JP2006083024A - Casting method of polycrystalline silicon ingot, polycrystalline silicon ingot using the same, polycrystalline silicon substrate and solar cell element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a casting method of a polycrystalline silicon ingot by which the loss of a molten metal is reduced when an assemble system casting mold exhibiting high cost merit is used, a polycrystalline silicon ingot attaining both of high quality and low cost, a polycrystalline silicon substrate and a solar cell element using the same. <P>SOLUTION: The casting method of the polycrystalline silicon ingot includes a pouring step for pouring a molten silicon 4 obtained by melting silicon to the casting mold 5 formed by assembling a plurality of members to be partially opened at one part from the opening part of the casting mold 5 and a solidifying step for solidifying the molten silicon 4 while keeping it in the casting mold 5. In the pouring step, gaps 10 among the plurality of the members constituting the casting mold 5 are sealed by an initial solidified layer 11 formed by solidifying the molten silicon 4 being brought into contact with the inner surface of the casting mold 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、特に太陽電池用多結晶シリコンを鋳造するのに適した多結晶シリコンインゴットの鋳造方法とこれを用いた多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコン基板、太陽電池素子に関する。   The present invention relates to a method for casting a polycrystalline silicon ingot particularly suitable for casting polycrystalline silicon for solar cells, and a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon substrate, and a solar cell element using the same.

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、化合物系等に分類される。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良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。   A solar cell converts incident light energy into electrical energy. Major solar cells are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of materials used. Of these, most of the crystalline silicon solar cells currently on the market are in the market. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. Single-crystal silicon solar cells have the advantage of high efficiency because the quality of the substrate is good, but have the disadvantage of high substrate manufacturing costs. On the other hand, the polycrystalline silicon solar cell has the advantage that it can be manufactured at a low cost although it has the disadvantage that it is difficult to increase the efficiency because the quality of the substrate is inferior. In recent years, conversion efficiency of about 18% has been achieved at the research level due to the improvement of the quality of the polycrystalline silicon substrate and the advancement of cell technology.

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。   On the other hand, since mass-produced polycrystalline silicon solar cells are low in cost, they have been distributed in the market. However, in recent years, demands are increasing as environmental problems are addressed.

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、離型材を塗布した石英等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インゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したインゴット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。   A polycrystalline silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. This casting method is a method of forming a silicon ingot by cooling and solidifying a silicon melt in a mold made of quartz or the like coated with a release material. The ends of the silicon ingot are removed, cut into a desired size, and the cut out ingot is sliced to a desired thickness to obtain a polycrystalline silicon substrate for forming a solar cell.

特許文献1に開示されたシリコン等を鋳造する一般的な鋳造装置を図2に示す。図2において1aは溶融坩堝、1bは保持坩堝、2は注湯口、3は加熱手段、4はシリコン融液、5は鋳型を示す。   A general casting apparatus for casting silicon or the like disclosed in Patent Document 1 is shown in FIG. In FIG. 2, 1a is a melting crucible, 1b is a holding crucible, 2 is a pouring port, 3 is a heating means, 4 is a silicon melt, and 5 is a mold.

鋳造装置の上部にシリコン原料を溶融するための溶融坩堝1aが保持坩堝1bに保持されて配置され、溶融坩堝1aの上縁部には溶融坩堝1aを傾けてシリコン融液を注湯するための注湯口2が設けられる。また、溶融坩堝1a、保持坩堝1bの周囲には加熱手段3が配置され、溶融坩堝1a、保持坩堝1bの下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型5が配置される。溶融坩堝1a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等が用いられる。保持坩堝1bは石英等でできた溶融坩堝1aがシリコン融液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。加熱手段3は、例えば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。   A melting crucible 1a for melting the silicon raw material is disposed at the upper part of the casting apparatus while being held by the holding crucible 1b, and the molten crucible 1a is inclined at the upper edge of the melting crucible 1a to pour silicon melt. A pouring gate 2 is provided. A heating means 3 is disposed around the melting crucible 1a and the holding crucible 1b, and a mold 5 into which a silicon melt is poured is disposed below the melting crucible 1a and the holding crucible 1b. For example, high-purity quartz is used for the melting crucible 1a in consideration of heat resistance and the fact that impurities do not diffuse into the silicon melt. The holding crucible 1b is used for holding the melting crucible 1a made of quartz or the like because the melting crucible 1a is softened at a high temperature in the vicinity of the silicon melt and cannot keep its shape, and the material is graphite or the like. As the heating means 3, for example, a resistance heating type heater or an induction heating type coil is used.

鋳造装置における凝固部の概略断面図を図3に示す。上記の溶融坩堝1a、保持坩堝1bの下部に配置された鋳型5は石英や黒鉛等からなり、その内側に窒化珪素、酸化珪素等を主成分とする離型材6を塗布して用いられる。また、この鋳型5の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材7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5の下方には注湯されたシリコン融液を冷却・固化するための冷却板8が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器(不図示)内に配置される。   A schematic cross-sectional view of the solidified portion in the casting apparatus is shown in FIG. The mold 5 arranged below the melting crucible 1a and the holding crucible 1b is made of quartz, graphite or the like, and is used by applying a release material 6 containing silicon nitride, silicon oxide or the like as a main component on the inside thereof. A mold heat insulating material 7 is installed around the mold 5 in order to suppress heat removal. As the mold heat insulating material, a carbon-based material is generally used in consideration of heat resistance, heat insulating properties, and the like. Further, a cooling plate 8 for cooling and solidifying the poured silicon melt may be provided below the mold 5. These are all arranged in a vacuum vessel (not shown).

この図2に示される鋳造装置では、溶融坩堝1a内にシリコン原料を投入し、加熱手段3により溶融坩堝1a内のシリコン原料を溶解させ、その後、溶融坩堝1a内のシリコン原料がすべて溶解したのちに、坩堝を傾けて溶融坩堝1aの上縁部にある注湯口2から下部に設置してある鋳型5にシリコン融液が注湯される。   In the casting apparatus shown in FIG. 2, the silicon raw material is put into the melting crucible 1a, the silicon raw material in the melting crucible 1a is melted by the heating means 3, and then all the silicon raw material in the melting crucible 1a is dissolved. Then, the crucible is tilted and the silicon melt is poured from the pouring port 2 at the upper edge of the melting crucible 1a to the mold 5 installed at the lower part.

注湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向凝固させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外に取り出して鋳造が完了する。   After pouring, the silicon in the mold is cooled from the bottom and solidified in one direction, and then slowly cooled while controlling the temperature to a temperature at which it can be taken out of the furnace. Finally, the silicon is taken out of the furnace and casting is completed.

ここで、鋳型5としては、石英や溶融シリカ等の二酸化珪素(SiO)や黒鉛等から形成され、底面部と側面部とが一体型となっているものが用いられていた(例えば、特許文献2参照)。このような一体型の鋳型を成形するためには、鋳込み成形やプレス成形等によって原料を鋳型形状に成形するため金型から成形体を脱型するための抜き勾配(テーパー)が鋳型内面に必要となり、内面に2〜5度程度のテーパー角を付けないと鋳造後のブロックがスムースに抜けない。このことにより鋳型の中で凝固するシリコンインゴットは鋳型内面が持っているテーパー形状をそのまま引き継いだ形状をなすことになるが、テーパー角部分の不要な部分を余計に廃棄することになり、原料代が増大してしまう。 Here, as the mold 5, a mold formed of silicon dioxide (SiO 2 ) such as quartz or fused silica, graphite, or the like and having a bottom surface portion and a side surface portion integrated is used (for example, a patent). Reference 2). In order to form such an integral mold, a draft (taper) is required on the inner surface of the mold to remove the molded body from the mold in order to form the raw material into a mold shape by casting or press molding. Thus, if the taper angle of about 2 to 5 degrees is not provided on the inner surface, the cast block cannot be smoothly removed. As a result, the silicon ingot that solidifies in the mold has a shape that inherits the taper shape of the inner surface of the mold as it is. Will increase.

