(57)【要約】      （修正有）【課題】溶解装置の構造と機構に起因して、溶解時間が短縮できず、溶解時間がばらついてしまい、融液の保持、湯温の制御が出来ず、完全溶解前に湯漏れが発生するといった問題点を解消した鋳造装置。【解決手段】上部に溶融るつぼと１加熱装置６，７からなる溶融部を有し、下部に鋳型９からなる凝固部を有する鋳造装置において、前記溶融るつぼの底部に出湯口３を設けるとともに、前記溶融るつぼに前記出湯口に向けて成る先細部を設け、かつ出湯口にシリコン栓を設置した鋳造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に溶融るつぼと加熱装置からなる溶融部を有し、下部に鋳型からなる凝固部を有する鋳造装置において、前記溶融るつぼの少なくとも内側面を下方に向かって先細状となすとともに該先細状の内側面先端に出湯口を設け、かつ出湯口にシリコン栓を設置したことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
前記シリコン栓は鉛直下方に向けて成る先細な形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記溶融るつぼ内の原料が溶融するまでシリコン栓が溶けないように、前記シリコン栓の加熱を防止する加熱防止手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
前記溶融るつぼ内の原料が溶融するまでシリコン栓が溶けないように、前記シリコン栓用の冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置。
【請求項５】
前記溶融るつぼ内の原料が溶融した後に前記シリコン栓を溶融する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶解装置とそれを用いた溶解方法に関し、特に太陽電池用多結晶シリコンを鋳造するための鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、離型材を塗布した黒鉛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鋳塊を形成する方法である。このシリコン鋳塊の端部を除去したり所望の大きさに切断して切り出し、切り出した鋳塊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】
シリコンなどを鋳造する従来の鋳造装置を図４に示す。図４において１は溶融るつぼ、２は保持るつぼ、３は出湯口、４は出湯口３を塞ぐシリコン原料、５はノズル、６は側部加熱装置、７は上部加熱装置、８は鋳型加熱装置、９は鋳型、１１はノズル加熱装置を示す。
【０００６】
鋳造装置の上部には原料シリコンを溶融するための溶融るつぼ１が保持るつぼ２に保持されて配置され、溶融るつぼ１と保持るつぼ２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５が設けられ、その周囲にはノズル加熱装置１１が設置される。また、溶融るつぼ１、保持るつぼ２の側部と上部にはそれぞれ加熱装置６、７が配置され、溶融るつぼ１、保持るつぼ２の下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型９が配置され、その上部にはシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置８が配置される。
【０００７】
溶融るつぼ１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等を考慮して例えば高純度の石英などが用いられる。保持るつぼ２は、石英等でできた溶融るつぼ１がシリコンの融点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等が用いられる。加熱装置６、７、８は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等が用いられる。鋳型９はグラファイトや炭素繊維強化材料などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材を塗布して用いられる。またこの鋳型９の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材（図不示）が設置される。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性等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、固化するため冷却板（図不示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器（図不示）内に配置される。
【０００８】
