(57)【要約】【課題】シリコン融液の鋳型への注湯衝撃で発生する、離型材の剥離や異物の混入を極力防止することで、異物混入量が低く、異物混入量が低く高品質の多結晶シリコンインゴットを鋳造するのに適した鋳造装置及び多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を提供する。【解決手段】溶融坩堝１ａの内部に保持したシリコン原料を、加熱溶融してシリコン融液５を形成し、このシリコン融液５を内側に離型材７ａが設けられた鋳型７に注湯して、鋳型７内で凝固させる多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、溶融坩堝１ａから鋳型７へとシリコン融液５を注湯するときに、このシリコン融液５に螺旋流Ｆを形成させる。【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、底部に設けられた注湯口から出湯させる溶融坩堝と、
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加熱手段と、
前記溶融坩堝の外側において、前記注湯口を覆うように垂下して備えられた注湯管と、
前記注湯管の下方に備えられ、内側に離型材が設けられた鋳型と、
前記鋳型に注湯するシリコン融液に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段と、を具備して成る鋳造装置。
【請求項２】
前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内に設けられた螺旋状の通路である請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内の壁面に固定保持された螺旋状のフィンである請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項４】
前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内の壁面に加工された螺旋状の溝である請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項５】
前記螺旋流発生手段は、前記注湯管の出口部に配置されるとともに、この注湯管から前記鋳型に落下するシリコン融液に不活性ガスを吹きつけて旋回力を付与せしめるガス供給孔である請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項６】
溶融坩堝の内部に保持したシリコン原料を、加熱溶融してシリコン融液を形成し、このシリコン融液を内側に離型材が設けられた鋳型に注湯して、鋳型内で凝固させる多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、
前記溶融坩堝から前記鋳型へと前記シリコン融液を注湯するときに、このシリコン融液に螺旋流を形成させるようにした多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異物混入の少ない高品質の多結晶シリコンインゴットを鋳造するのに適した鋳造装置及び多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原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、現在市場に流通しているものの多くは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、さらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質がよいために変換効率の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シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加し、より低コストで高い変換効率が求められている。このような要求に対処するためには、シリコン中に混入する異物の低減化が重要な要素となっている。
【０００３】
ところで、上述した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、離型材を塗布した鋳型内にシリコン融液を注湯し、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て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。
【０００４】
図６に特許文献１に記載されているシリコンなどを鋳造する従来の鋳造装置を示す。
【０００５】
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１０１ａが保持坩堝１０１ｂに保持されて配置され、溶融坩堝１０１ａと保持坩堝１０１ｂの底部にはシリコン融液を注湯するための注湯口１０３を有するノズル部１０２が設けられる。また、溶融坩堝１０１ａ、保持坩堝１０１ｂの上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１０４ａ、側部加熱手段１０４ｂが配置され、溶融坩堝１０１ａ、保持坩堝１０１ｂの下部にはシリコン融液１０５が注ぎ込まれる鋳型１０７が配置される。溶融坩堝１０１ａ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１０１ｂは石英などでできた溶融坩堝１０１ａ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１０４ａ、側部加熱手段１０４ｂ、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。