こうした問題点を回避するために、例えば、特許文献3には、図4に示すように高純度黒鉛等を用いて板状の底面部材21aと側面部材21bを作製し、それらを組み立てて鋳型21を形成する内容が記載されている。鋳造後は鋳型を解体してブロックを取り出すようにするとブロックに余計なテーパー領域を形成しなくても済む上に、鋳型材を再使用することができるようになり、鋳型のランニングコストを低下させることが可能となる。
特開平11−180711号公報 特開平10−190025号公報 特開昭62−108515号公報
In order to avoid such problems, for example, in Patent Document 3, as shown in FIG. 4, plate-like bottom member 21a and side member 21b are produced using high-purity graphite and the like, and these are assembled to form a mold 21. The contents that form are described. After casting, the mold is disassembled and the block is taken out, so that it is not necessary to form an extra taper area in the block, and the mold material can be reused, reducing the running cost of the mold. It becomes possible.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-180711 Japanese Patent Laid-Open No. 10-190025 JP 62-108515 A

一般的に、太陽電池用の多結晶シリコン基板の品質を向上させるためには鋳型内で発生する熱応力誘起転位等の構造欠陥発生を防止するため、完全に一方向に凝固させることが理想とされている。このように一方向凝固を行うためには鋳型側面を断熱し上部を高温に、底部を低温に維持する方法が用いられる。   In general, in order to improve the quality of polycrystalline silicon substrates for solar cells, it is ideal to solidify completely in one direction in order to prevent structural defects such as thermal stress induced dislocations occurring in the mold. Has been. In order to perform unidirectional solidification in this way, a method is used in which the mold side surface is thermally insulated and the upper part is kept at a high temperature and the bottom part is kept at a low temperature.

このとき鋳型の温度をあらかじめシリコンの融点近傍まで上げておかないと、鋳型にシリコン融液を注湯するのと同時に低温の鋳型内面(側面及び底面)に沿って融液が冷却される結果、急速に初期凝固層が形成され、一方向凝固が阻害されてしまう。しかしながら、鋳型として、特許文献3に示す組立式の鋳型21を採用した場合、鋳型温度をシリコンの融点近くまで上げたときに鋳型内面に沿った初期凝固層の形成は防ぐことができる代わりに、鋳型を構成する部材同士を組み合わせた間隙から融液が流れ出し、多くの融液を損失してしまい、さらには鋳型の周囲の部品などにダメージを与えてしまうという問題がある。   At this time, if the temperature of the mold is not raised to the vicinity of the melting point of silicon in advance, the melt is cooled along the low temperature mold inner surface (side surface and bottom surface) at the same time as pouring the silicon melt into the mold. An initial solidified layer is rapidly formed, and unidirectional solidification is inhibited. However, when the assembly type mold 21 shown in Patent Document 3 is adopted as the mold, the formation of the initial solidified layer along the inner surface of the mold can be prevented when the mold temperature is raised to near the melting point of silicon. There is a problem in that the melt flows out from the gap between the members constituting the mold, and a lot of the melt is lost, and further, the parts around the mold are damaged.

本発明は、鋳型としてコストメリットの高い組立式を用いたときに、融液の損失を招くことを低減させた多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を提供し、高品質と低コストの両立を果たした多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコン基板とこれを用いた太陽電池素子を提供することを目的とする。   The present invention provides a casting method for a polycrystalline silicon ingot that reduces the loss of melt when a cost-effective assembly type is used as a mold, and achieves both high quality and low cost. An object is to provide a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon substrate, and a solar cell element using the same.

本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、複数の部材が組み合わされてなるとともに一部が開放した鋳型に、この鋳型の開放部から、シリコンを溶融させたシリコン融液を注ぎ込む注湯工程と、前記シリコン融液を前記鋳型の内部に保持しつつ凝固させる凝固工程と、を備えた多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、前記注湯工程において、前記シリコン融液が前記鋳型の内面と接触したときに凝固して形成された初期凝固層によって、前記鋳型を構成する複数の部材の間隙を封止するようにしたので、簡単な装置構成のままでシリコン融液の漏出を低減することができる。   A casting method for a polycrystalline silicon ingot according to the present invention includes a pouring step of pouring a silicon melt obtained by melting silicon into an open mold part of a mold formed by combining a plurality of members and partially opened. And a solidification step of solidifying the silicon melt while holding the inside of the mold, wherein in the pouring step, the silicon melt is in contact with the inner surface of the mold. Since the gap between the plurality of members constituting the mold is sealed by the initial solidified layer formed by solidification when contacted, leakage of silicon melt can be reduced with a simple apparatus configuration. Can do.

そして、前記注湯工程において形成される前記初期凝固層の厚みを0.5mm以上5mm以下となるようにすることが望ましい。この範囲とすることによって、鋳型を構成する部材間の間隙からのシリコン融液の漏出をより確実に低減させるとともに、形成される多結晶シリコンインゴットの一方向凝固性を良好に保つことができる。   And it is desirable to make the thickness of the said initial solidification layer formed in the said pouring process into 0.5 mm or more and 5 mm or less. By setting it as this range, the leakage of the silicon melt from the gap between the members constituting the mold can be more reliably reduced, and the unidirectional solidification of the formed polycrystalline silicon ingot can be kept good.

また、前記注湯工程において、前記初期凝固層を0.5mm/min以上5mm/min以下の速度で形成することが望ましい。この範囲とすれば、シリコン融液が漏出する前に、鋳型を構成する部材間の間隙を初期凝固層によって確実に封止できシリコン融液の漏出をより低減させるとともに、形成される多結晶シリコンインゴットの品質に悪影響を及ぼすことを低減できる。   In the pouring step, the initial solidified layer is preferably formed at a speed of 0.5 mm / min to 5 mm / min. In this range, the gap between the members constituting the mold can be reliably sealed by the initial solidified layer before the silicon melt leaks, and the leakage of the silicon melt is further reduced, and the formed polycrystalline silicon The adverse effect on the quality of the ingot can be reduced.

さらに、前記注湯工程は、前記鋳型の内表面のうち、最高温度となる箇所が900℃以上1000℃以下の範囲で行うようにすることが望ましい。鋳型の内表面の温度をこの範囲とすることによって、初期凝固層の形成速度を適正に保つことができる。さらにこのとき、前記注湯工程は、前記シリコン融液の温度が1490℃以上1620℃未満の範囲で行うようにすることが望ましい。このように、シリコン融液の融液温度をシリコン融液の融点(約1420℃)よりも70℃〜200℃の範囲で高く保つことによって、初期凝固層を介して鋳型に奪われるシリコン融液の熱のバランスを適正に保ち、初期凝固層を形成した後の凝固速度を抑えることができ、鋳型内部において一方向凝固を良好に進行させることができる
本発明の多結晶シリコンインゴットは、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を用いて作製したので、シリコン融液の漏出が少ないので低コストとなり、さらに一方向凝固性に優れた高品質なものとなる。また、本発明の多結晶シリコン基板は、本発明の多結晶シリコンインゴットから初期凝固層を除去した部分をスライスして得られ、高品質なものとなる。さらに、本発明の太陽電池素子は、本発明の多結晶シリコン基板を用いて形成されたので、良好な電気的な特性を有するものとなる。
Furthermore, it is desirable that the pouring step is performed in a range where the maximum temperature of the inner surface of the mold is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. By setting the temperature of the inner surface of the mold within this range, the formation rate of the initial solidified layer can be kept appropriate. Further, at this time, it is preferable that the pouring step is performed in a range where the temperature of the silicon melt is 1490 ° C. or more and less than 1620 ° C. In this way, by keeping the melt temperature of the silicon melt higher in the range of 70 ° C. to 200 ° C. than the melting point of the silicon melt (about 1420 ° C.), the silicon melt taken by the mold through the initial solidified layer. The polycrystalline silicon ingot of the present invention can maintain a proper heat balance, suppress the solidification rate after the initial solidified layer is formed, and allow the unidirectional solidification to proceed well inside the mold. The polycrystalline silicon ingot was produced by using this casting method, so that the leakage of the silicon melt was small, so that the cost was low and the unidirectional solidification was excellent. Moreover, the polycrystalline silicon substrate of the present invention is obtained by slicing a portion obtained by removing the initial solidified layer from the polycrystalline silicon ingot of the present invention, and has a high quality. Furthermore, since the solar cell element of the present invention is formed using the polycrystalline silicon substrate of the present invention, it has excellent electrical characteristics.

