(57)【要約】【課題】製造コストが低減でき、かつ、変換効率の高い太陽電池を得ることができる多結晶シリコンの鋳造方法を提供する。【解決手段】軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内にシリコン融液を形成し、前記シリコン融液を凝固させつつ下方へ引き抜く多結晶シリコンの連続鋳造方法において、前記誘導コイルを流れる交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとする。本発明の多結晶シリコンの鋳造方法によれば、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、インゴット表面の急冷を防止するとともに、ルツボ内の溶融シリコンの撹拌を抑制して、粒径の大きな結晶の成長を促進することにより、鋳造される多結晶シリコンの太陽電池としての変換効率を高めることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内にシリコン融液を形成し、前記シリコン融液を凝固させつつ下方へ引き抜く多結晶シリコンの連続鋳造方法において、前記誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとすることを特徴とする多結晶シリコンの鋳造方法。
【請求項２】
鋳造されるシリコンインゴットの断面形状が一辺３００〜４５０ｍｍの正方形であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンの鋳造方法。
【請求項３】
鋳造される前記多結晶シリコンを太陽電池用基板に用いることを特徴とする請求項１または２に記載の多結晶シリコンの鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導による多結晶シリコンの連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、インゴット表面の急冷を緩和するとともに、ルツボ内の溶融シリコンの撹拌を抑制して、粒径の大きな結晶の成長を促進することにより、太陽電池として用いた場合に変換効率を高めることができる多結晶シリコンの鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在製造されている太陽電池の大半は、シリコン結晶が基板材として用いられている。シリコン結晶は単結晶と多結晶に区分されるが、一般に基板として単結晶を用いた方が、入射した光エネルギーを電気エネルギーにする際の変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
【０００３】
単結晶シリコンは、高品質な無転位の結晶が要求されることから、溶融シリコンから単結晶を引き上げ育成するチョクラルスキー法により製造される。しかし、チョクラルスキー法で育成される単結晶シリコンは、後述する多結晶シリコンに比べ製造コストが上昇するという欠点があるため、太陽電池の基板として単結晶シリコンを用いる場合には、太陽電池の製造コストが高くなるという問題を生じる。
【０００４】
一方、多結晶シリコンは、溶融シリコンを鋳型で凝固させる鋳造法（以下、「キャスト法」ともいう）、または電磁誘導による連続鋳造法（以下、「電磁鋳造法」ともいう）で製造されるのが一般的であり、チョクラルスキー法で製造される単結晶シリコン基板よりも低コストで基板材料を製造することができる。
【０００５】
キャスト法による多結晶シリコンの鋳造では、ルツボ内で原料である高純度シリコンを加熱溶解し、ドープ材である微量のボロン等を均一添加したのち、そのままルツボの中で凝固させるか、または鋳型に流し込んで凝固させる。キャスト法に用いられるルツボや鋳型は、耐熱性および形状安定性に優れ、不純物含有量が少ないことが求められるので、ルツボには石英が用いられ、また鋳型には黒鉛が用いられる。
【０００６】
このキャスト法に一方向性凝固法を適用することにより、結晶粒の大きい多結晶シリコンを得ることが可能となるが、キャスト法は溶融シリコンを鋳型で凝固させる造塊法であることから種々の問題がある。例えば、溶融したシリコンと容器壁とが接触することによって不純物汚染が生じることや、インゴットと鋳型との融着を防止するために用いられる離型剤が溶融したシリコンに混入することがある。
【０００７】
