(57)【要約】【課題】坩堝側方にヒータを有する多結晶シリコンインゴット製造装置において、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造する。【解決手段】溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、坩堝２０と、坩堝２０の側方に位置するヒータ３０と、坩堝２０を支持する載置台４０と、坩堝２０の側面部とヒータ３０との間に介在する断熱板５０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
坩堝と、
前記坩堝の側方に位置するヒータと、
前記坩堝を支持する坩堝支持部材と、
前記坩堝の側面部と前記ヒータとの間に介在する断熱部材と
を備える、多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記坩堝内でシリコンを一方向凝固させている状態における前記断熱部材は、前記側面部の５０％以上を覆っている、請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項３】
前記断熱部材は、前記側面部に対して相対的に移動可能とされ、
前記坩堝内でシリコンを一方向凝固させている状態における前記断熱部材は、前記側面部の全面を覆うように位置している、請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項４】
前記坩堝内でシリコンを溶融させている状態における前記断熱部材は、前記側面部の少なくとも一部を開放するように位置している、請求項１から３のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項５】
前記断熱部材が、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、および、炭素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項６】
前記坩堝支持部材の側面と前記ヒータとの間に介在して熱を遮蔽する遮蔽体をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項７】
前記坩堝を収納する収納容器をさらに備え、
前記断熱部材が前記坩堝と前記収納容器との間に位置する、請求項１から６のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項８】
前記収納容器が黒鉛で構成されている、請求項７に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造された、多結晶シリコンインゴット。
【請求項１０】
請求項９に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成された、多結晶シリコンブロック。
【請求項１１】
請求項９に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成された、多結晶シリコンウエハ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の多結晶シリコンウエハから形成された、多結晶シリコン太陽電池。
【請求項１３】
請求項１２に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された、多結晶太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンブロック、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題から、石油など化石燃料エネルギーの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。自然エネルギーを利用して発電する太陽電池は、大きな設備を必要とせず、また、稼働時の騒音が発生しないことなどの理由により、日本および欧州などで積極的に導入されている。
【０００３】
太陽電池においては、カドミウムテルルなどの化合物半導体からなる新たな太陽電池の開発が進んでいる。しかし、物質自体の安全性、これまでの使用実績および価格の面から、結晶シリコンを基板として用いた太陽電池が現在大きなシェアを占めている。その中でも、多結晶シリコンウエハ(以下、単にウエハとも称する)から作製された多結晶シリコン太陽電池が占める割合が大きい。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池向けの用途に広く用いられているウエハは、一般的にキャスト法と呼ばれる方法で製造されている。キャスト法によるウエハの製造方法においては、坩堝内で溶融シリコンを一方向凝固させて多結晶シリコンインゴット(以下、単にインゴットとも称する)を成長させた後、そのインゴットからブロック状に切り出して、さらにスライスすることによりウエハを作製する。
【０００５】
キャスト法により製造したウエハは、インゴット内のどの高さから取り出されたかによって、太陽電池を作製した際の特性にばらつきを有する。
【０００６】
図１２は、ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。なお、図１２においては、縦軸に太陽電池出力、横軸にウエハが取り出されたインゴットにおける位置を示している。
【０００７】
図１２に示すような太陽電池出力のばらつきの原因は、一般的に以下のように説明されている。溶融シリコンを一方向凝固させた際の初期の段階で凝固したインゴット下部の領域Ｉにおいては、坩堝からシリコン結晶内に多くの不純物が拡散している。その不純物の影響によって、領域Ｉから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性が低下する。
【０００８】
領域Ｉの上部に位置する領域ＩＩにおいては、偏析により、結晶中に取り込まれる不純物量は少量であり、かつ、結晶欠陥も少ない。そのため、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、インゴット中またはブロック中において最も良好となる。
【０００９】
