JP2013116844A - Polycrystalline silicon ingot production device, polycrystalline silicon ingot, polycrystalline silicon block, polycrystalline silicon wafer, polycrystalline silicon solar cell, and polycrystalline solar cell module - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus, a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon block, a polycrystalline silicon wafer, a polycrystalline silicon solar cell, and a polycrystalline solar cell module.
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。 Due to environmental issues, the use of natural energy is attracting attention as an alternative to fossil fuel energy such as oil. Solar cells that generate power using natural energy are actively introduced in Japan and Europe because they do not require large facilities and do not generate noise during operation.
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。 In solar cells, new solar cells made of compound semiconductors such as cadmium tellurium are being developed. However, solar cells using crystalline silicon as a substrate currently occupy a large share in terms of the safety of the substance itself, past use results and price. Among them, the proportion of polycrystalline silicon solar cells manufactured from a polycrystalline silicon wafer (hereinafter also simply referred to as a wafer) is large.
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。 Wafers widely used in applications for polycrystalline silicon solar cells are generally manufactured by a method called a casting method. In the wafer manufacturing method by the casting method, a molten silicon is unidirectionally solidified in a crucible to grow a polycrystalline silicon ingot (hereinafter also simply referred to as an ingot), and then cut into blocks from the ingot and further sliced. Thus, a wafer is manufactured.
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。 Wafers manufactured by the casting method have variations in characteristics when solar cells are manufactured, depending on which height in the ingot is taken out.
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。 FIG. 10 is a graph showing a general relationship between the position in the height direction of the ingot from which the wafer has been taken out and the output of the solar cell formed from the wafer. In FIG. 10, the vertical axis represents the solar cell output, and the horizontal axis represents the position in the ingot from which the wafer was taken out.
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。 The cause of the variation in the solar cell output as shown in FIG. 10 is generally explained as follows. In the region I under the ingot solidified in the initial stage when the molten silicon is solidified in one direction, many impurities are diffused from the crucible into the silicon crystal. Due to the influence of the impurities, the output characteristics of the solar cell formed from the wafer taken out from the region I deteriorate.
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。 In the region II located above the region I, the amount of impurities taken into the crystal due to segregation is small, and the crystal defects are small. Therefore, the output characteristic of the solar cell formed from the wafer taken out from the region II is the best in the ingot or the block.
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。 In the region III located above the region II, the amount of impurities taken into the crystal gradually increases and crystal defects increase. Therefore, the output characteristics of the solar cell formed from the wafer taken out from the region III are lower than the output characteristics of the solar cell formed from the wafer taken out from the region II.
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。 In the region IV located above the region III, the amount of impurities taken into the crystal is increased and the crystal defects are further increased as compared with the region III. In addition, after the ingot is completely solidified, impurities are back-diffused from the high-concentration portion of the impurity appearing on the uppermost surface portion of the ingot, thereby further increasing the amount of impurities taken into the crystal.
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。 Therefore, the output characteristics of the solar cell formed from the wafer taken out from the region IV are remarkably lowered as compared with the output characteristics of the solar cell formed from the wafer taken out from the region III.
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。 In the above description, the influence of impurities in the raw material and the influence of impurities dissolved out of the crucible are taken into account, but even if these influences are not present, in the regions III and IV, minority carrier traps move upward. The number of crystal defects gradually increases. Therefore, the output characteristics of the solar cell formed from the wafer to be taken out tend to deteriorate as it goes to the upper part of the ingot.
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。 The cause of the crystal defects is considered to be the stress due to the temperature distribution in the ingot. If the stress is particularly large, the ingot may crack. Therefore, it is important to control the temperature distribution in the ingot, and it is particularly desirable to flatten the solid-liquid interface during crystal growth.
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。 As prior literatures that disclose a silicon casting apparatus that suppresses ingot cracking and crystal defects, there are Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-152985) and Patent Document 2 (International Publication No. 2005/092791).
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。 In the silicon casting apparatus described in Patent Document 1, the heat flux passing through the mold holder from the center of the bottom of the mold is configured to be larger than the heat flux passing through the mold holder from directly below the side of the mold. Yes.
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。
In the silicon casting apparatus described in
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。 The silicon casting apparatus described in Patent Document 1 is applicable only when the mold heating means is provided on the upper part of the mold, and the case where the mold heating means is provided on the side of the mold is considered. It has not been. In addition, the mold holder has a complicated structure.
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。
In the silicon casting apparatus described in
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus having a heater on the side of a crucible, the occurrence of ingot cracking and crystal defects can be suppressed, and it is inexpensive and stable. It is an object of the present invention to provide a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus, a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon block, a polycrystalline silicon wafer, a polycrystalline silicon solar cell, and a polycrystalline solar cell module that can be manufactured.