上述のとおり、キャスト法では、石英ルツボや黒鉛製の鋳型といった高純度材料を使用するとともに、これらの交換を行う必要があることから、製造コストが上昇する。さらに、キャスト法は造塊法であり、連続した鋳造が困難であることから、生産効率の低下を招くという問題を生じる。
【０００８】
これらの問題を解決する方法として、溶融シリコンがルツボや鋳型にほとんど接触することなく、シリコン結晶を鋳造することのできる電磁鋳造法が開発されている。
【０００９】
図１は、電磁鋳造法に用いる電磁鋳造炉の一例を模式的に示す図である。チャンバー１は、内部の発熱から保護されるように二重壁構造の水冷容器になっており、上部に遮断手段２によって仕切られた原料装入装置と連結され、底部にインゴット３を抜き出すための引出し口４を有している。チャンバー１には上部側壁に不活性ガス導入口５および下部側壁に真空吸引口６が設けられている。
【００１０】
チャンバー１の中央部には電磁鋳造手段としての冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が設けられている。冷却ルツボ７は銅製の水冷角筒体で、上部を残して周方向に複数分割された無底ルツボである。誘導コイル８は、冷却ルツボ７の外周側に同芯に周設され、図示されていない同軸ケーブルにて電源に接続される。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７の下方に同芯に連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるインゴット３を加熱して、その軸方向に所定の温度勾配を与える。
【００１１】
チャンバー１内に設けられた遮蔽手段２の下方には原料導入管１０が設けられ、原料導入管１０内に装入された粒状、塊状のシリコン材料１１が冷却ルツボ７内の溶融シリコン１２に供給されるようになっている。冷却ルツボ７の真上にはグラファイト等からなる補助ヒーター１３が昇降可能に設けられ、下降した状態で冷却ルツボ７内に装入されるようになっている。
【００１２】
アフターヒーター９の下方には、ガスシール部１４が設けられるとともに、インゴット３を支えながら下方へ引き出す引き抜き装置１５が設けられている。ガスシール部１４の下方でチャンバー１の外部には、機械的切断手段としてのダイヤモンド切断機１６が設けられている。ダイヤモンド切断機１６はインゴット３の引き抜き速度に同期して下降できるようになっており、前記引出し口４よりチャンバー１外に引き出されてくるインゴット３をその移動に追随しながら切断する。
【００１３】
上記の電磁鋳造炉を用いた電磁鋳造法では、溶解容器として構成された冷却ルツボ７にシリコン材料１１を装入し、誘導コイル８に交流電流を通じると、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片は互いに電気的に分割されていることから、各素片内で電流がループを作り、冷却ルツボ７の内壁側の電流が冷却ルツボ７内に磁界を形成することにより、シリコン材料１１を加熱溶解することができる。
【００１４】
冷却ルツボ７内のシリコン材料１１は、冷却ルツボ７内壁の電流がつくる磁界と溶融シリコン１２表面の電流の相互作用によって、溶融シリコン１２表面の内側法線方向の力（ピンチ力）を受けることから、冷却ルツボ７と非接触の状態で溶解される。これにより、インゴット３の引き抜きが容易となり、かつ、冷却ルツボ７との接触によるインゴット３の汚染が防止される。
【００１５】
この電磁鋳造法では、凝固に対し溶解に用いた冷却ルツボを利用する。具体的には、冷却ルツボ内７のシリコン材料１１を溶解させながら、溶融シリコン１２とインゴット３を下部で保持する引き抜き装置１５を下方へ移動させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、冷却ルツボ７からの冷却にて、溶融シリコン１２の外周部から凝固が進行する。引き抜き装置１５の下方への移動に合わせて、冷却ルツボ７の上方からシリコン材料１１を連続的に投入して溶解および凝固を継続することにより、シリコンの溶融液はルツボ壁と接することなく、ルツボ下部から凝固させながらシリコン多結晶を連続して鋳造することができる。
【００１６】
上述のとおり、電磁鋳造法では、溶融シリコンがルツボにほとんど接触しないという利点や、ルツボに高純度材料を使用する必要がないという利点、また、冷却面積が広く鋳造速度を速くすることが可能である利点があることから、多結晶シリコンを基板として用いる太陽電池の品質を高めるため、従来から、種々の検討が行われている。