領域ＩＩの上部に位置する領域ＩＩＩにおいては、徐々に結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥が増加する。そのため、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して低下する。
【００１０】
領域ＩＩＩの上部に位置する領域ＩＶにおいては、領域ＩＩＩよりも結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥がさらに増加する。また、インゴットが完全に凝固した後に、インゴットの最上部の表面部分に現れる不純物の高濃度部分から、不純物の逆拡散が起こることにより、結晶中に取り込まれる不純物量がさらに増加する。
【００１１】
そのため、領域ＩＶから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して顕著に低下する。
【００１２】
上記の説明では、原料中の不純物の影響、および、坩堝から溶け出す不純物の影響を考慮したが、仮にこれらの影響がないとしても、領域ＩＩＩ，ＩＶにおいては、上方に向かうにしたがって少数キャリアトラップとなる結晶欠陥が徐々に増加する。そのため、インゴットの上部に行くにしたがって、取り出されるウエハから形成された太陽電池の出力特性は低下する傾向にある。
【００１３】
結晶欠陥が発生する原因は、インゴット中の温度分布に起因する応力であると考えられる。応力が特に大きな場合、インゴットに割れなどが発生することがある。そのため、インゴット中の温度分布の制御が重要であり、特に結晶成長時の固液界面を平坦化することが望ましい。
【００１４】
インゴット割れおよび結晶欠陥の抑制を図ったシリコン鋳造装置を開示した先行文献として、特許文献１(特開２００５−１５２９８５号公報)および特許文献２(国際公開第２００５／０９２７９１号)がある。
【００１５】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置においては、鋳型の底部の中心部から鋳型ホルダーを経る熱流束が、鋳型の側部の直下部から鋳型ホルダーを経る熱流束より大きくなるように構成されている。
【００１６】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、放熱面と受熱面との熱交換面積を変化させるために、底面冷却部材が鋳型または台座に対して相対移動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−１５２９８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０９２７９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置は、鋳型加熱手段が鋳型の上部に設けられている場合にのみ適用可能であって、鋳型加熱手段が鋳型の側方に設けられている場合については考慮されていない。また、鋳型ホルダーの構造が複雑になるという問題を有している。
【００１９】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、可動部材が多く装置構成が複雑である。このようなシリコン鋳造装置においては、装置内が高温に曝されることによる可動部材の故障が発生しやすくなって装置の安定性が低くなる。また、複雑な装置構成のために装置コストが高くなる。
【００２０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、坩堝側方にヒータを有する多結晶シリコンインゴット製造装置において、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能で、かつ、廉価で安定して製造可能な、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンブロック、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュール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】
【００２１】
本発明に基づく多結晶シリコンインゴット製造装置は、溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置である。多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝と、坩堝の側方に位置するヒータと、坩堝を支持する坩堝支持部材と、坩堝の側面部とヒータとの間に介在する断熱部材とを備える。
【００２２】
本発明の一形態においては、坩堝内でシリコンを一方向凝固させている状態における断熱部材は、坩堝の側面部の５０％以上を覆っている。
【００２３】
本発明の一形態においては、断熱部材は、坩堝の側面部に対して相対的に移動可能とされている。坩堝内でシリコンを一方向凝固させている状態における断熱部材は、坩堝の側面部の全面を覆うように位置している。
【００２４】
本発明の一形態においては、坩堝内でシリコンを溶融させている状態における断熱部材は、坩堝の側面部の少なくとも一部を開放するように位置している。
【００２５】
本発明の一形態においては、断熱部材が、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、および、炭素のうちの少なくとも１つを含む。
【００２６】
本発明の一形態においては、多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝支持部材の側面とヒータとの間に介在して熱を遮蔽する遮蔽体をさらに備える。
【００２７】
本発明の一形態においては、多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝を収納する収納容器をさらに備える。断熱部材は、坩堝と収納容器との間に位置している。
【００２８】
本発明の一形態においては、収納容器が黒鉛で構成されている。
本発明に基づく多結晶シリコンインゴットは、上記のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造されている。
【００２９】
本発明に基づく多結晶シリコンブロックは、上記に記載の多結晶シリコンインゴットを加工することにより得られる。
【００３０】
本発明に基づく多結晶シリコンウエハは、上記に記載の多結晶シリコンインゴットを加工することにより得られる。