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。 The polycrystalline silicon ingot producing apparatus according to the present invention is a polycrystalline silicon ingot producing apparatus that grows a polycrystalline silicon ingot by unidirectionally solidifying molten silicon from below to above. The polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus includes a crucible, a heater positioned on the side of the crucible, a crucible support member positioned in contact with the bottom surface of the crucible, a side surface of the crucible support member and the heater. And a shield that shields heat.
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。 In one form of this invention, the shield is movable relative to the side surface. The shield in a state where silicon is melted in the crucible is positioned so as to hide the side surface from the heater.
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。 In one form of this invention, the shield in the state in which silicon is unidirectionally solidified in the crucible is positioned so as to open the side surface.
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。
In one embodiment of the present invention, the shield can cover 50% or more of the side surface.
In one form of this invention, a shield consists of heat insulating materials.
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。
In one embodiment of the present invention, the heat insulating material is a carbon-based felt or an oxide-based felt.
The polycrystalline silicon ingot based on the present invention is manufactured by the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus described above.
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。 The polycrystalline silicon block based on this invention is obtained by processing the polycrystalline silicon ingot described above.
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。 The polycrystalline silicon wafer based on this invention is obtained by processing the above-mentioned polycrystalline silicon ingot.
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。 The polycrystalline silicon solar cell according to the present invention is formed using the polycrystalline silicon wafer described above.
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。 A polycrystalline solar cell module according to the present invention is configured by connecting a plurality of the polycrystalline silicon solar cells described above.
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。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of ingot cracking and crystal defects in a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus in which a heater is disposed on the side, and not only a high-quality polycrystalline silicon ingot can be manufactured at low cost, but also By producing solar cells from ingots, it is possible to supply high-power solar cells to the market at a low price.
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。 Hereinafter, the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. In the following description of the embodiments, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
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。
Moreover, in the following Embodiments 1-4, although the example which has mounted the
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a state in which silicon is melted in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a state where silicon is unidirectionally solidified in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to the present embodiment.
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention includes a substantially
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。
A
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。
The
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。
The mounting table 40 is formed of a material having higher thermal conductivity and heat resistance than the
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。
The
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。
A
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。
An
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。
A thermocouple (not shown) is arranged in the
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。
One end of the
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。
The
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。 Hereinafter, the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot by the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 1 according to the present embodiment will be described.
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。
First, about 400 kg of granular or lump silicon is put into the
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。
Next, the temperature is controlled at a temperature of the melting point of silicon + 15 ° C. for 30 minutes, temperature control is performed according to predetermined growth conditions, and the
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。
Further, by lowering the
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。 When the temperature of the polycrystalline silicon ingot falls to around 900 ° C., the gas sent from the gas supply unit is changed from Ar to He. Thereafter, the polycrystalline silicon ingot is cooled to room temperature.
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。 End portions containing a large amount of impurities and crystal defects are removed from the polycrystalline silicon ingot, and the polycrystalline silicon block is cut into a predetermined size. Further, a plurality of wafers can be obtained by cutting the polycrystalline silicon block to a predetermined thickness with a wire saw.
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。
As a result of diligent research, the present inventors have found that in the conventional polycrystalline silicon manufacturing apparatus in which the
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。
This tendency is due to the influence of heat input from the
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。
In order to prevent cracking of the polycrystalline silicon ingot and suppress crystal defects, it is preferable to flatten the solid-liquid interface shape and linearize the temperature distribution in the vertical direction in the
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。
In order to flatten the solid-liquid interface shape when the
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, a shield that shields heat is interposed between the
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。 However, the shield is not limited to carbon felt, and oxide felts such as silica, alumina and zirconia can be used. In addition, a plate, block, or sheet made of a heat insulating material can be used as the shield.
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。
The upper end portion of the carbon felt 50 is attached to the upper end portion of the
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。
The length of the carbon felt 50 is longer than the distance between the upper end portion of the
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。
As shown in FIG. 1, the carbon felt 50 in a state where silicon is melted in the
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。
As shown in FIG. 2, the carbon felt 50 in a state where silicon is unidirectionally solidified in the
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。
That is, the carbon felt 50 is positioned so as to open the
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。
By using the carbon felt 50 according to this embodiment, the temperature distribution in the horizontal plane in the
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。 With the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 1 using the carbon felt 50 according to the present embodiment, it is possible to suppress the generation of ingot cracks and crystal defects and to manufacture a high-quality polycrystalline silicon ingot at a low cost.
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。
Hereinafter, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to
(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。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a state where silicon is melted in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to
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。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the present embodiment, a
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。
The
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。
The length of the
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
As shown in FIG. 4, the
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。
That is, the
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。
By using the
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。
The polycrystalline silicon
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。 Hereinafter, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described. Note that the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 3 according to the present embodiment is different from the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 1 according to the first embodiment only in the configuration of the shield, and therefore description of other configurations will not be repeated.
