JP2013220951A - Polycrystalline silicon ingot, and method of manufacturing the same, and use thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing polycrystalline silicon ingot that is easy and inexpensive, and can reduce the impurity density of an ingot upper portion with good controllability, a polycrystalline silicon ingot obtained by using the method, and uses thereof.SOLUTION: When a polycrystalline silicon ingot is manufactured by solidifying molten silicon in a crucible upward in one direction from the bottom portion of the crucible, the molten silicon is solidified in the one direction while being discharged from the crucible by a rise in the liquid level of the molten silicon due to solidification expansion of the silicon.

Description

この発明は、多結晶シリコンインゴットとその製造方法およびその用途に関する。   The present invention relates to a polycrystalline silicon ingot, a method for producing the same, and use thereof.

地球環境に様々な問題を引き起こしている石油などの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。その中でも太陽電池は大きな設備を必要とせず、稼働時に騒音などを発生しないことから、日本や欧州などで特に積極的に導入されてきている。
カドミウムテルルなどの化合物半導体を用いた太陽電池も一部で実用化されているが、物質自体の安全性やこれまでの実績、またコストパフォーマンスの面から、結晶シリコン基板を用いた太陽電池が大きなシェアを占め、その中でも多結晶シリコン基板を用いた太陽電池(多結晶シリコン太陽電池)が大きなシェアを占めている。
The use of natural energy is attracting attention as an alternative to oil, which is causing various problems in the global environment. Among them, the solar cell does not require a large facility and does not generate noise during operation, and thus has been particularly actively introduced in Japan and Europe.
Solar cells using compound semiconductors such as cadmium tellurium have also been put into practical use, but solar cells using crystalline silicon substrates are large in terms of the safety of the materials themselves, past achievements, and cost performance. Solar cells using a polycrystalline silicon substrate (polycrystalline silicon solar cells) occupy a large share.

多結晶シリコン太陽電池(以下「太陽電池」ともいう)の基板として一般的に広く用いられている多結晶シリコンウエハ(以下「ウエハ」ともいう)は、坩堝内で溶融シリコンを一方向凝固させて大きな多結晶シリコンインゴット(以下「インゴット」ともいう)を得るキャスト法と呼ばれる方法で製造したインゴットを多結晶シリコンブロック(以下「ブロック」ともいう)に切り出し、スライスによりウエハ化したものである。
キャスト法で製造したウエハは、インゴットまたはブロック内の高さ方向の位置により、一般的に図4に示すような太陽電池の出力特性に分布を有している。
A polycrystalline silicon wafer (hereinafter also referred to as “wafer”), which is generally widely used as a substrate for polycrystalline silicon solar cells (hereinafter also referred to as “solar cells”), is obtained by unidirectionally solidifying molten silicon in a crucible. An ingot manufactured by a method called a casting method for obtaining a large polycrystalline silicon ingot (hereinafter also referred to as “ingot”) is cut into polycrystalline silicon blocks (hereinafter also referred to as “blocks”) and formed into wafers by slicing.
The wafer manufactured by the casting method generally has a distribution in the output characteristics of the solar cell as shown in FIG. 4 depending on the position in the height direction in the ingot or block.

図4の特性分布が生じる原因は一般的に以下のように説明されている。
まず一方向凝固の初期の領域Iでは、坩堝から拡散した不純物の影響により特性低下が起こる。その上部側の領域IIでは、偏析による原料中の不純物の結晶中への取り込みや結晶欠陥の発生が少ないために、ブロック中で最も特性が良好となる。さらに上部側の領域IIIでは、結晶中に取り込まれる不純物量が徐々に増えることに加え、結晶欠陥の発生が増加し、領域IIよりも特性が低下する。さらに上部側の領域IVでは、領域IIIと同様に、結晶中に取り込まれる不純物量や結晶欠陥の発生がさらに増加することに加えて、インゴットが最後まで凝固した後に、最上部表面部分にできた不純物の高濃度部分から不純物の逆拡散が起こり、さらに不純物量が増加するために、領域IIIよりもさらに特性低下が顕著になる。
上記の説明では、原料中の不純物や坩堝から溶出する不純物の影響を考慮しているが、仮にそれらの影響がない場合でも、領域IIIおよびIVでは、上部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ために、太陽電池の特性は低下する傾向にある。
The cause of the characteristic distribution of FIG. 4 is generally explained as follows.
First, in the region I at the initial stage of unidirectional solidification, the characteristics deteriorate due to the influence of impurities diffused from the crucible. In the region II on the upper side, since the incorporation of impurities in the raw material due to segregation and the occurrence of crystal defects are few, the characteristics are the best in the block. Further, in the upper region III, the amount of impurities taken into the crystal gradually increases, the generation of crystal defects increases, and the characteristics are deteriorated as compared with the region II. Furthermore, in the upper region IV, similarly to the region III, in addition to further increasing the amount of impurities incorporated into the crystal and the generation of crystal defects, the upper surface portion was formed after the ingot solidified to the end. Impurity reverse diffusion occurs from the high concentration portion of the impurity, and the amount of the impurity further increases, so that the characteristic deterioration becomes more remarkable than in the region III.
In the above description, the influence of impurities in the raw material and impurities eluted from the crucible is considered, but even if there is no such influence, in regions III and IV, crystals that become minority carrier traps toward the top Since defects increase gradually, the characteristics of solar cells tend to deteriorate.

通常、インゴット最上部および最下部の領域には炭化珪素(SiC)や窒化珪素(SiN)などの異物が多く含まれるため、上記領域I側のインゴットの下部領域および上記領域IV側のインゴットの上部領域は、インゴットからブロック状に加工する際に切断し、太陽電池用ウエハとしては使用しない。
しかしながら、領域IVのうちブロック側に残った部分から加工されたウエハを用いて製造された太陽電池の特性は、領域IIおよびIIIのウエハから製造された太陽電池と比較して極端に低いという傾向がある。
近年の当該分野の市場傾向として、高出力な太陽電池に対する需要が高く、上記のような領域IVのウエハから製造された低出力の太陽電池は、極端な場合には不良となることもあり、太陽電池のコストアップ要因の一つになる。
そこで、このような低出力の太陽電池を低減する方法として、次の2つの方法が提案されている。
Usually, since the foreign substance such as silicon carbide (SiC) or silicon nitride (SiN) is contained in the uppermost and lowermost regions of the ingot, the lower region of the ingot on the region I side and the upper portion of the ingot on the region IV side. The region is cut when the ingot is processed into a block shape and is not used as a solar cell wafer.
However, the characteristics of solar cells manufactured using wafers processed from the portion of region IV remaining on the block side tend to be extremely low compared to solar cells manufactured from wafers in regions II and III. There is.
As a market trend in this field in recent years, there is a high demand for high-power solar cells, and low-power solar cells manufactured from wafers in the above-mentioned region IV may become defective in extreme cases. This is one of the factors that increase the cost of solar cells.
Then, the following two methods are proposed as a method of reducing such a low output solar cell.

第一の方法は、インゴットからブロックに加工する際に、インゴット最上部側の切断量を増加させて、領域IVの全部あるいはインゴット最上部側一部をウエハとして使用しないか、あるいは従来通りブロックをスライス加工し、インゴット最上部側のウエハを太陽電池用に使用しない方法である。   The first method is to increase the cutting amount on the top side of the ingot when processing from the ingot to the block, so that the whole area IV or a part of the top part of the ingot is not used as a wafer, or the block is used as usual. This is a method of slicing and not using the wafer on the uppermost side of the ingot for solar cells.

