JP5913545B2 - 鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置及び鋳塊の鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳塊鋳造に関わり、特に鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置及び鋳塊の鋳造方法に関するものである。

太陽光エネルギーは最もクリーンでほぼ無限のエネルギーでもあり、日々増え続ける太陽電池への需要を満たし、太陽電池の生産コストを下げるために、現在太陽電池の生産で使用されているチップのほとんどは大量生産が可能な一方向性凝固法で製造された鋳塊である。

図１は、一般的な方向性凝固法を使用した鋳塊鋳造炉１であり、これには一つの炉体１０、および前記炉体内部に設置された一つのるつぼ１２、一つの絶縁かご１４、複数の加熱器１６が含まれている。このうち、前記るつぼ１２は矩形を呈し、その底部に４つのコーナーがある。前記るつぼ１２は、複数のシードクリスタル１８および固体のシリコン原料２０を置くために使用されている。これらの加熱器１６は前記るつぼ１２の上方および周壁の周囲に設置され、これらの加熱器１６は外部制御により前記るつぼ１２を加熱することができる。前記絶縁かご１４は、前記るつぼ１２およびこれらの加熱器１６の外側に覆設し、前記絶縁かご１４は前記るつぼ１２の温度の維持に用いられ、かつ前記絶縁かご１４は、前記るつぼ１２を中心に上下移動することができ、前記るつぼ１２の温度勾配の変化を制御することにより、前記るつぼ１２内のシリコン原料２０および一部のシードクリスタル１８を溶化しあるいは凝固して鋳塊を鋳造する。

これらの加熱器１６は、前記るつぼ１２の周壁の周囲に位置するため、前記るつぼ１２の各コーナー区域附近の加熱器１６から発生した熱エネルギーは前記るつぼ１２のコーナー区域に過度に集中して、これにより各コーナー区域の温度が上昇し、シリコン原料２０の溶化が加速してしまう。シリコン原料２０の溶化段階において、溶化形態を呈するシリコン原料２０の上面と気体の表面が凸凹となり、中央部が凸起状を呈してしまう。前記るつぼ１２内の固体シリコン原料２０が下のほうに溶化してこれらのシードクリスタル１８に接近していくにつれ、コーナー区域のシードクリスタル１８は中央部にあるシードクリスタル１８よりも早く溶化することになる。中央部にあるシードクリスタル１８の上面が溶化しても、コーナー区域のシードクリスタル１８がとっくに完全に溶化したため、溶化のバラつきが発生し、コーナー区域のシードクリスタル１８がシーディングできなくなり、これにより鋳塊の品質が低下し、ひいては鋳塊をチップにカットして出来上がる太陽電池の変換効率を左右してしまう恐れがある。

コーナー区域のシードクリスタル１８が完全に溶化するのを防ぐために、最も多く講じられている対策法として、コーナー区域のシードクリスタル１８が完全に溶化する前に前記るつぼ１２の温度勾配の変化を抑えて、既に溶化したシードクリスタル１８およびシリコン原料２０を冷却凝固させて、コーナー区域のシードクリスタル１８がシーディングさせる手段があげられる。ただ、コーナー区域のシードクリスタル１８が完全に溶化されていない状態では、中央部にあるシードクリスタル１８の上面がまだ溶化していないため、中央部のシードクリスタル１８がシーディングできず、鋳造完了した鋳塊の底部の中央部の品質が低下して使い物にならなくなり廃棄する必要があるため、鋳塊の有効長さがどうしても減ってしまう。

また、中華人民共和国実用新案第２０２２９７８６６号、中華人民共和国特許出願公開第１０２０７１４５４号、中華人民共和国実用新案第２０１７１３６０４号、および中華人民共和国特許出願公開第１０２２６８７２８号等の特許文献に示すように、これらの特許において公開された鋳塊鋳造炉はいずれも溶化するシリコン原料が凝固・結晶段階において、るつぼの下方に位置する冷却装置を利用してるつぼ内のシリコン原料の固体・液体表面の平坦性を制御し、それにより鋳塊品質の向上を図るものである。しかし、これらの鋳塊鋳造炉にも依然としてシリコン原料の溶化段階において、るつぼ底部コーナー区域のシードクリスタルが完全に溶化してしまう懸念が存在する。

