(57)【要約】【課題】完全溶融前に出湯漏れが発生するといった問題点を解消し、特に、鋳造装置の大型化、複雑化を図ることなく簡便な手法で鋳型の温度を高温にすることができ、また、シリコン融液の出湯温度の制御を精確に行うことができる鋳造装置とこれを用いた鋳造方法を提供する。【解決手段】内部にシリコン原料を保持して溶融させ、底部に設けられた出湯口３から出湯させる溶融坩堝１ａと、溶融坩堝１ａの外側において、出湯口３を覆うように垂下して備えられたノズル２と、ノズル２の下方に備えられた鋳型７と、溶融坩堝１ａ内のシリコン原料を加熱してシリコン融液とするための第一加熱手段４と、鋳型７を加熱する第二加熱手段と、ノズル２の内部に、縦方向に複数個配置された複数のシリコン栓５と、を具備して成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にシリコン原料を保持して溶融させ、底部に設けられた出湯口から出湯させる溶融坩堝と、
前記溶融坩堝の外側において、前記出湯口を覆うように垂下して備えられたノズルと、
前記ノズルの下方に備えられた鋳型と、
前記溶融坩堝内の前記シリコン原料を加熱してシリコン融液とするための第一加熱手段と、
前記鋳型を加熱する第二加熱手段と、
前記ノズルの内部に、縦方向に複数個配置された複数のシリコン栓と、を具備して成る鋳造装置。
【請求項２】
前記複数のシリコン栓は、第一シリコン栓と、この第一シリコン栓との間に間隙を有するように下方に配置された第二シリコン栓と、を含む請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記ノズルの内面は、下方に向かってテーパ形状を有する請求項１又は請求項２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鋳造装置を用いて、多結晶シリコンインゴットを鋳造させる鋳造方法であって、
前記溶融坩堝内のシリコン原料を前記第一加熱手段によって加熱溶融してシリコン融液とする溶融工程と、
前記第二加熱手段によって前記鋳型をシリコンの融点以上に予熱する鋳型予熱工程と、
前記第一加熱手段及び／又は前記第二加熱手段によって、前記複数のシリコン栓を加熱溶融して、前記シリコン融液を前記鋳型に出湯させる出湯工程と、を含む鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に太陽電池用多結晶シリコンを鋳造するのに適した鋳造装置、及びこれを用いた鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００３】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきている。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般的にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法とは、離型材を塗布した石英などからなる鋳型内のシリコン融液を冷却固化することによってシリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去したり所望の大きさに切断して切り出し、切り出したインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。
【０００５】
以下にシリコンなどを鋳造する従来の鋳造装置について図３を用いて説明する。図３において１ａは溶融坩堝、１ｂは保持坩堝、２はノズル、３は出湯口、４ａは上部加熱手段、４ｂは側部加熱手段、５は出湯口を塞ぐシリコン栓、６は鋳型加熱手段、７は鋳型を示す。
【０００６】
鋳造装置の上部にシリコン原料を溶融するための溶融坩堝１ａが保持坩堝１ｂに保持されて配置され、溶融坩堝１ａと保持坩堝１ｂの底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口３を有するノズル２が設置される。また、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂが配置され、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型７が配置される。溶融坩堝１ａは耐熱性能とシリコン融液中に不純物が拡散しないことなどを考慮して、例えば高純度の石英などが用いられる。保持坩堝１ｂは石英などでできた溶融坩堝１ａがシリコン融液近傍の高温で軟化してその形状を保てなくなるため、これを保持するためのものであり、その材質はグラファイトなどが用いられる。上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂは、例えば抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。
