JP5220935B1 - Silicon for solar cell, polycrystalline silicon material, polycrystalline silicon solar cell, and method for producing silicon for solar cell - Google Patents
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Abstract
【課題】ボロンおよびリンのいずれをも含み、変換効率が良好な太陽電池を作製することができる太陽電池用シリコン、多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法を提供する。
【解決手段】ボロン濃度が0.04ppmw以上0.32ppmw以下であり、リン濃度が0.06ppmw以上0.4ppmw以下であって、アルミニウム濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下である太陽電池用シリコン、ならびにそれを用いて製造された多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法である。
【選択図】図1Provided are a silicon for solar cells, a polycrystalline silicon material, a polycrystalline silicon solar cell, and a method for producing silicon for solar cells, which can produce a solar cell containing both boron and phosphorus and having good conversion efficiency. To do.
Solar silicon having a boron concentration of 0.04 ppmw to 0.32 ppmw, a phosphorus concentration of 0.06 ppmw to 0.4 ppmw, and an aluminum concentration of 1.2 ppmw to 4.5 ppmw. , And a polycrystalline silicon material, a polycrystalline silicon solar cell, and a method for producing solar cell silicon produced using the same.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、太陽電池用シリコン、多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法に関する。 The present invention relates to silicon for solar cells, polycrystalline silicon materials, polycrystalline silicon solar cells, and a method for producing silicon for solar cells.
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。 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.
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最も大きなシェアを占めており、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。 Solar cells using compound semiconductors such as cadmium tellurium have also been put into practical use. However, solar cells using crystalline silicon substrates are the most popular from the standpoints 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の基板として広く一般的に用いられている多結晶シリコンウエハは、以下のようにして製造されている。 A polycrystalline silicon wafer widely used as a substrate for a polycrystalline silicon solar cell is manufactured as follows.
まず、太陽電池用シリコンを融解して得られたシリコン融液を、坩堝内で下方から一方向凝固させるキャスト法、または無底坩堝で連続的に成長させる電磁キャスト法などによって、多結晶シリコンインゴットを作製する。 First, a polycrystalline silicon ingot is obtained by a casting method in which a silicon melt obtained by melting silicon for solar cells is unidirectionally solidified from below in a crucible or an electromagnetic casting method in which a silicon-free melt is continuously grown in a bottomless crucible. Is made.
次に、上記のようにして得られた多結晶シリコンインゴットを角柱形状の多結晶シリコンブロックに加工する。その後、多結晶シリコンブロックをワイヤーソーなどによりスライスすることによって多結晶シリコンウエハが得られる。 Next, the polycrystalline silicon ingot obtained as described above is processed into a prismatic polycrystalline silicon block. Thereafter, the polycrystalline silicon wafer is obtained by slicing the polycrystalline silicon block with a wire saw or the like.
また、多結晶シリコン太陽電池セルは、上記のようにして得られた多結晶シリコンウエハを太陽電池セル作製プロセスに投入することによって得ることができる。また、多結晶シリコン太陽電池モジュールは、多結晶シリコン太陽電池セルを複数接続し、ラミネートすることなどによって得ることができる。 A polycrystalline silicon solar cell can be obtained by putting the polycrystalline silicon wafer obtained as described above into a solar cell manufacturing process. A polycrystalline silicon solar cell module can be obtained by connecting and laminating a plurality of polycrystalline silicon solar cells.
太陽電池用シリコン中の不純物濃度は、最終製品である多結晶シリコン太陽電池の効率に大きな影響を与えることが知られている(たとえば特許文献1〜3)。
It is known that the impurity concentration in the silicon for solar cells has a great influence on the efficiency of the polycrystalline silicon solar cell as the final product (for example,
たとえば、特許文献1には、少なくともボロンと、炭素および/または酸素を含む太陽電池用シリコンについて、鉄、アルミニウム、チタン、カルシウムの不純物濃度の総和と、ボロン、リン、炭素と酸素、との相互作用を考慮し、優れた変換効率を有する太陽電池用シリコンに関しての条件が示されている。
For example,
また、特許文献2には、0.3〜5.0ppmaのボロンと0.5〜3.0ppmaのリンと50ppma未満の金属元素と100ppma未満の炭素とを含有することを特徴とするシリコン供給原料が開示されている。
Further,
さらに、特許文献3には、半導体の導電型を決定するドーパントと、当該ドーパント以外の不純物としてアルミニウム、カルシウム、ストロンチウム、銅およびニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種類の元素とを含有する多結晶シリコンが開示されている。また、特許文献3の実施例には、ドーパントであるボロンと、上記の群に含まれる少なくとも一種類の元素とを含有するp型多結晶シリコンが開示されている。
Furthermore,
また、金属シリコンから冶金法を用いて太陽電池用シリコンを製造する方法としては、たとえば特許文献1、2および4に記載の方法が提案されている。以下において、「脱P工程」はたとえば真空法などを用いて主にリンを除去する工程を意味し、「脱B工程」はたとえばスラグ法などを用いて主にボロンを除去する工程を意味するものとする。
Moreover, as a method of manufacturing silicon for solar cells from metal silicon using a metallurgical method, for example, methods described in
特許文献1では、脱P工程、一方向凝固(金属不純物除去)、脱B工程、および一方向凝固(金属不純物除去)をこの順に行なうプロセスが開示されている。また、特許文献1には、最終の一方向凝固物を切断してウエハとするか、必要に応じて再溶解後凝固させ、ウエハ化するとの記述もある。
また、特許文献2には、脱B工程、凝固、酸浸出液による少なくとも1回の浸出工程、および方向性凝固をこの順に行なうシリコン供給原料の製造方法が開示されている。
さらに、特許文献4には、たとえば脱B工程、リーチング工程、脱P工程、および凝固偏析工程をこの順に行なうシリコンの精製方法が開示されている。なお、「リーチング工程」は、原料シリコンを破砕後、酸またはアルカリ等の溶液に浸漬させることにより、原料シリコンから不純物を酸またはアルカリ等の溶液に溶出させる工程を意味する。
Further,
特許文献1の方法では、少なくともボロンと、炭素および/または酸素を含む太陽電池用シリコンについて、検討が行われている。ここでは、鉄、アルミニウム、チタンおよびカルシウム不純物が太陽電池の特性に与える影響は全て、[Mi]/[C+O]の形で現れ、これら金属不純物と、炭素および/または酸素との間に相互作用が働いていることを示唆している。ここで、[Mi]はシリコン中のFe+Al+Ti+Caの濃度であり、[C+O]はシリコン中の、C+Oの濃度である。
In the method of
特許文献1に開示されている太陽電池用シリコン中の不純物濃度範囲が、どの部分に対するものかは不明確であるが、従来要求されている不純物濃度がC、Oを除き6N以上との記載(特許文献1の段落[0002])から、「太陽電池用シリコン」とは、「多結晶シリコン太陽電池に基板として用いるウエハを切り出す多結晶シリコンインゴット用原料シリコン」と解することができる。
It is unclear to which part the impurity concentration range in the silicon for solar cells disclosed in
しかしながら、我々の実験結果によれば、太陽電池用シリコンを融解し、一方向凝固させた多結晶シリコンインゴット中の酸素濃度は、原料とした太陽電池用シリコン中の酸素濃度と相関は見られず、一方向凝固中の雰囲気の酸素濃度や、坩堝として通常用いられるシリカ、および離型材に含まれるシリコン酸化物などからの溶出によって決まっているようである。 However, according to our experimental results, the oxygen concentration in the polycrystalline silicon ingot obtained by melting and unidirectionally solidifying solar cell silicon was not correlated with the oxygen concentration in the solar cell silicon used as a raw material. It seems that it is determined by the oxygen concentration in the atmosphere during unidirectional solidification, elution from silica normally used as a crucible, silicon oxide contained in the mold release material, and the like.
