(57)【要約】【課題】低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することを課題とする。【解決手段】多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程、及び前記上面端材を、前記底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程を含み、原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用することを特徴とするシリコン端材の再利用方法により前記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程、及び
前記上面端材を、前記底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程を含み、
原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用することを特徴とするシリコン端材の再利用方法。
【請求項２】
原料シリコンとして、前記上面端材精製物、前記側面端材及び前記底面端材を使用する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記精製工程が、前記上面端材を溶融させたシリコン融液に精製塊支持体を浸漬させ、前記精製塊支持体の表面に前記上面端材精製物として精製塊を析出させる精製塊製造工程を含む請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記精製工程が、前記上面端材を一方向凝固させて多結晶シリコン塊を作製する一方向凝固工程、及び前記多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して前記上面端材精製物を製造する濃縮部除去工程を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記切断工程が、さらに、前記上面端材の上面を切削する工程を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記方法が、さらに、前記底面端材及び／又は前記側面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
前記多結晶シリコンインゴットが、シリコンを一方向凝固させて製造される請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の切断工程及び精製工程を含む製造方法により得られる原料シリコン。
【請求項９】
請求項８に記載の原料シリコンを用いて製造される多結晶シリコン材料。
【請求項１０】
請求項９に記載の多結晶シリコン材料を用いて製造される多結晶シリコン太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン端材の再利用方法及びその精製物に関する。具体的には、低コストなシリコン端材の再利用方法、並びに、前記再利用方法により得られる原料シリコン、多結晶シリコン材料及び多結晶シリコン太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、地球規模での環境問題に対して、再生可能エネルギーが注目を浴び、その中でも太陽電池は大きな注目を集めている。太陽電池には、バルク系、薄膜系、色素増感系等の幾つかの種類が存在する。その中でも、多結晶シリコンウェハを用いた多結晶シリコン太陽電池が最もコストパフォーマンスが高く、一番大きな市場を占めている。また、さらなる普及促進のために、低価格化が求められている。
【０００３】
シリコン結晶系太陽電池としては、Ｂ（ホウ素）、Ｇａ（ガリウム）等のＩＩＩ族元素が少量添加されたｐ型シリコンの表面に拡散等によりｎ型層を形成させた、ｐｎ接合タイプが最も一般的である。その他にも、Ｐ（リン）等のＶ族元素が少量添加されたｎ型シリコンの表面にｐ型層を形成させたもの、ｐ或いはｎ基板上に薄膜成長によりｎ、ｐ型層をそれぞれ成長させたもの、或いはｎ型シリコンの裏面側にｎ+、ｐ+領域を形成し、電極を裏面側に集めた構造のもの等の、様々な構造の太陽電池が存在する。
【０００４】
太陽電池に用いられる多結晶シリコンの作製方法としては、一部シリコンリボンや球状シリコン等があるものの、その大部分については、一般的にキャスト法と呼ばれる方法が用いられている。キャスト法では、シリカや黒鉛等の坩堝中でシリコンの融液を保持し、その後坩堝底から上面まで、一方向凝固させることで、多結晶シリコンインゴットを作製する。
【０００５】
インゴットは一般的にはバンドソーにより、凝固方向の上面部分、側面部分及び底面部分を切除し、所定サイズの角柱形状のブロックに加工される。次に、ワイヤーソーでブロックをスライスし、ウェハとなる。その他にも、多結晶シリコンウェハに代わるものとして、シリコンの融液から黒鉛製のダイやワイヤー等を利用したり、下地板上に成長させる方法で、直接作製したリボン状の多結晶シリコン（以下、シリコンリボンとも称する）も知られている。また、シリコン融液の液滴を不活性ガス中で坩堝から落下させて作製した、球状の多結晶シリコン（確率的に単結晶粒も含む。以下、球状シリコンとも称する）も知られている。多結晶シリコン太陽電池（セル）はこのようにして得られた多結晶シリコンウェハ、シリコンリボンおよび球状シリコン等を太陽電池プロセスに投入することで作製される。また、太陽電池モジュールは太陽電池セルをモジュール化することで作製される。
【０００６】
前記ブロックへの加工の際、上面端材、側面端材及び底面端材の３種類の端材が発生する。これら端材の重量を合計すると、切断前の多結晶シリコンインゴットの約２０〜３５％程度を占めるため、これら端材をいかに低コストで再利用できるかということが、多結晶シリコンインゴットの低価格化のためには非常に重要である。