【００３１】
本発明に基づく多結晶シリコン太陽電池は、上記に記載の多結晶シリコンウエハを用いて形成されている。
【００３２】
本発明に基づく多結晶太陽電池モジュールは、上記に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成されている。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ヒータが側方に配置された多結晶シリコンインゴット製造装置においてインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能となり、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造できるだけでなく、そのインゴットから太陽電池を作製することで高出力の太陽電池を低価格で市場に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。
【図２】同実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。
【図４】同実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。
【図６】同実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【図７】本発明の実施形態４に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。
【図８】同実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【図９】本発明の実施形態５に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。
【図１０】同実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【図１１】実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。
【図１２】ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００３６】
また下記の実施形態１〜４においては、坩堝２０を下降させることによりシリコンを一方向凝固させる例を挙げるが、ヒータ３０を上昇させる機構、または、ヒータ３０の加熱強度を高さ方向において部分的に変更させる機構を有することにより、シリコンを一方向凝固させてもよい。
【００３７】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。図２は、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【００３８】
図１，２に示すように、本発明の実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１は、ステンレスからなる略直方体状の筐体１０を含む。筐体１０の上部には、後述するガス供給管１３の一端を筐体１０の内部に導入するための開口１１が設けられている。筐体１０の下部に、筐体１０内を排気するための排気口１２が設けられている。
【００３９】
筐体１０の内部に、坩堝２０が配置されている。坩堝２０は、坩堝支持部材である載置台４０上に載置されて支持されている。すなわち、載置台４０は、坩堝２０の底面部と接触して位置している。
【００４０】
坩堝２０は、シリカで構成されている。ただし、坩堝２０の材質はシリカに限らず黒鉛などでもよい。坩堝２０の内面には、溶融シリコンとの反応を防止するために、窒化珪素粉が塗布されている。窒化珪素粉は、乾燥された後、焼結されている。
【００４１】
載置台４０は、坩堝２０より高い熱伝導性および耐熱性を有する材料で形成されている。載置台４０は、たとえば、黒鉛で形成されている。載置台４０は、下部で支持部７１に接続されている。支持部７１は、矢印７２で示すように上下に移動可能となるように、筐体１０の外に配置された駆動部７０に接続されている。駆動部７０は、モータを有している。
【００４２】
駆動部７０は、筐体１０の外に配置された冷却部９０と接続されている。冷却部９０は、冷却媒体を駆動部７０および支持部７１の内部で循環させることにより、駆動部７０および支持部７１を冷却している。冷却部９０は、ポンプおよび熱交換器を有している。冷却部９０により支持部７１を冷却することにより、載置台４０を介して坩堝２０の底部を冷却することができる。
【００４３】
坩堝２０の側方の周囲にヒータ３０が配置されている。ヒータ３０は、坩堝２０と間隔を置いて坩堝２０を取り囲むように配置されている。ヒータ３０は、筐体１０の外に配置された図示しない電源に接続されている。ヒータ３０と坩堝２０の側面部との間に、後述するように断熱部材が配置されている。
【００４４】
載置台４０の上方に断熱材からなる中蓋６０が配置されている。中蓋６０は、載置台４０に対向する天井部６０ａと、ヒータ３０の周囲を囲む側壁部６０ｂと、天井部６０ａと対向する底部６０ｃとから構成されている。天井部６０ａには、ガス供給管１３の一端を中蓋６０の内側に導入するための孔が設けられている。天井部６０ａと側壁部６０ｂと底部６０ｃとに囲まれた中蓋６０の内側が加熱領域６１となる。
【００４５】
加熱領域６１には、図示しない熱電対が配置されている。熱電対は電源に接続されている。熱電対による測定温度が電源にフィードバックされることにより、ヒータ３０への印加電圧が制御される。
【００４６】
ガス供給管１３の一端は加熱領域６１内において坩堝２０の上方に位置し、他端は筐体１０の外に配置された図示しないガス供給部に接続されている。ガス供給部から送られるＡｒなどの不活性ガスは、ガス供給管１３の内部を通過して加熱領域６１内に供給される。ガス供給部は、各種のガスを貯蔵した複数のガスボンベおよびマスフローコントローラを含む。
【００４７】
排気口１２は、筐体１０の外に配置された図示しない排気部に接続されている。排気部は、各種の真空ポンプを含む。加熱領域６１内に供給された不活性ガスは、排気口１２を通過して筐体１０の外部に排出される。
【００４８】
以下、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１による多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