よって、従来の一般的な鋳塊鋳造炉の設計が完ぺきとは言えず、改善の余地は多かれ少なかれ存在する。

中華人民共和国実用新案第２０２２９７８６６号公報 中華人民共和国特許出願第１０２０７１４５４号公報 中華人民共和国実用新案第２０１７１３６０４号公報 中華人民共和国特許出願第１０２２６８７２８号公報

上記のような従来例の問題点に鑑み、鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置および鋳塊の鋳造方法を提供することで、るつぼ内のコーナー区域にあるシードクリスタルが完全に溶化するのを防ぐことを可能にした。

上記目的を達成するため、本発明では鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置を提供した。前記鋳塊鋳造炉には一つのるつぼが含まれ、前記るつぼの底部に少なくとも一つのコーナーがあり、前記冷却装置は前記るつぼの下方に位置し、一つの台座が含まれ、前記台座には少なくとも一つの冷却槽が含まれ、前記冷却槽は前記るつぼ底部の前記コーナーと向かい合い、前記台座にはさらに少なくとも流体を通すため流路があり、前記流路は前記冷却槽と前記台座の外部と接続されている。

本発明において提供される鋳塊の鋳造方法には次のような手順が含まれている。複数のシードクリスタルを一つのるつぼ内の底部に置いて一つのシード層を形成する。なお、前記るつぼの底部には少なくとも一つのコーナーがある。固体のシリコン原料を前記るつぼの中に入れて前記シード層の上に積み上げる。前記るつぼを加熱し、シリコン原料および前記シード層の上面を溶化により液状にする。なお、加熱の過程において前記るつぼの底面の前記コーナー区域を冷却して前記シード層の底部を固体状に保持する。前記るつぼを冷却し、前記シード層の上面から上のほうへ結晶を凝固して、全てのシリコン原料が結晶に凝固するまでこれを続ける。凝固した後のシード層およびシリコン原料は一つの鋳塊へと変わる。

本発明の効果は、冷却装置を利用してるつぼ底部のコーナー区域を冷却したことで、コーナー区域にあるシード層底部の溶化をうまく防止したことである。

従来の一般的な鋳塊鋳造炉を示す説明図である。 本発明の実施例１の鋳塊鋳造炉を示す説明図である。 本発明の実施例１の冷却装置の立体図である。 本発明の実施例１の冷却装置の平面図である。 本発明の実施例１の鋳塊の鋳造方法を示す説明図である。 本発明の実施例２の冷却装置の立体図である。 本発明の実施例２の冷却装置の平面図である。 本発明の実施例３の冷却装置の立体図である。 本発明の実施例３の冷却装置の平面図である。 本発明の実施例３の冷却装置の立体図である。

本発明をよりはっきりと理解できるよう、いくつかの実施例と図面を併用して詳しく説明する。図２ないし図４は、本発明の実施例１の鋳塊鋳造炉２を示したもので、前記鋳塊鋳造炉２は一つの炉体２２、一つのるつぼ２４、一つの絶縁かご２６、複数の加熱器２８および本発明の冷却装置３０から構成される。このうち、前記るつぼ２４は矩形を呈し、その底部には４つのコーナーがあり、前記るつぼ２４は複数のシードクリスタル３８および固体のシリコン原料４２を置くために使用され、しかも前記るつぼ２４は前記冷却装置３０の上に設置される。前記炉体２２、前記絶縁かご２６、前記加熱器２８は一般的な鋳塊鋳造炉１のものと同じであるため、ここでの説明は省略する。

本実施例において、前記冷却装置３０は一つの台座３２および前記台座３２上の複数の冷却槽３４から構成される。前記台座３２は前記るつぼ２４を載せるのに使用され、前記台座３２には一つの上面３２２があり、前記上面３２２は前記るつぼ２４の底面と接触し、前記複数の冷却槽３４は前記るつぼ２４の上面３２２が凹んで形成されたもので、しかもこれらの冷却槽３４は前記るつぼ２４底部の４つのコーナー区域とそれぞれ対応している。また、前記台座３２にはさらに２つの不活性ガスをはじめとした流体を通すための流路３２４があり、前記２つの流路３２４は斜め対角に位置する２つの冷却槽３４と前記台座３２の外部とそれぞれ接続する。具体的には、そのうち一つの前記流路３２４は一つの前記冷却槽３４の槽面と前記台座３２の底面を貫通し、別の前記流路３２４は前記台座の一つのガイド溝３２６の中に位置し、しかも前記ガイド溝３２６の溝面と前記台座３２の底面を貫通する。前記ガイド溝３２６の反対側は前記一つの冷却槽３４と接続する。前記台座３２の下方に一つの吸気管３６が設置され、前記吸気管３６は前記２つの通路３２４と連通し、前記台座３２への不活性ガス（例えばアルゴン）注入に用いられる。