【０００６】
上記の溶融坩堝１０１ａ、保持坩堝１０１ｂの下部に配置された鋳型１０７は石英などからなり、その内側に酸化珪素や窒化珪素などを主成分とする離型材１０７ａを塗布して用いられる。また、この鋳型１０７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１０７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。
【０００７】
図６で示される鋳造装置を用いてシリコンインゴットを作製する場合、次のような手順となる。まず、溶融坩堝１０１ａの底部に設けたノズル部１０２の注湯口１０３をシリコン原料１０６で塞いでおき、その上で溶融坩堝１０１ａ内にシリコン原料を投入する。その後、上部加熱手段１０４ａと側部加熱手段１０４ｂで溶融坩堝１０１ａ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。ノズル部１０２の注湯口に近い原料は低温に保って、溶融坩堝１０１ａの中で溶融されたシリコン融液１０５が注湯するのを防ぐ。その後、溶融坩堝１０１ａ内のシリコン原料がすべて溶融したのちに、注湯口を塞ぐシリコン原料１０６を最後に溶融させる。このようにすることによって、溶融坩堝１０１ａのシリコン原料が完全に融液となった瞬間に注湯が開始されることからシリコン原料溶融後の注湯を効率よく行うことができる。また、溶融坩堝１０１ａの底部から垂下するようにノズル部１０２を設けることにより、注湯したシリコン融液の飛散を防止している。
【０００８】
注湯後は、鋳型１０７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。
【特許文献１】特開２００３−２４７７８３号公報
【特許文献２】特開平１１−１８０７１１号公報
【非特許文献１】15th Photovoltaic Specialists Conf. (1981), P576〜P580, "A NEW DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE FOR POLYCRYSTALLINE SOLAR GRADE SILICON"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、離型材１０７ａを塗布した鋳型１０７内にシリコン融液を注湯する上記鋳造方法においては、鋳型１０７内に落下するシリコン融液の衝撃により鋳型内壁にコーティングした離型材１０７ａが剥離し、この剥離した異物が凝固したシリコンインゴット内に捕捉され、製品品質を劣化させる原因になっていた。すなわち、シリコン融液が落下した鋳型１０７内の部位において機械的、熱的負荷を受け易くなり、特に、鋳型壁面に形成されていた離型材１０７ａはクレーター状に変形を生じ、また、場合によっては離型材１０７ａが剥がれ、シリコンインゴット内に捕捉される可能性があり、シリコンインゴットの不良が増加したり、特性を低下させたりするという問題がある。また、ある一部の離型材１０７ａが損傷剥離すると、その部分の抜熱能力が上がる結果となり太陽電池用インゴットの品質低下を招くことがある。また、極端な場合には熱応力によるシリコンインゴットのクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こす可能性もある。
【００１０】
このような問題を解決するために、例えば特許文献２では、図７に示すようにシリコン融液を保持した溶融坩堝２０１を傾動して、溶融坩堝２０１上縁に設けられた注湯口２０３先端と、鋳型２０７上縁とが限りなく近接せしめ、低い位置からシリコン融液２０５を鋳型２０７内に注湯することを可能とした鋳造装置を提案している。このような機構を有する鋳造装置であれば、注湯初期に起る離型材の剥離を防止することができるとしている。しかしながら、特許文献２に記載されるような、溶融坩堝を傾動してシリコン融液を注湯する方式の鋳造装置は、溶融坩堝を傾動させるスペースや、大規模な駆動機構を必要とするため、装置が大型化し製造コストが嵩むという問題がある。
【００１１】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、底部に注湯口を持つ溶融坩堝内でシリコン原料を保持・溶融させた後、前記溶融坩堝下方に位置する鋳型にシリコン融液を注湯し、鋳型内でシリコンを凝固させる鋳造装置を用いた鋳造方法において、装置を大型化することなくシリコン融液の鋳型への注湯衝撃により発生する離型材の剥離や異物の混入を極力防止可能な鋳造装置を提供するとともに、異物混入量が低く、結晶性が高い高品質の多結晶シリコンを安価で容易に製造できる多結晶シリコンインゴットの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】
【００１２】
上記目的を達成するために、発明者は流体力学の見地から次のように検討を行った。
【００１３】
一般的に、流体力学的に直線円管内の速度分布は、流体の内部摩擦に基づく圧力損失をあらわす理論式であるハーゲン−ポアズイユ(Hagen-Poiseuille)の式に従い表すことができる。すなわち、直線円管内の速度分布は回転放射面となり、中心の流速が最も速く（流量が多く）、壁面部分は最も遅く（流量が少なく）なることが知られている。したがって、上記鋳造方法においては、ノズル部１０２の流出口から吐出したシリコン融液のうち、ノズル１０２の中心部から吐出されるシリコン融液は、重力方向のみ速度成分をもつ直線流となるため、鋳型内に流下したシリコン流は、鋳型底部の一点に集中して落下しているものと考えられる。
【００１４】