第二の方法は、インゴットを製造する際に、シリコン凝固完了前の未凝固の溶融シリコン、すなわち高濃度の不純物を含有する溶融シリコンを排除する方法である。
具体的には、例えば、特開平11―240710号公報(特許文献1)に開示されているように、インゴット鋳造用の鋳型(以下「坩堝」ともいう)の側壁上端に封塞部材を嵌め込んだ一部切欠または鋳型の側壁上部に栓を備えた貫通孔を設け、シリコン凝固完了前に、封塞部材または栓を外して未凝固の溶融シリコンを鋳型外に排出する。
この方法により、偏析によって不純物が濃縮された未凝固の溶融シリコンを鋳型外に排出することができ、得られるインゴットの高さは低くなるものの、インゴット最上部表面に高濃度の不純物領域が形成され難くなり、ここからの不純物の逆拡散を抑制することができ、領域IVの不純物濃度を低減でき、領域IVのウエハから製造された太陽電池の出力低下を低減できるものと考えられる。
The second method is a method for removing unsolidified molten silicon before completion of silicon solidification, that is, molten silicon containing a high concentration of impurities, when manufacturing an ingot.
Specifically, as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-240710 (Patent Document 1), a sealing member is fitted into the upper end of the side wall of an ingot casting mold (hereinafter also referred to as “crucible”). A through hole provided with a stopper is provided in a part of the notch or the upper side wall of the mold, and before the completion of the solidification of the silicon, the sealing member or the plug is removed and the unsolidified molten silicon is discharged out of the mold.
By this method, unsolidified molten silicon enriched by segregation can be discharged out of the mold, and although the height of the resulting ingot is reduced, a high concentration impurity region is formed on the top surface of the ingot. It is considered that the back diffusion of impurities from here can be suppressed, the impurity concentration in the region IV can be reduced, and the output decrease of the solar cell manufactured from the wafer in the region IV can be reduced.

特開平11―240710号公報JP-A-11-240710

第一の方法では、明らかに低出力の太陽電池の発生数を低減できるものの、同じ大きさのインゴットやブロックから加工される、使用可能なウエハの枚数が減少するために、ウエハ1枚当たりのコストが高くなるという問題がある。   The first method can obviously reduce the number of low-power solar cells, but reduces the number of usable wafers processed from the same size ingot or block. There is a problem that the cost becomes high.

第二の方法では、高温のインゴット製造装置内において一部切欠の封塞部材や貫通孔の栓を外すための可動部品が必要になり、インゴット製造装置のコストが高くなるという問題がある。また、未凝固の溶融シリコンを鋳型外に排出させるタイミングがずれると、排出される溶融シリコンの量がばらつく。そのタイミングが遅れた場合には、溶融シリコンが全く排出されず、所期の効果が得られないことがある。一方、そのタイミングが早過ぎた場合には、偏析による不純物濃縮が起こる前に、溶融シリコンを鋳型外に排出してしまうことになり、インゴットのサイズが小さくなる上に、その最上部にはさらに上記領域IVに対応する領域が形成されることになる。   The second method requires a movable part for removing a partially-notched sealing member and a through-hole plug in a high-temperature ingot manufacturing apparatus, which increases the cost of the ingot manufacturing apparatus. Further, if the timing of discharging unsolidified molten silicon out of the mold is shifted, the amount of molten silicon discharged varies. If the timing is delayed, molten silicon is not discharged at all, and the desired effect may not be obtained. On the other hand, if the timing is too early, the molten silicon will be discharged out of the mold before the impurity concentration due to segregation occurs. A region corresponding to the region IV is formed.

鋳型からの溶融シリコンの排出をタイミングよく制御するためには、凝固(固化)部分を高精度に検出する必要がある。そのためには、熱電対、放射温度計などの温度測定装置の増設や、例えば鋳型の上部から溶融シリコン中に差し込んだ棒が凝固部分に接触する位置(高さ)を検出するような固液界面検出機構などの設置が必要になり、インゴット製造装置のコストが上がる、つまりウエハ1枚当たりのコストが高くなるという問題が生じる。   In order to control the discharge of molten silicon from the mold with good timing, it is necessary to detect a solidified (solidified) portion with high accuracy. For this purpose, an additional temperature measuring device such as a thermocouple or a radiation thermometer, or a solid-liquid interface that detects the position (height) at which the rod inserted into the molten silicon from the upper part of the mold contacts the solidified part, for example. The installation of a detection mechanism or the like is required, which increases the cost of the ingot manufacturing apparatus, that is, increases the cost per wafer.

そこで、本発明は、簡便でコストが掛からず、かつ制御性よくインゴット上部の不純物濃度を低減し得る多結晶シリコンインゴットの製造方法およびそれにより得られる多結晶シリコンインゴットならびにその用途を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides a method for producing a polycrystalline silicon ingot that is simple, inexpensive, and capable of reducing the impurity concentration at the top of the ingot with good controllability, a polycrystalline silicon ingot obtained by the method, and uses thereof. Let it be an issue.

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、多結晶シリコンインゴットの製造において、シリコンの凝固膨張による液面上昇を積極的に利用して、高濃度で不純物を含有する溶融シリコンを除去することで、上記の課題を解消できることを見出し、本発明に至った。   As a result of extensive research, the present inventor has actively removed the molten silicon containing impurities at a high concentration by actively utilizing the liquid level rise due to solidification expansion of silicon in the production of a polycrystalline silicon ingot. The present inventors have found that the above problems can be solved, and have reached the present invention.

かくして、本発明によれば、坩堝中の溶融シリコンを前記坩堝の底部から上方に一方向凝固させて多結晶シリコンインゴットを製造するに際して、シリコンの凝固膨張による前記溶融シリコンの液面上昇により、前記溶融シリコンを前記坩堝外に排出させつつ一方向凝固させることを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法が提供される。   Thus, according to the present invention, when the polycrystalline silicon ingot is produced by unidirectionally solidifying the molten silicon in the crucible from the bottom of the crucible, the liquid level of the molten silicon is increased by the solidification expansion of the silicon. A method for producing a polycrystalline silicon ingot is provided, wherein molten silicon is solidified in one direction while being discharged out of the crucible.

また、本発明によれば、上記の多結晶シリコンインゴットの製造方法により製造された多結晶シリコンインゴット、その多結晶シリコンインゴットを加工して得られた多結晶シリコン加工物、その加工物を用いて製造された多結晶シリコン太陽電池が提供される。   Moreover, according to the present invention, a polycrystalline silicon ingot produced by the method for producing a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon workpiece obtained by processing the polycrystalline silicon ingot, and the workpiece are used. A manufactured polycrystalline silicon solar cell is provided.

本発明によれば、簡便でコストが掛からず、かつ制御性よくインゴット上部の不純物濃度を低減し得る多結晶シリコンインゴットの製造方法およびそれにより得られる多結晶シリコンインゴットならびにその用途を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、低出力の太陽電池の発生数を低減して、多結晶シリコン太陽電池を作製し得る多結晶シリコンインゴットおよび多結晶シリコン加工物を簡便に制御よく製造することができ、良好な太陽電池特性を有する多結晶シリコン太陽電池をより低コストで市場に供給することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a polycrystalline silicon ingot that is simple, inexpensive, and capable of reducing the impurity concentration at the top of the ingot with good controllability, a polycrystalline silicon ingot obtained by the method, and use thereof. it can.
That is, according to the present invention, the number of low-output solar cells can be reduced, and a polycrystalline silicon ingot and a polycrystalline silicon workpiece that can produce a polycrystalline silicon solar cell can be easily and well-controlled. A polycrystalline silicon solar cell having good solar cell characteristics can be supplied to the market at a lower cost.

