JPH04240192A - 太陽電池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導入された固体シリコ
ンが溶融ステーシヨンに熱を供給することにより徐々に
溶融され、そこから連続的にまたは段階的に解放され、
型に供給されかつ該型内で固化される太陽電池用基礎材
料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方法に、およ
びその方法を実施するための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】かかる方法はヨーロツパ特許出願第５５
，３１０号から知られている。この方法においてはまた
、溶融シリコンが不適切な縁領域を切離しかつより小さ
なブロツクに切断した後適切ならば円板にのこぎり成形
されかつその後さらに太陽電池を付与するように処理さ
れる多結晶ブロツクを付与するように鋳造（アメリカ合
衆国特許第４，３８２，８３８号明細書参照）される他
のこれまで公知の方法におけると同様に、型は常に完全
に溶融されたシリコンで充填されかつ実際の固化工程は
、別個の結晶化ステーシヨンへの伝送後適切ならば、そ
の場合にのみ初期化される。得られるブロツクについて
代表的なことは、多くの場合に、単結晶のほぼ垂直な配
列が中心においてのみ観察されることができる一方、縁
部領域の方向への方向付けは放物線状に水平に近づくと
いうことである。この結晶化特性の結果は、一方で、ク
リスタライト中に多数の結晶欠陥がありかつ他方で、ブ
ロツクの内部の残留不純物の上昇を導く都合の悪い分離
がある。しかしながら、これら両方の作用は少数のキヤ
リヤの拡散長さを短くしかつしたがつて最後に得られる
太陽電池の効率を減少する。

【０００３】太陽電池用基礎材料としてシリコンブロツ
クを鋳造する技術（例えば、ドイツ連邦共和国特許第２
，５０８，８０３号および対応するアメリカ合衆国特許
第４，３８２，８３８号参照）が始まって以来、目途は
それゆえ型底部からしっぱつするできるかぎり垂直なク
リスタライト成長が生じかつ型壁から出発するいわゆる
「縁部成長」ができるだけ抑制されるような方法におい
て型内に溶融シリコンの結晶体を配置することであつた
。型の側壁を経て熱フラツクスを非常に減少するかかる
方法は、しかしながら、型壁と溶融物との長い接触時間
を結果として生じ、それはブロツク材料の不純物の上昇
を導く。

【０００４】多くの公知の鋳造方法において達成される
他の試みられる解決は、それゆえ、縁部領域全体におけ
る、すなわち、とくに型の側壁からの溶融物の迅速な固
化を目途する（例えば、ドイツ連邦共和国公開特許明細
書第３，４２７，４６５号および対応するアメリカ合衆
国特許明細書第４，７６９，１０７号参照）。この場合
に、しかしながら、増大される縁部の成長は、試みが、
この成長をブロツクの内部において顕著に遅くするよう
に、追加の加熱手段によりなされるとしても、いずれの
場合にも受容されねばならない。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】上述した従来技術においては
、それぞれ上述したような不都合があつた。

【０００６】それゆえ、本発明の目的は、クリスタライ
トのほぼ垂直な方向付けによつて識別されかつ同時に、
僅かな縁部成長のみを示すシリコンブロツクが得られる
ことができる鋳造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的は、鋳造工程の
最初の工程において、固化および溶融シリコンの間の底
部領域に型断面にわたつて延在しかつ前記型の底部領域
を取り囲む加熱領域により安定化される結晶前面を発生
し、前記溶融ステーシヨンからの溶融シリコンの供給に
より前記鋳造工程のさらに他の過程において、前記型と
前記加熱領域との間の相対的運動により前記加熱領域内
に保持される前記結晶前面を上昇充填レベルに調整し、
そして前記溶融ステーシヨンへの熱供給により制御され
た、供給された溶融物の量を前記加熱領域へのエネルギ
供給に合わせることにより前記結晶前面に重畳された溶
融シリコンの溶融レベルを制御することからなる太陽電
池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方
法によつて達成される。

