(57)【要約】【課題】一方向成長を利用したキャスト成長法で作製されるＳｉバルク多結晶インゴットにおいて、インゴット上部でも結晶品質の良い、高品質かつ高均質なＳｉバルク多結晶インゴットを得ることができる。これにより、通常は太陽電池特性が低下するインゴット上部においても太陽電池特性の劣化がなく、Ｓｉバルク多結晶インゴットの利用歩留まりを大幅に向上させることができる。【解決手段】キャスト成長法を用いたＳｉバルク多結晶のインゴットの成長初期の段階に形成されるインゴット底部近傍のランダム粒界の割合が、全ての結晶粒界の30％以下になるよう作製される。【選択図】図１
2009040641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャスト成長法を用いたＳｉバルク多結晶のインゴットの成長初期の段階に形成されるインゴット底部近傍のランダム粒界の割合が、全ての結晶粒界の30％以下になるよう作製されたことを特徴とするＳｉバルク多結晶インゴット。
【請求項２】
前記インゴット底部近傍の領域で、ルツボ底面に平行に、結晶ウェハーを任意に切り出したとき、該結晶ウェハーのランダム粒界の割合が全ての結晶粒界の30％以下であるよう作製されたことを特徴とする請求項１記載のＳｉバルク多結晶インゴット。
【請求項３】
Ｓｉ融液を入れたルツボの底面に沿ってデンドライト結晶を成長させ、しかる後に、前記デンドライト結晶の上面からＳｉバルク多結晶を成長させる手法を用いて作製したことを特徴とする請求項１または２記載のＳｉバルク多結晶インゴット。
【請求項４】
Ｓｉ融液を入れたルツボの底面に沿って<112>方向または<110>方向にデンドライト結晶を成長させ、しかる後に、前記デンドライト結晶の上面から{110}面または{112}面を優先面とするＳｉバルク多結晶を成長させる手法を用いて作製したことを特徴とする請求項１または２記載のＳｉバルク多結晶インゴット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率で高品質な太陽電池用のＳｉバルク多結晶インゴットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、化石燃料を代替するクリーンなエネルギー源として、急速に普及が進んでいる。現在、実用太陽電池の大半は、Ｓｉバルク結晶を用いた太陽電池であり、中でも、Ｓｉバルク多結晶の市場の占有率が圧倒的に高い。本発明は、この最も実用化が進み、太陽電池市場で最大のシェアーをとっているＳｉバルク多結晶において、最も一般的に使われる一方向キャスト成長法を用いて作成した、インゴット全体の品質が良く、高品質で高歩留まりなＳｉバルク多結晶インゴット関するものである。
【０００３】
一方向成長を利用したキャスト成長法とは、ルツボ内に入れたＳｉ融液を用いて、ルツボ底面からルツボ上方向に向かってＳｉバルク多結晶インゴットを成長させて作製する方法である。このキャスト成長法の利点は、低コストで、大きな容積のＳｉバルク多結晶が比較的容易に成長できることにある。
【０００４】
しかし、このキャスト成長法で作製されるインゴットは、結晶成長の初期段階で形成されるインゴット底部の多結晶組織を制御できないため、多くの小さな結晶粒界が存在し、その結晶粒方位もランダムである。このため、その領域における電気的に活性なランダム粒界の割合が、全ての結晶粒界の50％程度になっている。
【０００５】
このため、特にインゴット上部において結晶品質の劣化が起きている。このことにより、通常のキャスト成長法で成長したＳｉバルク多結晶インゴットでは、インゴット上部から切り出したＳｉ結晶ウェハーを用いて作製した太陽電池の特性が劣化しており、通常はインゴット上部を太陽電池用ウェハーとして用いることはできない。
【０００６】
太陽電池の発電効率を高めるために、キャスト成長の初期段階にデンドライトを成長させ、平均結晶粒径が５ｍｍ以上の多結晶インゴットを成長する方法が報告されている（特許文献１参照）。また、同様の方法でキャスト成長の初期段階にデンドライトを成長させることで、インゴットの成長方向の結晶方位を｛111｝面近傍に揃える方法も報告されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８４８９２号公報