【００１７】
例えば、特許文献１では、導電性の無底ルツボの上部を水冷部とし、下部を無水冷部とするとともに、水冷部および無水冷部の両方で縦方向の少なくとも一部分を縦方向のスリットにより周方向で複数に分割された電磁誘導鋳造装置が提案されている。このような装置構成とすることにより、無底ルツボの上部では、溶融シリコンの凝固を開始するために十分な冷却能力が確保できるとともに、無底ルツボの下部内での水冷による急激な冷却を緩和できることから、温度変化に起因する温度勾配の増大を防止することが可能となる。
【００１８】
このように、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に急激な冷却を緩和するのは、太陽電池としての性能を高めるために重要であることから、従来から種々の技術開発が行われている。
【００１９】
【特許文献１】特開昭６３−１９２５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
図２は、電磁鋳造法を用いて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶模様を模式的に示す図である。インゴットの縦断面の結晶模様は、インゴットの表面から結晶粒径の微細なチル層１７が表面部に対して垂直に成長し、中心部に向かうにつれて、上部の熱源方向へ向けて柱状晶１８ａ、１８ｂが成長、肥大化する。
【００２１】
インゴット内部では、大きな結晶粒径を成長させた柱状晶１８ａ、１８ｂが存在することから半導体特性は良好であるが、チル層１７では、結晶粒径が小さく、結晶欠陥が多いことから半導体特性は良好とはいえない。このため、鋳造される多結晶シリコンの太陽電池としての変換効率を高めるには、チル層１７の成長を抑制する必要がある。このチル層１７は凝固速度が速いインゴット表面に生じることから、チル層１７の成長は、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、インゴット表面の急冷を緩和することにより、すなわち、インゴット表面からの冷却による凝固開始を遅らせるために表面温度を高温に維持することにより、抑制することができる。
【００２２】
インゴットの表面温度を高温に維持する方法としては、溶融シリコンの発熱量を増大させることにより、溶融シリコン全体の温度を高めることが考えられる。ここで溶融シリコンの発熱量は、誘導コイルによって形成される磁界の強さによって決定され、さらに、この磁界の強さは誘導コイルに供給される交流電流の電流値によって決定される。すなわち、インゴットの表面温度は、誘導コイルに供給される交流電流の電流値を高くすることにより、溶融シリコン全体の温度が上昇するのに伴って高温に維持される。このため、従来の電磁鋳造法では、例えば、一辺３５０ｍｍの正方形断面のインゴットに対し、６０００Ａという電流値の高い交流電流が誘導コイルに供給される。
【００２３】
一方、電磁鋳造法では、誘導コイルを流れる交流電流がルツボ分割片に電流を生じさせ、さらに、ルツボ分割片に生じた電流が溶融シリコンに電流Ｊを生じさせる。したがって、溶融シリコンに生じる電流Ｊは、誘導コイルを流れる交流電流の電流値Ｉに比例する。また、磁界の強さＢは、誘導コイルに供給される交流電流の電流値Ｉに比例する。溶融シリコンに作用する電磁力Ｆは、磁界の強さＢと、溶融シリコンに流れる電流Ｊの積で表されることから、下記（１）式で与えられる。
【００２４】
Ｆ＝Ｊ×Ｂ＝（α1×Ｉ）×（α2×Ｉ）＝α×Ｉ2・・・（１）
ここで、α、α1およびα2は係数である。
【００２５】
図３は、電磁鋳造法を用いてシリコンインゴットを鋳造する際の溶融シリコンの撹拌状況を模式的に説明する図である。溶融シリコン１２は、誘導コイル８内に設置された冷却ルツボ７の内側に、インゴット３の上に載置された状態で保持されている。電磁力は、上記（１）式に示すように、誘導コイルに供給される交流電流の電流値の２乗に比例して、冷却ルツボ内の溶融シリコンを内側に締め付けるピンチ力として作用する（図中の斜線矢印Ａの方向）。溶融シリコン１２には、ピンチ力の締め付け効果によって、図中の黒抜き矢印Ｂの方向に撹拌力（以下、「電磁撹拌力」という）が生じる。
【００２６】