なお、本発明において、多結晶シリコンインゴットの主要部分(本発明の多結晶シリコン基板を切り出すことができる領域)と初期凝固層の領域とは、結晶粒径によって区別することができる。具体的には、鋳型から取り出した多結晶シリコンインゴットを成長方向に対して断面で切断したときに、多結晶シリコンインゴットの主要部分の領域は、その結晶粒径が1mm未満であるのに対し、初期凝固層の領域では、結晶粒径が1mm以上となることから、両者を区別することができる。   In the present invention, the main part of the polycrystalline silicon ingot (the region where the polycrystalline silicon substrate of the present invention can be cut out) and the region of the initial solidified layer can be distinguished by the crystal grain size. Specifically, when the polycrystalline silicon ingot taken out from the mold is cut in a cross section with respect to the growth direction, the region of the main part of the polycrystalline silicon ingot has a crystal grain size of less than 1 mm, In the region of the initial solidified layer, the crystal grain size is 1 mm or more, so that both can be distinguished.

以上説明したように、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、複数の部材が組み合わされてなるとともに一部が開放した鋳型に、この鋳型の開放部から、シリコンを溶融させたシリコン融液を注ぎ込む注湯工程と、前記シリコン融液を前記鋳型の内部に保持しつつ凝固させる凝固工程と、を備えた多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、前記注湯工程において、前記シリコン融液が前記鋳型の内面と接触したときに凝固して形成された初期凝固層によって、前記鋳型を構成する複数の部材の間隙を封止するようにした結果、簡単な装置構成のままでシリコン融液の漏出を防ぐことができるため、低コストとなり、さらに高温のシリコン融液が漏出することによる装置へのダメージを防ぐことができる。   As described above, the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to the present invention includes a silicon melt obtained by melting silicon from an open portion of a mold into a mold in which a plurality of members are combined and partially opened. And a solidification step of solidifying the silicon melt while holding the silicon melt inside the mold, and in the pouring step, the silicon melt As a result of sealing the gaps between a plurality of members constituting the mold by an initial solidified layer formed by solidification when the inner surface of the mold contacts with the inner surface of the mold, Therefore, it is possible to prevent the apparatus from being damaged and to prevent damage to the apparatus due to leakage of the high-temperature silicon melt.

また、本発明の多結晶シリコンインゴットは、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を用いて作製したので、シリコン融液の漏出が少なく低コストとなり、さらに一方向凝固性に優れた高品質なものとなる。また、本発明の多結晶シリコンインゴットを切断して得られる本発明の多結晶シリコン基板は、低コストで高品質なものとなるので、この多結晶シリコン基板を用いて形成された本発明の太陽電池素子は、良好な電気的特性を有するものとなる。   In addition, since the polycrystalline silicon ingot of the present invention was produced by using the casting method of the polycrystalline silicon ingot of the present invention, the silicon melt was less leaked, the cost was low, and the high-quality excellent in unidirectional solidification. It will be a thing. In addition, since the polycrystalline silicon substrate of the present invention obtained by cutting the polycrystalline silicon ingot of the present invention is of low cost and high quality, the solar of the present invention formed using this polycrystalline silicon substrate. The battery element has good electrical characteristics.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

図2は、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に用いられる鋳造装置の縦断面図である。ここで示した例は一例であって、本発明に用いられる鋳造装置はこの例に限定されるものではない。図中、1aは溶融坩堝、1bは保持坩堝、2注湯口、3は加熱手段、4はシリコン融液、5は鋳型を示す。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a casting apparatus used in the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to the present invention. The example shown here is an example, and the casting apparatus used in the present invention is not limited to this example. In the figure, 1a is a melting crucible, 1b is a holding crucible, 2 pouring ports, 3 is a heating means, 4 is a silicon melt, and 5 is a mold.

溶融坩堝1aは、投入されたシリコン原料を内部に保持して加熱溶解してシリコン融液4を鋳型5に注湯するものである。なお、溶融坩堝1aで溶解されて鋳型5に注湯されたシリコン融液4が冷却・凝固した多結晶シリコンインゴットは、例えば太陽電池用の多結晶シリコン基板材料等に用いられる。   The melting crucible 1a holds the charged silicon raw material inside, heats and melts it, and pours the silicon melt 4 into the mold 5. The polycrystalline silicon ingot obtained by cooling and solidifying the silicon melt 4 melted in the melting crucible 1a and poured into the mold 5 is used as, for example, a polycrystalline silicon substrate material for solar cells.

溶融坩堝1aは通常、高純度の石英等が用いられるが、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、分解等を生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度(太陽電池素子用基板として用いる場合)であれば特に限定されない。また、溶融坩堝1aは高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイト等からなる保持坩堝1bで保持される。また、溶融坩堝1a、保持坩堝1b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とする。シリコン原料の溶解量は、およそ1kgから150kgの範囲である。   The melting crucible 1a is usually made of high-purity quartz or the like, but at a temperature higher than the melting temperature of the silicon raw material, it is difficult to cause melting, evaporation, softening, deformation, decomposition, etc. It is not particularly limited as long as it is used as a battery element substrate. Further, since the melting crucible 1a is softened at a high temperature and cannot keep its shape, it is held by a holding crucible 1b made of graphite or the like. Further, the dimensions of the melting crucible 1a and the holding crucible 1b are set to dimensions that can enclose silicon raw materials according to the amount of dissolution that is dissolved at a time. The amount of silicon raw material dissolved is in the range of approximately 1 kg to 150 kg.

溶融坩堝1a、保持坩堝1bの周囲には加熱手段3が配置されている。これらの加熱手段3によって、溶融坩堝1a内部のシリコン原料を加熱溶融して、シリコン融液4とするものである。なお、これらの加熱手段としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等を用いることができる。   A heating means 3 is disposed around the melting crucible 1a and the holding crucible 1b. By these heating means 3, the silicon raw material inside the melting crucible 1 a is heated and melted to obtain a silicon melt 4. As these heating means, for example, a resistance heating type heater or an induction heating type coil can be used.

溶融坩堝1aの上縁部にはシリコン融液を注湯させる注湯口2が設けられており、シリコン原料を溶解し、完全に融液となった後に坩堝を傾けて溶融坩堝1aの上縁部にある注湯口2から下部に設置してある鋳型5にシリコン融液が注湯される。また、溶融坩堝1aの本体の形状は、特に図に限定されるものではない。   A pouring port 2 for pouring a silicon melt is provided at the upper edge of the melting crucible 1a, and after melting the silicon raw material and completely forming the melt, the crucible is tilted and the upper edge of the melting crucible 1a. The silicon melt is poured from the pouring port 2 at the bottom to the mold 5 installed at the bottom. Further, the shape of the main body of the melting crucible 1a is not particularly limited to the figure.