本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、前記坩堝の内容積をX、凝固開始前の溶融シリコンの体積をYとしたときに、1≦X/Y≦1.07の関係を満足する場合に、上記の効果がさらに発揮される。
また、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、坩堝が溶融シリコンを坩堝外に排出させるために、坩堝側壁の上端に切欠き部または坩堝側壁に貫通孔を有する場合に、坩堝が底面を正方形とする直方体外形を有し、かつ切欠き部または貫通孔がそれぞれ坩堝壁面の上端または上部の角部に存在する場合に、溶融シリコンが坩堝側面側に設けられたヒータにより加熱される場合に、上記の効果がさらに発揮される。
In the method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention, when the internal volume of the crucible is X and the volume of molten silicon before the start of solidification is Y, the relationship 1 ≦ X / Y ≦ 1.07 is satisfied. In addition, the above effects are further exhibited.
In addition, the method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention is such that when the crucible has a notch at the upper end of the crucible side wall or a through hole in the crucible side wall in order to discharge the molten silicon out of the crucible, In the case of having a rectangular parallelepiped outer shape, and when the notch or the through hole is present at the upper end or upper corner of the crucible wall surface, the molten silicon is heated by the heater provided on the side of the crucible The above effects are further exhibited.

本発明において、「多結晶シリコン加工物」とは、多結晶シリコンブロックおよび多結晶シリコンウエハなどを意味する。
また、多結晶シリコン加工物を用いて製造された「多結晶シリコン太陽電池」とは、最小ユニットを構成する「多結晶シリコン太陽電池セル」およびその複数個を電気的に接続した「多結晶シリコン太陽電池モジュール」を意味する。
In the present invention, “polycrystalline silicon workpiece” means a polycrystalline silicon block, a polycrystalline silicon wafer, and the like.
In addition, “polycrystalline silicon solar cell” manufactured using a processed polycrystalline silicon product means “polycrystalline silicon solar cell” constituting the smallest unit and “polycrystalline silicon” in which a plurality of them are electrically connected. It means “solar cell module”.

本発明において、「シリコン精製物」とは、冶金法によるシリコン精製工程において、溶融シリコンを一方向凝固し、特に偏析係数の小さな金属不純物を効率よく除去した多結晶シリコンインゴット(塊)のことであり、冶金法によるシリコン精製工程の中間品、最終品のどちらも含む。
すなわち、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、冶金法によるシリコン精製工程における一方向凝固工程にも適用でき、その工程で得られた多結晶シリコンインゴットは、インゴット上部の不純物濃縮部の除去が不要となり、低コストのシリコン精製物として利用できる。
In the present invention, a “silicon refined product” is a polycrystalline silicon ingot (lumps) obtained by unidirectionally solidifying molten silicon and efficiently removing metal impurities having a small segregation coefficient in a metal purification process using a metallurgical method. Yes, including both intermediate and final products of the metallurgical silicon purification process.
That is, the method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention can also be applied to a unidirectional solidification process in a silicon refining process by a metallurgical method. Can be used as a low-cost silicon purified product.

本発明に適用可能な多結晶シリコンインゴット製造用の坩堝の例、(A)、(B)および(C)を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of the crucible for polycrystalline-silicon ingot manufacture applicable to this invention, (A), (B), and (C). 坩堝へのシリコン原料装填量と、低出力セル発生率、コスト増加率、高出力セル1枚を製造するために必要なシリコン原料の装填重量との関係を示す図である(試験例1)。It is a figure which shows the relationship between the silicon raw material loading amount to a crucible, the low output cell generation rate, a cost increase rate, and the loading weight of the silicon raw material required in order to manufacture one high output cell (Test Example 1). 本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法に適用可能なインゴット製造装置の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the ingot manufacturing apparatus applicable to the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot of this invention. 一般的な多結晶シリコンインゴットの高さ方向の位置と作製した太陽電池の出力との関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between the position of the height direction of a common polycrystalline silicon ingot, and the output of the produced solar cell.

本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、坩堝中の溶融シリコンを前記坩堝の底部から上方に一方向凝固させて多結晶シリコンインゴットを製造するに際して、シリコンの凝固膨張による前記溶融シリコンの液面上昇により、前記溶融シリコンを前記坩堝外に排出させつつ一方向凝固させることを特徴とする。   In the method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention, the molten silicon in the crucible is unidirectionally solidified upward from the bottom of the crucible to produce a polycrystalline silicon ingot. By rising, the molten silicon is solidified in one direction while being discharged out of the crucible.

シリコンの結晶構造は充填率の低いダイヤモンド構造であるため、溶融シリコンが凝固する際には、約7%の体積膨張を生じる。本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、このような性質を利用することにより、溶融シリコンの凝固膨張により、坩堝内上部に存在する不純物濃度の高い溶融シリコンを坩堝外に排出させ、不純物濃度の低い多結晶シリコンインゴットを製造する。   Since the crystal structure of silicon is a diamond structure with a low filling rate, a volume expansion of about 7% occurs when the molten silicon solidifies. The manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot of the present invention makes use of such a property to cause molten silicon having a high impurity concentration present in the upper part of the crucible to be discharged out of the crucible due to solidification expansion of the molten silicon, and the impurity concentration Low polycrystalline silicon ingot.

本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法の実施にあたっては、後述するように、例えば、図3に示すような、下方から上方に向かって一方向凝固が行える通常の多結晶シリコンインゴット製造装置を用いることができる。
この溶融シリコンが凝固する際には偏析現象が起こり、固体側には元の融液中不純物の一部しか取り込まれないため、凝固が進行するとともに融液側の不純物濃度は高くなっていく。前述の通り、坩堝中の溶融シリコンが全て凝固すると、最後に凝固する部分は不純物濃度が最も高くなり、温度が高いうちにその部分の不純物は多結晶シリコンインゴットの下方へ固相拡散する。特に結晶シリコン系太陽電池の特性に悪影響を与える鉄などは、シリコン結晶中での拡散が速いため、影響は広範囲に及ぶ。本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法では、このような不純物濃度を低減することができる。
In carrying out the method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention, as will be described later, for example, an ordinary polycrystalline silicon ingot producing apparatus capable of unidirectional solidification from below to above as shown in FIG. 3 is used. be able to.
When this molten silicon solidifies, a segregation phenomenon occurs, and only a part of the impurities in the original melt is taken into the solid side, so that solidification proceeds and the impurity concentration on the melt side increases. As described above, when all of the molten silicon in the crucible is solidified, the final solidified portion has the highest impurity concentration, and the impurity in that portion is solid-phase diffused below the polycrystalline silicon ingot while the temperature is high. In particular, iron that adversely affects the characteristics of crystalline silicon solar cells has a wide range of effects because of its rapid diffusion in silicon crystals. In the method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention, such impurity concentration can be reduced.