【０００７】
本願と同一出願人による特許文献１には、シリコン塊を切断して得られた、表面にＳｉＣが粒子状に付着したシリコン端材の再利用方法が開示されている。この再利用方法では、シリコンインゴットから切断除去された、表面にＳｉＣが粒子状に付着した、上面端材、側面端材及び底面端材の表面を切削後、加熱溶融することで得られた溶融シリコンから凝固偏析によりＳｉＣ粒子を除去し、不純物を低減する工程を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６８９３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のとおり、特許文献１では、シリコンインゴットから切断除去された、表面にＳｉＣが粒子状に付着した、上面端材、側面端材及び底面端材を区別なく同一のプロセスで再利用する方法が提案されている。前記３種類のシリコン端材は、シリコンインゴットの成長方向や坩堝との位置関係により、内部に含まれる金属不純物濃度、ＳｉＣ等の異物量という点で、大きな差があるものと考えられる。従って、特許文献１記載のシリコン端材の再利用方法は、端材の種類によっては、過剰なプロセスとなっており、多結晶シリコンインゴットの低コスト化に向けて最適化出来ていないという問題があった。
【００１０】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、多結晶シリコンインゴット端材の低コストな再利用方法を提供することを課題とする。また本発明により多結晶シリコン太陽電池セル及び太陽電池モジュールを低価格化で市場に投入し、太陽電池セル及び太陽電池モジュールをさらに普及させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発明者らは、鋭意検討の結果、上面端材を、底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程を含むシリコン端材の再利用方法が、低コストで再利用可能であることを見出し、本発明を行うに至った。
【００１２】
かくして、本発明によれば、
多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程、及び
前記上面端材を、前記底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程を含み、
原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用することを特徴とするシリコン端材の再利用方法が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、高品質な原料シリコンが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、高品質な多結晶シリコン材料が提供される。ここで、本明細書においては、精製され製造された原料シリコンを原料として製造される「多結晶インゴット」、その「多結晶インゴット」を加工して得られる「多結晶シリコンブロック」、その「多結晶シリコンブロック」を加工して得られる「多結晶シリコンウェハ」、精製され製造されたシリコンを原料として製造される多結晶の「シリコンリボン」及び精製され製造されたシリコンを原料として製造される多結晶の「球状シリコン」等を含む概念として、「多結晶シリコン材料」を用いる。
【００１５】
また、本発明によれば、高品質な多結晶シリコン太陽電池が提供される。ここで、本明細書においては、「太陽電池セル」と「太陽電池モジュール」とを含む概念として、単に「太陽電池」とも称する。従って、例えば、「多結晶シリコン太陽電池」と記載されたものがあれば、それは「多結晶シリコン太陽電池セル」及び「多結晶シリコン太陽電池モジュール」を含む意味となる。
【発明の効果】
【００１６】
上面端材、側面端材及び底面端材について、金属不純物量、ＳｉＣ、ＳｉＮ等の異物量を詳細に検討したところ、
上面端材  ＞＞  側面端材  ＞  底面端材
であることがわかった。このため、特に純度の低い上面端材を別途、底面端材とは異なった工程を経て、上面端材精製物に精製することで、過剰なコストを抑え、再利用方法の低コスト化を実現することができる。また、本発明のシリコン端材の再利用方法を用いることで、多結晶シリコンインゴットの製造が低コストで可能となる。さらに、多結晶シリコンインゴットから作製されるブロック、ウェハ、太陽電池セル及び太陽電池モジュールを低コスト化することが可能となり、太陽電池の普及を加速することができる。また、本発明のシリコン端材の再利用方法で製造した原料シリコンは、シリコンリボンや球状シリコン等を製造する際のシリコン融液の原料としても利用可能であり、シリコンリボン、球状シリコン太陽電池等も多結晶シリコンウェハと同様に低コスト化が可能である。
【００１７】
また、本発明によれば、原料シリコンとして、上面端材精製物、側面端材及び底面端材を使用することで、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、精製工程が、上面端材を溶融させたシリコン融液に精製塊支持体を浸漬させ、精製塊支持体の表面に上面端材精製物として精製塊を析出させる精製塊製造工程を含む場合、上面端材精製物中の不純物量をより低減することができ、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、精製工程が、上面端材を一方向凝固させて多結晶シリコン塊を作製する一方向凝固工程、及び多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して上面端材精製物を製造する濃縮部除去工程を含む場合、この場合も、上面端材精製物中の不純物量をより低減することができ、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、切断工程が、さらに、上面端材の上面を切削する工程を含む場合、上面端材中に含まれる不純物量をより低減することができ、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００２１】