【０００７】
上記の溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの下部に配置された鋳型７は石英などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材（不図示）を塗布して用いられる。また、この鋳型７の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材（不図示）が設置される。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性などを考慮してカーボン系の材質が一般的に用いられる。また、鋳型７の下方には注湯されたシリコン融液を冷却・固化するための冷却板（不図示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器（不図示）内に配置される。
【０００８】
図３で示される鋳造装置では溶融坩堝１ａの底に出湯口３を有するノズル２を設け、出湯口を塞ぐシリコン栓５であらかじめ出湯口３を塞いでおき、その上にシリコン原料を投入し、溶融坩堝１ａの上部加熱手段４ａと側部加熱手段４ｂで溶融坩堝１ａの上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へ徐々に溶融して、最後に出湯口を塞ぐシリコン栓５を溶融させ、このノズル２から出湯させるように構成されている。このように溶融坩堝１ａの上部から徐々にシリコン原料を溶融させ、シリコン原料が完全に融液となった瞬間に出湯が開始されることからシリコン原料溶融後の出湯を効率よく行うことができる。また、溶融坩堝１ａの底部から垂下するようにノズル２を設けることにより、出湯したシリコン融液の飛散を防止している。
【０００９】
出湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向凝固させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外に取り出して鋳造が完了する。
【００１０】
（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００３−２４７７８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１０５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したような鋳造装置では、出湯口周囲のシリコン原料及びノズル付近のシリコン原料がシリコンの融点以上の温度になると、シリコン栓が溶融してしまい、坩堝内のシリコン原料が完全に溶融する前にシリコン融液が鋳型内に出湯する、いわゆる出湯漏れが起きてしまうために、出湯口周囲のシリコン原料及びノズル付近のシリコン原料を低温に保つ必要があるという問題があった。また低温に保つために、溶融中は鋳型加熱手段によって、坩堝の下方に位置する鋳型の温度を高温にすることができないという問題もあった。
【００１２】
出湯口周囲のシリコン原料及びノズル付近のシリコン原料を低温に保つため、鋳型加熱手段６を用いて鋳型７の予熱をしない、又は予熱温度が低い場合は、低温の鋳型７に融点以上のシリコン融液が注ぎ込まれるため、例えば石英鋳型などを用いたような場合、急激なヒートショックにより鋳型７にクラックが生じ、それに伴い鋳型内表面にコーティングした離型材層９にもクラックが生じ、鋳型７からのシリコン漏れが生じる。また、例えば黒鉛鋳型を用いたような場合は鋳型７にクラックは生じないが、離型材層９にクラックが生じ、その結果、鋳型７とシリコン融液が接触することで起きるシリコンインゴットのワレなどの問題があった。
【００１３】
鋳型の温度を高温にするための解決策として、例えば特許文献２に以下の鋳造装置が開示されており、この鋳造装置を図４に示す。図４において１ａは溶融坩堝、１ｂは保持坩堝、３は出湯口、４ａは上部加熱手段、４ｂは側部加熱手段、７は鋳型、８は蓋部材を示す。
【００１４】
この鋳造装置においても基本的な構造は図３に示す従来の鋳造装置と同じで、鋳造装置の上部にシリコン原料を溶融するための溶融坩堝１ａが保持坩堝１ｂに保持されて配置され、溶融坩堝１ａと保持坩堝１ｂの底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口３が設けられ、この出湯口３に冷却手段として可動式の水冷金属板から成る蓋部材８が設けられている。また、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂが配置され、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型（不図示）が配置される。
【００１５】