また、上記と同様に、太陽電池用シリコンを融解し、一方向凝固させた多結晶シリコンインゴット中の炭素濃度は、原料とした太陽電池用シリコン中の炭素濃度と相関は見られない。多結晶シリコンインゴット中の炭素は、坩堝内のシリコン融液から蒸発するSiOガスが、装置内の黒鉛ヒータなどの炭素部材と反応してCOガスとなり、再度シリコン融液に取り込まれることによるものが大部分である。COガスがシリコン融液に取り込まれる確率は、装置内のガスの流れ、真空度、および炉の構造などにより、適宜変更可能であるためである。 Similarly to the above, the carbon concentration in the polycrystalline silicon ingot obtained by melting and unidirectionally solidifying the silicon for solar cells is not correlated with the carbon concentration in the silicon for solar cells as a raw material. The carbon in the polycrystalline silicon ingot is caused by the fact that the SiO gas evaporated from the silicon melt in the crucible reacts with a carbon member such as a graphite heater in the apparatus to become CO gas and is taken into the silicon melt again. Mostly. This is because the probability that the CO gas is taken into the silicon melt can be appropriately changed depending on the gas flow in the apparatus, the degree of vacuum, the structure of the furnace, and the like.
これらの酸素および炭素に関する我々の実験結果から、太陽電池用シリコン中の[C+O]が太陽電池の変換効率と直接相関があるとは考えにくい。 From our experimental results on oxygen and carbon, it is unlikely that [C + O] in silicon for solar cells is directly correlated with the conversion efficiency of solar cells.
また、特許文献1では、Fe、Al、TiおよびCaが太陽電池の変換効率に同じように影響することが示唆されている。しかしながら、我々の実験結果によれば、少なくともFeとAlに関しては、太陽電池の変換効率に対する影響は全く異なっており、上記のように[Mi]が太陽電池の変換効率と相関を有する良いパラメータとは考えられない。
また、特許文献2のシリコン供給原料についても、上記の特許文献1と同様に、少なくとも金属元素濃度および炭素濃度に関しては、太陽電池の変換効率と相関があるとは考えにくい。
Also, the silicon feedstock of
また、特許文献2のシリコン供給原料のボロン濃度およびリン濃度に関しても問題が生じる。特許文献2のシリコン供給原料のボロン濃度およびリン濃度をそれぞれppmw単位に換算すると、ボロン濃度が0.115≦[B]≦1.92ppmwとなり、リン濃度が0.55≦[P]≦3.86ppmwとなる。
There is also a problem with respect to the boron concentration and phosphorus concentration of the silicon feedstock of
我々の実験結果によれば、[P]≧0.55ppmwという比較的高いリン濃度の領域では、リン自体が少数キャリアトラップとなってしまい、太陽電池特性を低下させるという問題がある。それに加えて、[B]>0.32ppmwの濃度範囲では、作製した太陽電池に光照射を行うと、ボロンおよび酸素が少数キャリアトラップとなる複合センターを形成し、大きな光劣化を起こすという問題も生じる。 According to our experimental results, in a relatively high phosphorus concentration region of [P] ≧ 0.55 ppmw, there is a problem that phosphorus itself becomes a minority carrier trap and deteriorates solar cell characteristics. In addition, in the concentration range of [B]> 0.32 ppmw, when the produced solar cell is irradiated with light, a complex center in which boron and oxygen become minority carrier traps are formed, resulting in significant photodegradation. Arise.
また、特許文献3の実施例では、ボロンをドープしたp型多結晶シリコンにおいて、Al、Ca、Sr、CuおよびNiのそれぞれの濃度変化により、太陽電池の変換効率がどのように変化するかを調べている。しかしながら、特に冶金法で精製したシリコン原料を用いて多結晶シリコンインゴットを作製する場合には、ボロンだけでなくリンも少なからず含まれるため、ボロンおよびリンをどちらも含むシリコン原料に対して、各不純物が太陽電池の変換効率にどのような影響があるかは自明ではない。
Moreover, in the Example of
また、特許文献2および特許文献4に記載の太陽電池用シリコンの製造方法では、浸出工程、方向性凝固、リーチング工程または凝固偏析工程などの金属除去工程を2回以上行なっており、高コストプロセスとなっている。
Moreover, in the manufacturing method of the silicon for solar cells described in
特許文献1では、金属除去工程が1回のみのプロセス(脱P工程、一方向凝固(金属不純物除去)、脱B工程)も開示されている。しかしながら、この場合にはプロセス数が少なくなるものの、第2工程の一方向凝固(金属不純物除去)工程で金属不純物を除去した後の脱B工程で、再度、金属不純物、ならびにボロンおよびリンなどのドーパント元素などの不純物が混入する危険性を常に抱えている。混入する可能性が高い不純物としては、坩堝材料または装置形成材料などがある。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、ボロンおよびリンのいずれをも含み、変換効率が良好な太陽電池を作製することができる太陽電池用シリコン、多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a solar cell silicon, a polycrystalline silicon material, and a polycrystalline silicon solar cell that can produce a solar cell that includes both boron and phosphorus and has good conversion efficiency. And it is providing the manufacturing method of the silicon for solar cells.
本発明は、ボロンと、リンと、アルミニウムとを含み、ボロンの濃度が0.04ppmw以上0.32ppmw以下であり、リンの濃度が0.06ppmw以上0.4ppmw以下であって、アルミニウムの濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下である太陽電池用シリコンである。 The present invention includes boron, phosphorus, and aluminum, the boron concentration is 0.04 ppmw to 0.32 ppmw, the phosphorus concentration is 0.06 ppmw to 0.4 ppmw, and the aluminum concentration is It is silicon for solar cells which is 1.2 ppmw or more and 4.5 ppmw or less.
ここで、本発明の太陽電池用シリコンにおいては、アルミニウムの濃度が2ppmw以上3.5ppmw以下であることが好ましい。 Here, in the silicon for solar cells of the present invention, the aluminum concentration is preferably 2 ppmw or more and 3.5 ppmw or less.
また、本発明の太陽電池用シリコンにおいては、鉄の濃度が1ppmw以下であることが好ましい。 Moreover, in the silicon | silicone for solar cells of this invention, it is preferable that the density | concentration of iron is 1 ppmw or less.
また、本発明の太陽電池用シリコンにおいては、ボロンの濃度に対するリンの濃度の比が1.33以下であることが好ましい。 In the silicon for solar cells of the present invention, the ratio of the phosphorus concentration to the boron concentration is preferably 1.33 or less.
また、本発明は、上記の太陽電池用シリコンを融解した後、凝固することによって作製された多結晶シリコン材料である。 In addition, the present invention is a polycrystalline silicon material produced by melting and solidifying the above silicon for solar cells.
また、本発明は、上記の多結晶シリコン材料から作製された多結晶シリコン太陽電池である。 Moreover, this invention is a polycrystalline silicon solar cell produced from said polycrystalline silicon material.
また、本発明は、上記の太陽電池用シリコンを製造する方法であって、ボロンとリンとアルミニウムとを含む原料シリコンを準備する工程と、原料シリコンから不純物を除去する工程とを含み、原料シリコンから不純物を除去する工程として、ボロンを除去する工程、リンを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみを行ない、かつ3工程のうちの最後の工程が凝固偏析工程である太陽電池用シリコンの製造方法である。 The present invention is also a method for producing the above silicon for solar cells, comprising a step of preparing raw silicon containing boron, phosphorus and aluminum, and a step of removing impurities from the raw silicon. As a process of removing impurities from the silicon for solar cells, only the three processes of removing boron, removing phosphorus, and solidification segregation process are performed, and the last of the three processes is a solidification segregation process. It is a manufacturing method.
