(57)【要約】【課題】一方向凝固性の良好なインゴットを安定して生成することができる鋳造装置を提供することを目的としている。【解決手段】溶湯８が収容された鋳型２は、鋳型２の底面２ｂより大きく形成された冷却板３に載置されており、鋳型２の未載置部分である露出部３ａが形成されている。鋳型２の外周囲には露出部３ａを覆うように断熱基体部４ａと断熱角部４ｂとからなる断熱材４が設置されている。このため鋳型２の側壁面２ｃからの抜熱は低減され、底面２ｂ側のみから抜熱されるため、生成されるインゴットの結晶組織は一方向凝固性の良好なものとなる。【選択図】図１
2008055514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を収容し、底面と側壁面と複数の角部とを有した鋳型と、
該鋳型を載置するための、前記底面の面積より大きく形成された冷却板とを備えた鋳造装置において、
前記冷却板上面において鋳型の未載置部分である冷却板露出部を覆うように設置される断熱材を備え、
前記冷却板上面は正方形状で、
前記鋳型は、前記冷却板上面と平行な所定面内において正方形状であり、
前記断熱材は、
前記冷却板露出部に沿った形状を有し、前記冷却板露出部を覆う四角形の環状の断熱基体部と、
前記断熱基体部の上面の一部に、前記鋳型の角部のそれぞれに沿って配置される複数の断熱角部とを有し、
前記鋳型の角部と対向する前記断熱角部の内側は、前記鋳型の角部の形状に沿っており、前記断熱角部の外縁は、前記冷却板露出部の外形に沿っており、
前記所定面内において、前記断熱角部のそれぞれは、Ｌ字状であり、
前記断熱角部のＬ字状部分の内側の一辺の長さＢは、前記断熱材の内側の正方形状の部分の一辺の長さＡに対して１／８〜１／３であり、
前記断熱角部の高さｈ２は、前記断熱基体部の高さｈ１より高いことを特徴とする鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶湯の結晶成分を一方向に並べて凝固させるのに好適な鋳造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
結晶Ｓｉ太陽電池に用いられるＳｉ結晶は、チョクラルスキー法によって生成されるＳｉ単結晶が用いられてきたが、製造工程数が多いなどコスト的に難点があるため、近年では鋳造法によって生成されるＳｉ多結晶が多用されている。
【０００３】
このＳｉ多結晶は、いわゆる一方向凝固法によって生成される。これは、例えば図８に示すように、ほぼ直方体状に形成された鋳型５１内に収容されたＳｉ原料を上部、下部ヒータ５２、５３によって溶融させて溶湯５４とし、次いで下部ヒータ５３による加熱を解き、鋳型５１を冷却板５５によってその底面側から抜熱して凝固させることにより生成される。このとき生成されるインゴットは、冷却板５５や各ヒータを調節して溶湯５４の凝固速度や固液界面の温度勾配を一定に保ちつつ凝固させ、その結晶成分が一方向に並ぶように制御される。
このとき、一方向凝固性の良好なインゴットを生成するため、鋳型５１の全ての抜熱は底面側から行われ、側壁面５１ａ側からは抜熱されないのが理想的である。
【０００４】
生成されるインゴットはスライスされてウエーハとなり、基板等に設置されて太陽電池の形態となる。このとき前記基板上にてデッドスペースが小さくなるように、形成されるウエーハは４角形等の角形が好ましい。そのため鋳型５１も例えば直方体状の角形が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような鋳造装置５０においては、溶湯５４の熱は鋳型５１の側壁面５１ａから冷却板５５の鋳型５１の未載置部分である露出部５５ａへ放射されやすく、とくに角部からの熱の放熱が大きい。