鋳造装置における凝固部の概略断面図を図3に示す。上記の溶融坩堝1a、保持坩堝1bの下部に配置される鋳型5は、上方に向かって開放した開放部を有し、出湯したシリコン融液4をこの開放部によって受けるとともに、その内部においてこのシリコン融液を保持しつつ、下方から上方へ向けて一方向凝固させる役割を有する。この鋳型5は、例えば黒鉛などのカーボン材等から成り、底部を構成する一つの底面部材5aと、側部を構成する複数(例えば四つ)の側面部材5bとを含む、分割、組み立て可能な組立式の鋳型5として構成されている。これらの側面部材5bは図3に示すように、底面部材5aの外周を囲繞するように立設させても良いし、図4に示すように底面部材の上に載置させても良い。また、各部材同士をよりしっかりと結合するために、側面部材5bの辺部に、隣接する側面部材5bの側辺部や底面部材5aの外周辺部に対応して嵌合する嵌合構造を設けて、相互の凹凸部を嵌め合わせるようにすると良い。   A schematic cross-sectional view of the solidified portion in the casting apparatus is shown in FIG. The mold 5 disposed at the lower part of the melting crucible 1a and the holding crucible 1b has an open part opened upward, and receives the molten silicon melt 4 by the open part, and in the inside thereof, the silicon While holding the melt, it has a role of solidifying in one direction from below to above. The mold 5 is made of, for example, a carbon material such as graphite, and includes a single bottom member 5a constituting the bottom and a plurality of (for example, four) side members 5b constituting the side, and can be divided and assembled. It is configured as an assembling mold 5. These side members 5b may be erected so as to surround the outer periphery of the bottom member 5a as shown in FIG. 3, or may be placed on the bottom member as shown in FIG. Moreover, in order to couple | bond each member more firmly, the fitting structure fitted to the side part of the side member 5b corresponding to the side part of the adjacent side member 5b or the outer peripheral part of the bottom face member 5a is provided. It is good to provide and to mutually fit the uneven | corrugated | grooved part.

また鋳型5の内表面部には離型材6を設けておくことが望ましい。この離型材6は、例えば、窒化珪素(Si)、酸化珪素(SiO)、炭化珪素(SiC)などの各粉体、または混合粉をPVA(ポリビニルアルコール)などの有機バインダーと溶剤とから構成される溶液中に混ぜ合わせて鋳型5の内面に塗布することによって形成することができる。このような各粉体または混合粉を水溶液に混合してスラリー状とすれば、へら、刷毛、ディスペンサー等で塗布しやすくなるので好ましい。また、あらかじめ鋳型5を構成する各部材の内面側にスクリーン印刷等で塗布しておいたものを組み立てて、鋳型5を形成するようにしても良い。このような離型材6を設けることによって、シリコン融液が凝固した後に鋳型5の内壁とシリコンインゴットとが融着することが少なくなり、組立式の鋳型5を構成する各部材を繰り返して使用できるようになる。 Further, it is desirable to provide a release material 6 on the inner surface portion of the mold 5. The release material 6 is made of, for example, each powder such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), or mixed powder, an organic binder such as PVA (polyvinyl alcohol), and a solvent. Can be formed by mixing in a solution composed of It is preferable to mix each powder or mixed powder with an aqueous solution to form a slurry because it can be easily applied with a spatula, a brush, a dispenser, or the like. Alternatively, the mold 5 may be formed by assembling materials previously applied by screen printing or the like on the inner surface side of each member constituting the mold 5. By providing such a release material 6, the inner wall of the mold 5 and the silicon ingot are less likely to be fused after the silicon melt is solidified, and each member constituting the assembly-type mold 5 can be used repeatedly. It becomes like this.

鋳型5の周りには、鋳型側面からの抜熱を抑制するため鋳型断熱材7が設置される。鋳型断熱材7は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボンフェルト等の材質が一般的に用いられる。また、鋳型5の下方には注湯されたシリコン融液を下方から抜熱して冷却・固化するための金属板等から成る冷却板8を設置しても良い。さらに、鋳型5を上方から加熱可能な、カーボンヒーター等から成る鋳型加熱手段9を配置しても良く、これによって鋳型5に出湯したシリコン融液4の表面を適度に加熱し、下方から上方に向けた温度勾配をより正確に制御することができる。   A mold heat insulating material 7 is installed around the mold 5 in order to suppress heat removal from the mold side surface. The mold heat insulating material 7 is generally made of a material such as carbon felt in consideration of heat resistance, heat insulating properties, and the like. In addition, a cooling plate 8 made of a metal plate or the like for extracting and cooling the molten silicon melt from below to cool and solidify may be installed below the mold 5. Further, a mold heating means 9 composed of a carbon heater or the like capable of heating the mold 5 from above may be arranged, whereby the surface of the silicon melt 4 discharged to the mold 5 is heated appropriately and from below to above. The directed temperature gradient can be controlled more accurately.

なお、これらの鋳造装置は、真空容器(不図示)内に配置し、不活性ガス等の還元雰囲気下で行うようにすることが、不純物の混入や酸化を防ぐ点で望ましい。   These casting apparatuses are preferably placed in a vacuum vessel (not shown) and performed in a reducing atmosphere such as an inert gas from the viewpoint of preventing contamination and oxidation of impurities.

次に、上述した図2に示す鋳造装置を用いて、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実施する方法について説明する。なお、図1に本発明に係る注湯工程を説明するための図を示し、併せて説明する。図1(a)は、鋳型の内部にシリコン融液を注湯する様子を示す模式的な断面図であり、図1(b)は図1(a)のA部の部分拡大図である。   Next, a method for carrying out the method for casting a polycrystalline silicon ingot of the present invention using the above-described casting apparatus shown in FIG. 2 will be described. In addition, the figure for demonstrating the pouring process which concerns on FIG. 1 at this invention is shown, and it demonstrates collectively. Fig.1 (a) is typical sectional drawing which shows a mode that a silicon melt is poured into the inside of a casting_mold | template, FIG.1 (b) is the elements on larger scale of the A section of Fig.1 (a).

本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に係る注湯工程は、複数の部材が組み合わされて成るとともに、一部が開放した組立式の鋳型5に対して、その開放部から、シリコンを溶融させたシリコン融液4を注ぎ込むものであり、以下のような手順で行う。   The pouring process according to the method for casting a polycrystalline silicon ingot of the present invention comprises a combination of a plurality of members, and melts silicon from an open portion of an assembled mold 5 that is partially open. The silicon melt 4 is poured and is performed in the following procedure.

[注湯工程]
(1)溶融坩堝1a内に所定量のシリコン原料を投入する。
[Pouring process]
(1) A predetermined amount of silicon raw material is charged into the melting crucible 1a.

(2)加熱手段3によって、溶融坩堝1a内部のシリコン原料を加熱溶融して、シリコン融液4とする。 (2) The silicon raw material inside the melting crucible 1 a is heated and melted by the heating means 3 to obtain a silicon melt 4.

(3)溶融坩堝1a内部のシリコン原料が全て溶解した後、所定のタイミングで坩堝を傾倒し溶融坩堝1aの上縁部に設けられた注湯口より鋳型5内にシリコン融液4が注湯される。なお、所定のタイミングとは、例えば、鋳型5の内表面の温度や溶融坩堝1a内のシリコン融液4の温度が適切な範囲になったときを指す。これらの温度の最適な範囲については後述する。 (3) After all the silicon raw material in the melting crucible 1a is melted, the crucible is tilted at a predetermined timing, and the silicon melt 4 is poured into the mold 5 from the pouring port provided at the upper edge of the melting crucible 1a. The The predetermined timing refers to, for example, when the temperature of the inner surface of the mold 5 or the temperature of the silicon melt 4 in the melting crucible 1a is in an appropriate range. The optimum range of these temperatures will be described later.