また、本発明によれば、方法が、さらに、底面端材及び／又は側面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程を含む場合、底面端材及び／又は側面端材中に含まれる不純物量の低減がより容易となり、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、多結晶シリコンインゴットが、シリコンを一方向凝固させて製造される場合、シリコン端材中に含まれる不純物量をより容易に低減することができ、より低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００２３】
本発明の切断工程及び精製工程を含む製造方法により、高品質で低コストな原料シリコンを提供することができる。
【００２４】
本発明によれば、前記のような原料シリコンから、高品質で低コストな多結晶シリコン材料を提供することができる。
【００２５】
本発明によれば、前記のような多結晶シリコン材料を含む、高品質で低コストな多結晶シリコン太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明の再利用方法の工程を示す図である。
【図２】図２は本発明の切断工程を示す図である。
【図３】図３は本発明の精製塊製造工程を示す図である。
【図４】図４は本発明の一方向凝固工程及び濃縮部除去工程を示す図である。
【図５】図５は本発明の多結晶シリコン太陽電池セルの製造工程を示す図である。
【図６】図６は本発明の多結晶シリコン太陽電池モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の特徴は、
多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程、及び
前記上面端材を、前記底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程を含み、
原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用するシリコン端材の再利用方法である。
【００２８】
ここで、多結晶シリコンインゴットは、原料となるシリコンを一方向に向けて多結晶化（凝固）させることにより製造される。このため、本発明において、前記の上面、側面及び底面とは、多結晶シリコンインゴット内の一方向凝固、即ち、結晶の成長方向（多結晶化が順次起こっていく方向）の上面、側面及び底面を意味する。
【００２９】
他方、多結晶シリコンインゴットの上面端材、側面端材及び底面端材とは、それぞれ、前記のような上面、側面及び底面を含むシリコン端材を意味する。また、シリコン端材とは、上面端材、側面端材及び底面端材からなる表面端材を意味する。
【００３０】
本発明の再利用方法は、多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程を含む。この工程により、多結晶シリコンインゴットから太陽電池内でその原料として使用することができる多結晶シリコンブロックと、不純物を含むシリコン端材とに切断することができる。また、含まれる不純物量は上面端材が最も多く、側面端材、底面端材の順に少なくなっている。
【００３１】
また、本発明の方法は、上面端材を、底面端材とは異なる工程で、上面端材精製物に精製する精製工程も含む。このため、前記のような上面端材のみを、底面端材とは別に精製することで、シリコン端材の全てを精製した場合と比べて、格段に精製コストを抑制することができる。よって、再利用方法全体の低コスト化を実現することができる。
【００３２】
さらに、本発明の切断工程及び精製工程を含む製造方法により原料シリコンが得られる。よって、原料シリコンとして、不純物濃度の比較的少ない上面端材精製物及び底面端材を多結晶シリコンインゴット等の多結晶シリコン材料の製造に使用することで、シリコン端材の再利用、即ち、有効活用を図ることができる。また、その結果、従来の方法、即ち、上面端材、底面端材を共に精製する場合と比べて、シリコン原料をより低コストで提供することもできる。
【００３３】
また後述する通り、側面端材についても、底面端材同様、原料シリコンとして利用することが、コスト面からより好ましい。但し、側面端材の上部は、上面端材と同等の純度であるため、上面端材部分の純度や求められる原料シリコンの仕様等によっては、上面端材同様の処理が必要となることもある。或いは、側面端材の上部をその他の部分と分離し、上部部分は上面端材と同様に処理し、その他の部分は底面端材と同様、原料シリコンとして利用することも可能である。
【００３４】
従って、本発明によれば、低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。その結果、原料シリコン、多結晶シリコン材料及び多結晶シリコン太陽電池のような、高品質なシリコン製品を安価に提供することもできる。
以下、シリコン端材の再利用方法及びその用途についてより具体的に説明するが、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
【００３５】
＜多結晶シリコンインゴット＞
原材料として使用する多結晶シリコンインゴットは、公知の方法によって得ることができる。本発明において、多結晶シリコンインゴットはシリコンを一方向凝固させて製造されることが好ましい。具体的には、原料となるシリコンを溶融させ、次いで得られた融液を一方向に凝固させることにより得ることができる。