また、前記台座３２上には一つの輪溝３２８が設置されており、前記輪溝３２８は前記台座３２の上面３２２の周りを取り巻き、しかも前記台座３２の上面３２２が凹んで形成されている。前記輪溝３２８はこれらの冷却槽３４と連通しており、これによりこれらの冷却槽３４が相互に相通することができる。前記輪溝３２８には２つの出口３２８ａがあり、前記出口３２８ａは前記台座３２の周面上にて形成され、しかも斜め対角に位置する２つの冷却槽３４と前記台座３２外部と接続する。

上記の鋳塊鋳造炉２を利用することで、図５に示す鋳塊の鋳造を行うことができる。前記方法は次のような手順から構成される。

まずこれらのシードクリスタル３８を前記るつぼ２４内の底部に置いて一つのシード層４０を形成させる。次に固体のシリコン原料４２を前記るつぼ２４の中に入れて前記シード層４０の上に積み上げる。

続く加熱段階では、前記るつぼ２４を加熱してシリコン原料４２および前記シード層４０の上面を溶化して液状にする。その際、前記絶縁かご２６を前記るつぼ２４に被せた後、これらの加熱器２８を制御して加熱させて、加熱温度および加熱時間を調整しながら、前記るつぼ２４内のシリコン原料４２を溶化していく。シリコン原料４２が溶化した後、一つの石英棒（図に未表示）を前記るつぼ２４の上面から液状に溶化したシリコン原料４２の中に挿し込み、前記るつぼ２４内部の残余固体シリコン原料４２の高さを測定する。

測定された固体シリコン原料４２の高さが見込み高さを下回った場合、前記吸気管３６より不活性ガスを注入する。注入された不活性ガスは、対応する２つの冷却槽３４から輪溝３２８を経由して別の２つの冷却槽３４に流出し、そして前記２つの出口３２８ａから前記台座３２の外へ流出する。これにより、流入した不活性ガスを利用して前記るつぼ２４底部の一部の熱エネルギーを排出して前記るつぼ２４底面の前記４つのコーナー区域の冷却を行い、前記シード層４０の底部を固体状に維持して加熱器２８から発生した熱エネルギーがコーナー区域に過度に集中してコーナー区域に位置するシード層４０が完全に溶化するのを防ぐことができる。ここで特筆すべきことは、前記輪溝３２８の不活性ガスを利用して前記るつぼ２４底面の周りを冷却したり、周りに位置するシード層４０の底部を固体状に保持したりすることもできる。

シリコン原料４２が全て溶化して液状となり、および前記シード層４０の上面が溶化し始めた後、前記絶縁かご２６を制御しながら徐々に上げていき、前記絶縁かご２６の開き具合を調整して内部の熱が開かれた隙間から排出させる。これによりるつぼ２４底部のシード層４０の温度が熔点温度以下まで下がって凝固して結晶する。前記絶縁かご２６が上昇するにつれ、前記るつぼ２４内のシリコン原料４２の固体/液体界面も前記るつぼ２４内のシリコン原料４２全てが凝固結晶するまで徐々に上昇していく。これにより凝固したシード層４０およびシリコン原料４２は一つの鋳塊となる。

発明者による実験によれば、前記冷却槽３４一つあたりの正投影範囲の面積は前記るつぼ２４底面面積の１６%以下となり、コーナー区域に対して優れた冷却効果を発揮しながらも中央部に位置するシード層４０上面の温度に影響を及ぼさないため、前記シード層４０の上面を均等に溶化し、バラつきのある溶化を防ぐことができる。