(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。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a state where silicon is melted in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a state in the middle of unidirectional solidification of silicon in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to the present embodiment.
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。
As shown in FIGS. 5 and 6, in this embodiment, a
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。
The
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。
The size of the
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。
As shown in FIG. 5, the
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。
As shown in FIG. 6, the
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。
That is, the
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。
As a result, the mounting table 40 can be cooled from the state in which the in-plane uniformity of the temperature distribution is improved, and therefore, the bottom surface portion of the
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。
By using the
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。
With the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 3 using the
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。
Hereinafter, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to
(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。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a state in which silicon is melted in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to
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。
As shown in FIGS. 7 and 8, in the present embodiment, a
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。
The
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。
The size of the
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。
As shown in FIG. 7, the
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。
As shown in FIG. 8, the
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。
That is, the
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。
As a result, the polycrystalline silicon
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。
By using the
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。
By using the
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。 Hereinafter, the output of the polycrystalline silicon solar cell formed from the wafer obtained by processing the polycrystalline silicon ingot manufactured by the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus 1 according to the first embodiment, and a shield as a comparative example are provided. An experimental example in which the output of a polycrystalline silicon solar cell formed from a wafer obtained by processing a polycrystalline silicon ingot manufactured by a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus that has not been manufactured will be described.
(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。
(Experimental example)
In both the examples and the comparative examples, as a
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。
In the example, a carbon felt 50 having a thickness of 10 mm and having flexibility was used as the shield. The upper end of the carbon felt 50 was attached to the upper end of the
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。 In both the examples and comparative examples, the method for producing a polycrystalline silicon ingot was the same as in the above embodiment. The silicon raw material was doped with boron so that the specific resistance of the polycrystalline silicon ingot was about 1.5 Ωcm to 2.0 Ωcm.
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。 In the examples, no abnormality was observed in the appearance of the grown polycrystalline silicon ingot, and no ingot cracking occurred. In the comparative example, a crack having a size of about 15 mm × 25 mm × 6 mm was confirmed in a part of the uppermost corner of the ingot.
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。 Next, these polycrystalline silicon ingots were blocked with a band saw and then sliced with a wire saw to produce a polycrystalline silicon wafer. These wafers were put into a normal solar cell manufacturing process and their output characteristics were confirmed.
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。 FIG. 9 is a histogram showing the output distribution of the solar cells of the example and the comparative example. In FIG. 9, the vertical axis indicates the ratio, and the horizontal axis indicates the output of the solar cell.
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。 As shown in FIG. 9, the polycrystalline silicon solar cell formed from the polycrystalline silicon wafer of the example is a solar cell compared to the polycrystalline silicon solar cell formed from the polycrystalline silicon wafer of the comparative example. The output distribution of is shifted to the higher one.
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。 A low output solar cell is a solar cell formed from a wafer taken from the top of the ingot. As described above, the cause of the decrease in output is a crystal defect caused by stress inside the ingot.
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。 Therefore, it was confirmed from this experimental example that the occurrence of ingot cracking and crystal defects can be suppressed by growing a polycrystalline silicon ingot using the shield according to the present embodiment.
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。 Further, in the examples, since the output of the polycrystalline silicon solar cell could be improved as compared with the comparative example, the characteristics of the polycrystalline solar cell module configured by connecting a plurality of the polycrystalline silicon solar cells were compared with the comparative example. Naturally, this is an improvement over the polycrystalline solar cell module constructed by connecting a plurality of polycrystalline silicon solar cells.
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。
In the present experimental example, a shield that can cover the
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。 The embodiments and experimental examples disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
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。 1, 2, 3, 4 Polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus, 10 housing, 11 opening, 12 exhaust port, 13 gas supply pipe, 20 crucible, 30 heater, 40 mounting table, 41 side surface, 50 carbon felt, 51, 53 Insulating plate, 52 Insulating block, 60 Inner lid, 60a Ceiling part, 60b Side wall part, 60c Bottom part, 61 Heating area, 70 Driving part, 71 Support part, 80 Molten silicon, 81 Solidified silicon, 90 Cooling part.
Claims (11)
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。 A polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus for growing a polycrystalline silicon ingot by unidirectionally solidifying molten silicon from below to above,
Crucible,
A heater located on the side of the crucible;
A crucible support member positioned in contact with the bottom surface of the crucible;
An apparatus for producing a polycrystalline silicon ingot, comprising: a shield that is interposed between a side surface of the crucible support member and the heater and shields heat.
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。 The shield is movable relative to the side surface;
The polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the shield in a state where silicon is melted in the crucible is positioned so as to hide the side surface from the heater.
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