【００３６】
また、上面端材の精製による太陽電池特性向上効果が高いため、冶金法によって精製されたシリコンから製造される多結晶シリコンインゴットがより好ましい。ここで、冶金法とは、シリコンおよび不純物の金属学的な特性を利用して精製を行う精製方法を意味する。この場合、冶金法によって精製されたシリコンで製造された多結晶シリコンインゴットは、一般的に、気相法によって精製されたポリシリコンよりも不純物濃度が高い。さらに、底面端材及び側面端材の２つと、上面端材との不純物濃度の差が顕著なため、本発明の効果がより高い。
【００３７】
この方法によれば、シリコンを溶融させてシリコン融液を製造し、次いでシリカ、黒鉛等からなる坩堝に、例えば側面ヒータを設置し、坩堝を徐々に降下させ、シリコン融液を底部から冷却していくことで、底面から上面に向けて徐々に凝固させることができる（一方向凝固工程）。不純物の偏析効果により、下部（底面）に近いほど結晶成長中の不純物取り込み量は少なく、上部（上面）に近いほど不純物取り込み量が多くなる。このため、多結晶シリコンインゴットは結晶成長方向の上面に、比較的不純物の含有量の多い部分を有する。
【００３８】
他方、多結晶シリコンインゴットはその表面にＳｉＣが粒子状に付着していないことが好ましい。この場合、多結晶シリコンインゴットから得られるシリコン端材の不純物含量を低減することにより、再利用方法の低コスト化を図ることができる。
【００３９】
＜切断工程＞
切断工程において、多結晶シリコンインゴットの結晶成長方向の上面、側面及び底面から、それぞれ上面端材、側面端材及び底面端材を切断することにより、不純物を比較的多く含むシリコン端材と、太陽電池のシリコン部材として使用し得る多結晶シリコンブロックとに切断することができる。
【００４０】
具体的に、図２を用いて、多結晶シリコンインゴットから底面端材、側面端材及び上面端材が発生する切断工程について説明する。まず、図２のように、多結晶シリコンインゴットを、エポキシ系樹脂等からなるボンドで固定し、大型バンドソーで、所望のサイズに縦方向に切断する。一般的には１５６ｍｍ角、１２６ｍｍ角が現在の主流である。その際、側面部分から側面端材が発生する。図から明らかなように、この場合、側面端材の底面側、側面側下部は固定用のボンドが付着している。
【００４１】
次いで、切り出した角柱を取り出し、図２のように、小型バンドソーで、インゴットの底面側及び上面側を、仕様で定められた所定量に切断する。ここで、それぞれ底面端材及び上面端材が発生する。図から明らかなように、底面端材の底面側には固定用のボンドが付着している。ボンドは高温にして柔らかくなったところで、へらである程度除去することができる。
【００４２】
ここで、上面端材にはボンドは付着しない。しかしながら、上面端材の上面側はＳｉＣやＳｉＮ等の異物を多く含んでいる可能性があるため、サンドブラスト等により切削することが好ましい。
【００４３】
よって、切断工程が、さらに、上面端材の上面を切削する工程を含むことが好ましい。この場合、上面端材中に含まれる不純物量をより低減することができる。その結果、本発明によれば、より高品質で低コストなシリコン端材の再利用方法を提供することができる。
【００４４】
また、切削方法としては、グラインダー研磨やサンダー研磨といった方法、ＳｉＣ砥粒等を吹付けて削る方法等も挙げられる。また、削る手段は乾式法に限られたものではなく、例えば、酸又はアルカリといった溶液でエッチングする湿式法や、ＣＦ4、ＣＦ2Ｃｌ2、ＣＦ3Ｃｌ、Ｃ2Ｆ6等のガスによるプラズマ・エッチング法も挙げられる。切削工程では、表面に付着した介在物や不純物を数μｍ（例えば３μｍ位）〜数ｍｍ（例えば５ｍｍ位）切削することもできる。
【００４５】
また、シリコン端材を以下の工程で使用するために、これらを、ジョークラッシャー等の粉砕機を用いて破砕していてもよい。この場合、シリコン端材の溶融等の工程時間を短縮することができ、その結果、再利用方法のより低コスト化を図ることもできる。
【００４６】
＜精製工程＞
底面端材は前述の通り、上面端材と比較して含有不純物量、含有異物量が大幅に少ないため、凝固偏析工程を経ることなく原料シリコンとして再利用することができる。上面端材は従来通り、原料シリコンとして使用可能な上面端材精製物に精製されることが好ましい。このように、底面端材の凝固偏析工程を省略したため、従来の方法と比較して、再利用方法のコストを低減することができる。
【００４７】
側面端材についても、上面端材同様、凝固偏析工程を経ることなく原料シリコンとして再利用することがコスト面からはより好ましい。但し、側面端材の上部側は実質的には上面端材と同一のものであるため、元のインゴット製造の際の原料シリコンの純度、求められる原料としての純度等によっては、上部端材同様、凝固偏析を行う必要がある場合もある。或いは、側面端材の上部部分のみを分離し、分離した上部部分のみ凝固偏析工程へ、残りの部分を凝固偏析工程を経ることなく原料シリコンとして再利用することも考えられる。
【００４８】
この工程では、公知の凝固偏析法を行うことができる。また、製造コストをより低減することができるため、精製工程としては、シリコン融液に精製塊支持体を浸漬して精製塊を製造する方法（精製塊製造工程）及び一方向凝固後、不純物の濃縮部を除去する方法（一方向凝固工程及び濃縮部除去工程）が好ましい。製造コストを低減することができる限り、精製塊製造工程、又は一方向凝固工程及び濃縮部除去工程のいずれか１工程を使用してもよく、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００４９】