【００４９】
まず、約４００ｋｇの粒状または塊状のシリコンを坩堝２０内に入れる。その後、坩堝２０を図１に示す高さまで上昇させた状態で、排気部の真空ポンプを稼動させて筐体１０内を減圧し、ヒータ３０によりシリコン原料を約８００℃まで加熱する。その後、ガス供給管１３から加熱領域６１内にＡｒガスを４０リットル／分程度供給しつつ、１５５０℃まで加熱してシリコン原料を全て融解させる。
【００５０】
次に、シリコンの融点＋１５℃の温度で３０分間保持し、所定の成長条件にしたがって温度制御を行ない、支持部７１を徐々に降下させる。支持部７１の降下によって、坩堝２０の底部が加熱領域６１の外側に位置するようになり、坩堝２０の底部からの輻射が増える。そのため、坩堝２０下部の温度が低下して坩堝２０の底部からシリコンの凝固がはじまり、凝固シリコン８１が現れる。
【００５１】
さらに支持部７１を降下させていくことで、全ての溶融シリコン８０を底部から上部に向けて一方向凝固させる。シリコンが最上部まで完全に凝固したのを確認後、坩堝２０を初期位置まで上昇させ、１２００℃の温度で約２時間保持してアニール処理する。その後、５０℃／時間程度でヒータ３０の設定温度を下げて、多結晶シリコンインゴットを冷却する。
【００５２】
多結晶シリコンインゴットの温度が９００℃付近まで下がると、ガス供給部から送られるガスをＡｒからＨｅに変える。その後、多結晶シリコンインゴットを室温まで冷却する。
【００５３】
多結晶シリコンインゴットから不純物および結晶欠陥を多く含む端部を除去し、所定の大きさに切断して多結晶シリコンブロックにする。さらに、多結晶シリコンブロックをワイヤーソーにより所定の厚さに切断することにより複数枚のウエハが得られる。
【００５４】
本発明者らは鋭意研究の結果、坩堝２０の側方にヒータ３０を配置した従来の多結晶シリコン製造装置においては、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の坩堝２０内の温度に、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる傾向が現れることを確認した。
【００５５】
この傾向は、坩堝２０内での結晶成長中における、ヒータ３０に近接している坩堝２０の側面部からの入熱の影響によるものである。坩堝２０は、底面部および側面部から熱を放出するが、側面部は上記の入熱があるため熱の放出が阻害される。その結果、坩堝２０内の温度は、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる。
【００５６】
この状態で溶融シリコン８０を一方向凝固させると、固液界面が上に凸状となる。このような温度分布の下では、溶融シリコン８０の凝固後、インゴット内に残留応力が生じる。その結果として、インゴット割れおよび結晶欠陥が発生しやすくなる。
【００５７】
多結晶シリコンインゴットの割れ防止および結晶欠陥抑制のためには、固液界面形状を平坦にし、坩堝２０内の上下方向の温度分布を線形にすることが好ましい。坩堝２０内の上下方向の温度分布については、坩堝冷却時の坩堝２０の下降速度およびヒータ３０の温度設定などによって制御することができる。
【００５８】
溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状を平坦にするためには、坩堝２０内の水平面内における温度分布を均一化することが望まれる。そのために、多結晶シリコンの結晶成長中における坩堝２０の側面部への入熱を緩和することが有効であることを本発明者らは発見した。
【００５９】
図１，２に示すように、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１においては、坩堝２０の側面部とヒータ３０との間に、断熱部材が介在している。本実施形態においては、断熱部材として、炭素で構成された断熱板５０を用いている。
【００６０】
ただし、断熱部材の材料は、炭素に限らず、アルミナ、シリカ、ムライトもしくはジルコニア、または、これらの少なくとも１つを含む混合物でもよい。なお、多結晶シリコンインゴット中に断熱部材の一部が不純物として混入した場合を考慮すると、断熱部材の材料としては、炭素またはシリカが好ましい。
【００６１】
断熱板５０の厚さは、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。断熱板５０の厚さが１０ｍｍより薄いと、後述する効果を安定して得ることができない。断熱板５０の厚さが１００ｍｍより厚いと、断熱板５０のコストが高くなり好ましくない。
【００６２】
より好ましくは、断熱板５０の厚さが１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。この範囲において、断熱板５０が酸化などの要因により減耗した際にも後述する効果を安定して得ることができる。
【００６３】
断熱板５０は、坩堝２０の全周に亘って側面部に取り付けられている。本実施形態においては、断熱板５０は、坩堝２０の側面部の全面を覆うように位置している。
【００６４】
図１に示すように、坩堝２０内でシリコンを溶融させている状態においては、坩堝２０の側面部の略全体とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、全て断熱板５０を介して行なわれる。
【００６５】
図２に示すように、坩堝２０内でシリコンを一方向凝固させている途中の状態においては、坩堝２０の側面部の上部とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、全て断熱板５０を介して行なわれる。
【００６６】
よって、坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱が、断熱板５０により緩和される。その結果、坩堝２０内の周側部側と中央部側との温度差を緩和することができる。
【００６７】
すなわち、断熱板５０を用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化を図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【００６８】