【０００８】この方法を実施するのに適する装置は、溶
融されるべきシリコンの連続的または周期的供給および
溶融シリコンの連続的解放を許容する加熱可能な溶融ス
テーシヨン、および該溶融ステーシヨンに接続された、
溶融シリコンを受容するのに適する型により充填される
ことができる少なくとも１つの結晶化ステーシヨンを含
み、該結晶化ステーシヨンが前記型を取り囲みかつその
高さが前記型の外径の０．１ないし０．５倍に対応する
加熱領域からなる前記型を加熱するための手段、および
前記加熱領域と前記型との間の垂直相対的運動を許容す
る手段を含んでいる。

【０００９】以下に本発明による方法をこれを実施する
のに適する装置の考え得る実施例ょ示す図面に基づきよ
り詳細に説明する。

【００１０】

【実施例】導入された固体シリコンが熱を供給すること
により徐々に溶融されかつ溶融された形状において連続
的に解放される溶融るつぼは当該技術に熟練した者には
公知でありかつ例えば、上述したヨーロツパ特許出願第
５５，３１０号またはドイツ連邦共和国特許第３，５３
１，６１０号または対応するアメリカ合衆国特許明細書
第４，８３４，３８２号に記載されている。類似に設計
された複数の溶融るつぼがまた本発明における溶融ステ
ーシヨンに使用されることができる。好都合な実施例が
図面に示される。実際の溶融ステーシヨン１はここでは
充填ステーシヨン２により先行される。この充填ステー
シヨン２に溶融されるべきシリコン３が、例えば、塊状
で、砂状でまたは粒状でシリコン容器４内に導入された
。さらに他の材料が、例えば、充填ロツク５を介して供
給されることができる。溶融ステーシヨンに要求される
材料の量に応じて、シリコンはその場合に適宜な搬送装
置６、例えば、振動チヤンネルまたは搬送ベルトによつ
て出口開口、例えば、充填ホツパ７に搬送されることが
できる。シリコンはこの充填ホツパ７を通って最後に充
填ステーシヨンを出てかつ実際の溶融ステーシヨン１に
通る。

【００１１】最後に、充填されたシリコンは溶融るつぼ
８に受容されかつ徐々に溶融させられる。必要な加熱エ
ネルギは、エネルギ供給が行われることができる溶融る
つぼヒータ９を介して、例えば温度外観が実験が示すよ
うに特定の精度により調整されることができる抵抗加熱
が設けられるならばリード線１０を介して供給される。 原則として、しかしながら、溶融るつぼの加熱はまた誘
導または放射加熱によつて行われることができる。供給
される加熱力により、溶融るつぼ中のシリコン片は徐々
に溶融し始め、その結果として溶融シリコンがるつぼの
底部に流れそして連続的にまたは周期的に、出口開口１
１を通って、規則通り約０．５ないし１５ｍｍかつ好ま
しくは１ないし１０ｍｍの直径の孔を通って流れ出るこ
とができる。加熱力を増大または減少することにより、
次いでシリコンり溶融量かつしたがつて流出する溶融物
の量または溶融工程の周期的な開始および減衰を制御す
ることができる。

【００１２】好都合には、溶融るつぼは、例えば、グラ
フアイト、グラフアイトフエルトまたは窒化珪素のごと
き熱絶縁材料から作られる追加の絶縁室１２の内部に置
かれ、この室は順次溶融ステーシヨンの実際のの外壁に
より取り囲まれる。この方法において、規則通り冷却さ
れる外壁を通るエネルギ損失は最小にされることができ
、そして供給される加熱力の変動がまた補正されること
ができる。

【００１３】本方法において、石英から作られる溶融る
つぼは、これらが、出発段階後、石英がその場合に破壊
の危険が僅かだけであるようにすでに可塑性である温度
範囲において運転されることができるので、適切と認め
られた。しかしながら、原則として、対応またはより大
きい範囲に溶融シリコンに対して実質上不活性である他
の材料、例えば炭化珪素または窒化珪素が使用されるこ
とができる。

【００１４】とくに、石英るつぼが使用されるならば、
変形に対してるつぼの底部を安定化するために、例えば
グラフアイト材料または窒化珪素から作られる追加のベ
ース１３を設けるのが好都合であることが見出された。 流出するシリコン用の通路開口１４は、規則どおり理想
的に垂直方向に流出されない溶融噴出物の壁接触を回避
するために、その場合に好都合には円錐状に広がるよう
に設計される。