発明者はこの知見をもとに検討と実験を繰り返し行い、以下に示す本発明の構成に到達した。即ち、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、底部に設けられた注湯口から出湯させる溶融坩堝と、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加熱手段と、前記溶融坩堝の外側において、前記注湯口を覆うように垂下して備えられた注湯管と、前記注湯管の下方に備えられ、内側に離型材が設けられた鋳型と、前記鋳型に注湯するシリコン融液に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段と、を具備して成る。
【００１５】
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、前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内に設けられた螺旋状の通路である。
【００１６】
本発明の請求項３に係る鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内の壁面に固定保持された螺旋状のフィンである。
【００１７】
本発明の請求項４に係る鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記螺旋流発生手段は、前記注湯管内の壁面に加工された螺旋状の溝である。
【００１８】
本発明の請求項５に係る鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記螺旋流発生手段は、前記注湯管の出口部に配置されるとともに、この注湯管から前記鋳型に落下するシリコン融液に不活性ガスを吹きつけて旋回力を付与せしめるガス供給孔である。
【００１９】
本発明の請求項６に係る多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、溶融坩堝の内部に保持したシリコン原料を、加熱溶融してシリコン融液を形成し、このシリコン融液を内側に離型材が設けられた鋳型に注湯して、鋳型内で凝固させる多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、前記溶融坩堝から前記鋳型へと前記シリコン融液を注湯するときに、このシリコン融液に螺旋流を形成させるようにした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の鋳造装置は、内部にシリコン原料を保持して溶融させ、底部に設けられた注湯口から出湯させる溶融坩堝と、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加熱手段と、前記溶融坩堝の外側において、前記注湯口を覆うように垂下して備えられた注湯管と、前記注湯管の下方に備えられ、内側に離型材が設けられた鋳型と、前記鋳型に注湯するシリコン融液に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段と、を具備して成る。
【００２１】
また、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、溶融坩堝の内部に保持したシリコン原料を、加熱溶融してシリコン融液を形成し、このシリコン融液を内側に離型材が設けられた鋳型に注湯して、鋳型内で凝固させる多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、前記溶融坩堝から前記鋳型へと前記シリコン融液を注湯するときに、このシリコン融液に螺旋流を形成させるようにした
本発明の鋳造装置、及び本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、このような構成としたので、例えば、注湯管内を重力方向に流下するシリコン融液に対し、例えば、本発明の鋳造装置に係る螺旋流発生手段によって、流束と直交する向きの旋回力を有する螺旋流を形成させることができる。そのため、注湯管から吐出するシリコン融液の流れは螺旋を描くように回転運動しながら落下していき、注湯管流出口から吐出したシリコンの流れは、外向きに遠心力を受け、シリコン融液の重力方向の速度成分が水平方向に分散される。その結果、注湯管から流出したシリコン融液が鋳型底部の一点に集中して落下せず、ある程度広がって落下するため、落下した部位において機械的、熱的負荷を抑え、鋳型壁面に形成された離型材がクレーター状に変形を生じたり、また、場合によっては離型材が剥がれたりして、シリコンインゴット内に捕捉されるといった問題を抑えることが可能になる。このように離型材の剥離損傷を抑えることができるので、剥離損傷部の抜熱能力が部分的に変わって太陽電池用インゴットの品質低下を招いたり、熱応力によるクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こしたりする問題を抑制することができる。
【００２２】
このような本発明の鋳造装置、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を用いて製造した多結晶シリコンインゴットは、含有異物量が非常に少ないので、異物の少ない高品質の多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコン基板を高い歩留りで得ることができる。このような高品質の多結晶シリコン基板を用いて形成した太陽電池素子は、良好な特性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
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は注湯管、３は注湯口、４は加熱手段（上部加熱手段４ａ及び側部加熱手段４ｂ）、５はシリコン融液、６は注湯口を塞ぐシリコン原料、７は鋳型、７ａは離型材、８は鋳型上部加熱手段、９は鋳型断熱材、Ｆは螺旋流を示す。