さらに図４に示すように、溶融るつぼ１の底部に設けた出湯口３を出湯口を塞ぐシリコン原料４で塞いでおき、その上で溶融るつぼ１内にシリコン原料を投入する。その後溶融るつぼ１の上部の加熱手段７と側部の加熱手段で溶融るつぼ１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解させる。このときノズル加熱手段１１は駆動させず、ノズル５の出湯口３に近い原料は低温に保って、るつぼ１の中で溶解されたシリコンが出湯するのを防ぐ。その後溶融るつぼ１内のシリコン原料がすべて溶解したのちに、ノズル加熱装置１１を駆動させ、出湯口３を塞ぐシリコン原料を最後に溶解させるという方法があった（例えば、特許文献１参照）。このようにすることによって、溶融るつぼ１内の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解後の出湯を効率よく行うことができる。
【０００９】
また溶解るつぼ１の底部から垂下するようにノズル５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。
【００１０】
またシリコンなどを鋳造する従来の別の鋳造装置を図５に示す。図５において１は溶融るつぼ、２は保持るつぼ、３は出湯口、４は出湯口を塞ぐシリコン原料、５はノズル、６は側部加熱装置、７は上部加熱装置、８は鋳型加熱装置、９は鋳型を示す。
【００１１】
この鋳造装置においても基本的な構造は図４に示す従来の鋳造装置と同じで、鋳造装置の上部には原料シリコンを溶融するための溶融るつぼ１が保持るつぼ２に保持されて配置され、溶融るつぼ１と保持るつぼ２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５が設けられている。また、溶融るつぼ１、保持るつぼ２の側部と上部にはそれぞれ加熱装置６、７が配置され、溶融るつぼ１、保持るつぼ２の下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型９が配置され、その上部にはシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置８が配置される。
【００１２】
このとき図５に示す鋳造装置では出湯口を塞ぐシリコン原料４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、溶融るつぼ１の上部加熱装置７と側部加熱装置６で溶融るつぼ１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解して、溶融るつぼ１の底に径が２ｍｍから１０ｍｍの出湯口３を有するノズル５を設け、最後に出湯口を塞ぐシリコン原料４を溶解させ、このノズル５から出湯させるように構成した（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
この方法においても溶融るつぼ１の上部から徐々にシリコン原料を溶融するため、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解後の出湯を効率よく行うことができる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１１−４３３１８号公報
【００１５】
【特許文献２】
特願２００２−４７０８９号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の鋳造装置においては、図４に示す方法では出湯口を塞ぐシリコンの大きさが大きい場合、ノズル５の中に隙間ができ、完全に出湯を抑えることができず、完全に融液になる前に僅かに融液が漏れ出して固まってしまい歩留りを落とすといった問題があった。逆に小さすぎると出湯口３を塞ぎきれず、原料のまま鋳型９の中に落下してしまうという問題が発生することもあった。
【００１７】
また図５に示す方法では、るつぼの出湯口を塞ぐ原料がいびつであったり、熱により出湯口そのものが変形してしまったりすると、完全に融液になる前に僅かに融液が漏れ出して固まってしまい歩留りを落とすといった問題があった。
【００１８】
またシリコン原料を溶解する際の熱により、ノズル５が変形し出湯したシリコン融液をまっすぐに鋳型９に導き、飛散を防止するというノズル５の本来の目的を果たすことができないという問題が発生することもあった。
【００１９】
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、溶解装置の構造と機構に起因して、溶解時間が短縮できず、溶解時間がばらついてしまい、融液の保持、湯温の制御が出来ず、完全溶解前に湯漏れが発生するといった問題点を解消した鋳造装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の鋳造装置は、上部に溶融るつぼと加熱装置からなる溶融部を有し、下部に鋳型からなる凝固部を有する鋳造装置において、前記溶融るつぼの少なくとも内側面を下方に向かって先細状となるとともに該先細状の内側面先端に出湯口を設け、かつ出湯口にシリコン栓を設置したことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の他の鋳造装置は、前記シリコン栓は鉛直下方に向けて成る先細な形状をなしていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の他の鋳造装置は、前記溶融るつぼ内の原料が溶融するまでシリコン栓が溶けないように、前記シリコン栓の加熱を防止する加熱防止手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の他の鋳造装置は、前記溶融るつぼ内の原料が溶融するまでシリコン栓が溶けないように、前記シリコン栓用の冷却手段を設けたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の更なる他の鋳造装置は、前記溶融るつぼ内の原料が溶融するまでシリコン栓が溶けないように、前記シリコン栓用の冷却手段を設けたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳造装置を図面により詳述する。
【００２６】
本発明に係る溶解装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【００２７】
図１に示す鋳造装置において、１は溶融るつぼ、２は保持るつぼ、３は出湯口、６は側部加熱装置、７は上部加熱装置、８は鋳型加熱装置、１０はシリコン栓を示す。
【００２８】
溶融るつぼ１は、シリコン原料を加熱溶解して融液を鋳型９に注湯するものである。なお、溶融るつぼ１で溶解されて鋳型９に注湯されて冷却、固化したシリコン鋳塊は、太陽電池用多結晶シリコン基板材料等に用いられる。溶融るつぼ１は、投入されたシリコン原料を溶解するものであり、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、分解等を生じず、半導体材料中に不純物が拡散しないことを考慮して通常は高純度の石英や等が用いられる。しかし石英等で形成された溶融るつぼ１は高温になると軟化して形を保てないため、グラファイトなどからなる保持るつぼ２により溶融るつぼ１を保持する。
【００２９】
溶融るつぼ１の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じたシリコン原料を内包できる寸法である必要がある。シリコン原料の溶解量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。
【００３０】
溶融るつぼ１の上部と側部には抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどから成る加熱手段６、７が設けられ、これにより溶融るつぼ１内に投入するシリコン原料を溶解する。
【００３１】
本発明によれば溶融るつぼ１の底部に出湯口３を設けるとともに、溶融るつぼ１の下部が出湯口３に向かい先細部を有することを特徴とする。このようにすることにより、従来溶融るつぼ１の底部に設けていたノズル５を形成しなくても整流された融液を、周囲に飛散させることなく一本の線で鋳型９に注ぎ込むことができる。
【００３２】
また出湯初期においては、出湯口３を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期において水位による圧力がほとんどなくなっても、溶融るつぼ１の下部が出湯口３に向かい先細部を有することから、自重による落下で出湯口３から溶融シリコンが流れ出るため、溶融るつぼ１内に溶融シリコンが残りにくくなる。
【００３３】
なお本発明においては溶融るつぼ１の下部が出湯口３に向かい先細部を有することを特徴としているものであり、溶融るつぼ１本体の形状については特に制限されるものではない。
【００３４】
図２は本発明に係る鋳造装置の他の実施形態を説明するための図であり、その溶解部の断面を示した図である。図２において、１は溶融るつぼ、２は保持るつぼ、３は出湯口、６は側部加熱装置、７は上部加熱装置、８は鋳型加熱装置、１０はシリコン栓を示す。図２に示すように溶融るつぼ１の形状は下端のみが出湯口３に向かい先細な形状になっていてもよい。
【００３５】
また図１、２に示すように本発明に係る鋳造装置においては、出湯口３をシリコン栓１０で塞いでいる。このシリコン栓３はシリコン原料を成形して形成したものであり、出湯口３の内径に合わせて成形される。このようにすることにより、出湯口３を隙間なく塞ぐことができるため、溶融るつぼ１内で溶融されたシリコン融液の出湯を完全に食い止めることができるため、完全に融液になる前に僅かに融液が漏れ出して固まってしまい歩留りを落とすといった問題を解消することができる。
【００３６】
このシリコン栓３は図に示した形状に制限されるものではなく、出湯口３を完全に塞ぎ、シリコン融液の出湯を食い止めるためとどまっているものであればその形状は問わない。しかし、最終的には溶解させるものであることから、均一に温度上昇する形状が望ましい。このような観点から出湯口３の水平断面形状と、出湯口３をシリコン栓１０で塞いだときのシリコン栓１０の水平断面形状は円形であることが望ましい。よってシリコン栓の形状としては球、円錐、円柱、半球、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状のものなどが挙げられる。