また本発明のシリコン端材の再利用方法は、上面端材と底面端材とは異なる工程で再利用するシリコン端材の再利用方法である。前述のとおり、底面端材は、上面端材と比較して、金属不純物量、ＳｉＣ、ＳｉＮ等の異物量が極端に少なく、凝固偏析による不純物除去はオーバースペックである。よって、底面端材については、この工程を省略することにより大幅にコストを低減することができる。また前記の通り、側面端材についても、部分的でも底面端材同様に処理することでさらにコストの低減が可能となる。シリコン端材の再利用方法の工程について、図１にまとめる。以下、これらの工程について具体例を挙げて詳説する。
【００５０】
＜精製塊製造工程＞
精製工程は、上面端材を溶融させたシリコン融液に精製塊支持体を浸漬させ、精製塊支持体の表面に上面端材精製物として精製塊を析出させる精製塊製造工程を含むことが好ましい。この工程では、溶融シリコンに浸漬された精製塊支持体は、その外表面がシリコンの融点１４１４℃よりも低い温度となるように冷却され、精製塊支持体の外表面上に精製塊として精製シリコン（上面端材精製物）が析出する。また、所定の量だけ溶融シリコンが析出するように冷却ガス流量を制御することもできる。この場合、精製シリコンが析出する際に、偏析効果により精製塊支持体の外表面に析出した精製シリコン中に含まれる不純物量は著しく減少する。従って、この工程により高純度の精製シリコンを得ることができる。
【００５１】
一例を挙げれば、まず図３に示すとおり、原料シリコン４００ｋｇを坩堝中に投入し、ヒータ温度を、好ましくは１４５０〜１８００℃、より好ましくは１５００〜１６５０℃、さらに好ましくは１６００℃程度で十分加熱し、原料シリコンを融解させる。
【００５２】
その後、シリコン融液を、シリコンの融点の、好ましくは＋５〜＋３０℃、より好ましくは＋１０〜＋２０℃、さらに好ましくは＋１５℃程度に調整し、坩堝上部から黒鉛製の精製塊支持体を接触させる。精製塊支持体は中空構造で直径約２５０ｍｍの半球型のものを用い、精製塊支持体を冷却するため、内部に低温の窒素ガスを循環させることが好ましい。また、坩堝内を攪拌することもできる。
【００５３】
精製塊製造時に、精製塊支持体をシリコン融液に浸漬させる深さは、精製塊支持体の大きさによるため一概には言えないが、出来る限り深くまで浸漬する方が精製塊の成長速度を速くでき、効率的である。但し、余り深くまで浸漬すると、精製塊支持体とその上部部品との間の凹凸部や隙間等に、シリコン融液が偏析せずに付着する可能性があるため、注意する必要がある。従って、精製塊支持体の浸漬深さは、精製塊支持体の鉛直方向の長さを１００として、好ましくは５０〜１００、より好ましくは８０〜９９、さらに好ましくは９６程度が適当である。また精製塊支持体は、好ましくは２０〜２００ｒｐｍ、より好ましくは３０〜８０ｒｐｍ、さらに好ましくは４０ｒｐｍ程度の回転数で回転させ、シリコン精製物として精製塊を析出させる。
【００５４】
精製塊がおよそ１２ｋｇになったところで、融液から精製塊を引き上げ、精製塊を取り外した後、残りのシリコン融液量が１６０ｋｇになるまで同様の工程を繰り返す。融液量が１６０ｋｇになったところで当初からの減少分、約２４０ｋｇの原料シリコンを坩堝中に投入し、シリコンの融解工程から同様のプロセスを繰り返す。
【００５５】
＜一方向凝固工程及び濃縮部除去工程＞
精製工程は、上面端材を一方向凝固させて多結晶シリコン塊を作製する一方向凝固工程、及び多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して上面端材精製物を製造する濃縮部除去工程を含むことも好ましい。この場合も、上面端材中の不純物を濃縮することにより、容易に高品質な原料シリコン（上面端材精製物）を回収することができる。
【００５６】
この工程では、前記したような一方向凝固工程を同様に用いることができる。本工程の概略図を図４に示す。一例を挙げれば、内径８３０ｍｍ×８３０ｍｍ×高さ４００ｍｍの坩堝に投入原料を４２０ｋｇ投入し、真空引きしながら、ヒータにより、好ましくは６００〜１０００℃、より好ましくは７００〜９００℃、さらに好ましくは８００℃程度まで加熱する。その後、アルゴンガスを、好ましくは１０〜７０Ｌ／分、より好ましくは２０〜５０Ｌ／分、さらに好ましくは４０Ｌ／分程度で導入し、チャンバ内圧が好ましくは５０〜１００ｋＰａ、より好ましくは７０〜９５ｋＰａ、さらに好ましくは９０ｋＰａ程度となるように制御する。
【００５７】
次に、ヒータ温度を、好ましくは１４５０〜１６００℃、より好ましくは１５００〜１５８０℃、さらに好ましくは１５５０℃程度まで加熱し、原料シリコンが全て融解するまで待つ。その後、シリコンの融点の、好ましくは＋５〜＋３０℃、より好ましくは＋１０〜＋２０℃、さらに好ましくは＋１５℃程度で、好ましくは５〜６０分間、より好ましくは２０〜４０分間、さらに好ましくは３０分間程度シリコン融液を保持する。
【００５８】
次いで、多結晶シリコンインゴットの成長レシピに従って、温度制御、坩堝位置制御を行う。具体的には、ヒータの出力傾向から凝固がインゴットの上面まで完了したことを確認した後、好ましくは１１００〜１３００℃、より好ましくは１１５０〜１２５０℃、さらに好ましくは１２００℃程度で、好ましくは１〜３時間、より好ましくは１．５〜２．５時間、さらに好ましくは２時間程度、アニールを行い、冷却し、多結晶シリコン塊を取り出す。
【００５９】
投入原料に含まれていた金属不純物やＳｉＣ、ＳｉＮ異物はインゴット上面側に濃縮される（不純物の濃縮部）。インゴットの上部側の切断量は投入原料であった上面端材の純度や原料シリコンの仕様等によるため一概には言えないが、多結晶シリコンインゴット製造のための投入原料の不純物濃度が仕様以下になるように決めればよい。一例として、約２５ｍｍを切断除去する。他方、得られた精製物の側面及び底面を適量除去してもよい。
【００６０】
ここで、上面端材の上面側は特にＳｉＣやＳｉＮ等の異物を多く含んでいる可能性があるため、上面端材を溶融して得られたシリコン融液表面に浮遊異物が発生する可能性がある。このため、これら浮遊異物は精製塊表面に付着したり、一方向凝固の際も結晶中に含まれたりし、不純物低減効果が下がる。よって、多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して上面端材精製物を製造することが好ましい。除去方法としては、これらをサンドブラスト等により切削することもできる。
