(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】坩堝２０と、坩堝２０の側方に位置するヒータ３０と、坩堝２０の底面部と接触して位置する載置台４０と、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断熱材５０とを備える。【選択図】図１
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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、
前記坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材と、
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】
前記遮蔽体は、前記側面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溶融させている状態における前記遮蔽体は、前記側面を前記ヒータから隠す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３】
前記坩堝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前記遮蔽体は、前記側面を開放するように位置している、請求項２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項４】
前記遮蔽体は、前記側面の５０％以上を覆うことができる、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】
前記遮蔽体は断熱材からなる、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】
前記断熱材が、炭素系フェルトまたは酸化物系フェルトである、請求項５に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項７】
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により製造された、多結晶シリコンインゴット。
【請求項８】
請求項７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９】
請求項７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１０】
請求項９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１１】
請求項１０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１０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１０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１０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、坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材と、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とを備える。
【００２２】
本発明の一形態においては、遮蔽体は、上記側面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溶融させている状態における遮蔽体は、上記側面をヒータから隠すように位置している。
【００２３】
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途中の状態における遮蔽体は、上記側面を開放するように位置している。
【００２４】
本発明の一形態においては、遮蔽体は、上記側面の５０％以上を覆うことができる。
本発明の一形態においては、遮蔽体は断熱材からなる。
【００２５】
本発明の一形態においては、断熱材が炭素系フェルトまたは酸化物系フェルトである。
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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】
【００３０】
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】
【００３１】
【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】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１０】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】
【００３２】
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。
【００３３】
また下記の実施形態１〜４においては、坩堝２０を載置台４０上に直接載置している例を挙げるが、たとえば坩堝２０を黒鉛などからなる図示しない外坩堝内に設置し、外坩堝を載置台４０上に載置するようにしてもよい。また、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。
【００３４】
(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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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と載置台４０の側面４１との間に、後述するように熱を遮蔽する遮蔽体が配置されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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載置台４０内の温度に、載置台４０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。
【００５２】
この傾向は、載置台４０の側面４１からの入熱の影響によるものである。この入熱により、載置台４０の温度は、周側部側が中央部側より高くなる。その結果、載置台４０の周側部からの抜熱が抑制され、シリコンの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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、載置台４０の側面４１における入熱および放熱を制御することが有効であることを本発明者らは発見した。
【００５５】
図１，２に示すように、本実施形態においては、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に、熱を遮蔽する遮蔽体が介在している。遮蔽体としては、断熱性および柔軟性を有する断熱材が好ましい。本実施形態においては、断熱材としてカーボンフェルト５０を用いている。
【００５６】
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。
【００５７】
カーボンフェルト５０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５０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５０が変形する。その結果、カーボンフェルト５０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。
【００５８】
カーボンフェルト５０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。
【００５９】
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けるカーボンフェルト５０は、載置台４０の側面４１をヒータ３０から隠す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５０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。
【００６０】
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けるカーボンフェルト５０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。
【００６１】
すなわち、カーボンフェルト５０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５０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。
【００６２】
本実施形態に係るカーボンフェルト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。またそれにより、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。
【００６３】
本実施形態に係るカーボンフェルト５０を用いた多結晶シリコンインゴット製造装置１により、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。
【００６４】
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、遮蔽体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。
【００６５】
(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。
【００６６】
図３，４に示すように、本実施形態においては、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に、遮蔽体として断熱板５１が介在している。本実施形態においては、高珪酸ガラス繊維を板状にした断熱板５１を用いている。ただし、断熱板５１の材料は、高珪酸ガラス繊維に限らず、たとえば、セラミックファイバーを積層して板状にしたもの、または、黒鉛製成型断熱材などを用いてもよい。
【００６７】
断熱板５１は、載置台４０の側面４１の上端部に回動可能に取り付けられている。断熱板５１の下端部は、中蓋６０の底部６０ｃ上で移動可能に載置されている。そのため、坩堝２０の上下移動に追随して、断熱板５１が俯仰する。その結果、断熱板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。
【００６８】
断熱板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。