また、本発明の太陽電池用シリコンの製造方法において、凝固偏析工程は回転偏析法による工程であることが好ましい。 In the method for producing silicon for solar cells of the present invention, the solidification segregation step is preferably a step by a rotational segregation method.
さらに、本発明は、上記の太陽電池用シリコンを製造する方法であって、ボロンとリンとアルミニウムとを含む原料シリコンを準備する工程と、原料シリコンから不純物を除去する工程とを含み、原料シリコンから不純物を除去する工程として、ボロンを除去する工程、リンを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみを行ない、かつ3工程のうちの最後の工程が凝固偏析工程であり、不純物を除去する工程で得られたシリコンと、別工程で得られたシリコンとを混合する工程をさらに含む、太陽電池用シリコンの製造方法である。 Furthermore, the present invention is a method for producing the above silicon for solar cells, comprising a step of preparing raw silicon containing boron, phosphorus and aluminum, and a step of removing impurities from the raw silicon, As the process of removing impurities from the process, only the three processes of removing boron, removing phosphorus, and solidification segregation process are performed, and the last of the three processes is the solidification segregation process. It is a manufacturing method of the silicon for solar cells further including the process of mixing the silicon obtained at the process to perform, and the silicon obtained at another process.
ここで、本発明の太陽電池用シリコンの製造方法において、凝固偏析工程は回転偏析法による工程であることが好ましい。 Here, in the method for producing silicon for solar cells of the present invention, the solidification segregation step is preferably a step by a rotational segregation method.
本発明によれば、ボロンおよびリンのいずれをも含み、変換効率が良好な太陽電池を作製することができる太陽電池用シリコン、多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, silicon for solar cells, polycrystalline silicon material, polycrystalline silicon solar cells, and production of silicon for solar cells capable of producing a solar cell having both boron and phosphorus and good conversion efficiency A method can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
<太陽電池用シリコン>
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、上記の課題が解決可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の太陽電池用シリコンは、ボロン(B)と、リン(P)と、アルミニウム(Al)とを含み、B濃度が0.04ppmw以上0.32ppmw以下であり、P濃度が0.06ppmw以上0.4ppmw以下であって、Al濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下であることを特徴とする。
<Silicon for solar cells>
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved, and have completed the present invention. That is, the silicon for solar cells of the present invention contains boron (B), phosphorus (P), and aluminum (Al), the B concentration is 0.04 ppmw or more and 0.32 ppmw or less, and the P concentration is 0.00. It is 06 ppmw or more and 0.4 ppmw or less, and Al concentration is 1.2 ppmw or more and 4.5 ppmw or less.
B濃度については、太陽電池の光劣化および光非照射時の逆方向漏れ電流を抑える観点から高濃度側が制限され、低濃度側は太陽電池の変換効率を向上させる観点から制限される。すなわち、太陽電池用シリコンのB濃度が低すぎると、太陽電池の開放電圧が上がらず、良好な特性が得られない。 Regarding the B concentration, the high concentration side is restricted from the viewpoint of suppressing the light deterioration of the solar cell and the reverse leakage current at the time of non-irradiation, and the low concentration side is restricted from the viewpoint of improving the conversion efficiency of the solar cell. That is, when the B concentration of the silicon for solar cells is too low, the open voltage of the solar cells does not increase and good characteristics cannot be obtained.
したがって、太陽電池の光劣化および光非照射時の逆方向漏れ電流を抑えるとともに、太陽電池の変換効率を向上させる観点から、B濃度は0.04ppmw以上0.32ppmw以下とされ、好ましくは0.1ppmw以上0.2ppmw以下とされる。 Accordingly, the B concentration is set to 0.04 ppmw or more and 0.32 ppmw or less from the viewpoint of suppressing the photodegradation of the solar cell and the reverse leakage current at the time of non-irradiation and improving the conversion efficiency of the solar cell, preferably 0. It is set to 1 ppmw or more and 0.2 ppmw or less.
同様に、Al濃度について検討したところ、太陽電池用シリコン中にPが存在している場合には、PとAlとの相互作用が見られ、特許文献3と比較して、太陽電池の変換効率が良好なAl濃度範囲が高濃度側に大きくずれることが判明した。
Similarly, when the Al concentration was examined, when P was present in the solar cell silicon, an interaction between P and Al was observed. Compared with
具体的には、P濃度が0.06ppmw以上0.4ppmw以下の範囲内、好ましくは0.06ppmw以上0.25ppmw以下の範囲内にあるとき、Al濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下である場合に太陽電池の変換効率が良好となり、特にAl濃度が2ppmw以上3.5ppmw以下である場合に太陽電池の変換効率がさらに良好となる。 Specifically, when the P concentration is in the range of 0.06 ppmw to 0.4 ppmw, preferably 0.06 ppmw to 0.25 ppmw, the Al concentration is 1.2 ppmw to 4.5 ppmw. In this case, the conversion efficiency of the solar cell becomes good, and particularly when the Al concentration is 2 ppmw or more and 3.5 ppmw or less, the conversion efficiency of the solar cell becomes even better.
さらに、B、PおよびAlを含む太陽電池用シリコンについて検討した結果、Pを含む場合にも鉄(Fe)は、少数キャリアの再結合中心となることから、Fe濃度は1ppmw以下であることが好ましいことが判明した。 Furthermore, as a result of examining silicon for solar cells containing B, P, and Al, iron (Fe) becomes a recombination center of minority carriers even when P is contained, and therefore the Fe concentration may be 1 ppmw or less. It turned out to be preferable.
なお、本明細書において、「ppmw」は、太陽電池用シリコン全体の重量に対する重量パーセント(Parts Per Million Weight)を意味する。 In addition, in this specification, "ppmw" means the weight percent (Parts Per Million Weight) with respect to the weight of the whole silicon | silicone for solar cells.
<太陽電池用シリコンの製造方法>
本発明の太陽電池用シリコンの製造方法は、上記のいずれかの太陽電池用シリコンを製造する方法であって、BとPとAlとを含む原料シリコンを準備する工程と、原料シリコンから不純物を除去する工程とを含み、原料シリコンから不純物を除去する工程として、Bを除去する工程、Pを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみを行ない、かつ当該3工程のうちの最後の工程が凝固偏析工程であることを特徴としている。
<Method for producing silicon for solar cell>
A method for producing solar cell silicon according to the present invention is a method for producing any one of the above solar cell silicon, the step of preparing raw silicon containing B, P and Al, and impurities from the raw silicon. A step of removing impurities from the raw material silicon, and performing only three steps of removing B, removing P, and solidification segregation step, and the last of the three steps Is a solidification segregation process.
以下、本発明の太陽電池用シリコンの製造方法の一例について説明する。まず、BとPとAlを含む原料シリコンを準備する工程を行なう。ここで、原料シリコン中のB濃度、P濃度、およびAl濃度はそれぞれ特に限定されないが、本発明の太陽電池用シリコンの製造方法による製造後の太陽電池用シリコン中のB濃度、P濃度およびAl濃度がそれぞれ上記の範囲内とされることが好ましい。ただし、B濃度とP濃度の比によっては、本来なら太陽電池用シリコンとして利用可能な領域の中で、凝固とともにp型からn型へと半導体の導電型が変化してしまい、結果的に、太陽電池用シリコンの歩留まりの低下につながることがあるため、このような歩留まりの低下を抑制する観点からは、太陽電池用シリコンのB濃度に対するP濃度の比は1.33以下((P濃度/B濃度)≦1.33)であることが好ましいようである。 Hereinafter, an example of the manufacturing method of the silicon for solar cells of this invention is demonstrated. First, a step of preparing raw material silicon containing B, P, and Al is performed. Here, the B concentration, the P concentration, and the Al concentration in the raw material silicon are not particularly limited, respectively, but the B concentration, the P concentration, and the Al in the solar cell silicon manufactured by the method for manufacturing a solar cell silicon of the present invention are not limited. It is preferable that the concentration is within the above range. However, depending on the ratio of the B concentration and the P concentration, the conductivity type of the semiconductor changes from p-type to n-type as it solidifies in the region that can be used as silicon for solar cells. Since this may lead to a decrease in the yield of silicon for solar cells, from the viewpoint of suppressing such a decrease in yield, the ratio of the P concentration to the B concentration of solar cell silicon is 1.33 or less ((P concentration / B concentration) ≦ 1.33) seems to be preferred.