上記に示すように、固体のシリコン原料４２が溶化段階において、冷却装置３０を利用して前記るつぼ２４のコーナー区域を冷却することで、中央部に位置するシード層４０の温度に影響を与えることなくシード層４０の底部を固体状に維持することができる。これにより一般的な鋳塊鋳造炉１がるつぼコーナー区域において熱エネルギーの過度の集中によりコーナーのシードクリスタルが完全に溶化してしまうという欠陥を有効的な改善することができる。実際では、台座３２がるつぼ２４底部より大きく、しかも冷却槽３４のカバー範囲が前記るつぼ２４を超えて冷却槽３４が台座３２外部と直接接続できる場合を除いては、これらの出口３２８ａを設置する必要もなく不活性ガスをそのまま冷却槽３４とるつぼ２４の間を経由して台座３２の外に排出することができる。

図６と図７は、本発明の実施例２の冷却装置４４を示すもので、その構造は前記実施例１のものとほぼ同じで、相違点としては、実施例２の台座４６には輪溝がなく、しかも各冷却槽４８はそれぞれ一つの通路４６２および一つの出口４６４と接続される。前記各通路４６２から注入された不活性ガスは、前記各冷却槽４８を経由して前記各出口４６４から排出されるため、るつぼ２４のコーナー区域に対して同じような冷却効果を実現することができる。

図８と図９は、本発明の実施例３の冷却装置５０を示すもので、前記各実施例と異なり、前記台座５２上面５２２には複数の輪溝５２４があり、これらの輪溝５２４は一定の間隔を保ちながら前記台座５２上面５２２の周りを取り巻き、しかもこれらの輪溝５２４は互いに連通している。前記台座５２の上に２つの流路があり、そのうち一つの流路５２６は直接内輪に位置する輪溝５２４と連通し、別の通路５２６は一つのガイド溝５２８を介して内輪に位置する輪溝５２４と連通する。外輪に位置する輪溝５２４には前記台座５２の外部と連通する一つの出口５２４aがあり、これによりこれらの輪溝５２４は前記るつぼ２４の底部コーナー部と対応して冷却槽５４を構成する。前記２つの通路５２６より注入された不活性ガスは、内輪および外輪の輪溝５２４を順番に通って前記るつぼ２４底面の周りおよびコーナー区域の冷却を行う。

図１０は、本発明の実施例４の冷却装置５６を示すもので、上記の実施例１をベースとしており、前記台座３２の上にさらに一つの頂板５８が設置され、前記頂板５８は前記台座３２の上面３２２に結合され、かつ前記頂板５８は前記るつぼ２４の底面と接触する。これにより、これらの冷却槽３４は露出することなく前記冷却装置５６の内部に位置されるため、これらの通路３２４に冷却用の液体を流し、冷却槽３４を流れる液体を利用して冷却槽３４上方の頂板５８のコーナー区域を冷却し、これに対して前記台座３２上の出口３２８ａの場所には台座３２内部と連通すると２つの連結管６０が設置されている。前記２つの連結管６０は、前記２つの出口３２８ａから排出された液体を回収して、液体漏れを防ぐ目的で使用されている。前記頂板５８は前記るつぼ２４の底面と接触するため、るつぼ２４のコーナー区域を冷却する効果がある。実際では、上記の実施例２、実施例３における台座４６、５２にはいずれも本実施例の頂板５８および連結管６０が設置されており、冷却用の液体を通すことができる。

前記各実施例において、台座上の冷却槽は４つの例に変われるが、実際では、必要に応じて、るつぼ２４の要冷却コーナーに合わせて一つ或いは一つ以上の冷却槽を設置することもできる。

以上をまとめると、本発明の冷却装置は、るつぼ底部のコーナー区域を効率的に冷却し、鋳塊の鋳造過程におけるシリコン原料の溶化段階において、シード層の溶化のバラつきを防ぎ、コーナーのシードクリスタルが完全に溶化しないように保護し、全てのシードクリスタルでシーディングを行えるようにして、鋳塊の品質および使用長さを確保し、鋳塊をカットして出来上がった高品質のチップで太陽電池を製造することで、変換効率を高めることを可能にした。

上記各実施例はあくまでもいくつかの実施態様にすぎず、特許発明の技術的範囲を画するものではない。上記実施形態に種々の変更または改良を加えたものも、本発明の技術的範囲に含まれる。