溶融シリコンを坩堝外に排出させるためには、坩堝の内容積をX、凝固開始前の溶融シリコンの体積をYとしたときに、1≦X/Y≦1.07の関係を満足するのが好ましい。
XとYとの関係が上記範囲内であれば、シリコンの凝固膨張により、凝固完了前に溶融シリコンが坩堝外に排出される。上記範囲内のうちYが小さいほど、溶融シリコンの排出量は少ない分、多結晶シリコンインゴット上部の不純物量は多くなる。逆に上記範囲内のうちYが大きいほど、溶融シリコンの排出量が多くなり、原料利用率は低下するものの、多結晶シリコンインゴット上部の不純物量は少なくなる。したがって、Yの最適値はコストと効果とを勘案して決定すればよい。
XとYとの関係は、好ましくは1.02≦X/Y≦1.05であり、より好ましくは1.03≦X/Y≦1.04である。
In order to discharge the molten silicon out of the crucible, when the internal volume of the crucible is X and the volume of the molten silicon before the start of solidification is Y, the relationship 1 ≦ X / Y ≦ 1.07 is satisfied. preferable.
If the relationship between X and Y is within the above range, the molten silicon is discharged out of the crucible before the completion of solidification due to the solidification expansion of silicon. The smaller Y in the above range, the smaller the amount of molten silicon discharged, and the greater the amount of impurities above the polycrystalline silicon ingot. Conversely, as Y in the above range increases, the amount of molten silicon discharged increases and the raw material utilization rate decreases, but the amount of impurities in the upper portion of the polycrystalline silicon ingot decreases. Therefore, the optimum value of Y may be determined in consideration of cost and effect.
The relationship between X and Y is preferably 1.02 ≦ X / Y ≦ 1.05, and more preferably 1.03 ≦ X / Y ≦ 1.04.

坩堝は、上記の関係を満足し得る寸法形状を有するものであれば特に限定されないが、例えば、図1に示すような坩堝が挙げられる。
(A)は直方体形状の従来から汎用されている坩堝であり、(B)は溶融シリコンを坩堝外に排出させるために、坩堝側壁の上端に切欠き部を有する坩堝、(C)は溶融シリコンを坩堝外に排出させるために、坩堝側壁に貫通孔を有する坩堝である。
ここで、上記の坩堝の内容積とは、坩堝を多結晶シリコンインゴット製造装置内にセットした状態で、坩堝内に定常的に液体を保持可能な領域の体積を意味し、坩堝側壁上面部の最下点(坩堝側壁に切欠き部や貫通孔を有する場合には、それらの最下点)高さまでの内容積を意味する。凝固開始前の溶融シリコンの体積Yを上記範囲内に設定することにより、凝固最終段階で未凝固の(不純物濃度の高い)溶融シリコンが自動的に坩堝外に排出される。
したがって、上記(B)および(C)のように、坩堝側壁に切欠き部および貫通孔を有する坩堝が好ましい。
また、多結晶シリコンインゴット上面の凝固は中央部から始まり、同心円状に拡がり、角部近傍が最後に凝固するので、坩堝が底面を正方形とする直方体外形を有しかつ切欠き部および貫通孔がそれぞれ坩堝壁面の上端または上部の角部に存在する坩堝が特に好ましい。
The crucible is not particularly limited as long as the crucible has a dimension and shape that can satisfy the above-described relationship. For example, a crucible as shown in FIG.
(A) is a cuboid-shaped crucible conventionally used widely, (B) is a crucible having a notch at the upper end of the crucible side wall to discharge molten silicon to the outside of the crucible, and (C) is molten silicon. Is a crucible having a through-hole on the side wall of the crucible in order to discharge the gas from the crucible.
Here, the internal volume of the crucible means a volume of a region where liquid can be constantly held in the crucible in a state where the crucible is set in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus, It means the internal volume up to the lowest point (the lowest point in the case where the crucible side wall has a notch or a through hole). By setting the volume Y of molten silicon before the start of solidification within the above range, unsolidified (high impurity concentration) molten silicon is automatically discharged out of the crucible at the final solidification stage.
Therefore, as in the above (B) and (C), a crucible having a notch and a through hole on the crucible side wall is preferable.
Solidification of the top surface of the polycrystalline silicon ingot starts from the center, concentrically expands, and the vicinity of the corner solidifies last, so that the crucible has a rectangular parallelepiped outer shape with a square bottom surface, and a notch and a through hole are formed. A crucible present at the upper end or upper corner of the crucible wall is particularly preferred.

(多結晶シリコンインゴットの製造方法)
本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法について、以下に図面に基づいて説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、図3に示されるような公知の装置を用いても実施することができる。
図3は、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法に適用可能なインゴット製造装置の一例を示す概略断面図である。
(Production method of polycrystalline silicon ingot)
The method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this embodiment.
The method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention can also be carried out using a known apparatus as shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an ingot manufacturing apparatus applicable to the method for manufacturing a polycrystalline silicon ingot of the present invention.

この装置は、一般に多結晶シリコンインゴットを製造するために使用され、抵抗加熱炉を構成するチャンバー(密閉容器)7を有している。
チャンバー7の内部には、黒鉛製、石英(SiO2)製などの坩堝1が配置され、チャンバー7の内部の雰囲気を密閉状態で保持できるようになっている。
坩堝1が収容されるチャンバー7内には、坩堝1を支持する、黒鉛製の坩堝台3が配置されている。坩堝台3は、昇降駆動機構12により昇降が可能であり、その内部には冷却槽11内の冷媒(冷却水)が循環されるようになっている。
坩堝台3の上部には、黒鉛製などの外坩堝2が配置され、その中に坩堝1が配置されている。外坩堝2の代わりに、坩堝1を取り囲むような黒鉛製などのカバーが配置されていてもよい。
This apparatus is generally used for producing a polycrystalline silicon ingot, and has a chamber (sealed container) 7 constituting a resistance heating furnace.
A crucible 1 made of graphite, quartz (SiO 2 ) or the like is disposed inside the chamber 7 so that the atmosphere inside the chamber 7 can be maintained in a sealed state.
In the chamber 7 in which the crucible 1 is accommodated, a graphite crucible base 3 that supports the crucible 1 is disposed. The crucible base 3 can be moved up and down by a lift drive mechanism 12, and the refrigerant (cooling water) in the cooling tank 11 is circulated therein.
An outer crucible 2 made of graphite or the like is disposed on the upper portion of the crucible base 3, and the crucible 1 is disposed therein. Instead of the outer crucible 2, a cover made of graphite or the like surrounding the crucible 1 may be disposed.

外坩堝2を取り囲むように、ヒータ10が配置され、さらにこれらを上方から覆うように、断熱材8が配置されている。
ヒータ10は、坩堝1の周囲から加熱して、坩堝1内の原料シリコン4を溶融(融解)させることができる。
ヒータ10による加熱、上記の冷却槽11による坩堝1下方からの冷却および昇降駆動機構12による坩堝1の昇降などの組み合わせにより、下方からの一方向凝固が可能であれば、発熱体などの加熱機構の形態や配置は特に限定されない。
A heater 10 is disposed so as to surround the outer crucible 2, and a heat insulating material 8 is disposed so as to cover these from above.
The heater 10 can be heated from the periphery of the crucible 1 to melt (melt) the raw material silicon 4 in the crucible 1.
If heating by the heater 10, cooling from the lower side of the crucible 1 by the cooling tank 11 and raising and lowering of the crucible 1 by the lifting drive mechanism 12 are possible, a heating mechanism such as a heating element is possible. There are no particular restrictions on the form or arrangement of the above.