原料シリコンとしては、たとえば、化学工業用グレードの金属シリコンを用いることができる。化学工業用グレードの金属シリコンとしては、たとえば、ケイ砂を電気炉中で炭素で還元する方法で製造され、純度は98〜99.5%程度のものを用いることができる。化学工業用グレードの金属シリコンには、不純物として、たとえば、BおよびPがそれぞれ5ppmw〜30ppmw程度の濃度で含まれているとともに、Fe、Alおよびカルシウム(Ca)などの金属不純物が1000ppmw〜5000ppmw程度の濃度で含まれていることが多い。 As the raw material silicon, for example, chemical industrial grade metal silicon can be used. As chemical-grade metal silicon, for example, silica sand manufactured by a method of reducing silica with carbon in an electric furnace, having a purity of about 98 to 99.5% can be used. Chemical industrial grade metal silicon contains, for example, B and P as impurities in a concentration of about 5 ppmw to 30 ppmw, respectively, and metal impurities such as Fe, Al, and calcium (Ca) are about 1000 ppmw to 5000 ppmw. Often included in the concentration of.
次に、原料シリコンからBを除去する工程を行なう。Bを除去する工程は、原料シリコンからBを除去することができる方法であれば特に限定されないが、スラグ法を用いることが好ましい。 Next, a process of removing B from the raw silicon is performed. The step of removing B is not particularly limited as long as it is a method capable of removing B from raw silicon, but it is preferable to use a slag method.
スラグ法は、原料シリコンを溶融することによって得た溶融シリコンへのフラックスの添加と、フラックスが溶融シリコン中のBを取り込むことによって生成されたノロの除去とをそれぞれ少なくとも1回行なうことにより原料シリコンに含まれるBを除去する方法である。 In the slag method, the addition of the flux to the molten silicon obtained by melting the raw material silicon and the removal of the noro generated by the flux incorporating B in the molten silicon are each performed at least once. This is a method of removing B contained in.
具体的には、まず、たとえば図1(a)の模式的断面図に示すように、大気圧下において、上記のようにして準備した原料シリコンを開放系の処理室1内の坩堝3に収容し、加熱装置2で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製する。
Specifically, first, for example, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1A, the raw material silicon prepared as described above is accommodated in a
次に、溶融シリコン4に、酸化ケイ素および/またはアルカリ金属炭酸塩などのフラックスを添加することによって溶融スラグ5を生成し、溶融シリコン4と溶融スラグ5とを反応させる。この反応により、ボロン酸化物(B酸化物)が生成して、溶融スラグ5中に取り込まれ、溶融シリコン4からBを除去することができる。
Next,
B酸化物などを取り込んだ溶融スラグ5はノロと呼ばれ、溶融シリコン4の溶湯表面に浮遊する。この浮遊したノロにおいてB濃度が高くなると、溶融スラグ5とBとの反応効率が低下する。そのため、坩堝3の上部に設けた樋などからノロを掻き出し、再度、新たなフラックスを坩堝3に添加する。
The
このようなフラックスの添加とノロの掻き出しとをそれぞれ少なくとも1回行なうことによって、原料シリコンにおけるB濃度を低減することができる。このようにして、溶融シリコン4中のB濃度が0.04ppmw以上0.32ppmw以下、好ましくは0.1ppmw以上0.2ppmw以下となった時点で、坩堝3を傾けて、溶融シリコン4を鋳型に出湯し、大気圧下で放冷してシリコン塊を得る。Bを除去する工程後の原料シリコン中のB濃度を上記の含有量とすることによって、最終的に得られる太陽電池用シリコン中のB濃度を上記の範囲内のものとすることができる。
The B concentration in the raw silicon can be reduced by performing such flux addition and scraping at least once. In this way, when the B concentration in the
次に、原料シリコンからPを除去する工程を行なう。Pを除去する工程は、原料シリコンからPを除去することができる方法であれば特に限定されないが、真空法を用いることが好ましい。 Next, a step of removing P from the raw silicon is performed. The step of removing P is not particularly limited as long as it is a method capable of removing P from raw silicon, but it is preferable to use a vacuum method.
真空法は、原料シリコンを溶融することによって得た溶融シリコンを減圧雰囲気下に保持して、シリコンよりも蒸気圧の高い不純物元素を除去する方法である。このような不純物元素としては、P以外にも、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)およびナトリウム(Na)などがある。 The vacuum method is a method of removing an impurity element having a higher vapor pressure than silicon by holding molten silicon obtained by melting raw material silicon in a reduced-pressure atmosphere. Such impurity elements include arsenic (As), antimony (Sb), and sodium (Na) in addition to P.
具体的には、まず、たとえば図1(b)の模式的断面図に示すように、Bを除去する工程後の原料シリコンを密閉系の処理室6内の坩堝8に収容し、加熱装置7で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製する。
Specifically, for example, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1B, first, raw silicon after the step of removing B is accommodated in a crucible 8 in a
次に、密閉系の処理室6内を減圧雰囲気にし、減圧雰囲気の状態で坩堝8中の溶融シリコン4を保持する。これにより、溶融シリコン4中からPを除去することができる。このようにして、溶融シリコン4中のPの含有量が0.06ppmw以上0.4ppmw以下の範囲内、好ましくは0.06ppmw以上0.25ppmw以下の範囲内となった時点で、坩堝8を傾けて、溶融シリコン4を鋳型に出湯し、真空雰囲気下で放冷してシリコン塊を得る。
Next, the inside of the
なお、真空法以外のリンを除去する工程としては、たとえば、水冷銅坩堝などの反応容器に保持したシリコンに真空下で電子ビームを照射し、高温の溶融領域を形成することにより、不純物をシリコンから蒸発させる真空精錬法なども利用可能である。 In addition, as a process of removing phosphorus other than the vacuum method, for example, silicon held in a reaction vessel such as a water-cooled copper crucible is irradiated with an electron beam under vacuum to form a high-temperature molten region, thereby removing impurities from silicon. A vacuum refining method that evaporates from the gas can also be used.
次に、凝固偏析工程を行なう。凝固偏析工程は、原料シリコンに含まれる不純物元素の液相と固相とに対する溶解度の差を利用して不純物を偏析させる方法である。原料シリコンを凝固させた際に、偏析効果により固相から液相に不純物が排出(偏析)されることになる。偏析の程度は、平衡偏析係数K0で示され、FeおよびAlは平衡偏析係数K0が小さく、それぞれ、6.4×10-6(Fe)および2.8×10-3(Al)程度であるため凝固偏析による除去効率が大きいことが知られている。 Next, a solidification segregation process is performed. The solidification segregation step is a method of segregating impurities by utilizing the difference in solubility between the liquid phase and the solid phase of the impurity element contained in the raw material silicon. When the raw material silicon is solidified, impurities are discharged (segregated) from the solid phase to the liquid phase due to the segregation effect. The degree of segregation is indicated by the equilibrium segregation coefficient K 0 , and Fe and Al have a small equilibrium segregation coefficient K 0 , which are about 6.4 × 10 −6 (Fe) and 2.8 × 10 −3 (Al), respectively. Therefore, it is known that the removal efficiency by solidification segregation is large.