図４に示されるように、上部加熱手段４ａと側部加熱手段４ｂで溶融坩堝１ａ内の上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へと徐々に溶融させる。そして、冷却手段として用いられる蓋部材８によって出湯口３に流れ落ちてきたシリコン融液が再度凝固するため、シリコン融液が出湯するのを防ぐ。その後、溶融坩堝１ａ内のシリコン原料がすべて溶融したのちに、蓋部材８を取り去ることで、出湯漏れをおこすことなくシリコン融液を出湯させることができる。この鋳造装置を用いて鋳型７の上部に加熱手段を設ければ、出湯前に鋳型を高温にしても、誤って出湯されることは無いが、冷却手段に代表される出湯制御装置の設置が必要であるために初期投資が嵩むほか、装置全体が大型化、複雑化してしまうといった問題があった。
【００１６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、完全溶融前に出湯漏れが発生するといった問題点を解消し、特に、鋳造装置の大型化、複雑化を図ることなく簡便な手法で鋳型の温度を高温にすることができ、また、シリコン融液の出湯温度の制御を精確に行うことができる鋳造装置とこれを用いた鋳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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る鋳造装置は、内部にシリコン原料を保持して溶融させ、底部に設けられた出湯口から出湯させる溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外側において、前記出湯口を覆うように垂下して備えられたノズルと、前記ノズルの下方に備えられた鋳型と、前記溶融坩堝内の前記シリコン原料を加熱してシリコン融液とするための第一加熱手段と、前記鋳型を加熱する第二加熱手段と、前記ノズルの内部に、縦方向に複数個配置された複数のシリコン栓と、を具備して成る。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記複数のシリコン栓は、第一シリコン栓と、この第一シリコン栓との間に間隙を有するように下方に配置された第二シリコン栓と、を含むようにした。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る鋳造装置は、請求項１又は請求項２に記載の鋳造装置において、前記ノズルの内面は、下方に向かってテーパ形状を有するようにした。
【００２０】
また、本発明の請求項４に係る鋳造方法は、本発明の鋳造装置を用いて、多結晶シリコンインゴットを鋳造させる鋳造方法であって、前記溶融坩堝内のシリコン原料を前記第一加熱手段によって加熱溶融してシリコン融液とする溶融工程と、前記第二加熱手段によって前記鋳型をシリコンの融点以上に予熱する鋳型予熱工程と、前記第一加熱手段及び／又は前記第二加熱手段によって、前記複数のシリコン栓を加熱溶融して、前記シリコン融液を前記鋳型に出湯させる出湯工程と、を含む。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明に係る鋳造装置は、内部にシリコン原料を保持して溶融させ、底部に設けられた出湯口から出湯させる溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外側において、前記出湯口を覆うように垂下して備えられたノズルと、前記ノズルの下方に備えられた鋳型と、前記溶融坩堝内の前記シリコン原料を加熱してシリコン融液とするための第一加熱手段と、前記鋳型を加熱する第二加熱手段と、前記ノズルの内部に、縦方向に複数個配置された複数のシリコン栓と、を具備して成る。このようにノズル内でシリコン栓が縦方向に複数個配置されるという極めて簡単な構成であるが、第一加熱手段や第二加熱手段によって、溶融坩堝や、ノズル下部に配置した鋳型の温度を高温にしても、全てのシリコン栓が溶融してしまうことがない。その結果、溶融坩堝から鋳型への出湯漏れを起こす問題を抑えることができ、簡単な装置構成で鋳型の温度をシリコン原料の融点以上に加熱することができるようにもなる。また、鋳型の温度を高温としておけるため、出湯直後にシリコン融液が急速に凝固することを防止できるから、高品質なシリコンインゴットを得ることができるようになる。
【００２２】
また、複数のシリコン栓は、第一シリコン栓と、この第一シリコン栓との間に間隙を有するように下方に配置された第二シリコン栓と、を含むようにした。このように、複数のシリコン栓間に間隙を存在させるようにしたことにより、これらのシリコン栓の間での熱の授受を抑えることができ、仮に一方のシリコン栓が高温になったとしても他方のシリコン栓はその影響をより一層受けにくくなる。その結果、溶融坩堝から鋳型への出湯漏れを防止する効果を更に高めることができる。
【００２３】
