(57)【要約】      （修正有）【課題】溶解るつぼのノズルと保持るつぼ底部開口部のクリアランスに起因する溶解るつぼの垂れ込みを防止する装置を提供することを目的とする。【解決手段】上部に溶融るつぼ１と加熱装置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であって、上記溶融るつぼの底部に開口部が設けられ、さらにこの溶融るつぼを保持するために底部に開口部が設けられた保持るつぼ２を用いた鋳造装置において、前記保持るつぼの開口部に前記溶融るつぼの開口部を支えるリング状のアダプター１１を設置したことを特徴とする鋳造装置。【選択図】図１
2005048994.tif 000002
【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であって、上記溶融るつぼの底部に開口部が設けられ、さらにこの溶融るつぼを保持するために底部に開口部が設けられた保持るつぼを用いた鋳造装置において、前記保持るつぼの開口部に前記溶融るつぼの開口部を支えるリング状のアダプターを設置したことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
前記リング状のアダプターはＣ／Ｃ材からなることを特徴とする請求項１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５に示す。シリコンなどを鋳造する従来の他の鋳造装置を図４に示す。
【０００６】
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は鋳型を示す。
【０００７】
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１３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。
【０００８】
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。
【０００９】
溶融るつぼ１の底部に設けた出湯口３をシリコン原料で塞いでおき、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、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。
【００１０】
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。
【００１１】
ところが、この従来の鋳造装置では、シリコン原料を溶解して出湯させるためには、原料を上部から徐々に溶かしていく必要があるために上部と側部の加熱手段６、７を同時に昇温させ、時間短縮の為の効率的な稼動をさせることが出来ないという問題があった。
【００１２】
また、完全溶解した時に即出湯してしまうことから、出湯までにかかる溶解時間が原料の種類や大きさによって決まってしまい、溶解時間がばらついてしまうといった問題や、完全溶解後融液を保持することが出来ないことから、湯温の制御が出来ないといった問題があった。
【００１３】
さらに、ノズルにつめた原料の間から融液が漏れ出し、全ての原料が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。
【００１４】
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。
【００１５】
これらの問題を解決するために、本発明者らはノズル形状が出湯口に向かい先細の形状になっているるつぼの使用および、ノズル内にシリコンで栓をする構造を提案した（図４参照）。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−４３３１８号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、任意温度での注湯を実現させる事はノズル付近を融点近傍温度で保持することになる為、シリコン融点より遥かに低い温度で軟化する材質のるつぼを使用する場合には、ノズル付近の軟化による下方への垂れ込みが問題となる。
【００１８】
図２は従来の溶解装置の問題点を示す図である。
【００１９】
保持るつぼ（例えばグラファイト材）の中に溶解るつぼ（例えば石英材）を挿入する場合、実際の作業をスムースに行う為には図４に示す様に、溶解るつぼと保持るつぼの間に５〜１０ｍｍのクリアランス１２を設ける必要があるため、既述の軟化現象により出湯口付近が下方に垂れ込む結果、シリコン栓１０の高さ方向の位置が変動し、シリコン栓の溶解に必要な熱量が変化し制御することが困難になるという問題があった（図２参照）。また、通常、溶解るつぼは再利用されるため、既述の様に下方に軟化したままの状態で低温⇔高温の熱サイクルを受けると、保持るつぼが膨張し下部開口部が開いた状態で溶解るつぼが再度軟化し垂れ込むという現象が繰り返されるために、再利用を繰り返すうちに、保持るつぼが収縮する際に溶解るつぼを破損させたり、垂れ込んだ溶解るつぼ１と保持るつぼ２が噛み込んでしまい、るつぼを交換する際には溶解るつぼを破壊しなければ脱離しないという問題があった。
【００２０】
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、溶解るつぼと保持るつぼのクリアランスの構造に起因して、出湯制御が困難になったり、溶解るつぼと保持るつぼが噛み込むことによって、るつぼが破損したり、溶解るつぼの交換が困難になってしまう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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、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であって、上記溶融るつぼの底部に開口部が設けられ、さらにこの溶融るつぼを保持するために底部に開口部が設けられた保持るつぼを用いた鋳造装置において、前記保持るつぼの開口部に前記溶融るつぼの開口部を支えるリング状のアダプターを設置したことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の鋳造装置において、前記リング状のアダプターはＣ／Ｃ材からなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係る鋳造装置の一実施形態を説明するための図であり、溶解部の断面を示した図である。
図１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、９は鋳型、１０はシリコン栓、１１はリングアダプターを示す。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
本発明によれば保持るつぼ２の開口部に溶融るつぼ１底部の出湯口３を挿入する部分にリングアダプター１１を設け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底部の開口部とノズル５のクリアランス部が無くなり、溶解るつぼ１底部が軟化し垂れ込む現象を防止することができる。
【００２８】
また、溶解るつぼの使用回数が増えると溶解るつぼの軟化とリングアダプターの熱収縮により溶解るつぼノズル部とリングアダプターが噛み込むようになるが、Ｃ／Ｃ（炭素繊維／炭素）の低熱膨張性によりノズル部分を破壊してしまう危険性が著しく低下する。
【００２９】
更に、図３に示す様に溶解るつぼ１交換時に保持るつぼ２から溶解るつぼ１を脱離する場合、リングアダプター１１が噛んだ状態で脱離するため、溶解るつぼを破壊してから交換するなどのタイムロスを著しく低減することが出来る。取り出したリングアダプターはもともと噛み込み量が少ないため、小さな力で容易に取り外すことが出来、取り外したリングアダプターは再利用が可能である。
【００３０】
リングアダプターの材質については、Ｃ／Ｃ材に限定するものでは無く、低膨張係数を持ち比較的密度の小さな材質、例えばセラミックス材でも構わないが、石英るつぼにアルカリおよびアルカリ土類金属が接触すると高温での溶解時に石英の失透が進むため、高純度化あるいは高純度処理しておく必要がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による鋳造装置によれば、溶融るつぼ底部の開口部とノズルのクリアランス部が無くなり、溶解るつぼ底部が軟化し垂れ込む現象を防止することができる。
【００３２】
また、溶解るつぼの軟化とリングアダプターの熱収縮により溶解るつぼノズル部とリングアダプターが噛み込んでも、Ｃ／Ｃ材の低熱膨張性によりノズル部分を破壊してしまう危険性が著しく低下する。
【００３３】
更に、溶解るつぼ交換時に保持るつぼから溶解るつぼを脱離する場合、リングアダプターが噛んだ状態で脱離するため、溶解るつぼを破壊してから交換するなどのタイムロスを著しく低減し生産性の向上に寄与することが出来る。取り出したリングアダプターはもともと噛み込み量が少ないため、小さな力で容易に取り外すことが出来、取り外したリングアダプターは再利用が可能であり、新規部材の採用によるコストアップは最低限に抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶解装置の一実施形態を示す図である。
【図２】従来の溶解装置の問題点を示す図である。
【図３】本発明に係る溶解装置の他の実施形態を示す図である。
【図４】従来の溶解装置の構造を説明するための図である。
【図５】従来の溶解装置の構造を説明するための図である。
【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・・・リングアダプター
１３・・・ノズル加熱装置
【図１】
2005048994.tif 000003
【図２】
2005048994.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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