【００２５】
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加熱溶融し、得られたシリコン融液５を鋳型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５が冷却・凝固し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。
【００２６】
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必要がある。シリコン原料の溶融量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。
【００２７】
また、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加熱手段４として、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が配置されている。これらの加熱手段４によって、溶融坩堝１ａ内部のシリコン原料を加熱溶融して、シリコン融液５とする。なお、これらの加熱手段４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。
【００２８】
溶融坩堝１ａの底部にはシリコン融液５を注湯する注湯口３が設けられている。そして注湯口３には、シリコン原料及び溶融したシリコン融液が注湯口から落ちないように注湯口を塞ぐシリコン原料６を設置している。
【００２９】
溶融坩堝１ａの底部に設ける注湯口３の位置は溶融坩堝１ａ内の最低部であれば、横断面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すれば中心位置に設けることが望ましい。また、注湯初期においては、注湯口３を通過するシリコン融液５は液位による圧力によって押し出されるが、注湯後期には液位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で注湯口３から流れ出るようになる。したがって、無駄なく注湯させるためには、溶融坩堝１ａの底部は注湯口３に向かって下がるようなある一定以上の傾斜があるほうが好ましい。なお、溶融坩堝１ａの本体の形状は特に図や上記説明に限定されるものではない。
【００３０】
さらに、溶融坩堝１ａの外側において、注湯口３を覆うように垂下して備えられた注湯管２が設けられている。さらに詳細は後述するが、この注湯管２には、シリコン融液がこの注湯管２を経由して落下する際に、シリコン融液に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段が設けられている。なお、注湯管２の材質は、シリコン融液の熱に耐えうる材質であれば種類を問わないが、例えば、石英を用いることが望ましい。なお、溶融坩堝１ａと一体成型しても構わないし、後で溶接などによって取り付けるようにしても構わない。
【００３１】
注湯管２の下方には鋳型７が配置されている。鋳型７は、石英や黒鉛などの耐熱性の材質からなり、内面には離型材７ａの層が設けられている。この離型材７ａによって、鋳型７の内部のシリコン融液５を凝固した後に、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防ぐことができる。離型材７ａ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。この離型材７ａの層を設ける方法としては、上述の粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合、攪拌してスラリーとし、塗布もしくはスプレーなどの手段でコーティングすることが公知の技術として知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００３２】
鋳型断熱材９は、鋳型７の側壁からの抜熱を抑制するものであり、耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質、例えばグラファイトフェルトなどが用いられる。
【００３３】
なお、鋳型７に下方から上方への温度勾配を与えて鋳型内部のシリコン融液の一方向凝固を促進するため、鋳型７を上方から加熱する鋳型加熱手段８や、鋳型７を載置させて底部から冷却する冷却板（不図示）を備えるようにすることが望ましい。このような鋳型加熱手段８としては、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。また、冷却板としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型７の内部のシリコン融液５から効果的に抜熱できるように構成されている。なお、これらはすべて真空容器（不図示）内に配置される。
【００３４】
以上、簡単に本発明の鋳造装置の一般的な構造について説明した。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し、本発明に係る螺旋流発生手段について詳細に説明する。本発明の鋳造装置は、上述の鋳造装置の基本構成に加えて、さらに螺旋流発生手段を備えているので、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を容易に実現することができる。
【００３５】