このような凝固偏析工程としては、たとえば、一方向凝固法により行なう方法または回転偏析法により行なう方法を例示することができるが、なかでも回転偏析法により行なう方法で行なうことが好ましい。回転偏析法は、金属不純物除去に通常用いられている一方向凝固法と比較して、偏析効率、凝固速度および原料利用効率を高めることができることから、低コスト化に有利となる。 As such a solidification segregation step, for example, a method performed by a unidirectional solidification method or a method performed by a rotation segregation method can be exemplified, and among them, a method performed by a rotation segregation method is preferable. The rotational segregation method is advantageous for cost reduction because it can increase the segregation efficiency, the solidification rate and the raw material utilization efficiency as compared with the unidirectional solidification method usually used for removing metal impurities.
上述のように、凝固偏析時には、固相から液相側に不純物の排出が起こるため、液相側の攪拌が十分でないと、固液界面液相側の不純物濃度が局所的に高くなり、実質的な偏析係数が大きくなってしまうという問題がある。回転偏析法は、液相を積極的に攪拌することによって、このような状況を回避することができ、凝固速度が速くとも、良好な偏析効果を期待することができる。また、回転偏析法においては、不純物元素は溶融シリコン中に残留することになるため、一方向凝固法のような不純物含有領域を切除する工程を省略することができる。 As described above, during solidification segregation, impurities are discharged from the solid phase to the liquid phase side, so if the stirring on the liquid phase side is not sufficient, the impurity concentration on the solid-liquid interface liquid phase side becomes locally high, There is a problem that the segregation coefficient becomes large. The rotational segregation method can avoid such a situation by actively stirring the liquid phase, and can expect a good segregation effect even if the solidification rate is high. In the rotational segregation method, since the impurity element remains in the molten silicon, the step of cutting the impurity-containing region as in the unidirectional solidification method can be omitted.
具体的には、まず、たとえば図1(c)の模式的断面図に示すように、Pを除去する工程後の原料シリコンを密閉系の処理室9内の坩堝14に収容し、加熱装置10で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製する。
Specifically, first, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1C, for example, the raw silicon after the process of removing P is accommodated in the
次に、内部に冷却機構を備えたカーボンからなる攪拌棒13を溶融シリコン4中に浸漬させ、処理室9の上部に回転装置用接続部11を介して取り付けられた回転装置12によって回転させ、溶融シリコン4を攪拌する。そして、攪拌棒13の冷却機構により、攪拌棒13の表面温度を低下させることによって、攪拌棒13の表面にシリコンを凝固偏析させる。
Next, the stirring
このように、Al濃度およびFe濃度を低減して、攪拌棒13の表面に、本発明の太陽電池用シリコンを偏析することができる。なお、凝固偏析工程は、攪拌棒13の表面に偏析した本発明の太陽電池用シリコン中のAl濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下、好ましくは2ppmw以上3.5ppmw以下となるように行なわれる。また、凝固偏析工程は、攪拌棒13の表面に偏析した本発明の太陽電池用シリコン中のFe濃度が1ppmw以下となるように行なわれる。
Thus, the silicon concentration for solar cells of the present invention can be segregated on the surface of the stirring
なお、上記においては、原料シリコンから不純物を除去する工程として、Bを除去する工程、Pを除去する工程および凝固偏析工程の順に行なう場合について説明したが、Pを除去する工程、Bを除去する工程および凝固偏析工程の順に行なうことも可能である。 In the above description, the process of removing impurities from the raw material silicon has been described in the order of the process of removing B, the process of removing P, and the solidification segregation process. However, the process of removing P and B is removed. It is also possible to perform in order of the process and the solidification segregation process.
本発明の太陽電池用シリコンの製造方法においては、BとPとAlとを含む原料シリコンから不純物を除去する工程として、脱B工程、脱P工程、および凝固偏析工程(金属不純物除去)の3工程のみを行ない、かつ当該3工程のうちの最後の工程を凝固偏析工程としている。 In the method for producing silicon for solar cells of the present invention, the steps of removing impurities from the raw material silicon containing B, P and Al include a de-B step, a de-P step, and a solidification segregation step (metal impurity removal). Only the process is performed, and the last of the three processes is a solidification segregation process.
これにより、金属不純物除去工程を1回のみ行ない、工程数を特許文献1の方法と同一にすることができるだけでなく、最後の工程が金属不純物除去工程である凝固偏析工程であるため、最後の工程での不純物混入の危険性を回避することができる。
Thereby, the metal impurity removal step can be performed only once and the number of steps can be made the same as the method of
また、特許文献4に記載の方法では、上記の3つの工程に加えてリーチング工程が含まれている。リーチング工程は、Fe濃度だけでなく、Al濃度の低減にも有効であるため、本発明者は、Al濃度が低いほど太陽電池の変換効率が良好であるという認識の下、Al濃度を1ppmw以下に抑えるためにリーチング工程を行なっていた。
Further, the method described in
しかしながら、本発明者らのその後の鋭意検討の結果、Al濃度に最適値があることがわかり、Al濃度を高くするためにリーチング工程を省略したところ、工程省略によるコスト低減と同時に、Al濃度を本発明の太陽電池用シリコンの濃度範囲にすることが可能であることが判明した。 However, as a result of the subsequent diligent studies by the present inventors, it was found that there is an optimum value for the Al concentration, and when the leaching process was omitted in order to increase the Al concentration, the Al concentration was reduced simultaneously with the cost reduction due to the omission of the process. It has been found that it is possible to make the concentration range of the silicon for solar cells of the present invention.
さらに、上記の3工程のみからなる不純物を除去する工程で得られたシリコンと、別工程で得られたシリコンとを混合する工程をさらに含んでいてもよい。ここで、別工程で得られたシリコンとしては、特に限定されず、たとえば、シーメンス法で得られたポリシリコン、流動床法で得られたポリシリコン、単結晶シリコンインゴットの端材、単結晶シリコンブロック、単結晶シリコンウエハ、多結晶シリコンインゴットの端材、多結晶シリコンブロック、多結晶シリコンウエハ、またはこれらの精製物などを挙げることができる。 Further, the method may further include a step of mixing silicon obtained in the step of removing impurities consisting of only the above three steps and silicon obtained in a separate step. Here, the silicon obtained in the separate process is not particularly limited. For example, the polysilicon obtained by the Siemens method, the polysilicon obtained by the fluidized bed method, the end material of the single crystal silicon ingot, the single crystal silicon. Examples thereof include a block, a single crystal silicon wafer, a mill end of a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon block, a polycrystalline silicon wafer, or a purified product thereof.
<多結晶シリコン材料>
本発明の多結晶シリコン材料は、上記の太陽電池用シリコンを融解した後、凝固することによって作製されたものである。
<Polycrystalline silicon material>
The polycrystalline silicon material of the present invention is produced by melting and solidifying the above silicon for solar cells.