また、ノズルの内面が下方に向かってテーパ形状を有するようにすれば、シリコン栓の大きさを変えることによって、ノズル内における縦方向の位置を自在に調整することができ、極めて簡単に本発明の構成を得ることができる。
【００２４】
以上のような本発明の鋳造装置を用いて、多結晶シリコンインゴットを鋳造させる本発明に係る鋳造方法は、溶融坩堝内のシリコン原料を第一加熱手段によって加熱溶融してシリコン融液とする溶融工程と、第二加熱手段によって鋳型をシリコンの融点以上に予熱する鋳型予熱工程と、第一加熱手段及び／又は第二加熱手段によって、複数のシリコン栓を加熱溶融して、シリコン融液を鋳型に出湯させる出湯工程と、を含むようにしている。特に、鋳型予熱工程を含んでいることから、鋳型の温度が低いために出湯直後にシリコン融液が急速に凝固してしまうようなことがなく、一方向凝固性に優れた高品質な多結晶シリコンインゴットを作製できる。
【００２５】
以上のように、本発明の鋳造装置、これを用いた鋳造方法を用いて作製した多結晶シリコンインゴットをスライスして得られる多結晶シリコン基板は、低コストであるとともに、その結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈し、基板の面内において、均一な電気的特性を有するものとなる。したがって、この多結晶シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成すれば、基板の厚み方向に電界を形成したときに、基板内部で発生したキャリアの進行方向と結晶粒界とがほぼ平行に位置するようになり、キャリアの再結合を防止する効果に優れ、太陽電池として高い特性を有するとともに、均一な品質特性を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る鋳造装置の一実施形態を示す縦断面図であり、１ａは溶融坩堝、１ｂは保持坩堝、２はノズル、３は出湯口、４は第一加熱手段（上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂ）、５はノズル内に設置する複数のシリコン栓、６は第二加熱手段である鋳型加熱手段、７は鋳型、９は離型材層、１０はシリコン融液、１１は鋳型断熱材、１２は冷却板を示す。
【００２８】
図１に示すように、溶融坩堝１ａは、投入されたシリコン原料を内部に保持して溶融させ、得られたシリコン融液１０を底部に設けられた出湯口３から出湯させ、鋳型７に注湯するものである。なお、溶融坩堝１ａで溶融されて鋳型７に注湯されたシリコン融液１０を冷却・凝固し、得られたシリコンインゴットは、例えば太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる。
【００２９】
溶融坩堝１ａは通常、高純度の石英などが用いられるが、シリコン原料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解などを生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。また、溶融坩堝１ａは高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイトなどからなる保持坩堝１ｂで保持される。また、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの寸法は、一度に溶融する溶融量に応じたシリコン原料を内包できる寸法とする。シリコン原料の溶融量は、およそ１７０ｋｇ以内の範囲である。
【００３０】
また、溶融坩堝１ａの内部のシリコン原料を加熱してシリコン融液とするための第一加熱手段４として、溶融坩堝１ａ、保持坩堝１ｂの上部には上部加熱手段４ａ、側部には側部加熱手段４ｂがそれぞれ配置されている。これらの加熱手段としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。なお、第一加熱手段４としては、図１に示す配置に限定されるものではなく、溶融坩堝１ａ内のシリコン原料を加熱して溶融しうる位置に配置されていればよい。
【００３１】
溶融坩堝１ａの底部には、シリコン融液１０を下方に配置された鋳型７に出湯させる出湯口３を溶融坩堝１ａの外側から覆うように垂下したノズル２が設けられている。
【００３２】
鋳型７は、ノズル２の下方に配置され、上方に向かって開放した開放部を有し、出湯したシリコン融液をこの開放部によって受けるとともに、その内部においてこのシリコン融液１０を保持しつつ、下方から上方へ向けて一方向凝固させる役割を有する。鋳型７の材質としては、例えば、石英や黒鉛などからなる。
【００３３】
鋳型７の内表面部には離型材層９を設けておくことが望ましい。離型材層９の材質としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）などによって形成することができる。このような離型材層９を設けることによって、シリコン融液１０が凝固した後に鋳型７の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑制することができる。
