JP2007022860A - シリコンインゴット製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱ヒータの寿命を保ちつつ、結晶性が高い高品質のシリコンインゴットを製造できるシリコンインゴット鋳造装置を提供する。
【解決手段】シリコン融液を保持する鋳型と、
該鋳型の上方に所定の間隔を隔てて配置された、炭素成分を含有する加熱ヒータと、
前記鋳型及び前記加熱ヒータの間に配置された伝熱部材と、を有してなるシリコンインゴット製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、多結晶シリコンインゴットを製造するシリコンインゴット製造装置に関する。

太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは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と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質がよいために変換効率の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シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求に対処するためには多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコンインゴットを歩留よく製造することが求められている。

このような一方向凝固組織を有するシリコンインゴットを鋳造するための鋳造装置として、例えば、特許文献１に記載されているシリコン鋳造装置を図４に示す。

この鋳造装置は、シリコンを溶融するための鋳型２の上部と側部にこの鋳型を加熱する加熱ヒータ５を設け、この鋳型２の底部にこの鋳型２を載置して昇降する冷却手段６を設け、この鋳型２の下部に鋳型２が下降したときに載置される台座９とこの台座９を加熱する下部加熱ヒータ１０を設けて、鋳型４内で融解したシリコン１を所定の速度で凝固させる工程中に、凝固させる速度を一旦低下させた後、元の速度に戻して凝固させるというのである。このように、比較的短い時間だけ凝固速度を大幅に低下させることにより、従来の高い生産性を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造する方法と製造装置を提供している。
特開２００３−２６７７１７号公報 15th Photovoltaic Specialists Conf. (1981), P576〜P580, "A NEW DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE FOR POLYCRYSTALLINE SOLAR GRADE SILICON"

しかしながら、上述の従来装置のように、溶融シリコンを収容した鋳型に効率よく熱を与えるために鋳型に加熱ヒータ３を近づけて配する鋳造装置においては、特に炭素成分を主成分とする加熱ヒータが、溶融シリコンから蒸発するＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＜２）ガスと反応することに起因して、加熱ヒータが局所的に薄肉化するという問題があった。このように薄肉消耗した部分は抵抗値が高くなって設定温度以上に発熱してしまうので、溶融シリコン表面の温度分布が不均一となったり、反応により発生した炭酸ガスがシリコン融液中に取り込まれ、シリコン融液中に炭素が混入したりすることによって、最終的に鋳造して得られたシリコンインゴットの品質を低下させてしまうという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、加熱ヒータの寿命を保ちつつ、結晶性が高い高品質のシリコンインゴットを製造できるシリコンインゴット鋳造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るシリコン鋳造装置は、シリコン融液を保持する鋳型と、該鋳型の上方に所定の間隔を隔てて配置された、炭素成分を含有する加熱ヒータと、前記鋳型及び前記加熱ヒータの間に配置された伝熱部材と、を有している。

また、前記伝熱部材は、熱放射部材又は熱透過部材であることを特徴としている。

さらに、前記加熱ヒータからの熱を、前記伝熱部材又は／及び前記シリコン融液に向かって反射させる熱反射部材をさらに有している。

本発明に係るシリコンインゴット鋳造装置は、シリコン融液を保持する鋳型と、該鋳型の上方に所定の間隔を隔てて配置された、炭素成分を含有する加熱ヒータと、前記鋳型及び前記加熱ヒータの間に配置された伝熱部材と、を有している。このように、加熱ヒータと鋳型との距離を所定の間隔で保つことにより、ＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＜２）ガスと反応することを抑制し、加熱ヒータが局所的に薄肉化するという問題や、シリコン融液中への炭素の混入するという問題を抑制することができる。また、加熱ヒータと鋳型の距離を所定の間隔で隔てて配置した場合でも、鋳型と加熱ヒータの間に伝熱部材を配置することによって、加熱ヒータから放射される熱を鋳型内に保持されたシリコン表面領域に効率よく与えることできる。

また、伝熱部材が熱放射部材又は熱透過部材であることによって、加熱ヒータからの熱をより効率よくシリコン表面領域に与えることができる。

さらに、加熱ヒータからの熱を、伝熱部材又は／及びシリコン融液に向かって反射させる熱反射部材をさらに有することによって、より効率よくシリコン表面領域に熱を与えることができる。

以下、各請求項に関わる発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係る鋳造装置の一実施形態を示す縦断面図であり、１は溶融シリコン、２は鋳型、３は鋳型断熱材、４は鋳型置台、５は加熱ヒータ、６は冷却手段、７は伝熱部材、８は熱反射部材である。