図１に示すように、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、溶融坩堝１ａの内部に保持したシリコン原料を、加熱溶融してシリコン融液５を形成し、このシリコン融液５を内側に離型材７ａが設けられた鋳型７に注湯して、鋳型７内で凝固させる多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、溶融坩堝１ａから鋳型７へとシリコン融液５を注湯するときに、このシリコン融液５に螺旋流Ｆを形成させるようにする。このような螺旋流は、溶融坩堝１ａから鋳型７へと注湯されるシリコン融液の流束と直交する向きの旋回力を有している。そのため、注湯管２から吐出するシリコン融液の流れは螺旋を描くように回転運動しながら落下していき、注湯管２流出口から吐出したシリコンの流れは、外向きに遠心力を受け、シリコン融液の重力方向の速度成分が水平方向に分散される。
【００３６】
その結果、注湯管２から流出したシリコン融液は、鋳型７の底部の一点に集中して落下せず、ある程度広がって落下するようになる。そして、落下した鋳型７の部位において機械的、熱的負荷を抑え、鋳型７壁面に形成された離型材７ａがクレーター状に変形を生じたり、また、場合によっては離型材７ａが剥がれたりして、シリコンインゴット内に捕捉されるといった問題を抑えることが可能になる。このように、離型材７ａの剥離損傷を抑えることができるので、剥離損傷部の抜熱能力が部分的に変わって太陽電池用インゴットの品質低下を招いたり、熱応力によるクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こしたりする問題を抑制することができる。
【００３７】
図２に本発明の鋳造装置に係る螺旋流発生手段の一例を示すため、本発明に係る注湯管の部分拡大断面図を示す。この図に示す例における螺旋流発生手段は、注湯管２の内壁にシリコン注湯管の軸心を中心とした螺旋状の通路１０を設けたものである。これにより、シリコン融液が注湯管２を通過するときに螺旋状の通路１０を通って螺旋流Ｆが発生し、流出口から落下するシリコン融液は渦を巻いて落下していく。このような機構を有する本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法によれば、注湯管から吐出したシリコン融液が鋳型内に流下する際に、シリコン融液の速度成分が分散して流下し、鋳型底部の一点に集中して落下せず、シリコン融液をある程度広がった状態で落下させることが可能となる。したがって、シリコン融液が落下した鋳型内の部位において機械的、熱的負荷を抑えることができるから、鋳型壁面に形成された離型材が剥がれたり、シリコンインゴット内に捕捉されたりするといった問題を極力抑えることが可能になる。
【００３８】
また、図３に螺旋流発生手段の別の例を示す。図に示す例における螺旋流発生手段は、注湯管２の内壁面に固定保持された螺旋状のフィン１１である。この構成によれば、注湯管２内を重力方向に流下するシリコン融液に対し、螺旋状のフィン１１によって、流束と直交する向きに旋回力が与えられる。したがって、注湯管２から吐出するシリコン融液の流れは螺旋を描くように回転運動しながら落下していく。よって、注湯管２流出口から吐出したシリコンの流れは、外向きに遠心力を受けるので、シリコン融液の下向きの速度成分が分散され、鋳型底部の一点に集中して落下せず、シリコン融液をある程度広がった状態で落下させることが可能となる。
【００３９】
また、図４に螺旋流発生手段のさらに別の例を示す。図に示す例における螺旋流発生手段は、注湯管２の内壁面に加工された螺旋状の溝１２である。この構造においても、注湯管２から吐出するシリコン融液の流れは螺旋を描くように回転運動しながら落下していく。よって、注湯管２流出口から吐出したシリコンの流れは、外向きに遠心力を受けるので、シリコン融液の下向きの速度成分が分散され、鋳型底部の一点に集中して落下せず、シリコン融液をある程度広がった状態で落下させることが可能となる。
【００４０】
図２、図３、図４に記載した螺旋流発生手段は、いずれも注湯管２の内部に設け、シリコン融液と接触して、旋回力を与えるものであるため、耐熱性の材質によって構成することが望ましい。具体的には、注湯管２と同じ材質とすることが望ましく、例えば、石英などによって形成することができる。
【００４１】
次に、図５に螺旋流発生手段のさらに別の例を示す。図に示す例における螺旋流発生手段は、シリコン融液に対して非接触で螺旋流を生じさせるものであり、具体的には、単孔式の注湯管２の出口部にガス供給孔１３を設けた構造となっている。このガス供給孔１３は、この注湯管２から鋳型に落下するシリコン融液にＡｒガス等の不活性ガスを吹きつけて旋回力を付与させる位置に設けられている。この構造によれば、注湯管２流出口から吐出したシリコンの流れに対して不活性ガスが吹き付けられ、外向きに遠心力を受けるので、シリコン融液の下向きの速度成分が分散され、鋳型底部の一点に集中して落下せず、シリコン融液をある程度広がった状態で落下させることが可能となる。
【００４２】
また、ガス供給孔１３は重力方向に流下するシリコン融液の流束に対し、３０°以上９０°未満の方向から不活性ガスを吹きつけられる位置に設置することが望ましい。さらに、ガス供給孔１３を一箇所に備えるようにして、落下するシリコン融液に対してその箇所から吹き付けるようにしても良いが、落下するシリコン融液に対して、複数箇所から吹き付けられるように所定の複数箇所にガス供給孔１３を設ければ、シリコン融液に旋回力を付与する際の自由度が高くなるので望ましい。また、吹き付ける角度や流量を調節可能とすれば、自由度がさらに高くなるのでより好ましい。
【００４３】
以上のようにして、本発明の鋳造装置及び多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実現することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