電磁撹拌力は、ピンチ力すなわち電磁力の大きさに比例することから、誘導コイルに供給される交流電流の電流値が高くなると、その２乗に比例して大きくなる。この電磁撹拌力が大きくなると、溶融シリコン１２が、インゴット３と溶融シリコン１２の間の固液界面１９に沿って流動し（図中の白抜き矢印Ｃの方向）、一方向性凝固が安定せず、粒径の大きな結晶の成長が阻害される。このため、鋳造されたインゴット３内部の結晶粒に乱れが生じることから、粒径が小さくなり、太陽電池として変換効率が低下するという問題がある。
【００２７】
電磁撹拌力がさらに大きくなり、溶融シリコン１２が激しく撹拌されると、凝固シリコンの表皮が破れ、溶融シリコン１２の一部が流れ出ると同時に急冷されて凝固する現象（以下、「湯ダレ」という）が発生し、インゴット３の鋳肌に細かい凹凸が形成される。このような湯ダレが発生すると、インゴット３の鋳肌が損傷し、表面部の結晶欠陥が多くなることから、太陽電池としての変換効率の低下を招くことになる。
【００２８】
また、溶融シリコン１２の湯面に、電磁撹拌力が作用すると、図３に示すように、溶融シリコン１２の上部が盛り上がった状態で、インゴット３の鋳造が行われる。電磁鋳造法では、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７内壁との間隔が狭いほど、溶融シリコン１２の表面への電流の流れが安定するので、電力効率に優れた電磁鋳造を行うことができる。しかし、電磁撹拌力によって溶融シリコン１２の上部が盛り上がった状態では、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７内壁との間隔が広くなることから、電磁鋳造における電力効率が低下する。
【００２９】
上述のとおり、電流値の高い交流電流を誘導コイルに供給することは、インゴット表面温度の高温化や、チル層の成長抑制には有効であるが、その一方で、溶融シリコンに作用する電磁撹拌力を増大させ、インゴット内部の粒径の大きな結晶の成長を阻害するとともに、湯ダレ発生や電力効率低下の原因となる。
【００３０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、インゴット表面の急冷を緩和するとともに、ルツボ内の溶融シリコンの撹拌を抑制して、粒径の大きな結晶の成長を促進することにより、変換効率の高い太陽電池を得ることができる多結晶シリコンの鋳造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明者らは、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、インゴット表面の急冷を緩和するとともに、ルツボ内の溶融シリコンの撹拌を抑制できる電磁鋳造法について種々の検討を行った。その結果、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を上昇させることにより、溶融シリコンに表皮効果を生じさせ、その表面に電流を集中させて、溶融シリコン表面の電流密度を高め、それに伴ってインゴットの表面温度を高温に維持でき、その表面からの冷却による凝固開始を遅らせることに着目した。
【００３２】
また、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を上昇させることにより、溶融シリコンに表皮効果による電流密度を高め、なおかつコイル電流値を低くすることができる。溶融シリコンに作用する電磁撹拌力は、電流値の２乗に比例することから、周波数を上昇させてコイル電流値を低くすることによって、溶解能力を維持しつつ溶融シリコンの撹拌を抑制でき、その結果として安定した一方向性凝固にともなってシリコン多結晶を鋳造できることを知得した。
【００３３】
さらに、溶融シリコンの撹拌を抑制できることから、溶融シリコンの形状を安定させることが可能となるので、電力効率の高い電磁鋳造を行える。
【００３４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）の多結晶シリコンの鋳造方法を要旨としている。
（１）軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内にシリコン融液を形成し、前記シリコン融液を凝固させつつ下方へ引き抜く多結晶シリコンの連続鋳造方法において、前記誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとすることを特徴とする多結晶シリコンの鋳造方法。
（２）上記（１）に記載の多結晶シリコンの鋳造方法では、鋳造されるシリコンインゴットの断面形状が一辺３００〜４５０ｍｍの正方形であることが望ましい。