【００６１】
＜底面端材及び／又は側面端材＞
底面端材及び／又は側面端材の付着物や不純物の含量が少ない場合、洗浄や切削をすることなく、これらを多結晶シリコンインゴット製造用の原料シリコンとしてそのまま使用することができる。
【００６２】
他方、本発明の再利用方法は、さらに、底面端材及び／又は側面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程を含むことが好ましい。具体的には、多結晶シリコンインゴットを切断する際、底面側をボンド等で固定することが多い。この場合、底面端材の底面側や側面端材の下部側面、底面側にはボンド等が付着しているため、その部分の洗浄や切削を行うことが好ましい。洗浄及び切削をするための方法としては、当該分野で一般的に用いられる方法を用いることができる。
【００６３】
例えば、中性洗剤のような洗剤を含む界面活性剤槽、水槽、エッチング槽等を用いて洗浄することができる。また、エッチング槽としては、例えばフッ酸と硝酸との混酸や、塩酸を水で適度に希釈した酸槽、水酸化ナトリウム等のアルカリを湯で適度に希釈したアルカリ槽等を挙げることができる。他方、これらは適宜、単独で使用してもよく、組み合わせて使用してもよい。
【００６４】
また、切削の方法としては、サンドブラスト等を用いる公知の方法が挙げられる。さらに、上面端材の切削方法について記載したような方法を用いることもできる。
【００６５】
なお、本発明において、「底面端材及び／又は側面端材」とは、底面端材、側面端材及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれかを意味する。また、「洗浄及び／又は切削」についても同様である。
【００６６】
＜原料シリコン＞
本発明の方法は、原料シリコンとして、前記のような上面端材精製物及び底面端材を使用（再利用）する。また、本発明の方法は、原料シリコンとして、前記のような上面端材精製物、側面端材及び底面端材を使用することが好ましい。前述の通り、側面端材については、底面端材同様に再利用できることが好ましいが、求められる純度が高い場合には、上面端材同様に凝固精製を行い、得られた側面端材精製物を原料シリコンとすることもできる。従って、具体的には、原料シリコンとして、前記のような上面端材精製物、側面端材精製物、側面端材、底面端材及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるシリコン材料を使用することも可能である。これらをシリコン原料として使用し、以下の結晶シリコン材料を製造することができる。
【００６７】
＜結晶シリコン材料＞
本発明の結晶シリコン材料は、本発明の高純度シリコンを原料として製造される。具体的には、多結晶のシリコンインゴット、シリコンブロック、シリコンウェハ、シリコンリボン、球状シリコン等が挙げられる。これらは、公知の方法により製造又は加工することにより得られる。
【００６８】
また、多結晶のシリコンブロックは、例えば、バンドソー等の公知の装置を用いて、多結晶シリコンインゴットにおいて坩堝材料等の不純物が拡散されているおそれのある表面部分を切断加工することにより得ることができる。また、必要に応じて、多結晶シリコンブロックの表面を研磨加工してもよい。
【００６９】
さらに、多結晶のシリコンウェハは、例えば、マルチワイヤーソー等の公知の装置を用いて、本発明の多結晶シリコンブロックを所望の厚さにスライス加工することにより得ることができる。現状では１７０〜２００μｍ程度が一般的であるが、低コスト化のため徐々に薄型化の傾向にある。
【００７０】
また、必要に応じて、多結晶シリコンウェハの表面を研磨加工してもよい。さらに、シリコンリボン及び球状シリコンも公知の方法により製造又は加工することにより得ることができる。
【００７１】
＜シリコン太陽電池＞
本発明のシリコン太陽電池セルは、本発明の多結晶シリコン材料を用いて製造される。シリコン太陽電池セルは、例えば、本発明の多結晶シリコン材料を用いて、公知の太陽電池セルプロセスにより製造することができる。具体的には、公知の材料を用いて、公知の方法により、ｐ型の不純物がドープされた多結晶シリコン材料の場合、ｎ型の不純物を表面に拡散してｎ+型層を形成してｐｎ接合を形成し、表面電極及び裏面電極を形成してシリコン太陽電池（太陽電池セル）を得る。球状シリコンの場合には、セルプロセスは若干複雑ではあるが、公知の方法により太陽電池セル製造が可能である。
【００７２】
本発明において、「太陽電池」とは、最小ユニットを構成する「太陽電池セル」及びその複数個を電気的に接続した「太陽電池モジュール」を意味し、太陽電池モジュールは、公知の方法により太陽電池セルの複数個を電気的に接続して得ることができる。
【００７３】
以下、図５（ａ）〜図５（ｉ）を用いて、多結晶シリコンウェハの場合を例に、多結晶シリコン太陽電池セル形成工程について説明する。また、本発明においては、多結晶シリコン太陽電池は、多結晶シリコン太陽電池セルとその他の部材とによって構成される多結晶シリコン太陽電池モジュールも含む。
【００７４】
まず、図５（ａ）に示すように、前記のようにして作製したｐ型の多結晶シリコンウェハ１１を準備する。多結晶シリコンウェハ１１の表面には、テクスチャエッチングを行うことによって形成されたテクスチャ構造（図示せず）が形成されていてもよい。
【００７５】
次に、図５（ｂ）に示すように、多結晶シリコンウェハ１１の表面に、ＰＳＧ（リンシリケートガラス）液４１を塗布する。
【００７６】