本実施形態に係る断熱板５０を用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置１を構成することができる。また、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。
【００６９】
以下、本発明の実施形態２に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。なお、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置２は、断熱部材の大きさのみ実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００７０】
(実施形態２)
図３は、本発明の実施形態２に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。図４は、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【００７１】
図３，４に示すように、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置２においては、坩堝２０の側面部とヒータ３０との間に，断熱板５０ａが介在している。断熱板５０ａは、坩堝２０の全周に亘って側面部の上部に取り付けられている。本実施形態においては、断熱板５０ａは、坩堝２０の側面部の上部のみを覆うように位置している。具体的には、断熱板５０ａが坩堝２０の側面部の上側５０％以上を覆っている。
【００７２】
図３に示すように、坩堝２０内でシリコンを溶融させている状態においては、坩堝２０の側面部の略全体とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、上部では断熱板５０ａを介して行なわれ、下部では断熱板５０ａを介さずに行なわれる。
【００７３】
図４に示すように、坩堝２０内でシリコンを一方向凝固させている途中の状態においては、坩堝２０の側面部の上部とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、上部では断熱板５０ａを介して行なわれ、下部では断熱板５０ａを介さずに行なわれる。
【００７４】
このように、ヒータ３０と近接している坩堝２０の側面部の上部において断熱板５０ａを介して入熱させ、ヒータ３０から比較的離れている坩堝２０の側面部の下部において断熱板５０ａを介さずに入熱させた場合にも、実施形態１ほどの効果は得られないものの、坩堝２０内の周側部側と中央部側との温度差を緩和することができる。
【００７５】
すなわち、断熱板５０ａを用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、特にインゴットの上部部分が凝固する時に、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化を図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【００７６】
本実施形態に係る断熱板５０ａを用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置２を構成することができる。また、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。
【００７７】
以下、本発明の実施形態３に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。なお、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置３は、断熱部材の構成のみ実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００７８】
(実施形態３)
図５は、本発明の実施形態３に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。図６は、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【００７９】
図５，６に示すように、本実施形態においては、坩堝２０の側面部とヒータ３０との間に、断面視Ｌ字状の断熱板５０ｂが介在している。断熱板５０ｂは、互いに直交する短手部と長手部とを有している。
【００８０】
断熱板５０ｂは、短手部が中蓋６０の底部６０ｃと接触し、長手部が坩堝２０の側面部と接触するように、中蓋６０の底部６０ｃ上に固定されている。そのため、坩堝２０が上下移動することにより、断熱板５０ｂと坩堝２０の側面部との相対的位置関係が変化する。すなわち、断熱板５０ｂは、坩堝２０の側面部に対して相対的に移動可能とされている。
【００８１】
図５に示すように、坩堝２０内でシリコンを溶融させている状態においては、坩堝２０の側面部の略全体とヒータ３０とが対向している。断熱板５０ｂは、坩堝２０の側面部の上部を開放するように位置している。
【００８２】
この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、上部では断熱板５０ｂを介さずに行なわれ、下部では断熱板５０ｂを介して行なわれる。
【００８３】
図６に示すように、坩堝２０内でシリコンを一方向凝固させている途中の状態においては、坩堝２０の側面部の上部とヒータ３０とが対向している。断熱板５０ｂは、坩堝２０の側面部の全面を覆うように位置している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、全て断熱板５０ｂを介して行なわれる。
【００８４】
よって、坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱が、断熱板５０ｂにより緩和される。その結果、坩堝２０内の周側部側と中央部側との温度差を緩和することができる。
【００８５】
すなわち、断熱板５０ｂを用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化を図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【００８６】
本実施形態に係る断熱板５０ｂを用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置３を構成することができる。また、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。