図2に、本発明の多結晶シリコン材料の製造装置の一例の模式的な構成図を示す。図2に示す本発明の多結晶シリコン材料の製造装置は、内壁に断熱材213を備えたチャンバ27の内部に、坩堝21と、坩堝21を収容する外坩堝22と、外坩堝22を取り囲むようにして設置された黒鉛ヒータからなる抵抗加熱体28とを備えている。
In FIG. 2, the typical block diagram of an example of the manufacturing apparatus of the polycrystalline-silicon material of this invention is shown. The polycrystalline silicon material manufacturing apparatus of the present invention shown in FIG. 2 surrounds the
また、外坩堝22は坩堝台23によって支持されており、坩堝台23には坩堝21および外坩堝22を冷却する冷媒を流すための冷却槽211と、坩堝21および外坩堝22を昇降させるための昇降駆動機構212が取り付けられている。
The
坩堝21の下部および外坩堝22の下部には、それぞれ、坩堝下熱電対25および外坩堝下熱電対26が取り付けられており、坩堝下熱電対25および外坩堝下熱電対26は制御装置29に接続されている。また、制御装置29は、坩堝下熱電対25および外坩堝下熱電対26から送信されてきた坩堝21および外坩堝22のそれぞれの温度情報に基づいて抵抗加熱体28の加熱温度を制御することができるように、抵抗加熱体28に接続される。
A crucible
本発明の多結晶シリコン材料は、たとえば以下のようにして製造することができる。まず、上記のようにして作製した本発明の太陽電池用シリコンを坩堝21の内部に収容し、抵抗加熱体28によって加熱する。これにより、坩堝21の内部の本発明の太陽電池用シリコンが溶融して溶融シリコン24が作製される。
The polycrystalline silicon material of the present invention can be manufactured, for example, as follows. First, the silicon for solar cells of the present invention produced as described above is accommodated in the
次に、冷却槽211から冷媒を流して、坩堝21の内部の溶融シリコン24を冷却しながら、昇降駆動機構212で坩堝21を下方に移動させていくことによって、溶融シリコン24を順次凝固していく。これにより、本発明の多結晶シリコン材料の一例である多結晶シリコンインゴットを得ることができる。
Next, the
また、上記のようにして得られた多結晶シリコンインゴットを、たとえばバンドソーなどの公知の装置を用いて角柱状などの所望の形状およびサイズに切り出すことによって、多結晶シリコンブロックを得ることができる。 A polycrystalline silicon block can be obtained by cutting the polycrystalline silicon ingot obtained as described above into a desired shape and size such as a prismatic shape using a known apparatus such as a band saw.
また、上記のようにして得られた多結晶シリコンブロックをたとえばマルチワイヤーソーなどの公知の装置を用いてスライスすることによって、多結晶シリコンウエハを得ることができる。 A polycrystalline silicon wafer can be obtained by slicing the polycrystalline silicon block obtained as described above using a known apparatus such as a multi-wire saw.
なお、本明細書において、「多結晶シリコン材料」は、多結晶シリコンインゴットと、多結晶シリコンブロックと、多結晶シリコンウエハとを含む概念である。 In this specification, “polycrystalline silicon material” is a concept including a polycrystalline silicon ingot, a polycrystalline silicon block, and a polycrystalline silicon wafer.
<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、本発明の多結晶シリコン材料(多結晶シリコンウエハ)から作製された太陽電池である。なお、本明細書において、「太陽電池」は、太陽電池セルと、太陽電池モジュールとを含む概念であり、「多結晶シリコン太陽電池」は、多結晶シリコン太陽電池セルと、多結晶シリコン太陽電池モジュールとを含む概念である。
<Polycrystalline silicon solar cell>
The polycrystalline silicon solar cell of the present invention is a solar cell produced from the polycrystalline silicon material (polycrystalline silicon wafer) of the present invention. In this specification, “solar battery” is a concept including a solar battery cell and a solar battery module, and “polycrystalline silicon solar battery” means a polycrystalline silicon solar battery cell and a polycrystalline silicon solar battery. It is a concept that includes modules.
本発明の多結晶シリコン太陽電池セルは、たとえば、本発明の多結晶シリコン材料である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。 The polycrystalline silicon solar cell of the present invention can be manufactured by a known solar cell process using, for example, a polycrystalline silicon wafer that is the polycrystalline silicon material of the present invention.
たとえば、p型の不純物がドープされた多結晶シリコンウエハの場合には、公知の材料および公知の方法を用いて、n型の不純物をドープしてn型層を形成することによりpn接合を形成し、その後、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製造することができる。 For example, in the case of a polycrystalline silicon wafer doped with p-type impurities, a pn junction is formed by doping an n-type impurity to form an n-type layer using a known material and a known method. Then, a polycrystalline silicon solar battery cell can be manufactured by forming a front electrode and a back electrode.
また、n型の不純物がドープされた多結晶シリコンウエハの場合には、公知の材料および公知の方法を用いて、p型の不純物をドープしてp型層を形成することによりpn接合を形成し、その後、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製造することができる。 In the case of a polycrystalline silicon wafer doped with n-type impurities, a pn junction is formed by forming p-type layers by doping p-type impurities using known materials and known methods. Then, a polycrystalline silicon solar battery cell can be manufactured by forming a front electrode and a back electrode.
また、本発明の多結晶シリコン太陽電池セルは、上記のように、多結晶シリコンウエハの内部のpn接合を利用したものの他にも、たとえば、薄い絶縁層を挟んで金属を蒸着することなどにより形成したMIS型太陽電池、または多結晶シリコンウエハと反対の導電型を有するアモルファスなどのシリコン薄膜を製膜して異なる構造のp型およびn型シリコンヘテロ接合を利用した太陽電池などがある。また、その複数個を電気的に接続することによって、多結晶シリコン太陽電池モジュールを製造することができる。 Moreover, the polycrystalline silicon solar cell of the present invention is not limited to the one using the pn junction inside the polycrystalline silicon wafer as described above, for example, by depositing a metal with a thin insulating layer interposed therebetween. There are formed MIS type solar cells, solar cells using p-type and n-type silicon heterojunctions having different structures by forming an amorphous silicon thin film having a conductivity type opposite to that of a polycrystalline silicon wafer. Moreover, a polycrystalline silicon solar cell module can be manufactured by electrically connecting the plurality.
<実験例1>
図2に示す製造装置を用いて、B濃度、P濃度およびAl濃度が異なる複数の太陽電池用シリコンから、それぞれ、サンプルNo.1〜11の多結晶シリコンインゴットを製造した。そして、上記のようにして製造したサンプルNo.1〜11の多結晶シリコンインゴットの不純物濃度をそれぞれICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析法により測定した。
<Experimental example 1>
Using the manufacturing apparatus shown in FIG. 2, each of the sample Nos. 1 to 11 polycrystalline silicon ingots were produced. And sample No. manufactured as mentioned above is carried out. The impurity concentrations of 1 to 11 polycrystalline silicon ingots were measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis.
次に、上記のようにして製造したサンプルNo.1〜11多結晶シリコンインゴットからそれぞれ多結晶シリコンウエハを作製し、これらの多結晶シリコンウエハをそれぞれ通常の太陽電池プロセスに投入して、サンプルNo.1〜11の太陽電池セルを作製した。なお、400kgの多結晶シリコンインゴット1個からは約15000枚の多結晶シリコンウエハが得られ、これらのすべての多結晶シリコンウエハからそれぞれ太陽電池セルを作製した。 Next, sample No. manufactured as described above was used. A polycrystalline silicon wafer is prepared from each of the 1 to 11 polycrystalline silicon ingots, and each of these polycrystalline silicon wafers is put into a normal solar cell process. 1 to 11 solar cells were produced. In addition, about 15,000 polycrystalline silicon wafers were obtained from one 400 kg polycrystalline silicon ingot, and solar cells were respectively produced from all these polycrystalline silicon wafers.
そして、上記のようにして作製したサンプルNo.1〜11の太陽電池セルのそれぞれの変換効率を測定して、多結晶シリコンインゴットのAl濃度と、太陽電池セルの変換効率との相関関係を調べた。その結果を表1に示す。
And sample No. produced as mentioned above was carried out. The conversion efficiency of each of the
なお、表1の高ランク率(%)は、太陽電池セルの所定の変換効率を閾値として、閾値よりも変換効率が高い太陽電池セルの割合とした。また、表1のAl濃度の「0.0ppmw」の表記は、ICP発光分析法での検出限界(0.04ppmw)以下であることを意味している。 In addition, the high rank rate (%) of Table 1 was made into the ratio of the photovoltaic cell whose conversion efficiency is higher than a threshold value by making predetermined conversion efficiency of a photovoltaic cell into a threshold value. Moreover, the notation of “0.0 ppmw” of the Al concentration in Table 1 means that it is below the detection limit (0.04 ppmw) in the ICP emission analysis method.