次に、ＰＳＧ液４１の塗布後の多結晶シリコンウェハ１１を加熱することによってＰＳＧ液４１から多結晶シリコンウェハ１１にリンを拡散させることにより、図５（ｃ）に示すように、多結晶シリコンウェハ１１の受光面側となる表面にｎ+層４２を形成する。このとき、ｎ+層４２上にはＰＳＧ膜４１ａが形成される。その後、図５（ｄ）に示すように、リンの拡散の際に形成されたＰＳＧ膜４１ａを除去する。
【００７７】
次に、図５（ｅ）に示すように、多結晶シリコンウェハ１１のｎ+層４２上に例えば窒化シリコン膜等の反射防止膜４３を形成する。
【００７８】
次に、図５（ｆ）に示すように、多結晶シリコンウェハ１１の裏面側となる表面（裏面）にアルミニウムペースト４４ａを塗布する。そして、アルミニウムペースト４４ａの塗布後の多結晶シリコンウェハ１１を焼成することにより、アルミニウムペースト４４ａからアルミニウムを多結晶シリコンウェハ１１の裏面に拡散させて、図５（ｇ）に示すように、多結晶シリコンウェハ１１の裏面にアルミニウム電極４４とｐ+層４５とを同時に形成する。
【００７９】
次に、図５（ｈ）に示すように、反射防止膜４３の表面上に銀ペースト４６ａを塗布するとともに、多結晶シリコンウェハ１１の裏面上に銀ペースト４７ａを塗布し、その後焼成する。これにより、図５（ｉ）に示すように、ｎ+層４２と電気的に接続する表面電極としての銀電極４６が形成されるとともに、多結晶シリコンウェハ１１の裏面と電気的に接続する銀電極４７が形成され、多結晶シリコン太陽電池セル４０が作製される。
【００８０】
＜多結晶シリコン太陽電池モジュール＞
図６に、多結晶シリコンウェハの場合を例に、本発明の多結晶シリコン太陽電池モジュールの模式的な断面図を示す。図６に示す多結晶シリコン太陽電池モジュールは、前記のようにして作製された多結晶シリコン太陽電池セル４０の複数が電気的に直列に接続することによって形成されている。
【００８１】
すなわち、隣り合うようにして配置された、一方の多結晶シリコン太陽電池セルの受光面側の表面電極である銀電極４６と、他方の多結晶シリコン太陽電池セルの裏面側の銀電極４７とが、それぞれ、インターコネクタと言われる導電性部材５１によって電気的に接続されることにより、これらの多結晶シリコン太陽電池セルが電気的に直列に接続されて太陽電池ストリングを構成している。
【００８２】
そして、前記の太陽電池ストリングが、透明基板５２と、保護シート５３との間に設置された封止材５４中に封止されることによって多結晶シリコン太陽電池モジュールが作製される。ここで、透明基板５２としては、例えばガラス基板等を用いることができる。また、保護シート５３としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等を用いることができる。さらに、封止材５４としては、例えばＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）等の透明樹脂等を用いることができる。
【００８３】
本発明によれば、多結晶シリコンインゴット端材の低コストな再利用方法を提供することができる。このため、多結晶シリコン太陽電池セル及び太陽電池モジュールを低価で市場に投入し、太陽電池セル及び太陽電池モジュールをさらに普及させることができる。
【実施例】
【００８４】
（実施例１及び比較例１）
本発明の実施例１及び比較例１として、底面端材、側面端材に関しては、（ｉ）表面を３ｍｍサンドブラスト（切削）したもの、（ｉｉ）中性洗剤で表面洗浄したものの２種類について、（ａ）そのまま原料として投入したもの、(ｂ)精製塊を製造し、原料として投入したものの２種類の多結晶シリコンインゴットを作製した。得られた多結晶シリコンインゴットから、前記ブロック加工、スライス加工により、多結晶シリコンウェハを得、太陽電池プロセスに投入して太陽電池の特性を評価した。
【００８５】
また上面端材に関しては、（ｉ）上面側３ｍｍサンドブラスト品と（ｉｉｉ）無処理品の２種類について、（ａ）そのまま原料として投入したもの、（ｂ）精製塊を製造し、原料として投入したもの、及び（ｃ）一方向凝固後上面側２５ｍｍを除去した後、原料として投入した多結晶シリコンインゴットの、計６種類を作製し、前記同様、太陽電池の特性を評価した。比較例１は上面端材を（ａ）そのまま原料として投入したものである。
【００８６】
結果をまとめて表１に示す。表１には、各インゴットから得られたウェハ全数から太陽電池を作製した時の平均出力の相対値を挙げる。ここでは、上面端材を３ｍｍサンドブラストし、精製塊を製造した後、原料として投入した多結晶シリコンインゴットのデータを１００とした。
【００８７】
【表１】
2013116836.tif 000003
【００８８】
表１から、本実施例では底面端材、側面端材に関しては、そのまま原料として投入した場合と、一旦溶融し精製塊を製造してから原料として投入した場合で、ほとんど特性の差が見られないことがわかる。従って、これら端材の再利用に際し、一旦溶融し、凝固偏析を行うことはオーバースペックであり、精製工程を省略することで大幅な低コスト化が可能となる。但し、上面端材に関しては凝固偏析による不純物低減効果は大きく、本工程を省略することはできない。
【００８９】
実施例１及び比較例１では、側面端材についても底面端材と同プロセスで処理してもほぼ底面端材と同等の特性が得られるという結果が得られたが、いつも同じ結果になるとは限らず、注意が必要である。これは、側面端材の上面側の純度の影響を受ける可能性があるためであり、純度がよくない場合には、上面端材と同等のプロセスで再利用することが好ましい。或いは、側面端材を上部部分とその他の分割し、上部部分は上面端材同様の処理を行い、その他の部分は底面端材同様、凝固偏析を経ずに原料シリコンとして利用することも可能である。
【００９０】
実施例１及び比較例１の評価結果より、本発明によれば、多結晶シリコンインゴット端材の低コストな再利用方法を提供することができる。本実施例では多結晶シリコン太陽電池モジュールの評価結果については示さなかったが、本発明により品質が同等の多結晶シリコン太陽電池セルの低コスト化が可能となれば、その多結晶シリコン太陽電池セルから作製される多結晶太陽電池モジュールが低コスト化できることは明らかであり、特性面で遜色のないモジュールを低価格で市場に供給することができる。