ここで、溶融シリコンは、坩堝側面側に設けられたヒータにより加熱されるのが好ましい。
坩堝の上部ヒータのみ、あるいは坩堝の上下ヒータのみの構成の多結晶シリコンインゴット製造装置では、凝固界面の形状が上に凹になる可能性があり、最終凝固部がインゴット上面中央部に近い位置となるため好ましくない。一方、坩堝側面側にヒータを有する多結晶シリコンインゴット製造装置では、凝固界面の形状は上に凸になり、インゴット上面の凝固は中央から同心円状に拡がり、角部近傍が最後に凝固するため好ましい。
例えば、図3に示すような、坩堝1の台座側に設けられた冷媒循環のような冷却機構(冷却槽11を含む)によって坩堝1の底面を冷却することと、昇降駆動機構12によって坩堝を加熱機構(ヒータ10)から遠ざけることとの併用により、坩堝1中の溶融シリコンを、坩堝の底部付近から徐々に凝固させる方式の製造装置が好ましい。
Here, the molten silicon is preferably heated by a heater provided on the side surface of the crucible.
In the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus configured only with the upper heater of the crucible or only with the upper and lower heaters of the crucible, the shape of the solidification interface may be concave upward, and the final solidification part is located close to the center part of the upper surface of the ingot. Therefore, it is not preferable. On the other hand, in a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus having a heater on the side of the crucible, the shape of the solidification interface is convex upward, the solidification of the top surface of the ingot spreads concentrically from the center, and the vicinity of the corner is preferably solidified at the end. .
For example, as shown in FIG. 3, the bottom surface of the crucible 1 is cooled by a cooling mechanism (including the cooling tank 11) such as a refrigerant circulation provided on the pedestal side of the crucible 1, and the elevating drive mechanism 12 A manufacturing apparatus of a system in which the molten silicon in the crucible 1 is gradually solidified from the vicinity of the bottom of the crucible by being used together with being away from the heating mechanism (heater 10).

坩堝1の底面の温度を検出するために、外坩堝下面の中央近傍に外坩堝下熱電対6が配置され、この出力を制御装置9に入力し、ヒータ10による加熱状態を制御する。上記の熱電対以外にも温度を検出するための熱電対や放射温度計が配置されていてもよい。   In order to detect the temperature of the bottom surface of the crucible 1, the outer crucible lower thermocouple 6 is disposed near the center of the lower surface of the outer crucible, and this output is input to the control device 9 to control the heating state by the heater 10. In addition to the thermocouple described above, a thermocouple or a radiation thermometer for detecting temperature may be arranged.

チャンバー7は、外部から酸素ガスなどが流入しないように、その内部を密閉状態に保持でき、通常、シリコン原料を投入した後でその溶融前に、チャンバー7内を真空にし、その後アルゴンガスなどの不活性ガスを導入して、不活性な雰囲気に保持する。   The inside of the chamber 7 can be kept sealed so that oxygen gas or the like does not flow from the outside, and the inside of the chamber 7 is usually evacuated after the silicon raw material is charged and before melting, and then argon gas or the like is used. An inert gas is introduced and maintained in an inert atmosphere.

このような構成の装置により、基本的に、坩堝1へのシリコン原料4の充填、脱気(真空化)および不活性ガスの導入によるチャンバー7内のガス置換、加熱によるシリコン原料4の溶融、溶融確認とその保持、温度制御および昇降駆動機構12の動作による凝固開始、溶融シリコン排出、固化完了確認およびアニールならびにインゴット取り出しの工程により、多結晶シリコンインゴットを製造する。
坩堝1に投入する原料シリコンの量は、坩堝の内容積Xと凝固開始前の溶融シリコンの体積Yとが、前述の関係を満足するように決定するのが好ましい。
With the apparatus having such a configuration, basically, the silicon raw material 4 is filled into the crucible 1, degassing (evacuation), gas replacement in the chamber 7 by introducing an inert gas, melting of the silicon raw material 4 by heating, A polycrystalline silicon ingot is manufactured by melting confirmation and holding, temperature control and solidification start by operation of the lifting drive mechanism 12, molten silicon discharge, solidification completion confirmation and annealing, and ingot removal.
The amount of raw material silicon charged into the crucible 1 is preferably determined so that the inner volume X of the crucible and the volume Y of molten silicon before the start of solidification satisfy the aforementioned relationship.

ここでは、原料シリコンとして坩堝内に固体のシリコン原料を装填する方式の装置を示したが、例えば、溶融シリコンを別の坩堝内で用意し、坩堝1内に注湯する方式でもよい。
また、坩堝外へ排出される溶融シリコンを受ける受け皿のようなものを設置した方が、装置へのダメージを抑えるという観点からより好ましい。
Here, an apparatus in which a solid silicon raw material is loaded into the crucible as the raw material silicon has been shown, but, for example, a system in which molten silicon is prepared in another crucible and poured into the crucible 1 may be used.
In addition, it is more preferable to install something like a tray that receives molten silicon discharged out of the crucible from the viewpoint of suppressing damage to the apparatus.

また、例えば、図1(A)に示す坩堝に固体シリコン原料を装填する場合には、原料の形状によっては充填率を上げにくく、所定量装填できない場合も起こりうる。そのような場合には、坩堝開口部上方に固体シリコン原料をより多く装填可能な治具を適宜設置するか、原料シリコンの融解開始後に固体シリコン原料を坩堝に追加投入可能な追装機構を設置することが望ましい。   In addition, for example, when a solid silicon raw material is loaded in the crucible shown in FIG. 1A, it may be difficult to increase the filling rate depending on the shape of the raw material, and a predetermined amount may not be loaded. In such a case, a jig capable of loading a larger amount of solid silicon raw material is appropriately installed above the crucible opening, or an additional mechanism capable of adding additional solid silicon raw material to the crucible after starting melting of the raw material silicon is installed. It is desirable to do.

(多結晶シリコンインゴット)
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製造方法により製造される。
(Polycrystalline silicon ingot)
The polycrystalline silicon ingot of the present invention is manufactured by the polycrystalline silicon ingot manufacturing method of the present invention.

(多結晶シリコン加工物)
本発明の多結晶シリコン加工物は、本発明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。
上記のように、多結晶シリコン加工物とは、多結晶シリコンブロックおよび多結晶シリコンウエハなどを意味する。
多結晶シリコンブロックは、例えば、バンドソーなどの公知の装置を用いて、本発明の多結晶シリコンインゴットを、所望のサイズの円柱状または角柱状に切断加工することにより得ることができる。
また、必要に応じて、多結晶シリコンブロックの表面を研磨加工してもよい。
多結晶シリコンウエハは、例えば、マルチワイヤーソーなどの公知の装置を用いて、上記の多結晶シリコンブロックを所望の厚さにスライス加工することにより得ることができる。現状では、厚さ170〜200μm程度が一般的であるが、傾向としてはコスト削減のため、薄型化の傾向にある。
また、必要に応じて、多結晶シリコンウエハの表面を研磨加工してもよい。
(Processed polycrystalline silicon)
The polycrystalline silicon processed product of the present invention can be obtained by processing the polycrystalline silicon ingot of the present invention.
As described above, the polycrystalline silicon workpiece means a polycrystalline silicon block, a polycrystalline silicon wafer, and the like.
The polycrystalline silicon block can be obtained by, for example, cutting the polycrystalline silicon ingot of the present invention into a columnar shape or a prismatic shape having a desired size using a known apparatus such as a band saw.
Moreover, you may grind | polish the surface of a polycrystalline silicon block as needed.
A polycrystalline silicon wafer can be obtained, for example, by slicing the polycrystalline silicon block to a desired thickness using a known apparatus such as a multi-wire saw. At present, a thickness of about 170 to 200 μm is generally used, but the tendency is to reduce the thickness for cost reduction.
Further, if necessary, the surface of the polycrystalline silicon wafer may be polished.