(4)注湯されたシリコン融液4は、シリコンの融点よりも低い温度である鋳型5の内表面と接触したときに、熱が奪われて凝固し、鋳型5の内表面に沿って初期凝固層11が形成される。この初期凝固層11によって、鋳型5を構成する複数の部材(底面部材5a、側面部材5b)の間隙10が封止される(図1(b)参照)。 (4) When the poured silicon melt 4 comes into contact with the inner surface of the mold 5 having a temperature lower than the melting point of silicon, the heat is taken away and solidifies, and the initial melt along the inner surface of the mold 5 A solidified layer 11 is formed. The initial solidified layer 11 seals the gap 10 between a plurality of members (the bottom surface member 5a and the side surface member 5b) constituting the mold 5 (see FIG. 1B).

そして、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に係る凝固工程は、上述の注湯工程の後に行われ、鋳型5に注ぎ込んだシリコン融液4を内部に保持しつつ凝固させるものであり、以下のような手順で行う。   And the solidification process which concerns on the casting method of the polycrystalline silicon ingot of this invention is performed after the above-mentioned pouring process, and solidifies it, hold | maintaining the silicon melt 4 poured into the casting_mold | template 5 inside, The following The procedure is as follows.

[凝固工程]
(5)シリコン融液4を鋳型5の内部に保持しつつ一方向凝固させ、多結晶シリコンインゴットを形成する。このとき、鋳型5の下方に配された冷却板8や、鋳型5を上方から加熱する鋳型加熱手段9等によって、鋳型5に対して下方から上方に向けて所定の温度勾配を付与しながら行う。
[Coagulation process]
(5) The silicon melt 4 is solidified in one direction while being held in the mold 5 to form a polycrystalline silicon ingot. At this time, it is performed while applying a predetermined temperature gradient from below to above the mold 5 by the cooling plate 8 disposed below the mold 5 or the mold heating means 9 for heating the mold 5 from above. .

以上のようにして、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実施することができる。上述のように、注湯工程において、注湯されたシリコン融液が鋳型5と接触したときに形成される初期凝固層11によって、組立式の鋳型5の間隙が封止されるので、特に複雑な機構を要することなく、簡単な装置構成のままで、鋳型5に注湯されたシリコン融液の漏出を低減することができる。高温のシリコン融液の漏出を少なくできるので、鋳型5の周囲の装置や部品等に悪影響を及ぼすことが少ない。   As described above, the method for casting a polycrystalline silicon ingot of the present invention can be carried out. As described above, in the pouring step, the gap between the assembling mold 5 is sealed by the initial solidified layer 11 formed when the poured silicon melt comes into contact with the mold 5. Without requiring a simple mechanism, leakage of the silicon melt poured into the mold 5 can be reduced with a simple apparatus configuration. Since leakage of high-temperature silicon melt can be reduced, there is little adverse effect on the devices and parts around the mold 5.

次に、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法のさらに好ましい実施態様について説明する。   Next, a further preferred embodiment of the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to the present invention will be described.

発明者は、形成される多結晶シリコンインゴットの品質が、下地となる初期凝固層11の影響を大きく受けることを知見し、検討の結果、良好な品質の多結晶シリコンインゴットを得ることができる初期凝固層の形成条件を見出した。具体的には以下に示すような条件で初期凝固層11を形成することが望ましい。   The inventor has found that the quality of the formed polycrystalline silicon ingot is greatly influenced by the initial solidified layer 11 serving as a base, and as a result of the examination, an initial stage in which a polycrystalline silicon ingot having a good quality can be obtained. The formation conditions of the solidified layer were found. Specifically, it is desirable to form the initial solidified layer 11 under the following conditions.

まず、初期凝固層11を0.5mm/min以上5mm/min以下の速度で形成することが望ましい。この範囲よりも小さいと、鋳型5に注湯されたシリコン融液4が鋳型部材間の間隙10を封止する前にシリコン融液4が漏出してしまう恐れがある。また、この範囲よりも大きいと、初期凝固層11の品質が悪化し、これを下地として形成される多結晶シリコンインゴットの品質に悪影響を及ぼす恐れがある。なお、この上限値は、一般的な半導体用シリコン基板として使用されるCZ法による単結晶シリコンインゴットの最大成長速度とほぼ一致している。この初期凝固層11の形成速度は、鋳型5の内表面の温度によって調整することができる。鋳型5の内表面の温度が低いときには、初期凝固層11の形成速度が大きくなり、逆に鋳型5の内表面の温度が高いときには、初期凝固層11の形成速度は小さくなる傾向を有する。鋳型5の内表面の温度は、例えば、あらかじめ鋳型加熱手段9によって適度に加熱を行って調整することができる。   First, it is desirable to form the initial solidified layer 11 at a speed of 0.5 mm / min to 5 mm / min. If it is smaller than this range, the silicon melt 4 poured into the mold 5 may leak out before the gap 10 between the mold members is sealed. On the other hand, if it is larger than this range, the quality of the initial solidified layer 11 is deteriorated, which may adversely affect the quality of the polycrystalline silicon ingot formed as a base. Note that this upper limit value substantially coincides with the maximum growth rate of a single crystal silicon ingot by the CZ method used as a general semiconductor silicon substrate. The formation speed of the initial solidified layer 11 can be adjusted by the temperature of the inner surface of the mold 5. When the temperature of the inner surface of the mold 5 is low, the formation speed of the initial solidified layer 11 increases. Conversely, when the temperature of the inner surface of the mold 5 is high, the formation speed of the initial solidified layer 11 tends to decrease. The temperature of the inner surface of the mold 5 can be adjusted by, for example, appropriately heating the mold 5 in advance by the mold heating means 9.

また、注湯工程において形成される初期凝固層11の厚みとしては、0.5mm以上5mm以下となるようにすることが望ましい。この範囲よりも小さいと、鋳型5に注湯されたシリコン融液4が鋳型部材間の間隙10から漏出する恐れがある。逆にこの範囲よりも大きいと、初期凝固層11の品質が悪化し、これを下地として形成される多結晶シリコンインゴットの品質に悪影響を及ぼす恐れがある。この初期凝固層11の厚みは、上述の初期凝固層11の形成速度や注湯されるシリコン融液の温度と密接に関係している。具体的には、初期凝固層11の形成速度が大きいときには厚く、小さいときには薄くなる。また、注湯されるシリコン融液の温度が高いときには薄く、低いときには厚くなる傾向を有する。   Further, it is desirable that the thickness of the initial solidified layer 11 formed in the pouring step is 0.5 mm or more and 5 mm or less. If it is smaller than this range, the silicon melt 4 poured into the mold 5 may leak from the gap 10 between the mold members. On the contrary, if it is larger than this range, the quality of the initial solidified layer 11 is deteriorated, which may adversely affect the quality of the polycrystalline silicon ingot formed as a base. The thickness of the initial solidified layer 11 is closely related to the formation rate of the above-mentioned initial solidified layer 11 and the temperature of the molten silicon melt. Specifically, the initial solidified layer 11 is thick when the formation speed is high, and thin when it is small. Moreover, when the temperature of the molten silicon melt is high, it tends to be thin, and when it is low, it tends to be thick.