このため、側壁面５１ａ内側から斜めに成長してしまう結晶が多く、一方向凝固性の悪いインゴットが生成されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、一方向凝固性の良好なインゴットを安定して生成することができる鋳造装置を提供することを目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明は、溶湯を収容し、底面と側壁面とを有した鋳型と、該鋳型を載置するための、前記底面の面積より大きく形成された冷却板とを備えた鋳造装置において、前記冷却板上面において鋳型の未載置部分である冷却板露出部を覆うように断熱材を設置したことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、冷却板上面において鋳型の未載置部分である冷却板の露出部を覆うように断熱材を設けたため、鋳型の側壁面の熱は冷却板に放射されにくくなり、抜熱は底面側のみから行われる。そのため、インゴット中の結晶の配向性は鋳型底面から上方に向かって一方向に安定して形成される。
【０００９】
さらに、角部を有した鋳型においては、該鋳型の熱放射しやすい部分である角部近傍に該角部を覆うように断熱材を設置することにより、インゴットは一方向凝固性の良好なものとなる。
【００１０】
また、前記断熱材を鋳型の側壁部の周囲に、その高さが溶湯浴面より上方にくるように配することにより、鋳型側壁部からの熱放射を確実に低減させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の鋳造装置は、以下のような効果を有するものである。
（１）冷却板上面において鋳型の未載置部分である冷却板の露出部を覆うように断熱材を設けたため、鋳型の側壁面の熱は冷却板に放射されにくくなり、抜熱は底面側のみから行われる。そのため、インゴット中の結晶の配向性は鋳型底面から上方に向かって一方向に安定して形成される。
（２）角部を有した鋳型においては、該鋳型の熱放射しやすい部分である角部近傍に該角部を覆うように断熱材を設置することにより、インゴットは一方向凝固性の良好なものとなる。
（３）前記断熱材を鋳型の側壁部の周囲に、その高さが溶湯浴面より上方にくるように配することにより、鋳型側壁部からの熱放射を確実に低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第１実施形態による鋳造装置を図面を参照して説明する。図１は本発明の鋳造装置１の構成を説明する正面断面図であり、図２は鋳型２の近傍を上方から見た平面図である。
【００１３】
図１において、鋳造装置１は、ほぼ直方体状に形成された鋳型２と冷却板３と断熱材４とを備えており、これらは保温材５に囲まれている。また、この鋳型２の上方と下方とにはそれぞれ上部ヒータ６と下部ヒータ７とが配置されている。
【００１４】
鋳型２は、図２に示すように平面視略正方形状に設けられており、４つの隅に角部２ａが形成されている。鋳型２の内部には、例えばＳｉ原料が上部、下部ヒータ６、７によって加熱・溶融されたものである溶湯８が収容されており、正方形板状に形成された冷却板３の上面に載置されている。この冷却板３は、鋳型２の底面２ｂより大きく形成されており、鋳型２の周囲には、該鋳型２の未載置部分である冷却板３の露出部３ａが形成されている。
【００１５】
鋳型２の周囲にはカーボン製の断熱材４が設置されている。この断熱材４は、高さｈ１を有する断熱基体部４ａと高さｈ２を有する断熱角部４ｂとからなっている。図２に示すように、四角形の環状に形成された断熱基体部４ａは冷却板３の露出部３ａに沿った形状を有しており、冷却板３の露出部３ａを覆うように配置されている。そして、この断熱基体部４ａの上面４箇所に断熱角部４ｂが設置されている。
【００１６】
断熱角部４ｂは、図２のようにそれぞれが断面Ｌ字状に形成されており、鋳型２のそれぞれの角部２ａに沿って配置されている。そして、その高さは鋳型２の中程にまで達しており、断熱基体部４ａの上面より高くなるように設置されている。
【００１７】