【００１５】一方から他方へのかつ部分的なまたは完全
な分離を行う分離装置なしに溶融ステーシヨン１および
隣接すする結晶化ステーシヨン１５の直接遷移を原則と
して許容することができるけれども、好適な実施例は挿
入プレート１６を備え、該プレートによつて、とくに、
溶融ステーシヨンと結晶化ステーシヨンとの間のガス交
換が制限されるかまたは限界において、抑制される。こ
の方法において、例えば、ガス相を介して２つのステー
シヨン間の一酸化珪素または炭化珪素粒子のごとき不純
物の同伴は簡単な方法において防止されることができか
つ製品の純度はかくして改善される。

【００１６】溶融るつぼの出口開口１１の下にかつ適切
ならば、ベースの通路開口１４の下に、その内幅が好ま
しくは流動する溶融噴流の広がりより大きい好都合には
円錐状に広がる通路開口１７が、壁とのその接触を回避
するためにかつそれゆえ汚染の危険を減少するために、
挿入プレートに設けられる。

【００１７】処理状態下で不活性でかつ高い熱絶縁能力
を有する材料、例えば窒化珪素のごとき材料からなる挿
入プレートが設けられるならば、結晶化ステーシヨンに
おける温度条件で加熱する溶融るつぼの影響は小さく保
持されることができる。しかしながら、より高い熱伝導
性を有しかつ処理状態下で不活性の性質を示す材料、例
えば、グラフアイト材料または好ましく使用されるグラ
フアイト繊維材料、または、例えばモリブデンまたはタ
ンタルのごとき高い温度抵抗金属からなる挿入プレート
が使用されるならば、結晶化ステーシヨンの頂部からの
より多くの熱放射が得られることができ、それは結晶化
ステーシヨンに通るシリコンの自由表面の、固化の間中
の容積膨張のために恐れられる凍結の防止を促進する。 かくして、プレート材料の選択は結晶化ステーシヨンに
おける熱条件の最適化に寄与する。所望ならば、同様に
挿入プレート用の追加の加熱設備が設けられることがで
きる。

【００１８】結晶化ステーシヨン１５において、連続ま
たは段階が付けられた噴流として流れ込むシリコンは型
１８内に受容され、その内部は製造されるべはブロツク
の寸法にほぼ対応し、追加的に好都合に０．５ないし１
０ｍｍの厚さの縁部領域を設けるのが便利であり、縁部
領域にはまた不純物が集中することができかつ例えば、
ブロツクの寸法を予め定めた公称の大きさに適合させる
ために、取り出された後に完全なブロツクから分離され
ることができる。１００×１００ｍｍ２　の標準の大き
さの（正方形）太陽電池の場合において、２１０×２１
０から４３０×４３０ｍｍ２　の型断面積が適すること
が判った。本発明による方法は、有利な結晶性質のため
、公知の方法のブロツクより高いブロツクの製造を可能
にするので、２０ないし５０ｃｍの高さの型が使用され
ることができる。原則として、しかしながら、上方限界
が機械工学により付与され、その結果より大きな型の高
さが除外されない。

【００１９】好都合には、型壁は、例えば、石英、窒化
珪素または酸化ジルコンを基礎にした材料のごときシリ
コン耐セラミツク材料の被覆または塗膜を、少なくとも
溶融シリコンと接触する表面に有利に設けられる、例え
ばグラフアイトのごとき高い温度抵抗材料からなる。こ
の型の基板は原則としてまた、例えば、被覆アルミナと
同一方法において、型壁用の材料として適する。さらに
、スラグ装置がまた被覆または塗膜に使用されることが
できる。

【００２０】好都合には、型の内部は立法晶系ないし立
法形形状を有する一方、外壁は好ましくは筒状であるが
、ここでは再び、立法晶系ないし立法形または同様に、
例えば、六角形または八角形プリズムのごとき多角形状
は原則として除外されない。