また、図3に、表1に示すAl濃度を横軸とし、高ランク率を縦軸としたグラフを示す。 FIG. 3 shows a graph with the Al concentration shown in Table 1 as the horizontal axis and the high rank ratio as the vertical axis.
図3に示すように、サンプルNo.1〜11の多結晶シリコンインゴットのAl濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下の範囲内である場合には、高ランク率が良好な値となった。 As shown in FIG. When the Al concentration of the 1 to 11 polycrystalline silicon ingots was in the range of 1.2 ppmw to 4.5 ppmw, the high rank ratio was a good value.
特に、サンプルNo.1〜11の多結晶シリコンインゴットのAl濃度が2ppmw以上3.5ppmw以下の範囲内である場合には、高ランク率が80%以上となるため、さらに良好な値となった。
In particular, sample no. When the Al concentration of the
したがって、図3に示すように、高ランク率は、Al濃度と相関関係があることが確認された。 Therefore, as shown in FIG. 3, it was confirmed that the high rank rate has a correlation with the Al concentration.
なお、本実験データは、偏析効果により多結晶シリコンインゴットの高さ方向に、種々の不純物元素の存在量および存在比が変化しているインゴット全体から、太陽電池セルを作製した全体のデータであり、自明なデータではない。 In addition, this experimental data is the whole data which produced the photovoltaic cell from the whole ingot in which the abundance and abundance ratio of various impurity elements are changing in the height direction of the polycrystalline silicon ingot due to the segregation effect. It's not trivial data.
<実験例2>
実験例2においては、Bと、Pと、Feと、2.5ppmwのAlとを含み、Fe濃度が異なる複数の太陽電池用シリコンを用いたこと以外は、実験例1と同様にして、サンプルNo.12〜15の多結晶シリコンインゴットを製造し、サンプルNo.12〜15の多結晶シリコンインゴットの不純物濃度をそれぞれICP発光分析法により測定した。
<Experimental example 2>
In Experimental Example 2, a sample was obtained in the same manner as in Experimental Example 1 except that a plurality of silicon for solar cells containing B, P, Fe, and 2.5 ppmw of Al and having different Fe concentrations were used. No. 12 to 15 polycrystalline silicon ingots were produced and sample Nos. The impurity concentration of 12 to 15 polycrystalline silicon ingots was measured by ICP emission spectrometry.
その後は、実験例1と同様にして、サンプルNo.12〜15の多結晶シリコンインゴットからそれぞれ多結晶シリコンウエハを作製し、これらの多結晶シリコンウエハをそれぞれ通常の太陽電池プロセスに投入して、サンプルNo.12〜15の太陽電池セルを作製した。 Thereafter, in the same manner as in Experimental Example 1, sample no. Polycrystalline silicon wafers are prepared from 12 to 15 polycrystalline silicon ingots, and these polycrystalline silicon wafers are respectively put into a normal solar cell process. 12 to 15 solar cells were produced.
そして、実験例1と同様の方法で、サンプルNo.12〜15の太陽電池セルのそれぞれの変換効率を測定して、多結晶シリコンインゴットのFe濃度と、太陽電池セルの変換効率との相関関係を調べた。その結果を表2に示す。 In the same manner as in Experimental Example 1, sample No. The conversion efficiency of each of 12 to 15 solar cells was measured, and the correlation between the Fe concentration of the polycrystalline silicon ingot and the conversion efficiency of the solar cells was examined. The results are shown in Table 2.
なお、表2の高ランク率(%)は、太陽電池セルの所定の変換効率を閾値として、閾値よりも変換効率が高い太陽電池セルの割合とした。また、表2のFe濃度の「0.0ppmw」の表記は、ICP発光分析法での検出限界(0.04ppmw)以下であることを意味している。 In addition, the high rank rate (%) of Table 2 was made into the ratio of the photovoltaic cell whose conversion efficiency is higher than a threshold value by making predetermined conversion efficiency of a photovoltaic cell into a threshold value. Moreover, the notation of “0.0 ppmw” of the Fe concentration in Table 2 means that it is below the detection limit (0.04 ppmw) in the ICP emission analysis method.
図4に、表2に示すFe濃度を横軸とし、高ランク率を縦軸としたグラフを示す。
図4に示すように、サンプルNo.12〜15の多結晶シリコンインゴットのFe濃度が1ppmw以下であれば、高ランク率が80%以上となって、良好な値となることがわかった。
FIG. 4 shows a graph with the Fe concentration shown in Table 2 on the horizontal axis and the high rank ratio on the vertical axis.
As shown in FIG. It was found that when the Fe concentration of the 12-15 polycrystalline silicon ingot was 1 ppmw or less, the high rank ratio was 80% or more, which was a favorable value.
したがって、図4に示すように、高ランク率は、Fe濃度と相関関係があることが確認された。 Therefore, as shown in FIG. 4, it was confirmed that the high rank rate has a correlation with the Fe concentration.
なお、本実験データも、偏析効果により多結晶シリコンインゴットの高さ方向に、種々の不純物元素の存在量および存在比が変化しているインゴット全体から、太陽電池セルを作製した全体のデータであり、自明なデータではない。 This experimental data is also the entire data for producing solar cells from the entire ingot in which the abundances and abundance ratios of various impurity elements change in the height direction of the polycrystalline silicon ingot due to the segregation effect. It's not trivial data.
<実験例3>
実験例3では、Bを除去する工程としてスラグ法を用い、Pを除去する工程として真空法を用い、金属不純物を除去する凝固偏析工程として回転偏析法を用い、これらの3工程のみからなる太陽電池用シリコンの製造方法について説明する。
<Experimental example 3>
In Experimental Example 3, a slag method is used as a process for removing B, a vacuum method is used as a process for removing P, and a rotary segregation method is used as a solidification segregation process for removing metal impurities. A method for producing silicon for a battery will be described.
まず、原料シリコンとしては、いわゆる金属シリコン程度の純度のものを準備した。ここで、原料シリコンには、不純物として、BおよびPがそれぞれ5ppmw〜30ppmw程度の濃度で含まれているとともに、Fe、AlおよびCaなどの金属不純物が1000ppmw〜5000ppmw程度の濃度で含まれていた。 First, as the raw material silicon, a silicon having a purity of about so-called metal silicon was prepared. Here, the raw material silicon contained B and P as impurities at a concentration of about 5 ppmw to 30 ppmw, respectively, and metal impurities such as Fe, Al, and Ca were contained at a concentration of about 1000 ppmw to 5000 ppmw. .
次に、図1(a)に示すように、大気圧下において、上記の原料シリコンを開放系の処理室1内の坩堝3に収容し、加熱装置2で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製した。
Next, as shown in FIG. 1 (a), the raw material silicon is accommodated in a
次に、溶融シリコン4に、酸化ケイ素および/またはアルカリ金属炭酸塩などのフラックスを添加することによって溶融スラグ5を生成し、溶融シリコン4と溶融スラグ5とを反応させた。この反応により、B酸化物が生成して、溶融スラグ5中に取り込まれ、溶融シリコン4からBを除去した。
Next, a
次に、坩堝3の上部に設けた樋などから、B酸化物を取り込んだ溶融スラグ5であるノロを掻き出し、再度、新たなフラックスを坩堝3に添加した。
Next, noro, which is the
このようなフラックスの添加とノロの掻き出しとを繰り返してそれぞれ20回行なうことによって、原料シリコンにおけるB濃度を低減していった。そして、所望のB濃度を達成したところで、溶融炉を傾けて、溶融シリコンを鋳型に出湯し、大気圧下で放冷してシリコン塊を得た。
The B concentration in the raw material silicon was reduced by repeatedly performing such addition of flux and scraping of
上記のようにして、原料シリコンからBを除去し、原料シリコン中のB濃度を0.1ppmw〜0.2ppmwまで低下させた。 As described above, B was removed from the raw silicon, and the B concentration in the raw silicon was reduced to 0.1 ppmw to 0.2 ppmw.