例えば、本発明は溶融坩堝１ａの底部に注湯口３を設けた鋳造装置を用いて説明を行なったが、この構成に限るものではない。即ち、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、鋳型に注湯するシリコン融液に螺旋流を形成することを要旨とするものであり、例えば、図７に示すような溶融坩堝上縁に設けられた注湯口より溶融坩堝を傾動して鋳型にシリコン融液を注湯する鋳造装置であっても構わない。
【００４６】
また、注湯管だけでなく、溶融坩堝内に注湯口に向かって螺旋状の溝等を設けて、シリコン融液を鋳型に注湯するようにしても構わない。
【００４７】
さらに、上述の説明では溶融坩堝１ａの底部に注湯口をふさぐシリコン原料６を配置した例によって説明したが、これに限るものではなく、例えば、注湯管２の内部にシリコン栓を配置し、シリコン融液の漏出を防ぐようにしても構わない。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４９】
図１に示す本発明の実施形態に係る鋳造装置と、図２に示す本発明に係る注湯管及び螺旋流発生手段によって、以下に示す条件で本発明に係る多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実施し、多結晶シリコン基板を作製した。
【００５０】
溶融坩堝１ａ内にシリコン原料を１００ｋｇ充填し、上部加熱手段４ａと側部加熱手段４ｂでシリコン原料を加熱溶融させた。溶融坩堝１ａ内で加熱溶融して得たシリコン融液５を鋳型７内に注湯した。注湯管２の内部には、この注湯管２の軸心を中心として、図２に示される螺旋状の通路１０が設けられており、シリコン融液はこの通路に沿って旋回しながら注湯管２内部を巡り、注湯管２の流出口から螺旋流となった状態で、鋳型７内に注湯された。
【００５１】
その後、溶融坩堝１ａ底部の注湯口３の鉛直上方から下部に向けてＡｒを流入しながら、鋳型７の底部から上部にかけてシリコン融液５の一方向凝固を行い、多結晶シリコンインゴットを得た。さらに、この多結晶シリコンインゴットの端部を除去した後、スライスして多結晶シリコン基板を得た。
【００５２】
次に比較例（従来例）として、図６に示す従来の方法を用いて、図２に示す本発明に係る注湯管及び螺旋流発生手段を設けないことを除いて全く実施例に同様にして多結晶シリコンインゴットを得た。さらに、この多結晶シリコンインゴットの端部を除去した後、スライスして実施例と同サイズの多結晶シリコン基板を得た。
【００５３】
以上の方法によって得られた多結晶シリコン基板の異物量を計測した結果、実施例においては１０μｍ以上の異物が０．０１個／ｃｍ２であったのに対し、従来例では、０．０７個／ｃｍ２であった。また、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、その特性として太陽電池変換効率を評価した。その結果、実施例においては、変換効率１５．９％、従来例では１５．３％であった。
【００５４】
このように、実施例の、本発明に係る多結晶シリコンインゴットの鋳造方法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、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法により、シリコン融液の鋳型への注湯衝撃で、シリコンインゴット内に捕捉される異物が極めて少なくなった結果、太陽電池変換効率を低下させる“異物部分でのリーク成分”が減少したためと推測される。
【００５５】
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】
【００５６】
【図１】本発明の鋳造装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る注湯管と螺旋流発生手段の実施形態を示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明に係る注湯管と螺旋流発生手段の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明に係る注湯管と螺旋流発生手段の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。
【図５】本発明に係る注湯管と螺旋流発生手段の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。
【図６】従来の鋳造装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図７】従来の鋳造装置の実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ：溶融坩堝
１ｂ：保持坩堝
２  ：注湯管
３  ：注湯口
４  ：加熱手段
４ａ：上部加熱手段
４ｂ：側部加熱手段
５  ：シリコン融液
６  ：注湯口を塞ぐシリコン原料
７  ：鋳型
８  ：鋳型上部加熱手段
９  ：鋳型断熱材
１０  ：螺旋流発生手段の一例である螺旋状の通路
１１  ：螺旋流発生手段の一例である螺旋状のフィン
１２  ：螺旋流発生手段の一例である螺旋状の溝
１３  ：螺旋流発生手段の一例であるガス供給孔
１０１ａ：溶融坩堝
１０１ｂ：保持坩堝
１０２  ：注湯管
１０３  ：注湯口
１０４ａ：上部加熱手段
１０４ｂ：側部加熱手段
１０５  ：シリコン融液
１０６  ：注湯口を塞ぐシリコン原料
１０７  ：鋳型
２０１  ：溶融坩堝
２０３  ：注湯口
２０５  ：シリコン融液
２０７  ：鋳型
Ｆ      ：螺旋流
【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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