【００３４】
鋳型７の周りには、鋳型側面からの抜熱を抑制するため鋳型断熱材１１を設置することが望ましい。鋳型断熱材１１は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボンフェルト等の材質が一般的に用いられる。また、鋳型７の下方には注湯されたシリコン融液を下方から抜熱して冷却・固化するための金属板等から成る冷却板１２を設置するようにしても良い。
【００３５】
なお、これらの鋳造装置は、真空容器（不図示）内に配置し、不活性ガス等の還元雰囲気下で行うようにすることが、不純物の混入や酸化を防ぐ点で望ましい。
【００３６】
溶融坩堝１ａの底部に設ける出湯口３の位置は溶融坩堝１ａ内の最低部であれば、図上の如何なる位置でも構わないが、溶融坩堝１ａ内での水平方向の温度分布を考慮して中心位置に設けることが望ましい。出湯初期においては、出湯口３を通過するシリコン融液１０は液位による圧力によって押し出されるが、出湯後期には液位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で出湯口３から流れ出るようになる。したがって、無駄なく出湯させるためには、溶融坩堝１ａの底部は出湯口３に向かって低くなるようにある一定以上の傾斜があるほうが好ましい。また、溶融坩堝１ａの本体の形状は、特に図１に限定されるものではない。
【００３７】
ノズル２は保持坩堝１ｂにぶつからない範囲で、熱によりノズル２の形状が変化しない程度の強度を持たせるために、肉厚を厚くすることが望ましい。ノズル２の先端の開口部はシリコン融液１０が円滑に出湯できる程度の大きさを有していることが好ましい。
【００３８】
さらに、ノズル２内には、溶融坩堝１ａ内のシリコン原料を保持し、溶融したシリコン原料が出湯口３から漏れないようにするためにシリコン栓５が配置される。このシリコン栓５はシリコン原料を加工したものである。なお、本発明では、シリコン栓５を縦方向に複数配置しているが、詳細については後述する。ノズル２より上方に位置するように配設された第一加熱手段４である、上部加熱手段４ａ及び側部加熱手段４ｂによって、溶融坩堝１ａ内のシリコン原料が上部から下部へと徐々に溶融されてシリコン融液１０となる。シリコン栓５は、シリコン原料が完全に溶融される前に出湯漏れが起こらないようにする役割を有している。
【００３９】
また、本発明では、シリコン融液１０を鋳型７に出湯する前に、予め鋳型７を加熱しておくための第二加熱手段である鋳型加熱手段６が設けられている。鋳型加熱手段６は、例えば、カーボンヒーターなどによって構成され、鋳型７を予熱する他、鋳型７に出湯したシリコン融液の表面を適度に加熱することによって、鋳型７に対して下方から上方に向かって上昇する温度勾配を付与し、シリコン融液を鋳型７の下部から徐々に上方向に向かって一方向凝固させる機能を有している。
【００４０】
次に、本発明の鋳造装置に係るシリコン栓５の構成についてより詳しく説明する。
【００４１】
上述したように、本発明の鋳造装置に係るシリコン栓５は、一本のノズル２の内部に複数配置されている。シリコン栓５を複数設けることで、シリコン栓５を１つだけ設ける場合に比べて、特に鋳型７側の熱がシリコン栓５に伝わることを低減することができ、坩堝内のシリコン原料が完全に溶融する前にシリコン栓５が溶融してしまい、シリコン融液１０が鋳型７内に出湯するといった問題を抑制することができる。また、溶融坩堝１ａの下方に位置する鋳型７の温度を溶融中に予熱して高温にしておくことができるから、出湯直後にシリコン融液が急速に凝固することを防止でき、高品質なシリコンインゴットを得ることができるようになる。
【００４２】
さらに、図２に示すように、複数のシリコン栓５は、第一シリコン栓５ａと、この第一シリコン栓５ａとの間に間隙を有するように下方に配置された第二シリコン栓５ｂとを含むようにすることが望ましい。図２は、シリコン栓５を複数設けた場合のノズル２付近のより好ましい構成に係る模式図を示す。２はノズル、５ａは第一シリコン栓、５ｂは第二シリコン栓、１３は複数のシリコン栓の間隙である。このように縦方向に配置したシリコン栓５の間に間隙１３を設けることで、鋳型７側を加熱したとしても、その熱が上方のシリコン栓５に伝わることを低減することができるため、鋳型７の温度を従来以上に高温にすることができる。
【００４３】
具体的には、図２に示した場合の熱通過率ｋ（Ｗ／ｍ２・Ｋ）はｋ＝１／（δ１／λ１＋１／ｈ＋δ２／λ２）で表される。δ１、δ２はそれぞれ第一、第二シリコン栓の厚み（ｍ）、λ１、λ２はそれぞれ第一、第二シリコン栓の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、ｈは第一、第二シリコン栓間の間隙１３と各シリコン栓への熱伝達率（Ｗ／ｍ２・Ｋ）である。