【特許文献２】特開２００５−１３２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法では、結晶粒径を制御することはできても、結晶粒界の粒界性格やインゴットの結晶方位を制御することは不可能であり、単に成長初期段階にデンドライトを成長させるだけであり、デンドライトの成長方位やデンドライトの伸びる方向を制御することが困難であるという課題がある。また、特許文献２では、成長初期段階にデンドライトを成長させることで、インゴットの結晶方位を｛111｝面近傍に揃えることができると報告しているが、そもそもシリコンにおいては｛111｝面が安定面であるため、成長初期段階にデンドライトを成長させない通常のキャスト法で作製されるインゴットにおいても、インゴットの成長方向の結晶方位は｛111｝面に揃っている。このようなインゴットの成長方向が｛111｝面に揃った多結晶では粒界性格を制御することは困難であり、その結果、ランダム粒界の割合が50％程度存在してしまうため、インゴット上部の結晶品質が劣化してしまい、太陽電池に用いることができないという課題がある。
【０００９】
そこで、本発明では、一方向成長を利用したキャスト成長法で作製されるＳｉバルク多結晶インゴットにおいて、インゴット上部でも結晶品質の良い、高品質かつ高均質なＳｉバルク多結晶インゴットを得ることを目的としている。これにより、通常は太陽電池特性が低下するインゴット上部においても太陽電池特性の劣化がなく、Ｓｉバルク多結晶インゴットの利用歩留まりを大幅に向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、キャスト成長法を用いたＳｉバルク多結晶のインゴットの成長初期の段階に形成されるインゴット底部近傍のランダム粒界の割合が、全ての結晶粒界の30％以下になるよう作製されたことを特徴とするＳｉバルク多結晶インゴットが得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記インゴット底部近傍の領域で、ルツボ底面に平行に、結晶ウェハーを任意に切り出したとき、該結晶ウェハーのランダム粒界の割合が全ての結晶粒界の30％以下であるよう作製されたことを特徴とするＳｉバルク多結晶インゴットが得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、Ｓｉ融液を入れたルツボの底面に沿ってデンドライト結晶を成長させ、しかる後に、前記デンドライト結晶の上面からＳｉバルク多結晶を成長させる手法を用いて作製したことを特徴とするＳｉバルク多結晶インゴットが得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、Ｓｉ融液を入れたルツボの底面に沿って<112>方向または<110>方向にデンドライト結晶を成長させ、しかる後に、前記デンドライト結晶の上面から{110}面または{112}面を優先面とするＳｉバルク多結晶を成長させる手法を用いて作製したことを特徴とするＳｉバルク多結晶インゴットが得られる。
【００１４】
本発明では、インゴット上部における結晶品質の劣化を抑制するために、成長初期段階でランダム粒界の割合が30％以下であるインゴットを用いることを特徴としている。このようなインゴットを作製するために、成長初期段階にルツボ底面に沿ってデンドライトを成長させ、かつデンドライトの成長方向を＜112＞方向または＜110＞方向に制御する。この方法では、デンドライトの上面の方位、つまりインゴットの成長方向の結晶方位は｛110｝面もしくは｛112｝面に揃い、デンドライトの側面の方位は｛111｝面となる。成長初期段階にルツボ底面に沿って成長させたデンドライトの側面が他の結晶粒とぶつかるところが結晶粒界となる。つまり、デンドライトの側面方位である｛111｝面が粒界面となる。シリコンにおいては結晶粒界の粒界面が｛111｝面である場合、その粒界の粒界性格はΣ3対応粒界となりやすく、ランダム粒界は形成されにくいため、ランダム粒界の割合を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、一方向成長を利用したキャスト成長法で作製されるＳｉバルク多結晶インゴットにおいて、インゴット上部でも結晶品質の良い、高品質かつ高均質なＳｉバルク多結晶インゴットが得られる。このため、通常は太陽電池特性が低下するインゴット上部においても太陽電池特性の劣化がなく、Ｓｉバルク多結晶インゴットの利用歩留まりが大幅に向上した。この発明により、従来から実現が渇望されていた、低コストかつ高効率な太陽電池を実現可能なＳｉバルク多結晶インゴットを高歩留まりで作製でき、太陽電池の普及に対して大きな効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。
