５個用いた。【００７５】
また、実施例２では、種結晶４としては、実施例１の種結晶４に対して、周縁部にも２０ｍｍ×１５０ｍｍ、高さ１０ｍｍの小種結晶を設けたものを用いた。【００７６】
また、実施例３では、実施例２の場合に、ホルダ中央部に熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率グラファイトを用い、ホルダ周縁部にこれよりも熱伝導率が小さい炭素繊維強化炭素複合材を用いた。【００７７】
また、実施例４では、実施例２の場合において、冷却機構６を中央部６ａとその周縁部６ｂとに分割し、冷却水を中央部とその周辺部との２つの系統に流すようにして、中央部６ａに供給する冷却水の設定温度を１５℃、周縁部６ｂに供給する冷却水の設定温度を２０℃としてインゴット製造を行なった。【００７８】
そして、鋳型２の内周側面部２ｃに、平均粒径約０．５μｍの窒化シリコンからなる粉末と、平均粒径約２０μｍの酸化シリコンからなる粉末と、バインダー溶液としてＰＶＡ水溶液とを混合してスラリー状とした離型材８を単位面積当りの塗布重量が約０．１ｇ／ｃｍ２となるように塗布した。その後、種結晶４の突出部４ｃを鋳型２内に離型材８を介して固定した。また、小種結晶の鋳型２の内周側面部２ｃの近傍に位置する箇所も離型材８を介して固定した。【００７９】
坩堝１内に総量１００ｋｇの多数のシリコン塊を投入し、坩堝１の周囲に配置した加熱手段（不図示）によって、坩堝１内のシリコンを加熱・溶融して、約１４２０℃のシリコン融液３を種結晶４の中央部４ｇへ向けて注入し、鋳型２内でシリコンインゴットを作製した。【００８０】
また、比較例として、突出部のない種結晶を用いて実施例と同一条件でシリコンインゴットを作製した。【００８１】
その結果、比較例ではシリコン融液３が集中して接触する種結晶４の中央部において、鋳型２の底面部２ｂに達するまで溶解して、シリコンインゴットの中央部から細かい多結晶が成長していることが、インゴット断面の目視による観察およびフッ酸と硝酸と酢酸との混合液からなる混酸によるエッチピット観察によって観察できた。【００８２】
これに対して実施例１〜４では、いずれもシリコンインゴットの中央部は種結晶４を起点として単結晶成長していることが、インゴット断面の目視による観察および混酸によるエッチピット観察によって確認できた。【００８３】
次に、得られたシリコンインゴットの中央部からシリコン基板をスライスして、その後、これを半導体基板とする太陽電池素子を以下のように作製した（太陽電池素子については図１０〜１２を参照）。【００８４】
まず、本実施例で作製された多結晶シリコンインゴットを厚さ２００μｍ、外形１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、比抵抗１〜１．２Ω・ｃｍの多結晶シリコン基板（半導体基板２１）にスライスして、シリコン基板の表面のダメージ層をＮａＯＨ溶液でエッチングして洗浄した。【００８５】
次に、ドライエッチング法で受光面２９ａにテクスチャを形成した。そして、ＰＯＣｌ３を拡散源とした気相熱拡散法で第２半導体層２３を形成した。このとき、第２半導体層２３のシート抵抗は７０Ω／□であった。さらに、フッ酸溶液による燐ガラスのエッチング除去とレーザービームによるｐｎ分離を行なった後、受光面２９ａにＰＥＣＶＤ法によって反射防止層２４となる窒化シリコン膜を形成した。【００８６】
そして、半導体基板２１の非受光面２９ｂにアルミニウムペーストを略全面に塗布・焼成して、ＢＳＦ領域２７と第２集電電極２６ｂとを形成した。また、受光面２９ａと非受光面２９ｂに銀ペーストを塗布・焼成して、第１電極２５と第２出力取出電極２６ａとを形成して太陽電池素子３０を得た。【００８７】
さらに、各実施例によって得られた半導体基板を用いた太陽電池素子に対して、光電変換効率の測定をＪＩＳ  Ｃ  ８９１３（１９９８）に準拠して行なったところ、比較例の半導体基板を用いた太陽電池素子においては１６．２％であったのに対して、実施例１の半導体基板を用いた太陽電池素子では１６．８％、実施例２の半導体基板を用いた太陽電池素子では１６．５％、実施例３の半導体基板を用いた太陽電池素子では１６．６％、実施例４の半導体基板を用いた太陽電池素子では１６．７％であった。これらの結果によって、結晶性の良好な半導体基板を用いた太陽電池素子ほど特性が改善できることも確認できた。
【符号の説明】
【００８８】
１    ：坩堝
２    ：鋳型
２ａ：開口部
２ｂ：底面部
２ｃ：内周側面部
３    ：半導体融液
４    ：種結晶
４ａ：第１主面
４ｂ：第２主面
４ｃ：突出部
５    ：ホルダ
６    ：冷却機構
７    ：板状体
７ａ：第１板状体
７ｂ：第２板状体
８：離型材
２１    ：半導体基板（シリコン基板）
２２    ：第１半導体層
２３    ：第２半導体層
２４    ：反射防止層
２５    ：第１電極
２５ａ  ：第１出力取出電極
２５ｂ  ：第１集電電極
２５ｃ  ：補助電極
２６    ：第２電極
６ａ  ：第２出力取出電極
６ｂ  ：第２集電電極
２７    ：ＢＳＦ領域
２９ａ  ：受光面
２９ｂ  ：非受光面
３０  ：太陽電池素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2013031923.tif 000016
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