（３）上記（１）または（２）に記載の多結晶シリコンの鋳造方法では、鋳造される前記多結晶シリコンを太陽電池用基板に用いることにより、太陽電池の変換効率を高めることができるので望ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の鋳造方法では、誘導コイルに供給される交流電流の周波数が２５〜３５ｋＨｚと高周波の範囲で多結晶シリコンを鋳造することから、交流電流の電流値を低くでき、高周波による表皮効果によって、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、表面温度を高温に維持でき、インゴット表面からの凝固開始を遅らせることができる。これにより、チル層の成長を相対的に抑制できる。
【００３６】
さらに、誘導コイルに供給される交流電流の電流値を低くすることにより、溶融シリコンに作用する電磁撹拌力を低減させ、溶融シリコンの撹拌を抑制できることから、インゴット内部における粒径の大きな結晶の成長を促進できる。また、溶融シリコンの撹拌を抑制することにより、湯ダレの発生を防止できるので、インゴット表面における半導体特性の低下を抑制できるとともに、溶融シリコンの形状を安定させることができるので、電力効率の高い電磁鋳造を行うことが可能となる。
【００３７】
このように、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法によれば、インゴットの内部および表面の半導体特性の低下を抑制できることから、太陽電池としての変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の鋳造方法は、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとすることを特徴としている。従来の電磁鋳造法における交流電流の周波数が１０ｋＨｚ前後であるのに対し、２５〜３５ｋＨｚという高周波数の交流電流を用いるのは、通電対象である溶融シリコンに表皮効果が生じさせ、溶融シリコンの表面で電流密度を高めることによる。
【００３９】
表皮効果による表皮深さｄは、透磁率がμ、および導電率がσの導体においては、下記（２）式で与えられる。
【００４０】
ｄ＝１／（π×ｆ×μ×σ）1/2・・・（２）
ここで、ｆは導体に流れる交流電流の周波数である。
【００４１】
表皮効果による表皮深さは、上記（２）式に示すように、交流電流の周波数と溶融シリコンの導電率によって決定される。したがって、溶融シリコンの導電率が一定の場合には、交流電流の周波数が高くなるほど表皮深さは浅くなるので、溶融シリコンの表面で電流密度が高くなる。すなわち、本発明の鋳造方法は、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を上昇させるほど、溶融シリコンの表面で電流密度を高めることができるので、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、表面温度を高温に維持でき、インゴット表面からの冷却による凝固開始を遅らせることができる。これにより、チル層の成長を相対的に抑制できる。
【００４２】
しかし、周波数が３５ｋＨｚを超えると、電流が溶融シリコンの表面部分に過度に集中するので、溶融シリコンと冷却ルツボの内壁の間で放電が生じ、冷却ルツボが損傷するおそれがある。このため、誘導コイルに供給される交流電流の周波数の上限を３５ｋＨｚとした。さらに望ましい上限は３２ｋＨｚである。
【００４３】
上述のとおり、本発明の鋳造方法では、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を上昇させることから、交流電流の電流値を低くでき、高周波による表皮効果によって、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、表面温度を高温に維持でき、インゴット表面からの冷却による凝固開始を遅らせることができる。さらに、誘導コイルに供給される交流電流の電流値を低くすることにより、溶融シリコンに作用する電磁撹拌力を低減できる。
【００４４】
電磁撹拌力は溶融シリコンに作用する電磁力に比例し、さらに電磁力は電流値の２乗に比例することから、例えば、電流値を１／２に低減すれば、電磁撹拌力は１／４に低減される。このように、本発明の鋳造方法は、電磁撹拌力を大幅に低減できるので、溶融シリコンの撹拌を抑制できるとともに、それに伴う湯ダレの発生を確実に防止できる。