【００６９】
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ける断熱板５１は、載置台４０の側面４１をヒータ３０から隠す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、断熱板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。
【００７０】
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ける断熱板５１は、中蓋６０の底部６０ｃの角部と接触して持ち上げられるように、加熱領域６１内に留まっている。なお、断熱板５１は、坩堝２０の側面部を覆わない程度に持ち上げられている。
【００７１】
すなわち、断熱板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、断熱板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。
【００７２】
本実施形態に係る断熱板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図ることができる。またそれにより、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。
【００７３】
本実施形態に係る断熱板５１を用いた多結晶シリコンインゴット製造装置２により、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。
【００７４】
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、遮蔽体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。
【００７５】
(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。
【００７６】
図５，６に示すように、本実施形態においては、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に、遮蔽体として断熱ブロック５２が介在している。本実施形態においては、高珪酸ガラス繊維をブロック状にした断熱ブロック５２を用いている。ただし、断熱ブロック５２の材料は、高珪酸ガラス繊維に限らず、たとえば、セラミックファイバーを積層してブロック状にしたもの、または、炭素系成型断熱材などを用いてもよい。
【００７７】
断熱ブロック５２は、中蓋６０の底部６０ｃ上に載置されている。そのため、坩堝２０が上下移動することにより、断熱ブロック５２と載置台４０との相対的位置関係が変化する。すなわち、断熱ブロック５２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。
【００７８】
断熱ブロック５２の大きさは、坩堝２０が最も上方に位置する際に、載置台４０の側面４１全体を覆えるように決定されている。ただし、断熱ブロック５２の大きさは、載置台４０の側面を５０％以上覆うことができればよい。
【００７９】
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ける断熱ブロック５２は、載置台４０の側面４１をヒータ３０から隠す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、断熱ブロック５２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。
【００８０】
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状態における断熱ブロック５２は、中蓋６０の底部６０ｃ上に位置して加熱領域６１内に留まっている。
【００８１】
すなわち、断熱ブロック５２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、断熱ブロック５２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。
【００８２】
その結果、載置台４０を温度分布の面内均一性を向上した状態から冷却することができるため、坩堝２０の底面部においても温度分布の面内均一性を向上した状態で冷却することができる。
【００８３】
本実施形態に係る断熱ブロック５２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。
【００８４】
本実施形態に係る断熱ブロック５２を用いた多結晶シリコンインゴット製造装置３により、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。
【００８５】
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。
【００８６】
(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。
【００８７】
図７，８に示すように、本実施形態においては、載置台４０の側面４１とヒータ３０との間に、遮蔽体として断熱板５３が介在している。本実施形態においては、高珪酸ガラス繊維を板状にした断熱板５３を用いている。ただし、断熱板５３の材料は、高珪酸ガラス繊維に限らず、たとえば、セラミックファイバーを積層して板状にしたもの、または、炭素系成型断熱材などを用いてもよい。
【００８８】
断熱板５３は、載置台４０の側面４１に貼り付けられている。そのため、坩堝２０が上下移動しても、断熱板５３と載置台４０との相対的位置関係は変化しない。すなわち、断熱板５３は、載置台４０の側面４１に対して相対的に移動不能とされている。
【００８９】
断熱板５３の大きさは、載置台４０の側面４１全体を覆えるように決定されている。ただし、断熱板５３の大きさは、載置台４０の側面を５０％以上覆うことができればよい。
【００９０】
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断熱板５３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、断熱板５３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。
【００９１】
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状態における断熱板５３は、中蓋６０の底部６０ｃより下方に位置して加熱領域６１の外側に位置している。
【００９２】
すなわち、断熱板５３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を覆うように位置している。そのため、断熱板５３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への入熱を抑制するものの、載置台４０の側面４１からの放熱も抑制する。
【００９３】
その結果、多結晶シリコンインゴット製造装置４は、実施形態１から３の多結晶シリコンインゴット製造装置１〜３に比較して冷却効率は若干低下するが、載置台４０を温度分布の面内均一性を向上した状態から冷却することができるため、坩堝２０の底面部においても温度分布の面内均一性を向上した状態で冷却することができる。
【００９４】
本実施形態に係る断熱板５３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。
【００９５】
本実施形態に係る断熱板５３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。
【００９６】
以下、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、比較例として遮蔽体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。
【００９７】
(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。載置台としては、黒鉛製の板を使用した。
【００９８】
実施例においては、遮蔽体として、柔軟性を有する厚さが１０ｍｍのカーボンフェルト５０を使用した。カーボンフェルト５０の上端部は、載置台４０の側面４１の上端部に取り付け、下端部は、中蓋６０の底部６０ｃ上に取り付けた。
【００９９】
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１．５Ωｃｍ以上２．０Ωｃｍ以下になるように、シリコン原料にホウ素をドープした。
【０１００】
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、１５ｍｍ×２５ｍｍ×６ｍｍ程度の大きさの割れが確認された。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図９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９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。
【０１０３】
図９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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
したがって、本実験例から、本実施形態に係る遮蔽体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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
本実験例においては、載置台４０の側面４１の全面を覆うことができる遮蔽体を設けたが、必ずしも全面を覆わなくてもよく、載置台４０の側面４１の５０％以上を覆うことができる遮蔽体を設けることにより高い効果を得ることができる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
１，２，３，４  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、３０  ヒータ、４０  載置台、４１  側面、５０  カーボンフェルト、５１，５３  断熱板、５２  断熱ブロック、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、８１  凝固シリコン、９０  冷却部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013116844.tif 000005
【図４】
2013116844.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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