また、断熱材４内側の正方形状部分の一辺、つまりほぼ鋳型２の一辺の長さは、図２に示すように長さＡを有しており、断熱角部４ｂのＬ字状部分の内側の一辺は長さＢを有している。また、冷却板３の一辺の長さ、つまり断熱材４外側の一辺は長さＣを有している。そして長さＢは長さＡに対して１／８〜１／３になるように設けられている。
【００１８】
このような構成を持つ鋳造装置１において鋳造を行うには、先ず鋳型２にＳｉなどの原料を収容する。そして、上部ヒータ６と下部ヒータ７とを稼動させて前記原料を溶融させる。溶融された原料は溶湯８として鋳型２内に収容される。次いで下部ヒータ７による加熱を解き、冷却板３によって鋳型２の熱を該鋳型２の下方から抜熱させる。
【００１９】
鋳型２の熱は、冷却板３によってその底面２ｂ側から抜熱される。これに伴って該鋳型２に収容されている溶湯８は下方から徐々に凝固される。このとき、溶湯８は上下方向に沿って配向しながら凝固し、結晶粒が一方向に配向したインゴットが生成される。
【００２０】
生成されるインゴットは、冷却板３や各ヒータを調節して溶湯８の凝固速度や固液界面の温度勾配を一定に保ちつつ凝固させ、その結晶粒が一方向に並ぶように制御されている。このとき、一方向凝固性の良好なインゴットを生成するためには、鋳型２の全ての抜熱は底面２ｂ側から行われ、側壁面２ｃ側からは抜熱されないのが理想的である。
【００２１】
凝固させる際、冷却板３の露出部３ａによって鋳型２の側壁面２ｃ側から抜熱された場合、該側壁面２ｃ近傍からも溶湯８の凝固は開始され、それに伴って結晶が形成される。そして例えば図７（ａ）の模式図に示すように、この側壁面２ｃ側から成長した結晶８ａなどは斜めに形成されるため、一方向凝固性の悪い結晶となってしまう。
【００２２】
しかしながら、冷却板３の露出部３ａを覆うように断熱材４の断熱基体部４ａを設置したため、冷却板３の露出部３ａによる鋳型２の側壁面２ｃからの抜熱を防止することができる。
【００２３】
さらに、特に抜熱されやすい部分である鋳型２の角部２ａ近傍を直接覆うように断熱材４の断熱角部４ｂを設置したことにより、該角部２ａ近傍での熱の出入りを低減させることができ、形成されるインゴットの一方向凝固性は図７（ｂ）の模式図のように良好なものとなる。
【００２４】
また、断熱材４を断熱基体部４ａと断熱角部４ｂとに分けて形成したことにより、断熱基体部４ａを設置してからその内部に鋳型２を置き次いで断熱角部４ｂを配置するなど、断熱材４の配置は容易に行うことができる。
【００２５】
断熱材４の断熱基体部４ａ及び断熱角部４ｂにおいて、それぞれ高さｈ１は５〜２０ｍｍ、高さｈ２は２０〜５０ｍｍになるように形成するのが好ましい。これは、高さｈ１が５ｍｍ以下の場合は十分な断熱効果を得ることができず、一方２０ｍｍ以上においては更に高さｈ１を大きくしても顕著な効果の違いを得ることができず、使用する材料の増加につながるからである。同様に、断熱角部４ｂの高さｈ２が２０ｍｍ以下では、十分な断熱効果が得られず、鋳型２の角部２ａ近傍の一方向凝固性は悪化したものとなり、一方５０ｍｍ以上にしても顕著な効果の変化を見ることができないためである。
なお、このときに用いられる鋳型２の内径が約１６０〜１７０ｍｍのものである場合、溶湯８浴面の高さは鋳型２の底面２ｂより４０〜７０ｍｍであり、鋳型２の内径が約３６０〜３７０ｍｍのものである場合、溶湯８は鋳型２の底面２ｂから１００〜３００ｍｍの高さになるように収容される。また鋳型２はその厚みが５〜２５ｍｍのものが用いられている。
【００２６】
同様の理由により、断熱角部４ｂの長さＢは、断熱材４内側の一辺の長さＡに対して１／８〜１／３になるように形成されている。長さＢが長さＡの１／８以下の場合、角部２ａを十分に覆うことができないため、十分な断熱効果を得ることができず、一方、１／３以上にしても顕著な効果の変化が見られないためである。なお長さＣは、冷却板３の表面を全て覆うのに十分な大きさを有するように形成させることにより、十分な断熱効果を得ることができる。
【００２７】