さらに、注湯工程は、鋳型5の内表面のうち、最高温度となる箇所が900℃以上1000℃以下の範囲で行うようにすることが望ましい。鋳型5の内表面の温度をこの範囲とすることによって、初期凝固層11の形成速度を適正に保つことができる。さらにこのとき、注湯工程は、シリコン融液4の温度が1490℃以上1620℃未満の範囲で行うようにすることが望ましい。このように、シリコン融液4の融液温度をシリコン融液4の融点(約1420℃)よりも70℃〜200℃の範囲で高く保つことによって、初期凝固層11を介して鋳型5に奪われるシリコン融液4の熱のバランスを適正に保つことができる。このシリコン融液4の温度が1490℃よりも小さいときには、シリコン融液4の過冷却度が大きくなり、初期凝固層11の形成速度が上がるとともに厚みが大きくなりすぎ、凝固工程において形成される多結晶シリコンインゴットの品質に悪影響を及ぼす可能性がある。逆に、シリコン融液4の温度が1620℃以上のときには、初期凝固層11の形成速度が小さくなりすぎ、鋳型5を構成する部材の間隙10からのシリコン融液の漏出を防止する効果が減少する可能性がある。注湯されるシリコン融液4の温度がこの範囲にあるとき、適正に初期凝固層11が形成されるので、凝固工程において、高い品質の多結晶シリコンインゴットを一方向凝固させることができる。   Furthermore, it is desirable that the pouring step is performed in a range where the maximum temperature of the inner surface of the mold 5 is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. By setting the temperature of the inner surface of the mold 5 within this range, the formation speed of the initial solidified layer 11 can be kept appropriate. Further, at this time, it is desirable that the pouring step is performed in a range where the temperature of the silicon melt 4 is 1490 ° C. or more and less than 1620 ° C. In this way, by keeping the melt temperature of the silicon melt 4 higher in the range of 70 ° C. to 200 ° C. than the melting point of the silicon melt 4 (about 1420 ° C.), the mold 5 is taken through the initial solidified layer 11. Therefore, the heat balance of the silicon melt 4 can be kept appropriate. When the temperature of the silicon melt 4 is lower than 1490 ° C., the degree of supercooling of the silicon melt 4 is increased, the formation speed of the initial solidified layer 11 is increased and the thickness becomes too large. The quality of the crystalline silicon ingot may be adversely affected. Conversely, when the temperature of the silicon melt 4 is 1620 ° C. or higher, the formation speed of the initial solidified layer 11 becomes too low, and the effect of preventing the silicon melt from leaking from the gap 10 between the members constituting the mold 5 is reduced. there's a possibility that. When the temperature of the silicon melt 4 to be poured is within this range, the initial solidified layer 11 is appropriately formed, so that a high-quality polycrystalline silicon ingot can be solidified in one direction in the solidification process.

このように本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法において、多結晶シリコンインゴットの一方向凝固性を向上させて高品質のものを得ようとした場合、鋳型5の内表面温度、鋳型5に注湯されるシリコン融液4の温度を調整する機能を備えた鋳造装置を用いることが望ましく、例えば、図2に記載された鋳造装置はこの目的に合致している。この鋳造装置は、鋳型5の内表面温度は鋳型加熱手段9により調整可能であり、鋳型5に注湯されるシリコン融液4の温度は、加熱手段3により調整可能となる。   As described above, in the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to the present invention, when an attempt is made to obtain a high quality product by improving the unidirectional solidification of the polycrystalline silicon ingot, the inner surface temperature of the mold 5 and the mold 5 are injected. It is desirable to use a casting apparatus having a function of adjusting the temperature of the silicon melt 4 to be heated. For example, the casting apparatus described in FIG. 2 meets this purpose. In this casting apparatus, the inner surface temperature of the mold 5 can be adjusted by the mold heating means 9, and the temperature of the silicon melt 4 poured into the mold 5 can be adjusted by the heating means 3.

以上のような本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を用いて多結晶シリコンインゴットを作製すれば、コストメリットを有する分割組立式の鋳型を用いたときに、この鋳型5を構成する部材の間隙からシリコン融液が漏出することを抑えられるので、さらにコストを抑えることができる。また、初期凝固層11の厚みや形成速度を最適化することによって、この初期凝固層11を下地として形成される多結晶シリコンインゴットの一方向凝固性を向上させることができるので、得られる多結晶シリコンインゴットは高品質なものとなる。   If a polycrystalline silicon ingot is produced by using the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to the present invention as described above, when a separately assembled mold having cost merit is used, the gap between members constituting the mold 5 is reduced. Since the silicon melt can be prevented from leaking out, the cost can be further reduced. In addition, by optimizing the thickness and forming speed of the initial solidified layer 11, the unidirectional solidification of the polycrystalline silicon ingot formed using the initial solidified layer 11 as a base can be improved. Silicon ingots are of high quality.

また、本発明の多結晶シリコン基板は、本発明の多結晶シリコンインゴットから初期凝固層11の領域を除去した部分(以下、本発明の多結晶シリコンインゴットの主要部分と称する)を凝固方向に対して略直交する方向にスライスして得られる。本発明の多結晶シリコンインゴットの主要部分は、一方向凝固性に優れているため、これをスライスして得られる本発明の多結晶シリコン基板は、その殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈し、基板の面内において、均一な電気的特性を有するものとなる。   Further, in the polycrystalline silicon substrate of the present invention, a portion obtained by removing the region of the initial solidified layer 11 from the polycrystalline silicon ingot of the present invention (hereinafter, referred to as a main portion of the polycrystalline silicon ingot of the present invention) with respect to the solidification direction. And sliced in a substantially orthogonal direction. Since the main part of the polycrystalline silicon ingot of the present invention is excellent in unidirectional solidification, most of the crystal grains of the polycrystalline silicon substrate of the present invention obtained by slicing it grow vertically from the bottom. The columnar crystal has a shape in which the columnar crystal is cut in a direction normal to the crystal growth direction, and has uniform electrical characteristics in the plane of the substrate.

さらに、この本発明の多結晶シリコン基板は、上述のように殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状となり、凝固・冷却中にシリコン凝固層に入る熱応力誘起転位が大きく抑制されるので、この基板を用いて形成された本発明の太陽電池素子は、基板の厚み方向に電界を形成したときに、基板内部で発生したキャリアの進行方向と結晶粒界とがほぼ平行に位置するようになる。その結果、本発明の太陽電池素子は、キャリアの再結合を防止する効果に優れているので、太陽電池として高い特性を有するとともに、均一な品質特性を得ることが可能となる。   Further, the polycrystalline silicon substrate of the present invention has a shape in which columnar crystals in which most crystal grains are grown perpendicularly from the bottom as described above are rounded in a direction normal to the crystal growth direction. Since the thermal stress induced dislocation entering the silicon solidified layer is greatly suppressed, the solar cell element of the present invention formed using this substrate was generated inside the substrate when an electric field was formed in the thickness direction of the substrate. The traveling direction of the carrier and the crystal grain boundary are positioned substantially in parallel. As a result, the solar cell element of the present invention is excellent in the effect of preventing carrier recombination, and thus has high characteristics as a solar cell and can obtain uniform quality characteristics.

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。   It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、溶融坩堝から鋳型にシリコン融液を注湯する場合において、上記方法以外によって注湯しても構わない。例えば、溶融坩堝の底部に注湯口を設けて、底部からシリコン融液を下部に設置した鋳型内に注湯してもよい。この場合、シリコン原料が完全に溶解する前に注湯口から溶解前のシリコン原料や一部溶解したシリコン融液が漏れないように溶融坩堝内でシリコン融液を保持するために、注湯口付近に機械的な栓や注湯口を塞ぐようなシリコン原料を設置するなど、注湯を制御することのできる注湯制御手段を設けることにより、注湯されるシリコン融液4の温度を調整することが可能となる。   For example, when a silicon melt is poured from a melting crucible into a mold, the molten metal may be poured by a method other than the above method. For example, a pouring port may be provided at the bottom of the melting crucible, and the silicon melt may be poured from the bottom into a mold installed at the bottom. In this case, in order to hold the silicon melt in the melting crucible so that the silicon raw material before melting and the partially melted silicon melt do not leak from the pouring port before the silicon raw material is completely dissolved, It is possible to adjust the temperature of the silicon melt 4 to be poured by providing a pouring control means that can control pouring, such as installing a silicon raw material that closes a mechanical stopper or pouring gate. It becomes possible.