【符号の説明】
【００９１】
ａ１  多結晶シリコンインゴット                  ａ２  側面端材
ａ３  ボンド                                    ａ４  上面端材
ａ５  多結晶シリコンブロック                    ａ６  底面端材
【００９２】
１  シリコン融液                                ２  坩堝
３  精製塊支持体                                ４  精製塊
【００９３】
ｂ１  シリコン融液                              ｂ２  坩堝
ｂ３  多結晶シリコン塊                          ｂ４  不純物の濃縮部
【００９４】
１１  多結晶シリコンウェハ                      ４０  多結晶シリコン太陽電池セル
４１  ＰＳＧ液                                  ４１ａ  ＰＳＧ膜
４２  ｎ+層                                     ４３  反射防止膜
４４  アルミニウム電極                          ４４ａ  アルミニウムペースト
４５  ｐ+層                                     ４６，４７  銀電極
４６ａ，４７ａ  銀ペースト
【００９５】
５１  導電性部材                                ５２  透明基板
５３  保護シート                                ５４  封止材
【図１】
2013116836.tif 000004
【図２】
2013116836.tif 000005
【図３】
2013116836.tif 000006
【図４】
2013116836.tif 000007
【図５】
2013116836.tif 000008
【図６】
2013116836.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月12日(2012.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程と、
前記上面端材を溶融させたシリコン融液に精製塊支持体を浸漬させ、前記精製塊支持体の表面に前記上面端材精製物として精製塊を析出させる精製塊製造工程を含む、前記上面端材を前記底面端材とは異なる工程で上面端材精製物に精製する精製工程と、
前記底面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程とを含み、
原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用することを特徴とするシリコン端材の再利用方法。
【請求項２】
前記精製工程が、前記上面端材を一方向凝固させて多結晶シリコン塊を作製する一方向凝固工程、及び前記多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して前記上面端材精製物を製造する濃縮部除去工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
多結晶シリコンインゴットの上面、側面及び底面を切断して、多結晶シリコンブロックを得ると共に、シリコン端材として上面端材、側面端材及び底面端材を得る切断工程と、
前記上面端材を一方向凝固させて多結晶シリコン塊を作製する一方向凝固工程、及び前記多結晶シリコン塊から不純物の濃縮部を除去して前記上面端材精製物を製造する濃縮部除去工程を含む、前記上面端材を前記底面端材とは異なる工程で上面端材精製物に精製する精製工程と、
前記底面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程とを含み、
原料シリコンとして、前記上面端材精製物及び前記底面端材を使用することを特徴とするシリコン端材の再利用方法。
【請求項４】
前記方法が、さらに、前記側面端材の表面を、洗浄及び／又は切削する工程を含み、原料シリコンとして、前記上面端材精製物、前記側面端材及び前記底面端材を使用する請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記切断工程が、さらに、前記上面端材の上面を切削する工程を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記多結晶シリコンインゴットが、シリコンを一方向凝固させて製造される請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法によりシリコン端材を再利用し、原料シリコンを得る原料シリコンの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法により製造された原料シリコンを用いて多結晶シリコン材料を得る多結晶シリコン材料の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法により製造された多結晶シリコン材料を用いて多結晶シリコン太陽電池を得る多結晶シリコン太陽電池の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、シリコン端材の再利用方法並びに原料シリコン、多結晶シリコン材料及び多結晶シリコン太陽電池の製造方法に関する。具体的には、低コストなシリコン端材の再利用方法、並びに原料シリコン、多結晶シリコン材料及び多結晶シリコン太陽電池の製造方法に関する。