２ … 鋳塊鋳造炉
２２ … 炉体
２４ … るつぼ
２６ … 絶縁かご
２８ … 加熱器
３０ … 冷却装置
３２ … 台座
３６ … 吸気管
３８ … シードクリスタル
４０ … シード層
４２ … シリコン原料

Claims (12)

1. 鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置であって、
   一つのるつぼと、
   前記るつぼの底部にある少なくとも一つのコーナーを備える。
   冷却装置は、るつぼの下方に位置し、一つの台座と、その台座に含まれる少なくとも一つの冷却槽を備え、前記冷却槽は前記るつぼ底部のコーナーと対応し、前記台座にはさらに少なくとも一つの流体を通すための流路を備え、前記流路は前記冷却槽と前記台座の外部と連通する前記冷却装置。
2. 前記少なくとも一つのコーナーの数は複数で、前記少なくとも一つの冷却槽の数も複数で、どの冷却槽もそれぞれ一つのコーナーと対応し、しかもこれらの冷却槽は一つの輪溝を介して互いに連通しており、前記流路はそのうち一つの冷却槽と連通し、前記輪溝は少なくとも一つの前記台座の外部と連通した出口を備えることを特徴とする請求項１に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
3. 前記少なくとも一つのコーナーの数は複数で、前記少なくとも一つの冷却槽の数も複数で、前記少なくとも一つの流路の数も複数で、どの冷却槽もそれぞれ一つのコーナーと対応し、しかも前記流路も対応する前記冷却槽とそれぞれ連通されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
4. 前記台座は前記台座の外部と対応の冷却槽と連通する複数の出口を備えることを特徴とする請求項３に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
5. 前記少なくとも一つのコーナーの数は複数で、前記台座は複数の輪溝を備え、これらの輪溝は一定の間隔を保ちながら前記台座上面の周りを取り巻き、しかもこれらの輪溝は互いに連通しており、少なくとも一つが前記流路と連通し、これらの輪溝が対応する前記るつぼ底部のコーナー部とともに冷却槽を構成することを特徴とする請求項１に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
6. 前記輪溝のうち、少なくとも一つは前記台座の外部と連通する少なくとも一つの出口を備えることを特徴とする請求項５に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
7. さらに一つの頂板を含み、前記頂板は前記台座の頂部と結合し、前記頂板は前記るつぼの底面と接触することを特徴とする請求項２，４あるいは６に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
8. 前記台座は前記冷却槽と前記台座の外部と連通する一つの出口と、台座の上面と結合し、しかも前記るつぼの底面と接触する一つの頂板を備えることを特徴とする請求項１に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
9. 前記冷却槽の正投影範囲の面積は前記るつぼの底面面積の１６％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋳塊鋳造炉に用いる冷却装置。
10. 以下のような手順が含まれる鋳塊の鋳造方法：
    複数のシードクリスタルを一つのるつぼ内側底部に入れて一つのシード層を形成させる；
    前記るつぼの底部は少なくとも一つのコーナーを備える；
    固体のシリコン原料を前記るつぼの中に入れて、前記シード層の上に積み上げる；
    前記るつぼを加熱してシリコン原料および前記シード層上面を溶化により液状にする。なお、加熱の過程において前記るつぼの底面の前記コーナー区域を冷却して前記シード層の底部を固体状に保持し、前記るつぼを加熱する過程において、前記るつぼ底面の冷却される前記コーナー区域の面積は前記るつぼ底面面積の１６％以下である；および
    前記るつぼを冷却し、前記シード層の上面から上のほうへ結晶を凝固して、全てのシリコン原料が結晶に凝固するまでこれを続ける；
    凝固した後のシード層およびシリコン原料は一つの鋳塊へと変わる。
11. 前記るつぼを加熱する過程において、前記るつぼ内部の固体のシリコン原料の高さを測定し、測定された高さが見込み高さを下回った場合、前記るつぼ底面の前記コーナー区域の冷却を開始することを特徴とする請求項１０に記載の鋳塊の鋳造方法。
12. 前記るつぼを加熱する過程にはさらに前記るつぼ底面の周りを冷却する過程が含まれることを特徴とする請求項１１に記載の鋳塊の鋳造方法。