以下、上述で説明した図2に示す鋳造装置を用いて実施した本発明の実施例について説明する。   Hereinafter, the Example of this invention implemented using the casting apparatus shown in FIG. 2 demonstrated above is described.

鋳型5としては、上方に開放した黒鉛製の組立式の鋳型を用いた。そして、石英からなる溶融坩堝1aをグラファイトからなる保持坩堝1bで保持し、溶融坩堝1a内に100kgのシリコン原料を投入した。溶融坩堝1aの周囲に加熱手段3を設け、加熱手段によって溶融坩堝1a内のシリコン原料を溶解させた。   As the mold 5, an assembling mold made of graphite opened upward was used. Then, the melting crucible 1a made of quartz was held by a holding crucible 1b made of graphite, and 100 kg of silicon raw material was put into the melting crucible 1a. The heating means 3 was provided around the melting crucible 1a, and the silicon raw material in the melting crucible 1a was dissolved by the heating means.

注湯に先立って、鋳型5の内表面温度を所定温度に保持した。溶融坩堝1a内のシリコン融液4の温度を上昇させ、融液温度を所定温度に維持した後、溶融坩堝1a下部に配設された鋳型5内にシリコン融液4を注湯した。なお、鋳型5の内表面温度及びシリコン融液4の温度については、いずれも赤外線放射温度計による表面温度測定によりモニタしながら行った。   Prior to pouring, the inner surface temperature of the mold 5 was maintained at a predetermined temperature. After the temperature of the silicon melt 4 in the melting crucible 1a was raised and the melt temperature was maintained at a predetermined temperature, the silicon melt 4 was poured into the mold 5 disposed below the melting crucible 1a. The inner surface temperature of the mold 5 and the temperature of the silicon melt 4 were both monitored by measuring the surface temperature with an infrared radiation thermometer.

その後、鋳型5の下方に配された冷却板8及び鋳型5を上方から加熱する鋳型加熱手段9によって、鋳型5に対して下方から上方に向けて所定の温度勾配を付与しながらシリコン融液4を鋳型5の内部に保持しつつ一方向凝固させた。鋳造終了後に得られた多結晶シリコンインゴットを中央高さ方向に切断して、結晶粒径から初期凝固層11の厚みを求め、さらに初期凝固層11の形成速度を割り出した。   Thereafter, the silicon melt 4 is applied while applying a predetermined temperature gradient from below to above the mold 5 by the cooling plate 8 disposed below the mold 5 and the mold heating means 9 for heating the mold 5 from above. Was solidified in one direction while being held inside the mold 5. The polycrystalline silicon ingot obtained after the end of casting was cut in the center height direction, the thickness of the initial solidified layer 11 was determined from the crystal grain size, and the formation rate of the initial solidified layer 11 was determined.

鋳型5の内表面温度としては、900℃と1000℃の2条件とし、注湯されるシリコン融液温度としては、1427℃、1477℃、1527℃、1577℃の4条件で実施した。   The inner surface temperature of the mold 5 was set to two conditions of 900 ° C. and 1000 ° C., and the molten silicon melt temperature was set to four conditions of 1427 ° C., 1477 ° C., 1527 ° C., and 1577 ° C.

鋳型の内表面温度が1000℃のときのシリコン融液の温度と初期凝固層の厚みとの関係を図5に示す。横軸はシリコン融液温度(℃)、縦軸(左)は初期凝固層の厚み(mm)である。なお、図5の縦軸(右)に一方向凝固性の度合いを数値評価した一方向凝固度も合わせてプロットした。この一方向凝固度は、図5の下図に示したように、多結晶シリコンインゴットの縦断面の結晶形状から、初期凝固層の厚みa、一方向凝固領域の厚みb、縦断面全体から初期凝固層を除いた部分(一方向凝固領域+遷移領域)の厚みcとしたときに、b/c×100で定義され、この一方向凝固度が大きいほど、一方向凝固性が良好であると言える。   FIG. 5 shows the relationship between the temperature of the silicon melt when the inner surface temperature of the mold is 1000 ° C. and the thickness of the initial solidified layer. The horizontal axis represents the silicon melt temperature (° C.), and the vertical axis (left) represents the thickness (mm) of the initial solidified layer. In addition, the unidirectional solidification degree which evaluated numerically the degree of unidirectional solidification on the vertical axis | shaft (right) of FIG. 5 was also plotted. As shown in the lower diagram of FIG. 5, the degree of unidirectional solidification is determined from the crystal shape of the longitudinal section of the polycrystalline silicon ingot, the thickness a of the initial solidified layer, the thickness b of the unidirectional solidified region, and the initial solidification from the entire longitudinal section. When the thickness c of the portion excluding the layer (unidirectional solidification region + transition region) is defined as b / c × 100, it can be said that the larger the unidirectional solidification degree, the better the unidirectional solidification property. .

図5の斜線部分に示すように、初期凝固層の厚みが5mm以下のときに一方向凝固度は97%以上と良好な一方向凝固性が得られた。なお、初期凝固層の厚みを5mm以下とするためには、シリコン融液温度を1477℃以上とすれば良いことがわかる。   As indicated by the hatched portion in FIG. 5, when the thickness of the initial solidified layer was 5 mm or less, the unidirectional solidification degree was 97% or more and good unidirectional solidification was obtained. In addition, in order to make the thickness of an initial stage solidified layer into 5 mm or less, it turns out that what is necessary is just to make silicon melt temperature 1477 degreeC or more.

次に、初期凝固層の凝固速度(形成速度)と出湯直前のシリコン融液温度との関係を図6に示す。横軸はシリコン融液温度(℃)、縦軸は初期凝固層の凝固速度(mm/min)である。図6の斜線部分は、鋳型の内表面温度が900℃・1000℃の双方で、図5で定義した一方向凝固度が97%以上の良好な一方向凝固性が得られた部分である。このように、初期凝固層の形成速度が5mm/minのときに良好な一方向凝固性が得られている。したがって、注湯直前の鋳型内表面温度を900℃〜1000℃に保持する場合、シリコン融液温度をシリコンの融点1420℃より70℃高い1490℃以上にすれば良いことがわかった。   Next, FIG. 6 shows the relationship between the solidification rate (formation rate) of the initial solidified layer and the silicon melt temperature just before the hot water. The horizontal axis represents the silicon melt temperature (° C.), and the vertical axis represents the solidification rate (mm / min) of the initial solidified layer. The hatched portion in FIG. 6 is a portion in which good unidirectional solidification with a unidirectional solidification degree of 97% or more defined in FIG. 5 was obtained at both the inner surface temperature of the mold of 900 ° C. and 1000 ° C. Thus, good unidirectional solidification is obtained when the formation rate of the initial solidified layer is 5 mm / min. Therefore, it was found that when the surface temperature in the mold immediately before pouring is maintained at 900 ° C. to 1000 ° C., the silicon melt temperature should be 1490 ° C. or higher, which is 70 ° C. higher than the melting point 1420 ° C. of silicon.

なお、図6にはプロットしていないが、シリコン融液温度が200℃以上高い場合(1620℃以上)には、初期凝固層の形成速度が0mm/minに近くなり、鋳型5を構成する部材の間隙からシリコン融液の漏出が起こり、本発明の目的を達成できなかった。   Although not plotted in FIG. 6, when the silicon melt temperature is higher than 200 ° C. (1620 ° C. or higher), the formation rate of the initial solidified layer is close to 0 mm / min, and the members constituting the mold 5 The silicon melt leaked from the gap, and the object of the present invention could not be achieved.