【００８７】
以下、本発明の実施形態４に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。なお、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置４は、遮蔽体をさらに備える点のみ実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００８８】
(実施形態４)
図７は、本発明の実施形態４に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。図８は、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【００８９】
図７，８に示すように、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置４においては、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に介在して熱を遮蔽する遮蔽体をさらに備えている。本実施形態においては、遮蔽体として、断熱性および柔軟性を有するカーボンフェルト５１を用いている。
【００９０】
ただし、遮蔽体は、カーボンフェルトに限らず、シリカ、アルミナおよびジルコニアなどの酸化物系フェルトを用いることができる。他にも、遮蔽体として、断熱材からなる板、ブロックまたはシートなどを用いることができる。
【００９１】
カーボンフェルト５１の上端部は、載置台４０の側面４１の上端部に取り付けられている。カーボンフェルト５１の下端部は、中蓋６０の底部６０ｃ上に取り付けられている。そのため、坩堝２０の上下移動に追随して、カーボンフェルト５１が変形する。その結果、カーボンフェルト５１は、載置台４０の側面４１に対して相対的に移動可能とされている。
【００９２】
カーボンフェルト５１の長さは、坩堝２０が最も上方に位置する際の、載置台４０の側面４１の上端部と中蓋６０の底部６０ｃ上との間の間隔より長く、かつ、坩堝２０が最も下方に位置する際の、載置台４０の側面４１の上端部と中蓋６０の底部６０ｃ上との間の間隔より長くなるように決定されている。
【００９３】
図７に示すように、坩堝２０内でシリコンを溶融させている状態におけるカーボンフェルト５１は、載置台４０の側面４１を覆うように位置している。そのため、載置台４０の側面４１におけるヒータ３０からの入熱が、カーボンフェルト５１によって低減される。その結果、載置台４０における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００９４】
図８に示すように、坩堝２０内でシリコンを一方向凝固させている途中の状態におけるカーボンフェルト５１は、中蓋６０の底部６０ｃ上で折り畳まれるように変形して、加熱領域６１内に留まっている。
【００９５】
すなわち、カーボンフェルト５１は、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に介在しつつ、載置台４０の側面４１を開放するように位置している。そのため、カーボンフェルト５１によってヒータ３０からの熱を遮蔽して、載置台４０の側面４１への入熱を抑制しつつ、載置台４０の側面４１から効率よく放熱させることができる。その結果、載置台４０内の温度分布の面内均一性を向上させることができる。
【００９６】
本実施形態に係るカーボンフェルト５１を用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化をさらに図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化をさらに図ることができる。
【００９７】
本実施形態に係る断熱板５０およびカーボンフェルト５１を用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置４を構成することができる。また、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。
【００９８】
以下、本発明の実施形態５に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。なお、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置５は、坩堝２０を収納する収納容器２１をさらに備える点のみ実施形態１に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００９９】
(実施形態５)
図９は、本発明の実施形態５に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを溶融させている状態を示す一部断面図である。図１０は、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においてシリコンを一方向凝固させている途中の状態を示す一部断面図である。
【０１００】
図９，１０に示すように、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置５は、坩堝２０を収納する収納容器２１をさらに備えている。多結晶シリコンインゴット製造装置５においては、断熱板５２が坩堝２０と収納容器２１との間に位置している。
【０１０１】
断熱板５２は、坩堝２０の全周に亘って側面部に取り付けられている。本実施形態においては、断熱板５２は、坩堝２０の側面部の全面を覆うように位置している。断熱板５２と収納容器２１の内壁との間に、隙間が設けられている。ただし、断熱板５２が坩堝２０の側面部の上側５０％以上を覆うようにしてもよい。また、断熱板５２を収納容器２１の内壁または外壁に取り付けてもよい。
【０１０２】
収納容器２１の材料としては、耐熱材料の中から適宜選択可能であるが、シリコンに混入した場合の汚染の可能性、コストおよび耐久性の面などを考慮すると黒鉛が好適である。熱伝導率が高く、かつ、輻射率の高い黒鉛などからなる部材が、坩堝２０とヒータ３０との間に配置されていても、坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱を緩和する効果はほとんど得られない。熱伝導率の低い断熱板５２を配置することではじめて上記の効果を得ることができる。