次に、図1(b)に示すように、Bを除去する工程後の原料シリコンを密閉系の処理室6内の坩堝8に収容し、加熱装置7で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製した。
Next, as shown in FIG. 1B, the raw material silicon after the step of removing B is accommodated in a crucible 8 in a
次に、密閉系の処理室6内の圧力を1Pa以下程度とし、溶融シリコン4の温度を1650℃に保持した。そして、所望のB濃度を達成したところで、溶融炉を傾けて、溶融シリコンを鋳型に出湯し、大気圧下で放冷してシリコン塊を得た。
Next, the pressure in the
なお、処理室6内の圧力は、1Pa以下に限定されないが、圧力が低いほどPの除去速度が速いため好ましい。また、溶融シリコン4の温度も1650℃に限定されず、シリコンの融点以上の温度であればよい。また、溶融シリコン4の温度が高いほどPの除去速度が速くなるが、装置および断熱材等の部材の耐熱温度、ならびに坩堝からの坩堝材料の溶出などもあるため(たとえば黒鉛坩堝を用いた場合の炭素汚染)、安定して操業する観点からは、溶融シリコン4の温度を1600℃〜1700℃とすることが最も好ましい。
The pressure in the
上記のようにして、原料シリコンからPを除去し、原料シリコン中のP濃度を0.25ppmw以下に低下させた。 As described above, P was removed from the raw silicon, and the P concentration in the raw silicon was reduced to 0.25 ppmw or less.
次に、図1(c)に示すように、Pを除去する工程後の原料シリコンを密閉系の処理室9内の坩堝14に収容し、加熱装置10で原料シリコンを加熱して溶融することによって溶融シリコン4を作製した。
Next, as shown in FIG. 1C, the raw material silicon after the process of removing P is placed in a
次に、内部に冷却機構を備えたカーボンからなる攪拌棒13を溶融シリコン4中に浸漬させ、処理室9の上部に回転装置用接続部11を介して取り付けられた回転装置12によって回転させ、溶融シリコン4を攪拌した。そして、攪拌棒13の冷却機構により、攪拌棒13の表面温度を低下させることによって、攪拌棒13の表面にシリコンを凝固偏析させた。
Next, the stirring
このように、Al濃度およびFe濃度を低下させて、攪拌棒13の表面に、太陽電池用シリコンを偏析させた。
In this way, the Al concentration and the Fe concentration were decreased, and the silicon for solar cells was segregated on the surface of the stirring
上記の3工程のみを経て得られた実験例3の太陽電池用シリコンの不純物濃度をICP発光分析法により分析したところ、B濃度が0.4ppmw以下、P濃度が0.5ppmw以下、Fe濃度が1ppmw以下、Al濃度が1.2ppmw以上4.5ppmw以下であって、本発明の太陽電池用シリコンの範囲内に含まれる不純物濃度となっていた。 When the impurity concentration of the silicon for solar cells of Experimental Example 3 obtained through only the above three steps was analyzed by ICP emission analysis, the B concentration was 0.4 ppmw or less, the P concentration was 0.5 ppmw or less, and the Fe concentration was 1 ppmw or less, Al concentration was 1.2 ppmw or more and 4.5 ppmw or less, and the impurity concentration was within the range of the silicon for solar cells of the present invention.
したがって、実験例3においては、Bを除去する工程、Pを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみで、B濃度、P濃度、Al濃度およびFe濃度をそれぞれ、変換効率が良好な太陽電池を作製することが可能な本発明の太陽電池用シリコンの濃度範囲内とすることができるため、リーチング工程を省略することが可能であり、従来よりもコストを低減できることが確認された。 Therefore, in Experimental Example 3, the B concentration, the P concentration, the Al concentration, and the Fe concentration are converted into solar cells with good conversion efficiency by only the three steps of the step of removing B, the step of removing P, and the solidification segregation step. Since it can be within the concentration range of the silicon for solar cells of the present invention capable of producing a battery, it was confirmed that the leaching step can be omitted and the cost can be reduced as compared with the conventional case.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. 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.
本発明は、太陽電池用シリコン、多結晶シリコン材料、多結晶シリコン太陽電池および太陽電池用シリコンの製造方法に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a solar cell silicon, a polycrystalline silicon material, a polycrystalline silicon solar cell, and a method for producing solar cell silicon.
1 処理室、2 加熱装置、3 坩堝、4 溶融シリコン、5 溶融スラグ、6 処理室、7 加熱装置、8 坩堝、9 処理室、10 加熱装置、11 回転装置用接続部、12 回転装置、13 攪拌棒、21 坩堝、22 外坩堝、23 坩堝台、24 溶融シリコン、25 坩堝下熱電対、26 外坩堝下熱電対、27 チャンバ、28 抵抗加熱体、29 制御装置、211 冷却槽、212 昇降駆動機構、213 断熱材。 1 processing chamber, 2 heating device, 3 crucible, 4 molten silicon, 5 molten slag, 6 processing chamber, 7 heating device, 8 crucible, 9 processing chamber, 10 heating device, 11 rotating device connection, 12 rotating device, 13 Stirring rod, 21 crucible, 22 outer crucible, 23 crucible base, 24 molten silicon, 25 crucible lower thermocouple, 26 outer crucible lower thermocouple, 27 chamber, 28 resistance heating element, 29 control device, 211 cooling tank, 212 lift drive Mechanism, 213 Insulation.
Claims (10)
前記ボロンの濃度が、0.04ppmw以上0.32ppmw以下であり、
前記リンの濃度が、0.06ppmw以上0.4ppmw以下であって、
前記アルミニウムの濃度が、1.2ppmw以上4.5ppmw以下である、太陽電池用シリコン。 Including boron, phosphorus and aluminum,
The boron concentration is 0.04 ppmw or more and 0.32 ppmw or less,
The phosphorus concentration is 0.06 ppmw to 0.4 ppmw,
The silicon for solar cells whose density | concentration of the said aluminum is 1.2 ppmw or more and 4.5 ppmw or less.
ボロンとリンとアルミニウムとを含む原料シリコンを準備する工程と、
前記原料シリコンから不純物を除去する工程とを含み、
前記原料シリコンから不純物を除去する工程として、ボロンを除去する工程、リンを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみを行ない、かつ前記3工程のうちの最後の工程が前記凝固偏析工程である、太陽電池用シリコンの製造方法。 A method for producing silicon for solar cells according to any one of claims 1 to 4,
Preparing a raw material silicon containing boron, phosphorus and aluminum;
Removing impurities from the raw silicon,
As the step of removing impurities from the raw silicon, only three steps of removing boron, removing phosphorus, and solidification segregation step are performed, and the last step of the three steps is the solidification segregation step. A method for producing silicon for solar cells.
ボロンとリンとアルミニウムとを含む原料シリコンを準備する工程と、
前記原料シリコンから不純物を除去する工程とを含み、
前記原料シリコンから不純物を除去する工程として、ボロンを除去する工程、リンを除去する工程、および凝固偏析工程の3工程のみを行ない、かつ前記3工程のうちの最後の工程が前記凝固偏析工程であり、
前記不純物を除去する工程で得られたシリコンと、別工程で得られたシリコンとを混合する工程をさらに含む、太陽電池用シリコンの製造方法。 A method for producing silicon for solar cells according to any one of claims 1 to 4,
Preparing a raw material silicon containing boron, phosphorus and aluminum;
Removing impurities from the raw silicon,
As the step of removing impurities from the raw silicon, only three steps of removing boron, removing phosphorus, and solidification segregation step are performed, and the last step of the three steps is the solidification segregation step. Yes,
The manufacturing method of the silicon for solar cells which further includes the process of mixing the silicon obtained at the process of removing the said impurity, and the silicon obtained at another process.
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