【００４５】
これにより、粒径の大きな結晶の成長を促進させ、安定的に一方向性凝固させながらシリコン多結晶を鋳造することが可能となる。しかし、これらの優れた効果は、周波数が２５ｋＨｚ未満では達成されないことから、交流電流の周波数の下限を２５ｋＨｚとした。
【００４６】
さらに、本発明の鋳造方法は、鋳造されるシリコンインゴットの断面形状が一辺３００〜４５０ｍｍの正方形であることを特徴としている。本発明の鋳造方法では、周波数の高い交流電流を誘導コイルに供給することにより、溶融シリコンの表面で電流密度を高めることから、交流電流の電流値を低くすることが可能となる。すなわち、本発明の鋳造方法では、誘導コイルに高周波の交流電流を供給することにより、高電圧かつ低電流で多結晶シリコンを鋳造することが可能となる。したがって、本発明の鋳造方法によれば、電力を増大させる必要がある場合にも、電流を低く維持することによって電磁撹拌力の増大を抑制しつつ、電圧を高めることによって必要電力を供給することができる。
【００４７】
一方、冷却ルツボに装入されるシリコン材料の融解および凝固に必要な電力は、鋳造しようとするインゴットの一辺の長さに比例する。すなわち、鋳造されるインゴットの一辺が長くなると、ルツボ内のシリコン材料を融解および凝固するために必要な電力も増大することから、誘導コイルに印加される電圧を高めることが必要となる。しかし、印加する電圧が限界を超えて上昇すると、溶融シリコンと冷却ルツボの内壁の間で放電が生じ、冷却ルツボが損傷するおそれがあることから、鋳造される正方形断面のインゴットの一辺の長さの上限を４５０ｍｍとした。
【００４８】
また、鋳造されるインゴットの一辺の長さを短縮すると、ルツボ内のシリコン材料を融解および凝固するために必要な電力も減少することから、低電圧かつ低電流で鋳造を行うことが可能となる。すなわち、鋳造されるインゴットの一辺が短い場合には、溶融シリコンと冷却ルツボの内壁の間で放電を生じる危険性が低いので、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を３５ｋＨｚを超えて上昇させることも可能となる。
【００４９】
このように、本発明の鋳造方法では、鋳造されるインゴットの一辺の長さを短縮することにより、誘導コイルに供給される交流電流の周波数をさらに上昇させることができ、それに伴って交流電流の電流値をさらに低くできるので、溶融シリコンの撹拌を抑制でき、その結果として多結晶シリコンの品質向上を図れる。しかし、本発明の鋳造方法では、インゴットの一辺の長さを短縮すれば、インゴット単位長さ当りの重量が低減することから、生産効率は低下する。
【００５０】
このため、本発明の鋳造方法では、多結晶シリコンの品質向上を図るとともに、従来の鋳造方法と同程度の生産効率を確保するため、鋳造される正方形断面のインゴットの一辺の長さの下限を３００ｍｍとした。
【００５１】
前述のとおり、正方形断面のインゴットの一辺の長さは、インゴットの周長の増大に伴う放電の発生を防止するために、４５０ｍｍ以下に制限される。また、表皮効果は、鋳造されるシリコンインゴットの断面形状に関係なく発生する。このことから、本発明の鋳造方法は、鋳造されるシリコンインゴットの周長が、一辺４５０ｍｍの正方形の周長以下である矩形断面にも適用できる。例えば、長辺５００ｍｍ、短辺３５０ｍｍの矩形断面のシリコンインゴットがこれに相当する。
【実施例】
【００５２】
本発明の効果を確認するため、多結晶シリコンを鋳造し、太陽電池としての変換効率を評価した。
【００５３】
太陽電池用基板の素材となるシリコンインゴットは、一辺３５０ｍｍの正方形断面とし、前記図１に示す電磁鋳造炉を用いて鋳造した。
【００５４】
比較例の試験番号Ｔ１〜Ｔ４は、鋳造時に誘導コイルに供給される交流電流の周波数を１２ｋＨｚ、電流値を６０００Ａとした。また、本発明例の試験番号Ｔ５は鋳造時に誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５ｋＨｚ、電流値を４５００Ａとし、本発明例の試験番号Ｔ６〜Ｔ８は交流電流の周波数を３０ｋＨｚ、電流値を４０００Ａとした。供給される交流電流の周波数および電流値以外は、比較例も本発明例も同じ試験条件とした。
【００５５】