(多結晶シリコン太陽電池)
本発明の多結晶シリコン太陽電池は、多結晶シリコン加工物を用いて製造される。
多結晶シリコン太陽電池セルは、例えば、上記の多結晶シリコンウエハを用いて、公知の太陽電池セルプロセスにより製造することができる。すなわち、公知の材料を用いて、公知の方法により、p型の不純物がドープされたシリコンウエハの場合、n型の不純物をドープしてn型層を形成してpn接合を形成し、表面電極および裏面電極を形成して多結晶シリコン太陽電池セルを得る。
同様に、n型の不純物がドープされたシリコンウエハの場合、p型の不純物をドープしてp型層を形成してpn接合を形成し、表面電極および裏面電極を形成して多結晶シリコン太陽電池セルを得る。
(Polycrystalline silicon solar cell)
The polycrystalline silicon solar cell of the present invention is manufactured using a polycrystalline silicon workpiece.
A polycrystalline silicon solar cell can be manufactured by a well-known solar cell process using the above-mentioned polycrystalline silicon wafer, for example. That is, in the case of a silicon wafer doped with a p-type impurity by a known method using a known material, an n-type impurity is doped to form an n-type layer to form a pn junction, and the surface electrode And a back surface electrode is formed and a polycrystalline silicon solar cell is obtained.
Similarly, in the case of a silicon wafer doped with n-type impurities, a p-type impurity is doped to form a p-type layer to form a pn junction, and a surface electrode and a back electrode are formed to form a polycrystalline silicon solar A battery cell is obtained.

また、上記シリコン同士のpn接合を利用したものの他にも、薄い絶縁層を挟んで金属を蒸着するなどしたMIS型太陽電池、例えば、多結晶ウエハと反対の導電型を含むアモルファスシリコン薄膜などを製膜し、多結晶シリコンウエハとアモルファスシリコンなどとのヘテロ接合(pn接合、pin接合など)を利用したものなどがある。
さらに、その複数個を電気的に接続して、多結晶シリコン太陽電池モジュールを得ることができる。
In addition to those using pn junctions between silicon, MIS type solar cells in which a metal is deposited with a thin insulating layer interposed therebetween, for example, an amorphous silicon thin film having a conductivity type opposite to that of a polycrystalline wafer, etc. For example, a heterojunction (pn junction, pin junction, etc.) between a polycrystalline silicon wafer and amorphous silicon is used.
Furthermore, a polycrystalline silicon solar cell module can be obtained by electrically connecting a plurality of them.

上記のように、本明細書においては、「太陽電池セル」と「太陽電池モジュール」とを含む概念として、単に「太陽電池」と称する。したがって、例えば、「多結晶シリコン太陽電池」と記載されたものがあれば、それは「多結晶シリコン太陽電池セル」および「多結晶シリコン太陽電池モジュール」を含む意味となる。   As described above, in this specification, the concept including “solar battery cell” and “solar battery module” is simply referred to as “solar battery”. Therefore, for example, what is described as “polycrystalline silicon solar cell” is meant to include “polycrystalline silicon solar cell” and “polycrystalline silicon solar cell module”.

(シリコン精製物)
本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、冶金法によるシリコン精製工程における一方向凝固工程にも適用でき、その工程で得られた本発明の多結晶シリコンインゴットは、シリコン精製物として用いることができ、使用時に予め破砕するなどして用いることができる。具体的には、試験例2において詳述する。
(Purified silicon)
The method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention can also be applied to a unidirectional solidification process in a silicon refining process by a metallurgical method, and the polycrystalline silicon ingot obtained in the process can be used as a purified silicon product. It can be used by crushing in advance at the time of use. Specifically, it will be described in detail in Test Example 2.

以下に試験例により本発明を具体的に説明するが、これらの試験例により本発明が限定されるものではない。   The present invention will be specifically described below with reference to test examples, but the present invention is not limited to these test examples.

(試験例1)シリコン原料の装填量に関する検討
図3に示される多結晶シリコンインゴット製造装置内の黒鉛製の坩堝台3(88cm×88cm×厚さ20cm)上に、黒鉛製の外坩堝2(内寸:90cm×90cm×高さ46cm、底板肉厚および側壁肉厚2cm)を設置し、その中に図1(B)に示されるような石英製の坩堝1(内寸:83cm×83cm×42cm、底板肉厚および側面肉厚2.2cm、4つの坩堝角部に側壁上端から高さ方向に12cm、幅2.5cmの切欠き部を有する)を設置した。また、温度測定用の熱電対6を外坩堝2下面中央近傍に設置した。
上記の坩堝1の坩堝の内容積Xは、次式にように計算される。
X=83cm×83cm×30cm=206,670cm3
なお、図示しないが、坩堝外に排出された溶融シリコンの受け皿として、坩堝1と外坩堝2の間に黒鉛製の部材を設置した。
(Test Example 1) Study on loading amount of silicon raw material On a graphite crucible base 3 (88 cm × 88 cm × thickness 20 cm) in the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus shown in FIG. 3, a graphite outer crucible 2 ( Inner dimensions: 90 cm × 90 cm × height 46 cm, bottom plate thickness and side wall thickness 2 cm), in which a quartz crucible 1 (inner dimensions: 83 cm × 83 cm × as shown in FIG. 1 (B)) 42 cm, bottom plate thickness and side wall thickness 2.2 cm, and four crucible corners having notches with a height of 12 cm and a width of 2.5 cm from the upper end of the side wall. In addition, a thermocouple 6 for temperature measurement was installed near the center of the lower surface of the outer crucible 2.
The crucible internal volume X of the crucible 1 is calculated as follows.
X = 83 cm × 83 cm × 30 cm = 206,670 cm 3
Although not shown, a graphite member was installed between the crucible 1 and the outer crucible 2 as a tray for the molten silicon discharged outside the crucible.

次いで、インゴットの比抵抗が約2Ωcmになるようにホウ素ドーパント濃度を調整した固体シリコン原料4を、坩堝1に所定量装填した後、装置内を真空引きし、アルゴンガスで置換した。その後、装置の加熱手段として坩堝横に配置された加熱機構(ヒータ10)を用いてシリコン原料を融解し、全原料の融解を確認した後、所定の条件でシリコンを一方向凝固させ、1200℃で2時間アニールし、100℃/時間の冷却速度で降温させ、装置から多結晶シリコンインゴットを取り出した。   Next, after a predetermined amount of the solid silicon raw material 4 whose boron dopant concentration was adjusted so that the specific resistance of the ingot was about 2 Ωcm was loaded into the crucible 1, the inside of the apparatus was evacuated and replaced with argon gas. Thereafter, the silicon raw material is melted by using a heating mechanism (heater 10) arranged beside the crucible as a heating means of the apparatus, and after confirming the melting of all raw materials, the silicon is unidirectionally solidified under a predetermined condition to be 1200 ° C. And annealed for 2 hours at a cooling rate of 100 ° C./hour, and the polycrystalline silicon ingot was taken out of the apparatus.

シリコン原料の装填量に関する検討を行う目的で、凝固開始前の溶融シリコンの体積Yを、表1に示すように0.97≦X/Y≦1.10の範囲内で変化させた。X/Yの範囲が1.00〜1.07の範囲が本発明の範囲内であり、1.07を超えて1.10までは、溶融シリコンが坩堝外に排出されないことから、比較例(従来例)の位置づけとした。   As shown in Table 1, the volume Y of molten silicon before the start of solidification was changed within the range of 0.97 ≦ X / Y ≦ 1.10. The range of X / Y in the range of 1.00 to 1.07 is within the scope of the present invention, and from 1.07 to 1.10, molten silicon is not discharged out of the crucible. The position of the conventional example).