【００４４】
ここで、第一、第二シリコン栓５ａ、５ｂの熱伝導率λ１、λ２は０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、例えば、第一、第二シリコン栓５ａ、５ｂの厚みδ１、δ２を０．０１ｍとし、シリコン栓の間隙１３の距離を０．０２ｍとして熱伝達率ｈを１０Ｗ／ｍ２・Ｋとすると、ｋ＝５．６Ｗ／ｍ２・Ｋとなる。一方、第一シリコン栓５ａのみの場合はｋ＝２５Ｗ／ｍ２・Ｋとなり、複数のシリコン栓を設けた場合と比較して４．５倍の熱通過率になることがわかる。このように、複数のシリコン栓を設け、かつシリコン栓間に空間を設けることで、鋳型７側の熱がシリコン栓５に伝わることを低減することができ、鋳型７の予熱温度を高温にすることが可能になる。例えば、第二加熱手段である、鋳型上方に位置する鋳型加熱手段６が十分な加熱能力を有するようにすれば鋳型７の予熱温度をシリコンの融点近傍、又は融点以上に加熱することが可能になる。
【００４５】
鋳型温度が低いときには、シリコン融液を出湯したときに、シリコン融液は急激に冷却されることになり、鋳型７に注ぎ込まれた直後から鋳型７の底部に位置するシリコン融液は凝固される。その結果、凝固初期のコントロールが非常に困難になり、多結晶シリコンインゴットの品質のばらつきを生む結果となる。シリコンの融点以上に鋳型７が加熱されているような場合は、出湯直後にもシリコン融液の温度が低下することなく、鋳型７の底部で凝固が始まることがないために、出湯終了後から多結晶シリコンインゴットの凝固コントロールが可能になり、品質のコントロールが容易となる。
【００４６】
なお、現実的には、ノズル２付近の精度や、溶融坩堝を繰り返し使用することでノズル２付近が熱履歴により変形するために、複数のシリコン栓が完全に密着することはなく、シリコン栓を複数設けるだけで空間が生じることになり、鋳型７側からの断熱層としての役割を果たし同じような効果を得ることは可能であるが、シリコン栓間の接触が起きることで制御が困難になる可能性があるために、あらかじめ空間を設けることが好ましい。
【００４７】
また、図１や図２に示すように、ノズル２の内面が下方に向かってテーパ形状を有するようにすれば、シリコン栓５の大きさを変えることによって、ノズル２内におけるシリコン栓５の縦方向の位置を自在に調整することができ、極めて簡単に本発明の構成を得ることができるから望ましい。
【００４８】
このような本発明に係るシリコン栓５（５ａ、５ｂ）は、最終的に溶融して融液となりシリコンインゴットの中に入るため、原料シリコンと同レベルの純度のものを用いることが望ましい。例えば本発明により作製された多結晶シリコンや、原料に用いる多結晶もしくは単結晶シリコンの塊などを使用すればよい。これらの塊を旋盤加工、研削加工、研磨加工もしくはこれらの組み合わせにより加工してシリコン栓５を得る。また不純物の混入を防ぐため前記機械加工の後に化学薬品によるエッチングや洗浄を適宜加えてもよい。
【００４９】
また、溶融坩堝１ａ内部のシリコン原料が加熱されてシリコン融液１０となっても、ノズル２の内部に配置されたシリコン栓５の部分の温度が、シリコンの融点（約１４２０℃）より低く保たれれば、シリコン融液１０が鋳型７内に出湯することはない。ここで第二加熱手段である鋳型加熱手段６によって、ノズル２の内部に配置されたシリコン栓５が溶融されるようにすれば、簡単な装置構成で、容易に出湯開始のタイミングを任意に図ることができる。その結果、出湯のタイミングのバラツキを抑えることができ、ひいてはシリコン融液の出湯温度のバラツキを抑えることが可能となる。なお、鋳型加熱手段６によって、ノズル２の内部に配置されたシリコン栓５を溶融可能とするためには、鋳型加熱手段６とシリコン栓５との位置関係を調整すれば良い。このようにシリコン栓５のサイズを調整して鋳型加熱手段６から適正な距離に配置してやることによって、鋳型加熱手段６をほんの僅か加熱してやるだけでノズル２の所定領域の温度をシリコンの融点以上に上げ、シリコン栓５を容易に溶融することが可能となる。なお、シリコン栓５を溶融させるためには、鋳型加熱手段６だけに限らず、第一加熱手段４である上部加熱手段４ａや側部加熱手段４ｂを用いて行うようにしても構わない。
【００５０】
次に、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法について説明する。これは、図１に例示した本発明の鋳造装置を用いて行われるものであり、以下に示す三つの工程を備える。
【００５１】
（１）溶融工程：溶融坩堝１ａの内部に保持したシリコン原料を第一加熱手段４（上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂ）によって加熱溶融してシリコン融液１０にする。
【００５２】