鋳型２は、黒鉛（Ｃ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などからなり、分割、組み立て可能な分割鋳型や、一体成型鋳型などで構成される。また、鋳型２の内面には離型材層（不図示）を設けることが望ましい。鋳型２の内部の溶融シリコン１を凝固した後に、鋳型２の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑制し、特に分割鋳型の場合には、各構成部材を何回も繰り返して使用することができる。離型材層の材質としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）などによって形成することができる。この離型材層を設ける方法としては、上述の粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、塗布もしくはスプレーなどの手段でコーティングすることが公知の技術として知られている（例えば、非特許文献１参照）。

鋳型断熱材３は、鋳型２の側壁からの抜熱を抑制するものであり、耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質、例えばグラファイトフェルトなどが用いられる。また、冷却手段６としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型２の内部のシリコン融液１から効果的に抜熱できるように構成されている。

本発明におけるシリコンインゴット鋳造装置は、シリコン融液を保持する鋳型と、該鋳型の上方に所定の間隔を隔てて配置された、炭素成分を含有する加熱ヒータと、前記鋳型及び前記加熱ヒータの間に配置された伝熱部材と、を有している。このように、加熱ヒータと鋳型の距離を所定の間隔で保つことにより、ＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＜２）ガスと反応することを抑制し、加熱ヒータが局所的に薄肉化するという問題や、シリコン融液中への炭素の混入するという問題を抑制することができる。また、加熱ヒータと鋳型との距離を所定の間隔で隔てて配置した場合でも、鋳型と加熱ヒータの間に伝熱部材を配置することによって、加熱ヒータから放射される熱を鋳型内に保持されたシリコン表面領域に効率よく与えることできる。

ここで、炭素成分を含有する加熱ヒータ５は、鋳型内に保持されたシリコンを加熱して溶融したり、溶融したシリコン融液を鋳型底部から凝固する際に、シリコン融液表面が先に凝固するのを防ぐために、シリコン融液表面を加熱したりするものであり、抵抗加熱式のヒータや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。

伝熱部材７は、放射率が大きい部材から形成される熱放射部材、又は透過率が大きい部材から形成される熱透過部材であるほうが好ましい。このような部材より形成される伝熱部材を設けることにより、加熱ヒータからの熱をより効率よくシリコン表面領域に与えることができる。

このとき、熱放射部材は赤外領域の波長範囲内で０．５以上の放射率を有するものが好ましく、例えば、高純度黒鉛、セラミックス等から形成される。また、熱透過部材は赤外領域の波長範囲内で０．８以上の透過率を有するものが好ましく、例えば、透明石英ガラス等から形成される。

さらに、図１に示されるように加熱ヒータ５からの熱を、伝熱部材又は／及びシリコン融液に向かって反射させる熱反射部材８をさらに有することが好ましい。熱反射部材８を設けることにより、加熱ヒータからの熱をより効率よくシリコン表面領域に与えることができる。熱反射部材８は赤外領域の波長範囲内で０．７以上の反射率を有するものが好ましく、例えば、高純度黒鉛の表面に金属成膜を施したものから形成される。

以上のようにして、本発明の実施形態に係るシリコンインゴット鋳造装置を実現することができる。

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ても構わない。

例えば、図２に示すように、鋳型上面に伝熱部材７を設け、鋳型を囲繞するように熱反射部材を設置するような構造としてもよい。さらには、図３に示すように、伝熱部材７と熱反射部材８とにより、加熱ヒータと鋳型上面との間を遮蔽するように設置する構造としてもよい。このような構造にすることによって、本発明の効果が得られるだけでなく、鋳型内のシリコン融液を凝固する際、冷却装置周囲の温度を高めたり、鋳型を取り囲む鋳型断熱材が加熱ヒータからの熱を吸収することなく十分な冷却効果を得ることができ、生産時間、特に凝固時間の短縮化を図ることが可能となる。

本発明のシリコン鋳造装置の一実施形態に係る概略断面図である。 本発明のシリコン鋳造装置の他の実施形態に係る概略断面図である。 本発明のシリコン鋳造装置の他の実施形態に係る概略断面図である。 従来技術の鋳造装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 溶融シリコン
２ 鋳型
３ 鋳型断熱材
４ 鋳型台座
５ 加熱ヒータ
６ 冷却手段
７ 伝熱アセンブリ
８ 熱反射部材
９ 台座
１０ 下部加熱ヒータ

Claims (3)

1. シリコン融液を保持する鋳型と、
   該鋳型の上方に所定の間隔を隔てて配置された、炭素成分を含有する加熱ヒータと、
   前記鋳型及び前記加熱ヒータの間に配置された伝熱部材と、を有してなるシリコンインゴット製造装置。
2. 前記伝熱部材は、熱放射部材又は熱透過部材であることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴット製造装置。
3. 前記加熱ヒータからの熱を、前記伝熱部材又は／及び前記シリコン融液に向かって反射させる熱反射部材をさらに有する請求項１又は２に記載のシリコンインゴット製造装置。

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