得られた多結晶シリコンインゴットを、バンドソーを用いて切断加工した。
まず、多結晶シリコンインゴットの底部および上部のそれぞれ厚さ10mmを切断し、次いで25本のブロック(15.6cm×15.6cm×28cm)に加工し、さらにワイヤーソーを用いてスライスして、多結晶シリコンウエハ(15.6cm×15.6cm×厚さ0.018cm)約18,000枚を得た。
The obtained polycrystalline silicon ingot was cut using a band saw.
First, each 10 mm thickness of the bottom and top of the polycrystalline silicon ingot is cut, then processed into 25 blocks (15.6 cm × 15.6 cm × 28 cm), further sliced with a wire saw, About 18,000 crystal silicon wafers (15.6 cm × 15.6 cm × thickness 0.018 cm) were obtained.

得られた多結晶シリコンウエハを通常の多結晶シリコン太陽電池セルプロセスに投入して、1つのインゴット当たり約18,000個の太陽電池セル(15.6cm×15.6cm×厚さ0.018cm)を作製し、その出力(W)を測定した。   The obtained polycrystalline silicon wafer was put into a normal polycrystalline silicon solar cell process and about 18,000 solar cells (15.6 cm × 15.6 cm × thickness 0.018 cm) per ingot. The output (W) was measured.

表1と図2に、得られた結果、坩堝へのシリコン原料装填量と、低出力セル発生率、コスト増加率(ウエハコスト増加率)、高出力セル1枚を製造するために必要なシリコン原料の装填重量(装填重量/高出力セル数)を示す。
なお、ウエハコスト増加率および装填重量/高出力セル数に関しては、X/Y=1.10の条件で作製された多結晶シリコンインゴットに対する結果を基準、前者を「0」、後者を「100」として計算した。
Table 1 and FIG. 2 show the results obtained, the amount of silicon raw material loaded into the crucible, the low output cell generation rate, the cost increase rate (wafer cost increase rate), and the silicon required to manufacture one high output cell. The raw material loading weight (loading weight / number of high output cells) is shown.
Regarding the wafer cost increase rate and the load weight / the number of high output cells, the result for the polycrystalline silicon ingot produced under the condition of X / Y = 1.10 is used as a reference, the former is “0”, and the latter is “100”. As calculated.

表1および図2の結果から明らかなように、X/Yの値が小さいほど、ウエハコストは増加するものの、低出力セル発生率が低下することがわかる。
これらのトレードオフにより、低出力セルを不良とした場合、すなわち低出力セルよりも出力の高い高出力セルのみを合格品とした時の、高出力セル1枚の製造に必要なシリコン原料の装填重量は1.00≦X/Y≦1.07の範囲内に極小値を有し、1.02≦X/Y≦1.05の範囲がより好ましく、さらにその中でも1.03≦X/Y≦1.04の範囲が最適であることがわかる。
As is apparent from the results of Table 1 and FIG. 2, it can be seen that the smaller the X / Y value, the lower the cell output rate, although the wafer cost increases.
Due to these trade-offs, when a low-power cell is defective, that is, when only a high-power cell having a higher output than a low-power cell is accepted, the silicon raw material necessary for manufacturing one high-power cell is loaded. The weight has a minimum value in the range of 1.00 ≦ X / Y ≦ 1.07, more preferably in the range of 1.02 ≦ X / Y ≦ 1.05, and among these, 1.03 ≦ X / Y It can be seen that the range of ≦ 1.04 is optimal.

なお、X/Y=1.07は、計算上では溶融シリコンが坩堝外に排出されるか、されないかの境界値と考えられるが、実験の結果、若干の溶融シリコンの坩堝外への排出が確認され、低出力セル発生率がX/Y=1.10の場合よりも2.6%低減したものと考えられる。この理由としては、凝固膨張率の精度が低いこと、坩堝全体の変形などが考えられる。   Note that X / Y = 1.07 is considered to be a boundary value for whether or not molten silicon is discharged out of the crucible in the calculation, but as a result of the experiment, some molten silicon is discharged out of the crucible. It is confirmed that the low power cell generation rate is 2.6% lower than the case of X / Y = 1.10. Possible reasons for this are low solidification expansion accuracy and deformation of the entire crucible.

試験例1では坩堝角部に切欠き部を有する坩堝を用いたが、1.00≦X/Y≦1.07の範囲内であれば、貫通孔を有する坩堝、通常の坩堝でも使用可能である。また上述の通り、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法により、高出力セル1枚の製造に必要な装填重量を減量させることができ、コストを低減できるため、このようなセルを用いて作製された太陽電池モジュールもコスト低減が可能となる。   In Test Example 1, a crucible having a notch at the corner of the crucible was used, but a crucible having a through hole or a normal crucible can be used as long as it is within the range of 1.00 ≦ X / Y ≦ 1.07. is there. Further, as described above, the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot according to the present invention can reduce the loading weight necessary for manufacturing one high-power cell and can reduce the cost. The cost of the solar cell module thus made can also be reduced.

(試験例2)冶金法によるシリコンの精製工程の1工程としての利用に関する検討
試験例2では、不純物として、ホウ素濃度約10ppmwおよびリン濃度約10ppmwを含有する金属シリコンを冶金法で精製する際の不純物除去工程として利用する例を挙げる。
以下では、リン除去工程後の一方向凝固を一例として挙げるが、他のリン除去方法や、ホウ素除去工程後、リーチング工程後など、工程の順序などは問わず本発明の多結晶シリコンインゴット製造方法は適用可能である。
まず、金属シリコンを黒鉛坩堝中で溶融し、1700℃、圧力1Pa以下の条件下で12時間保持し、リンを蒸発除去させた。その後、図3に示すような、図1(A)に示されるような黒鉛製の坩堝1(内寸:83cm×83cm×42cm、底板肉厚および側面肉厚2cm)中に溶融シリコンを注湯した。
上記の坩堝1の坩堝の内容積Xは、次式にように計算される。
X=83cm×83cm×42cm=289,338cm3
なお、図示しないが、坩堝外に排出された溶融シリコンの受け皿として、坩堝1と外坩堝2の間に黒鉛製の部材を設置した。
(Test Example 2) Examination of utilization as one step of silicon refining process by metallurgical method In Test Example 2, when metal silicon containing boron concentration of about 10 ppmw and phosphorus concentration of about 10 ppmw as impurities is purified by metallurgical method. An example of use as an impurity removal step will be given.
In the following, unidirectional solidification after the phosphorus removal step will be given as an example, but the method for producing a polycrystalline silicon ingot of the present invention is not concerned with other phosphorus removal methods, after the boron removal step, after the leaching step, etc. Is applicable.
First, metallic silicon was melted in a graphite crucible and held for 12 hours under conditions of 1700 ° C. and a pressure of 1 Pa or less to remove phosphorus by evaporation. Thereafter, molten silicon is poured into a graphite crucible 1 (inner dimensions: 83 cm × 83 cm × 42 cm, bottom plate thickness and side wall thickness 2 cm) as shown in FIG. did.
The crucible internal volume X of the crucible 1 is calculated as follows.
X = 83 cm × 83 cm × 42 cm = 289,338 cm 3
Although not shown, a graphite member was installed between the crucible 1 and the outer crucible 2 as a tray for the molten silicon discharged outside the crucible.