（２）鋳型予熱工程：第二加熱手段である鋳型加熱手段６を用いて鋳型７を予熱し、その温度が、シリコンの融点以上になるように加熱する。
【００５３】
（３）出湯工程：第一加熱手段４（上部加熱手段４ａ、側部加熱手段４ｂ）及び／又は第二加熱手段（鋳型加熱手段６）によって、複数のシリコン栓５を加熱溶融し、溶融坩堝１ａ内のシリコン融液１０を鋳型７に出湯させる。
【００５４】
なお、シリコン栓５を溶融させて、溶融坩堝１ａ内のシリコン融液を出湯した後は、鋳型加熱手段６を所定の加熱状態に保持し、鋳型７を上方から加熱することが望ましい。また、出湯した後は、鋳型７の周囲の鋳型断熱材１１によって、鋳型７の側面からの抜熱を抑制しつつ、冷却板１２などにより鋳型７を底部から冷却すれば、鋳型７に対して下方から上方に向けて適正な温度勾配を付与することができる。これによって、鋳型７の内部に出湯されたシリコン融液を下方から上方に向けて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを作製することができる。
【００５５】
多結晶シリコンインゴットの一方向凝固性を向上させるためには、出湯直後に鋳型７内でシリコン融液を急速に凝固させないことが重要である。鋳型７の内表面温度が低すぎると、出湯と同時に低温の鋳型内面（側面及び底面）に沿って融液が冷却され、急速に初期凝固層が形成され、これを下地として多結晶シリコンが成長するため、一方向凝固が阻害されてしまう。これに対して、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、鋳型７の予熱をシリコンの融点以上に加熱する。これにより、出湯直後のシリコン融液をシリコンの融点よりも高い加熱状態に保持できるため、出湯直後に結晶粒が細かい凝固層が鋳型内面に沿って形成されることを抑制し、一方向凝固性に優れた多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
【００５６】
上述のように、本発明の鋳造装置、これを用いた鋳造方法を用いて作製した多結晶シリコンインゴットは、一方向凝固性に優れた品質の良い多結晶インゴットとなる。そして、本発明の方法によれば、加熱若しくは冷却手段に代表される出湯制御装置を伴わなく品質が良い多結晶インゴットを作製することが可能であり、装置が複雑化することなく、設備への投資を最小限に止めることができるため、安価な太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの製造が期待できる。
【００５７】
さらに、本発明の鋳造方法によって作製された多結晶シリコンインゴットを凝固方向に対して略直交する方向にスライスして得られる多結晶シリコン基板は、低コストであるとともに、一方向凝固性に優れているため、その殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈し、基板の面内において、均一な電気的特性を有するものとなる。この多結晶シリコン基板は、上述したように一方向凝固性に優れているため、殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状となり、凝固・冷却中にシリコン凝固層に入る熱応力誘起転位が大きく抑制されるので、この基板を用いて形成された太陽電池素子は、基板の厚み方向に電界を形成したときに、基板内部で発生したキャリアの進行方向と結晶粒界とがほぼ平行に位置するようになる。その結果、キャリアの再結合を防止する効果に優れ、太陽電池として高い特性を有するとともに、均一な品質特性を得ることが可能となる。
【００５８】
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
【００５９】
例えば、シリコン栓５を加熱する加熱手段をさらに別に設けても良い。このようにすることにより、その他の部分の影響を考慮することなく、シリコン栓５を溶融させることが可能になるとともに、短時間でシリコン栓５を溶融させることができるようになるため、溶融坩堝１ａの中のシリコン融液１０の出湯のタイミングをさらに任意に図ることが可能になる。
【実施例】
【００６０】
以下、上述で説明した図１に示す鋳造装置を用いて実施した本発明の実施例について説明する。
【００６１】
鋳型７としては、上方に開放した石英製の鋳型を用いた。そして、石英からなる溶融坩堝１ａをグラファイトからなる保持坩堝１ｂで保持し、溶融坩堝１ａ内に１００ｋｇのシリコン原料を投入した。ノズル２は筒状で下方に向かって先細な形状であり、上端部から下端部までの直線距離を５ｃｍとした。また、ノズル２の内部には二つの第一、第二シリコン栓５ａ、５ｂを設けられ、第一、第二シリコン栓５ａ、５ｂの厚みを１ｃｍとし、シリコン栓の間隙１３の距離を２ｃｍとした。溶融坩堝１ａの上部に上部加熱手段４ａを設け、側部にはノズル２より上方に側部加熱手段４ｂを設置し、これらの第一加熱手段４によって溶融坩堝１ａ内のシリコン原料を溶融させた。