なお冷却板３’が円盤状の場合、冷却板３’の露出部３ａ’も円形状に形成されるため、例えば図３に示すように、断熱材４’の断熱基体部４ａ’を露出部３ａ’の形状に沿うように円形状に形成し、断熱角部４ｂ’の外縁を円形状に形成させるとともに、内側は角部２ａの形状に合わせてその輪郭がＬ字状になるように形成させれば良い。
【００２８】
次に、本発明の第２実施形態による鋳造装置を図４を参照して説明する。図４は第２実施形態の鋳造装置２１の構成を説明する正面断面図であり、図５は鋳型２２の近傍を上方から見た平面図である。
【００２９】
図４において、鋳造装置２１は第１実施形態と同様、ほぼ直方体状に形成されれ溶湯２８を収容した鋳型２２と、該鋳型２２の底面２２ｂより大きく形成された冷却板２３と、断熱材２４とを備えており、これらは保温材２５に囲まれている。また、この鋳型２２の上方と下方とにはそれぞれ上部ヒータ２６と下部ヒータ２７とが配置されている。
【００３０】
図５に示すように平面視略正方形状に形成された鋳型２２の４つの隅には角部２２ａが形成されており、鋳型２２内部の溶湯２８は、その浴面２８ａの高さが冷却板２３の上面から高さｙ１になるように収容されている。
【００３１】
鋳型２２の周囲には、該鋳型２２が載置されていない部分である冷却板２３の露出部２３ａが形成されており、この露出部２３ａには、カーボン製の断熱材２４が設置されている。断熱材２４は図５に示すように、四角形の環状に形成されており、鋳型２２の外周囲と冷却板２３の露出部２３ａとを覆うように形成されている。そして断熱材２４の高さｙ２は、浴面２８ａまでの高さｙ１より高くなるように形成されている。
【００３２】
このように、断熱材２４によって冷却板２３の露出部２３ａを覆うとともに、鋳型２２の側壁面２２ｃ側も覆うことにより、鋳型２２の熱の側壁面２２ｃからの放射を低減することができる。このため溶湯２８の凝固は、底面２２ｂのみから開始され、生成されるインゴットは安定した一方向凝固性を有する。そして、断熱材２４を鋳型２２の側壁面２２ｃの周囲に、その高さが溶湯２８の浴面２８ａより上方に位置するようにしたため、鋳型２２の側壁面２２ｃからの熱放射は確実に低減される。
【００３３】
なお、第１実施形態と同様、図６に示すように、冷却板２３’が円盤状の場合においても、断熱材２４’を露出部２３ａ’の形状に沿うように円形状に形成し、外縁を円形状に形成させるとともに、内側は角部２２ａの形状に合わせて形成させれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の鋳造装置の第１実施形態の一例を示す側方断面図である。
【図２】図１における鋳型近傍の上方から見た平面図である。
【図３】図２において冷却板の形状が変化した場合の例を示す上方から見た平面図である。
【図４】本発明の鋳造装置の第２実施形態の一例を示す側方断面図である。
【図５】図４における鋳型近傍の上方から見た平面図である。
【図６】図５において冷却板の形状が変化した場合の例を示す上方から見た平面図である。
【図７】形成された結晶の様子を説明する模式図である。
【図８】従来の鋳造装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２１      鋳造装置
２、２２      鋳型
２ａ、２２ａ  鋳型角部
２ｂ、２２ｂ  鋳型底面
２ｃ、２２ｃ  鋳型側壁面
３、２３      冷却板
４、２４      断熱材
４ａ          断熱基体部
４ｂ          断熱角部
８、２８      溶湯
【図１】
2008055514.tif 000003
【図２】
2008055514.tif 000004
【図３】
2008055514.tif 000005
【図４】
2008055514.tif 000006
【図５】
2008055514.tif 000007
【図６】
2008055514.tif 000008
【図７】
2008055514.tif 000009
【図８】
2008055514.tif 000010