冶金法によるシリコンの精製工程の1工程としての利用に関する検討を行う目的で、注湯量(溶融シリコンの体積)Yを、試験例1同様にして、0.97≦X/Y≦1.10の範囲内で変化させた。
試験例1と同様にして、坩堝1の底部から一方向凝固を行い、得られた多結晶シリコンインゴットを冷却後、坩堝から取り出した。
得られた多結晶シリコンインゴット(シリコン精製物)中の平均鉄濃度を評価するために、不純物混入に気をつけながらタングステンカーバイド製のハンマーを用いて割り、再度溶融後、溶融シリコンに外径10mm、内径6mmの高純度石英管を差し込み、溶融シリコンのサンプリングを行った。
得られたサンプルのICP発光分析により不純物(鉄およびリン)濃度を測定した。
得られた結果を、坩堝外への排出ロス割合(重量%)と共に表2に示す。
For the purpose of investigating the use of silicon as a step in the metallurgical purification process, the amount of molten metal (volume of molten silicon) Y is set to 0.97 ≦ X / Y ≦ 1.10. Varyed within range.
In the same manner as in Test Example 1, unidirectional solidification was performed from the bottom of the crucible 1, and the obtained polycrystalline silicon ingot was cooled and taken out from the crucible.
In order to evaluate the average iron concentration in the obtained polycrystalline silicon ingot (silicon refined product), it was split using a tungsten carbide hammer while paying attention to impurity contamination, and after melting again, the molten silicon had an outer diameter of 10 mm. A high-purity quartz tube having an inner diameter of 6 mm was inserted, and molten silicon was sampled.
Impurity (iron and phosphorus) concentrations were measured by ICP emission analysis of the obtained samples.
The obtained results are shown in Table 2 together with the loss rate (% by weight) to the outside of the crucible.

表2の結果から明らかなように、0.97≦X/Y≦1.07の範囲では、X/Y=1.10の場合と比較して大幅な鉄濃度低減が確認された。X/Y=0.97では、X/Y=1.00の場合と比較して、歩留が3%以上低下するが鉄濃度は同程度であり、コストの観点からX/Y<1.00は好ましくなく、1.00≦X/Y≦1.07の範囲が好ましいことがわかる。但し、予想通り、偏析係数が0.35と大きなリンに関しては若干の効果は見られるものの、大きな効果は見られなかった。   As is clear from the results in Table 2, in the range of 0.97 ≦ X / Y ≦ 1.07, a significant reduction in iron concentration was confirmed compared to the case of X / Y = 1.10. When X / Y = 0.97, compared to the case of X / Y = 1.00, the yield decreases by 3% or more, but the iron concentration is the same, and X / Y <1. 00 is not preferable, and it is understood that a range of 1.00 ≦ X / Y ≦ 1.07 is preferable. However, as expected, a slight effect was observed for phosphorus with a large segregation coefficient of 0.35, but no significant effect was observed.

試験例1同様に、X/Y=1.07は、計算上では溶融シリコンは坩堝外に排出されるか、されないかの境界値と考えられるが、実験の結果、若干の溶融シリコンの坩堝外への排出が確認され、鉄濃度がX/Y=1.10の場合の20%に低減したものと考えられる。この理由としては、凝固膨張率の精度が低いこと、坩堝全体の変形、などが考えられる。
X/Y=1.10では、当然ながら坩堝外への排出ロス割合は0であるが、不純物除去という観点から、要求される不純物濃度に合わせて不純物濃縮部の除去が必要であり、除去分の歩留は低下する。
このようにして得られたシリコン精製物は、次工程であるホウ素除去工程用原料として使用することができた。
Similar to Test Example 1, X / Y = 1.07 is considered to be a boundary value for whether molten silicon is discharged or not from the crucible in the calculation. It is considered that the iron concentration was reduced to 20% of the case of X / Y = 1.10. The reason for this is that the accuracy of the solidification expansion coefficient is low and the entire crucible is deformed.
Of course, when X / Y = 1.10, the discharge loss ratio to the outside of the crucible is 0. However, from the viewpoint of impurity removal, it is necessary to remove the impurity concentration portion in accordance with the required impurity concentration. Yield decreases.
The silicon purified product thus obtained could be used as a raw material for a boron removal process, which is the next process.

1 坩堝
2 外坩堝
3 坩堝台
4 原料シリコン
6 外坩堝下熱電対
7 チャンバー
8 断熱材
9 制御装置
10 ヒータ
11 冷却槽
12 昇降駆動機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crucible 2 Outer crucible 3 Crucible stand 4 Raw material silicon 6 Outer crucible lower thermocouple 7 Chamber 8 Heat insulating material 9 Control device 10 Heater 11 Cooling tank 12 Lifting drive mechanism

Claims (9)

坩堝中の溶融シリコンを前記坩堝の底部から上方に一方向凝固させて多結晶シリコンインゴットを製造するに際して、シリコンの凝固膨張による前記溶融シリコンの液面上昇により、前記溶融シリコンを前記坩堝外に排出させつつ一方向凝固させることを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法。   When producing a polycrystalline silicon ingot by unidirectionally solidifying the molten silicon in the crucible upward from the bottom of the crucible, the molten silicon is discharged out of the crucible due to a rise in the liquid level of the molten silicon due to solidification expansion of silicon. A method for producing a polycrystalline silicon ingot, wherein the solidification is performed in one direction. 前記多結晶シリコンインゴットの製造方法が、前記坩堝の内容積をX、凝固開始前の溶融シリコンの体積をYとしたときに、1≦X/Y≦1.07の関係を満足する請求項1に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。   2. The method for producing a polycrystalline silicon ingot satisfies a relationship of 1 ≦ X / Y ≦ 1.07, where X is an inner volume of the crucible and Y is a volume of molten silicon before solidification starts. A method for producing a polycrystalline silicon ingot according to 1. 前記坩堝が、前記溶融シリコンを前記坩堝外に排出させるために、前記坩堝側壁の上端に切欠き部または前記坩堝側壁に貫通孔を有する請求項1または2に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。   3. The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein the crucible has a notch in the upper end of the crucible side wall or a through hole in the crucible side wall in order to discharge the molten silicon out of the crucible. . 前記坩堝が底面を正方形とする直方体外形を有し、かつ前記切欠き部または貫通孔がそれぞれ前記坩堝壁面の上端または上部の角部に存在する請求項3に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。   The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 3, wherein the crucible has a rectangular parallelepiped outer shape with a square bottom surface, and the notch or the through hole is present at an upper end or an upper corner of the crucible wall. . 前記溶融シリコンが、前記坩堝側面側に設けられたヒータにより加熱される請求項1〜4のいずれか1つに記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。   The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to any one of claims 1 to 4, wherein the molten silicon is heated by a heater provided on a side surface of the crucible. 請求項1〜5のいずれか1つに記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法により製造された多結晶シリコンインゴット。   The polycrystalline silicon ingot manufactured by the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot as described in any one of Claims 1-5. 前記多結晶シリコンインゴットが、多結晶シリコンインゴット製造用のシリコン精製物である請求項6に記載の多結晶シリコンインゴット。   The polycrystalline silicon ingot according to claim 6, wherein the polycrystalline silicon ingot is a purified silicon product for producing a polycrystalline silicon ingot. 請求項6に記載の多結晶シリコンインゴットを加工して得られた多結晶シリコン加工物。   A processed polycrystalline silicon product obtained by processing the polycrystalline silicon ingot according to claim 6. 請求項7に記載の多結晶シリコン加工物を用いて製造された多結晶シリコン太陽電池。   A polycrystalline silicon solar cell manufactured using the polycrystalline silicon workpiece according to claim 7.
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