得られたシリコンインゴットを切断して厚さ２２０μｍの基板とし、この基板から太陽電池セルを作製した。試験番号Ｔ１〜Ｔ８の全ての実施例について、それぞれ１０００００枚以上の太陽電池セルを対象とし、太陽電池としての変換効率を測定した。測定結果に基づき、太陽電池としての変換効率の百分率分布を表１に示した。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
図４は、実施例における太陽電池としての変換効率の加重平均値を示す図である。図４に示すように、比較例のＴ１、Ｔ３およびＴ４では、変換効率の加重平均値が１４．８％を下回ったのに対し、本発明例のＴ５〜Ｔ８では、変換効率の加重平均値がすべて１４．８％を超えた。
【００５８】
また、表１に示すように、比較例のＴ１〜Ｔ４では、太陽電池としての変換効率が１５．０％を超える基板の比率が９％を下回った。これに対し、本発明例のＴ５〜Ｔ８では、太陽電池としての変換効率が１５．０％を超える基板の比率が１６％以上であった。
【００５９】
上述のとおり、本発明の鋳造方法によれば、変換効率の高い太陽電池用基板が安定して得られるとともに、変換効率の良好な太陽電池用基板が高比率で得られることが確認された。さらに、鋳造されたインゴットを視認したところ、比較例のＴ１〜Ｔ４では、インゴットの頂部が円錐状に盛り上がっていたのに対し、本発明例のＴ５〜Ｔ８では、インゴットの頂部がほぼ水平であった。このことから、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法では、溶融シリコンの撹拌が抑制され、電力効率の高い電磁鋳造を行えることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の鋳造方法では、誘導コイルに供給される交流電流の周波数が２５〜３５ｋＨｚと高周波の範囲で多結晶シリコンを鋳造することから、交流電流の電流値を低くでき、高周波による表皮効果によって、溶融シリコンを凝固させインゴットを製造する際に、表面温度を高温に維持でき、インゴット表面からの凝固開始を遅らせることができる。これにより、チル層の成長を相対的に抑制できる。
【００６１】
さらに、誘導コイルに供給される交流電流の電流値を低くすることにより、溶融シリコンに作用する電磁撹拌力を低減させ、溶融シリコンの撹拌を抑制できることから、インゴット内部における粒径の大きな結晶の成長を促進できる。また、溶融シリコンの撹拌を抑制することにより、湯ダレの発生を防止できるので、インゴット表面における半導体特性の低下を抑制できるとともに、溶融シリコンの形状を安定させることができるので、電力効率の高い電磁鋳造を行うことが可能となる。
【００６２】
このように、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法によれば、インゴットの内部および表面の半導体特性の低下を抑制できることから、太陽電池としての変換効率を高めることができる。これにより、低製造コストかつ高品質な太陽電池の生産を可能とする多結晶シリコンの鋳造方法として広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】電磁鋳造法に用いる電磁鋳造炉の一例を模式的に示す図である。
【図２】電磁鋳造法を用いて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶模様を模式的に示す図である。
【図３】電磁鋳造法を用いてシリコンインゴットを鋳造する際の溶融シリコンの撹拌状況を模式的に説明する図である。
【図４】実施例における太陽電池としての変換効率の加重平均値を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１．チャンバー              ２．遮断手段
３．インゴット              ４．引出し口
５．不活性ガス導入口        ６．真空吸引口
７．冷却ルツボ              ８．誘導コイル
９．アフターヒーター      １０．原料導入管
１１．シリコン材料          １２．溶融シリコン
１３．補助ヒーター          １４．ガスシール部
１５．引き抜き装置          １６．ダイヤモンド切断機
１７．チル層                １８ａ、１８ｂ．柱状晶
１９．固液界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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