【００３７】
また溶融るつぼ１の下端には、図３に示すように出湯口３に向かい先細なノズル５が垂下するように取り付けられていたほうが望ましい。図３において１は溶融るつぼ、２は保持るつぼ、３は出湯口、６は側部加熱装置、７は上部加熱装置、８は鋳型加熱装置、１０はシリコン栓を示す。
【００３８】
このノズル５の内側は、出湯口３の穴があり、その穴が先細な形状に形成されている。また保持るつぼ２にぶつからない範囲で、熱によりノズル５の形状が変化しない程度の強度を持たせる為に、肉厚を厚くすることが望ましい。このノズル５も石英などから成り、通常は溶融るつぼ１と一体に形成される。また、溶融るつぼ１とは、別体に形成して、溶融るつぼ１の底部に取り付けるようにしても良い。このようにノズル５を設けることにより、溶融るつぼ１内に投入されるシリコン原料を溶解する際に使用する側部加熱装置６と上部加熱装置７からシリコン栓１０までの距離を長くすることができるため、溶融るつぼ１内に投入されたシリコン原料が完全に溶解するまでシリコン栓１０を溶融させずにおくことが可能になる。また更に溶融るつぼ１内に投入されたシリコン原料が完全に溶解した後も、その融液を溶融るつぼ１内に保持することができるため、出湯温度を任意に設定することが可能になる。その後高温のシリコン融液が注湯される鋳型９をヒートショックを防ぐ目的で鋳型加熱装置８により予備的に加熱するとともに、シリコン栓１０を溶融させシリコン融液を鋳型９に注湯させればよい。またノズル５を先細な形状にすることによって、整流された融液を、周囲に飛散させることなく一本の線で鋳型９に注ぎ込むことができる。
【００３９】
またシリコン栓１０は鉛直下方に向かい先細な形状であれば更に望ましい。このようにすることにより鋳型加熱装置８により下方からシリコン栓１０を溶融させていっても、シリコン栓１０が完全に溶融されるまで溶融るつぼ１内の溶融シリコンの出湯を食い止めることができる。鉛直下方に向かい先細な形状は例えば、球、円錐、半球、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状がこれにあたる。シリコン栓１０の形状が円錐の場合の頂点、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状の稜を結んだ仮想の頂点の角度は、出湯口３の壁面を延長したときに形成される角度より、鋭角であっても鈍角であってもさらには同じであっても構わない。
【００４０】
また本発明に係る鋳造装置ではシリコン栓１０の加熱を防止する加熱防止手段を有していたほうが望ましい。例えば側部加熱装置６の下に例えばグラファイトなどの断熱板などを配置し、シリコン栓１０の加熱を阻害すれば、シリコン栓１０は側部加熱装置６や上部加熱装置７の影響を受けないので、溶融るつぼ１内のシリコン原料を短時間で溶融させるために上部と側部の加熱手段６、７を同時に有効に稼動させることが可能になる。
【００４１】
また本発明に係る鋳造装置ではシリコン栓１０を冷却する冷却手段を有していてもよい。例えば出湯口３の付近を冷却水で冷却したり、シリコン栓１０にガスを吹付けるなどの手段によってシリコン栓１０を冷却すれば、シリコン栓１０は側部加熱装置６や上部加熱装置７の影響を受けないので、溶融るつぼ１内のシリコン原料を短時間で溶融させるために上部と側部の加熱手段６、７を同時に有効に稼動させることが可能になる。
【００４２】
また本発明に係る鋳造装置ではシリコン栓１０を加熱する加熱手段を有していたほうが望ましい。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１０を溶解させることが可能になるとともに、短時間でシリコン栓１０を溶解させることができるようになるため、溶融るつぼ１の中のシリコン融液の出湯のタイミングを任意に図ることが可能になる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えばシリコン栓１０を溶解させる方法としては上部および側部加熱手段６、７を用いて溶融るつぼ１内に投入されるシリコン原料を上方から徐々に溶解させて最後にシリコン栓１０を溶解させるようにしても構わないし、溶解るつぼ１中のシリコン原料の溶解中は例えば側部加熱装置６の下に、例えばグラファイトなどの断熱板（加熱防止手段）などを配置し、シリコン栓１０の加熱を阻害しておき、完全に溶解したあと断熱板を移動させることによりシリコン栓１０を加熱溶解し、シリコン融液を出湯させることも可能である。