【０１０３】
図９に示すように、坩堝２０内でシリコンを溶融させている状態においては、坩堝２０の側面部の略全体とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、断熱板５２を介して行なわれる。
【０１０４】
図１０に示すように、坩堝２０内でシリコンを一方向凝固させている状態においては、坩堝２０の側面部の上部とヒータ３０とが対向している。この時の坩堝２０の側面部におけるヒータ３０からの入熱は、断熱板５２を介して行なわれる。
【０１０５】
すなわち、収納容器２１が配置された場合も、実施形態１のように収納容器２１が配置されていない場合と同様の効果が得られ、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【０１０６】
本実施形態に係る収納容器２１および断熱板５２を用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置５を構成することができる。また、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。
【０１０７】
以下、実施形態５に係る多結晶シリコンインゴット製造装置５により製造された多結晶シリコンインゴットを加工して得られたウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力と、比較例として断熱部材および収納容器が設けられていない多結晶シリコンインゴット製造装置により製造された多結晶シリコンインゴットを加工して得られたウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力とを比較した実験例について説明する。
【０１０８】
(実験例)
実施例および比較例の両方において、本実施形態に係る坩堝２０として、内寸が８３０ｍｍ×８３０ｍｍ×４２０ｍｍ、底面部の厚さが２０ｍｍ、および、側面部の厚さが１５ｍｍであるシリカ製の坩堝を使用した。載置台４０としては、黒鉛製の板を使用した。
【０１０９】
実施例においては、断熱板５２として、厚さが２０ｍｍの炭素系成型断熱板を使用した。断熱板５２の大きさは、８６０ｍｍ×４２０ｍｍとした。断熱板５２を坩堝２０の全周に亘って側面部に取り付けて、坩堝２０の側面部の全面を覆うようにした。
【０１１０】
また、実施例および比較例の両方において、多結晶シリコンインゴットの製造方法は上記実施形態と同様にした。なお、多結晶シリコンインゴットの比抵抗が約１．０Ωｃｍ以上１．５Ωｃｍ以下になるように、シリコン原料にホウ素をドープした。
【０１１１】
実施例においては、成長させた多結晶シリコンインゴットの外観に異常は認められず、インゴット割れは発生していなかった。比較例においては、インゴットの最上部の角部の一部に、１２ｍｍ×２３ｍｍ×１３ｍｍ程度の大きさの割れが確認された。
【０１１２】
次に、これらの多結晶シリコンインゴットをバンドソーにてブロック化後、ワイヤーソーにてスライス化して多結晶シリコンウエハを作製した。これらのウエハを通常の太陽電池セル製造プロセスに投入し、その出力特性を確認した。
【０１１３】
図１１は、実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。図１１においては、縦軸に割合、横軸に太陽電池の出力を示している。
【０１１４】
図１１に示すように、実施例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルは、比較例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルに比較して、太陽電池の出力分布が高い方にシフトしている。
【０１１５】
出力の低い太陽電池は、インゴットの上部から取り出されたウエハから形成された太陽電池である。上述の通り、出力低下の原因は、インゴット内部の応力に起因する結晶欠陥である。
【０１１６】
したがって、本実験例から、本実施形態に係る断熱部材および収納容器を用いて多結晶シリコンインゴットを成長させることにより、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制することができることが確認された。
【０１１７】
また、実施例においては、比較例より多結晶シリコン太陽電池の出力を向上することができたため、その多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールの特性は、比較例の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールより当然に向上している。
【０１１８】
本実験例においては、坩堝２０の側面部の全面を覆うことができる断熱板５２を設けたが、必ずしも全面を覆わなくてもよく、坩堝２０の側面部の５０％以上を覆うことができる断熱部材を設けることにより高い効果を得ることができる。
【０１１９】
今回開示された実施形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２０】
１，２，３，４，５  多結晶シリコンインゴット製造装置、１０  筐体、１１  開口、１２  排気口、１３  ガス供給管、２０  坩堝、２１  収納容器、３０  ヒータ、４０  載置台、４１  側面、５０，５０ａ，５０ｂ，５２  断熱板、５１  カーボンフェルト、６０  中蓋、６０ａ  天井部、６０ｂ  側壁部、６０ｃ  底部、６１  加熱領域、７０  駆動部、７１  支持部、８０  溶融シリコン、９０  冷却部。
【図１】
2013116845.tif 000003
【図２】
2013116845.tif 000004
【図３】
2013116845.tif 000005
【図４】
2013116845.tif 000006
【図５】
2013116845.tif 000007
【図６】
2013116845.tif 000008
【図７】
2013116845.tif 000009
【図８】
2013116845.tif 000010
【図９】
2013116845.tif 000011
【図１０】
2013116845.tif 000012
【図１１】
2013116845.tif 000013
【図１２】
2013116845.tif 000014