【００６２】
出湯に先立って、第二加熱手段である鋳型加熱手段６に通電し、鋳型７の内表面温度をシリコン融点（１４２０℃）よりも高い１４５０℃に保持した。第一加熱手段４を制御し、溶融坩堝１ａ内のシリコン融液１０の温度を上昇させ、シリコン融液温度を所定温度に維持したが、シリコン融液１０の漏出は全く観察されなかった。その後、第一加熱手段４と第二加熱手段（鋳型加熱手段６）をさらに加熱制御して、第一、第二シリコン栓５ａ、５ｂを溶融し、溶融坩堝１ａ下部に配設された鋳型７内にシリコン融液を注湯した。なお、鋳型７の内表面温度及びシリコン融液１０の温度については、いずれも赤外線放射温度計による表面温度測定によりモニタしながら行った。
【００６３】
また、従来例１として、図３に示す従来の鋳造装置を用いて同様の注湯作業を行なった。ただし、ノズル２の内部には厚さ１ｃｍの一つのシリコン栓を設けた。なお、鋳型７の内表面温度をシリコン融点（１４２０℃）よりも高い温度に保持しようとしたところ、シリコン融点を超える前にシリコン栓が溶融して、シリコン融液が鋳型７に漏出し、その後、溶融坩堝１ａ下部に配設された鋳型７内にシリコン融液が注湯された。
【００６４】
次に、従来例２として、従来例１と全く同様に実験を行った。なお、従来例１と異なる箇所は、出湯に先立って、鋳型７の内表面温度を１０００℃に保持して、溶融坩堝１ａ下部に配設された鋳型７内にシリコン融液を注湯した点である。
【００６５】
以上のように、実施例、従来例１、従来例２について、鋳型７の内部に注湯した後、鋳型７の下方に配された冷却板１２及び鋳型７を上方から加熱する鋳型加熱手段６によって、鋳型７に対して下方から上方に向けて所定の温度勾配を付与するのと同時に、鋳型断熱材１１によって、側面方向からの抜熱を抑制しつつ、シリコン融液１０を鋳型７の内部に保持しつつ一方向凝固させ、実施例、従来例１、２の多結晶シリコンインゴットを作製した。
【００６６】
その後、多結晶シリコンインゴットから所定領域を３００μｍの厚さでスライスして多結晶シリコン基板を得た。この多結晶シリコン基板を観察したところ、実施例に係る試料は、その殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈しており、良好に一方向凝固していた。それに対して、従来例１に係る多結晶シリコン基板は出湯のタイミングを制御することができず、さらに鋳型７の内表面温度を高くすることができなかった。また、従来例２に係る多結晶シリコン基板は、出湯前の鋳型７の内表面温度を高目に制御できなかった。これらの理由により、いずれも出湯と同時に低温の鋳型側面に沿って大きな初期凝固層が形成され、その結果、鋳肌に接した側の結晶は結晶成長方向に対し斜めにスライスされ、結晶粒はアスペクト比の大きな横長の形状を呈し、本発明の鋳造方法に係る実施例の多結晶シリコン基板と比べて、一方向凝固性が悪いことが明かであった。
【００６７】
これらの基板を用いて、一般的なバルク型太陽電池素子を作製し、太陽電池素子の変換効率を特性評価した。
【００６８】
その結果、実施例においては変換効率１６．０％となったが、従来例１では、１５．３％、従来例２では、１５．４％であった。
【００６９】
以上のように、本発明の鋳造方法に係る多結晶シリコン基板を用いて形成した太陽電池素子は、従来例のものよりも良好な特性が得られた。これは、本発明の鋳造装置、及び本発明の鋳造方法を用いて形成された多結晶シリコンインゴットのうち、実質的に太陽電池用基板として使用される部分の一方向凝固性が向上したために、凝固・冷却中に多結晶シリコンインゴットに入っていた熱応力誘起転位が大きく抑制されたものと推測される。
【００７０】
以上のように実施例により本発明の効果を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る鋳造装置の一実施形態を示す概略断面構造図である。
【図２】本発明に係るシリコン栓の実施形態を示す部分拡大図である。
【図３】従来の鋳造装置の一実施形態を示す概略断面構造図である。
【図４】従来の鋳造装置の他の実施形態を示す概略断面構造図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ａ：溶融坩堝
１ｂ：保持坩堝
２：ノズル
３：出湯口
４：第一加熱手段
４ａ：上部加熱手段
４ｂ：側部加熱手段
５：シリコン栓
５ａ：第一シリコン栓
５ｂ：第二シリコン栓
６：第二加熱手段である鋳型加熱手段
７：鋳型
８：蓋部材
９：離型材層
１０：シリコン融液
１１：鋳型断熱材
１２：冷却板
１３：複数のシリコン栓の間隙
【図１】
2006242417.tif 000003
【図２】
2006242417.tif 000004
【図３】
2006242417.tif 000005
【図４】
2006242417.tif 000006