また冷却水やガスなどの冷却手段によってシリコン栓１０の加熱を阻害しておき、溶解るつぼ１中のシリコン原料が完全に溶解したあと、冷却水やガスを止めることによりシリコン栓１０を加熱溶解し、シリコン融液を出湯させることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の鋳造装置によれば、上部に溶融るつぼと加熱装置からなる溶融部を有し、下部に鋳型からなる凝固部を有する鋳造装置において、前記溶融るつぼの底部に出湯口を設けるとともに、前記溶融るつぼに前記出湯口に向けて成る先細部を設けることにより、従来溶融るつぼ１の底部に設けていたノズル５を形成しなくても整流された融液を、周囲に飛散させることなく一本の線で鋳型９に注ぎ込むことができ、結晶の成長性を向上させることができる。また溶解された融液を無駄なく使用することができるようになる。さらに加熱装置など周囲の部材を汚すこともないため、装置の使用寿命を向上させることができる。またノズル５を使用しないことから、従来問題であった熱によりノズル５が曲がって出湯できなくなったり、まっすぐに出湯できないといった問題を未然に防止することができる。
【００４５】
また、出湯初期においては、出湯口３を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期において水位による圧力がほとんどなくなっても、溶融るつぼ１の下端が出湯口３に向かい先細な形状になっていることから、自重による落下で出湯口３から溶融シリコンが流れ出るため、溶融るつぼ１内に溶融シリコンが残りにくくなる。
【００４６】
また、本発明の他の鋳造装置によれば、上記出湯口に前記溶融るつぼからの溶融シリコンの出湯を防止するシリコン栓を設置することで、出湯口３を隙間なく塞ぐことができるため、溶融るつぼ１内で溶融されたシリコン融液の出湯を完全に食い止めることができるため、完全に融液になる前に僅かに融液が漏れ出して固まってしまうといった問題を解消することができるため、結晶品質の低下を防止することができ、歩留まりの向上を図ることができる。
【００４７】
このとき溶融るつぼ１の下端には、出湯口３に向かい先細なノズル５が垂下するように取り付けられていれば、溶融るつぼ１内に投入されるシリコン原料を溶解する際に使用する側部加熱装置６と上部加熱装置７からシリコン栓１０までの距離を離すことができるため、溶融るつぼ１内に投入されたシリコン原料が完全に溶解するまでシリコン栓１０を溶融させずにおくことが可能になる。また更に溶融るつぼ１内に投入されたシリコン原料が完全に溶解した後も、その融液を溶融るつぼ１内に保持することができるため、出湯温度を任意に設定することが可能になる。これにより、鋳塊鋳造時の条件設定の自由度が格段に向上し、底面積の広い鋳塊や高さの高い鋳塊をその品質を落とすことなく製造することができるようになる。
【００４８】
また、シリコン栓１０は鉛直下方に向かい先細の形状であれば更によい。このようにすることにより鋳型加熱装置８により下方からシリコン栓１０を溶融させていっても、シリコン栓１０が完全に溶融されるまで溶融るつぼ１内の溶融シリコンの出湯を食い止めることができる。
【００４９】
また、本発明の鋳造装置ではシリコン栓１０の加熱を阻害する加熱防止手段を有していたほうが望ましい。シリコン栓１０の加熱を阻害すれば、シリコン栓１０は側部加熱装置６や上部加熱装置７の影響を受けないので、溶融るつぼ１内のシリコン原料を短時間で溶融させるために上部と側部の加熱手段６、７を同時に有効に稼動させることが可能になり、シリコン原料の溶解にかかる時間を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【００５０】
また本発明に係る鋳造装置ではシリコン栓１０を冷却する冷却手段を有していてもよい。このようにしても溶融るつぼ１内のシリコン原料を短時間で溶融させるために上部と側部の加熱手段６、７を同時に有効に稼動させることが可能になり、シリコン原料の溶解にかかる時間を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【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図である。
【図２】本発明に係る鋳造装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る鋳造装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図４】従来技術における鋳造装置の構造を説明するための概略断面図である。
【図５】従来技術における他の鋳造装置の構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・溶融るつぼ
２・・・保持るつぼ
３・・・出湯口
４・・・出湯口を塞ぐシリコン原料
５・・・ノズル
６・・・側部加熱装置
７・・・上部加熱装置
８・・・鋳型加熱装置
９・・・鋳型
１０・・・シリコン栓
１１・・・ノズル加熱装置
【図１】
2005016855.tif 000003
【図２】
2005016855.tif 000004
【図３】
2005016855.tif 000005
【図４】
2005016855.tif 000006
【図５】
2005016855.tif 000007