以上の実施例1に記載した方法で作製した多結晶シリコンインゴットから初期凝固層の領域を除去して250μmの厚さでスライスして多結晶シリコン基板を得た。この多結晶シリコン基板を観察したところ、その殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈しており、良好に一方向凝固していた。   A region of the initial solidified layer was removed from the polycrystalline silicon ingot produced by the method described in Example 1 and sliced to a thickness of 250 μm to obtain a polycrystalline silicon substrate. When this polycrystalline silicon substrate was observed, it showed a shape in which almost all of the crystal grains grew vertically from the bottom in a circular direction in the direction normal to the crystal growth direction, and solidified well in one direction. It was.

次に、上述の本発明に係る多結晶シリコン基板から次の条件で作製したものを2種類選び出した。   Next, two types prepared from the above-described polycrystalline silicon substrate according to the present invention under the following conditions were selected.

試料1・・・鋳型内表面温度900℃、シリコン融液温度1490℃
試料2・・・鋳型内表面温度900℃、シリコン融液温度1577℃
これらの基板を用いて、一般的なバルク型太陽電池素子を作製し、太陽電池素子の変換効率を特性評価した。なお、比較のため、従来の方法で作製した基板を参考試料として同様に評価した。
Sample 1 ... Mold surface temperature 900 ° C, silicon melt temperature 1490 ° C
Sample 2 ... mold surface temperature 900 ° C, silicon melt temperature 1577 ° C
Using these substrates, general bulk-type solar cell elements were produced, and the conversion efficiency of the solar cell elements was characterized. For comparison, a substrate manufactured by a conventional method was similarly evaluated as a reference sample.

その結果、試料1においては変換効率15.7%、試料2においては変換効率16.1%となったが、参考試料では、15.4%であった。   As a result, the conversion efficiency of sample 1 was 15.7% and the conversion efficiency of sample 2 was 16.1%, but the reference sample was 15.4%.

以上のように、試料1、2の多結晶シリコン基板を用いて形成した太陽電池素子は、参考試料のものよりも良好な特性が得られた。これは、本発明のシリコン鋳造方法を用いて形成されたシリコンインゴットの内、実質的に太陽電池用基板として使用される部分の一方向凝固性が著しく向上したために、凝固・冷却中に多結晶シリコンインゴットに入っていた熱応力誘起転位が大きく抑制されたものと推測される。   As described above, the solar cell element formed using the polycrystalline silicon substrates of Samples 1 and 2 has better characteristics than those of the reference sample. This is because the unidirectional solidification property of the portion of the silicon ingot formed by using the silicon casting method of the present invention that is substantially used as a substrate for a solar cell is remarkably improved, so that the polycrystalline material is solidified during solidification and cooling. It is presumed that thermal stress-induced dislocations contained in the silicon ingot were greatly suppressed.

以上のように実施例により本発明の効果を確認することができた。   As described above, the effects of the present invention could be confirmed by the examples.

本発明に係る注湯工程を説明するための図であり、a)は、鋳型の内部にシリコン融液を注湯する様子を示す模式的な断面図、(b)は(a)のA部の部分拡大図である。It is a figure for demonstrating the pouring process which concerns on this invention, a) is typical sectional drawing which shows a mode that a silicon melt is poured into the inside of a casting_mold | template, (b) is A part of (a). FIG. 一般的な鋳造装置の概略断面構造図である。It is a schematic sectional structure figure of a general casting apparatus. 一般的な鋳造装置における凝固部の概略断面構造図である。It is a schematic cross-section figure of the solidification part in a general casting apparatus. 組立式の鋳型の実施形態の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of embodiment of an assembly-type casting_mold | template. 出湯直前のシリコン融液温度と初期凝固層の厚み及び一方向凝固度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the silicon melt temperature just before pouring, the thickness of an initial stage solidified layer, and a unidirectional solidification degree. 出湯直前の鋳型の内表面温度及び融液温度と初期凝固層形成速度(凝固速度)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the inner surface temperature and melt temperature of a casting_mold | template just before pouring, and an initial stage solidified layer formation rate (solidification rate).

符号の説明Explanation of symbols

1a:溶融坩堝
1b:保持坩堝
2:注湯口
3:加熱手段
4:シリコン融液
5:鋳型
5a:底面部材
5b:側面部材
6:離型材
7:鋳型断熱材
8:冷却板
9:鋳型加熱手段
10:間隙
11:初期凝固層
21:鋳型
21a:底面部材
21b:側面部材
1a: Melting crucible 1b: Holding crucible 2: Pouring port 3: Heating means 4: Silicon melt 5: Mold 5a: Bottom member 5b: Side member 6: Mold release material 7: Mold heat insulating material 8: Cooling plate 9: Mold heating means 10: gap 11: initial solidified layer 21: mold 21a: bottom member 21b: side member

Claims (8)

複数の部材が組み合わされてなるとともに一部が開放した鋳型に、この鋳型の開放部から、シリコンを溶融させたシリコン融液を注ぎ込む注湯工程と、前記シリコン融液を前記鋳型の内部に保持しつつ凝固させる凝固工程と、を備えた多結晶シリコンインゴットの鋳造方法であって、前記注湯工程において、前記シリコン融液が前記鋳型の内面と接触したときに凝固して形成された初期凝固層によって、前記鋳型を構成する複数の部材の間隙を封止するようにした多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。 A pouring process of pouring a silicon melt in which silicon is melted into a mold in which a plurality of members are combined and partially opened, and the silicon melt is held inside the mold. A solidification step of solidifying while solidifying, wherein the initial solidification formed by solidification when the silicon melt comes into contact with the inner surface of the mold in the pouring step A method for casting a polycrystalline silicon ingot, wherein a gap between a plurality of members constituting the mold is sealed with a layer. 前記注湯工程において形成される前記初期凝固層の厚みを0.5mm以上5mm以下となるようにした請求項1に記載の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。 The method for casting a polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein the initial solidified layer formed in the pouring step has a thickness of 0.5 mm or more and 5 mm or less. 前記注湯工程において、前記初期凝固層を0.5mm/min以上5mm/min以下の速度で形成するようにした請求項1又は請求項2に記載の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。 The method for casting a polycrystalline silicon ingot according to claim 1 or 2, wherein, in the pouring step, the initial solidified layer is formed at a speed of 0.5 mm / min or more and 5 mm / min or less. 前記注湯工程は、前記鋳型の内表面のうち、最高温度となる箇所が900℃以上1000℃以下の範囲で行うようにした請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。 The polycrystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the pouring step is performed in a range where the maximum temperature of the inner surface of the mold is 900 ° C or higher and 1000 ° C or lower. Silicon ingot casting method. 前記注湯工程は、前記シリコン融液の温度が1490℃以上1620℃未満の範囲で行うようにした請求項4に記載の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。 5. The method for casting a polycrystalline silicon ingot according to claim 4, wherein the pouring step is performed in a temperature range of 1490 ° C. or more and less than 1620 ° C. of the silicon melt. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を用いて作製した多結晶シリコンインゴット。 A polycrystalline silicon ingot produced using the method for casting a polycrystalline silicon ingot according to any one of claims 1 to 5. 請求項6に記載の多結晶シリコンインゴットから前記初期凝固層を除去した部分をスライスして得られた多結晶シリコン基板。 A polycrystalline silicon substrate obtained by slicing a portion obtained by removing the initial solidified layer from the polycrystalline silicon ingot according to claim 6. 請求項7に記載の多結晶シリコン基板を用いて形成された太陽電池素子。 A solar cell element formed using the polycrystalline silicon substrate according to claim 7.
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