種結晶を用いない一方向成長を利用したキャスト法で、直径150mmφ、高さ60mmの2種類のＳｉバルク多結晶インゴットを作製した。一つは、成長初期段階にルツボの底面に沿ってデンドライト成長を発現させることにより、インゴット底部の結晶粒サイズを大きくしたＳｉバルク多結晶インゴットである。この成長法を、デンドライト利用キャスト成長法と呼ぶ。このインゴットでは、インゴット底部の領域において、ランダム粒界の割合が全ての結晶粒界の10％程度になっている。もう一つは、通常の方法と同様、成長初期の段階でデンドライト成長を発現させずに作製したため、ランダム粒界の割合が全ての結晶粒界の50％であるＳｉバルク多結晶インゴットである。
【００１７】
この二通りのＳｉバルク多結晶インゴットの底部、中央部、上部を成長方向に対して垂直に切断し、50mm角のウエハーを切り出し、SEM（走査電子顕微鏡）−EBSP（後方散乱電子回折像）装置を用いて組織観察を行った。図１は、二通りのＳｉバルク多結晶インゴットの組織観察結果である。図１（ａ）は、成長初期の段階にデンドライト成長を発現させたインゴット組織観察結果、図１（ｂ）は、成長初期の段階にデンドライト成長を発現させなかったインゴット組織観察結果で、それぞれ底部、中央部、上部の多結晶組織を示している。なお、図１では、結晶方位分布をコントラストで表現しており、同じコントラストの部分は同じ結晶方位を有している。
【００１８】
図１（ａ）では、インゴット底部において、ランダム粒界は存在せず、全ての結晶粒界はΣ3粒界であるが、図１（ｂ）ではランダム粒界が全粒界に対して50％程度存在している。インゴットの中央部および上部において、図１（ａ）では、ランダム粒界は存在しないが、図１（ｂ）では、インゴット底部に形成されたランダム粒界は上部においても引き続き存在していることが分かる。また、図１（ａ）では、成長初期にルツボの底面に沿って<112>方向にデンドライトを成長させているため、インゴットの成長方向の方位はインゴットの底部から上部まで結晶全体に渡り｛110｝面に揃っている。一方、図１（ｂ）では、成長初期にルツボ底面に沿ってデンドライト成長させていないため、さまざまな方位の結晶粒が混在していることがわかる。
【００１９】
図２は、二通りのＳｉバルク多結晶インゴットを使用した太陽電池を作製し、太陽電池の変換効率を比較したグラフである。二通りのＳｉバルク多結晶インゴットから、ルツボ底面に平行に、結晶ウェハーをインゴット底部と上部とから切り出し、太陽電池を作製した。本太陽電池では、実験室レベルの太陽電池プロセスを用いており、市販の太陽電池で用いられている表面テクスチャー構造やゲッタリング処理などの高効率プロセスを使用していないため、変換効率の絶対値は低いが、結晶組織の違いによる太陽電池特性の相対比較を行うことができる。
【００２０】
図２の比較結果で、インゴット底部でランダム粒界が存在しないインゴットでは、インゴットの上部においても太陽電池の変換効率が低下していない。一方、インゴット底部においてランダム粒界が50%近く存在したインゴットでは、インゴットの中央部から上部において、太陽電池特性が低下していることがわかる。このような、インゴット上部における特性の低下は市販のキャスト法で作製されたＳｉバルク多結晶インゴットにおいても見られる現象であり、インゴットの利用歩留まりが悪くなっている原因であると考えられる。
【００２１】
本実験においては、成長初期過程に精密な組織制御を行ったためインゴット底部においてランダム粒界の割合を10％と非常に少なくすることに成功したが、工業的には、生産性などを考慮すると、ランダム粒界の割合を現状の50％から30％以下まで低下させることで、インゴットの高品質化・高均質化が実現できる。
【００２２】
上記したような詳細な実験を行った結果、インゴット上部における太陽電池特性の低下を防ぐには、Ｓｉバルク多結晶インゴットの成長の初期段階に形成されるインゴット底部の領域において、ランダム粒界の割合を全ての結晶粒界の30％以下にすることが不可欠な条件であることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）成長初期の段階にデンドライト成長を発現させた、本発明の実施の形態のＳｉバルク多結晶インゴットの組織のＳＥＭ−ＥＢＳＰ解析画像、（ｂ）成長初期の段階にデンドライト成長を発現させなかったインゴット組織のＳＥＭ−ＥＢＳＰ解析画像である。
【図２】成長初期の段階にデンドライト成長を発現させた、本発明の実施の形態のＳｉバルク多結晶インゴット、および、成長初期の段階にデンドライト成長を発現させなかったインゴットを使用した太陽電池の変換効率を示すグラフである。
【図２】
2009040641.tif 000003
【図１】
2009040641.tif 000004