【００２１】好都合には、型底部１９はキヤリヤプレー
ト２０上に直接載置せず、該キヤリヤプレート２０は回
転されかつ冷却されることができそして例えば、グラフ
アイト、炭化珪素または窒化珪素のごとき高い温度抵抗
不活性材料から作られることができるが、型底部１９は
このプレートから、例えば、グラフアイト、グラフアイ
ト化合物、窒化珪素またはアルミナから作られるスペー
サにより分離され、その結果加熱力の作用に利用できる
空間が型の下に形成される。キヤリヤプレート２０は回
転軸２２に接続され、この回転軸２２は昇降されること
ができかつ好都合には冷却ヘツド２４を有し、該冷却ヘ
ツド２４は冷却チヤンネル２３を介して大体水または蒸
気である冷却剤を供給されそして好都合には高さ調整可
能でありかつキヤリヤプレートとまたは好都合には、キ
ヤリヤプレートの適宜な開口によつて、型底部と直接接
触またはそれから引き離されることができる。この方法
において、二重の作用が、すなわち、一方で型底部の冷
却を増強することにより達成されることができ、他方で
、型は、必要ならば、鋳造工程の間中回転される結晶化
ステーシヨンの鋳造位置に動かされることができ、そし
て最後に結晶化ステーシヨンの外の搬送位置に戻される
ことができる。他の方法、例えば、不活性冷却ガスまた
は冷却ガス混合物、例えばアルゴンまたはヘリウムによ
る吹き付けのごとき方法が型底部を冷却するのに可能で
ある。

【００２２】本発明による方法を実施するのに要求され
る加熱領域は、好適な実施例によれば、型の横方向外壁
に面している結晶化ステーシヨンの内壁側に加熱壁２５
を取り付けることにより設けられることができ、加熱壁
の高さは、加熱領域が鋳造工程の間中それに沿って型に
対して動かされる長さに実質上対応する。加熱壁は、誘
導加熱材料、例えば、モリブデンまたはタンタルのごと
き金属、または好ましくはグラフアイトからなる。加熱
領域を発生するのに必要とされるエネルギは結晶化ステ
ーシヨンの外側を取り囲みかつ垂直に動かされることが
できる誘導加熱コイル２６を介して供給される。誘導加
熱コイルのかつまた最後に加熱領域の高さは０．１ない
し０．５倍、とくに０．２ないし０．４倍に対応し、型
の外径はここではとくに好都合であることが判った。

【００２３】外部への熱損失を最小にするために、結晶
化ステーシヨンの外壁は好都合には、例えばグラフアイ
トフエルトのごとき編まれた温度抵抗材料から例えば作
られる絶縁層２７により仕上げられる。

【００２４】加熱領域を作るための他の可能性は、例え
ば、型を取り囲む垂直にかどうな抵抗加熱の加熱リング
または加熱帯片を設けることである。さらに、放射ヒー
タの使用は原則として除外されない。この場合に、結晶
化ステーシヨンの領域の実際の受容器の壁は例えば、ス
テンレス鋼のごとき適宜に温度に抗する金属から作られ
ることができる。加熱領域が誘導方法によつて発生され
るならば、しかしながら、非結合材料がとくに適切であ
り、、石英、石英ガラスまたはガラスセラミツクがとく
にそれら自体証明した。

【００２５】型と加熱領域との間の相対的運動は、本実
施例におけるように、加熱領域を垂直に上方に動かすこ
とにより行われることができる。しかしながら、固定加
熱領域との型の下向運動または同様に型と加熱領域の合
体運動はまた除外されない。好ましくは、しかしながら
、運動は、溶融るつぼと型との間の溶融噴流の自由長を
最小にするために、加熱領域の並進により行われる。

【００２６】最後に、加熱領域は、型の内容物がシリコ
ンの溶融温度または固化温度を通過しかつシリコンで充
填するために設けられた型の内部を通って無端調整によ
り垂直に動かされることができる温度領域に対応する。 第１の近似として、加熱領域のかつそれゆえ温度領域の
有効高さは発生するヒータ装置の、すなわち、例えば、
誘導加熱コイル、加熱リングまたは加熱帯片の高さから
評価されることができる。

【００２７】好都合には、分配ステーシヨン２８は結晶
化ステーシヨンの下に配置されかつ例えば、フランジ装
置を介して、それに接続される。かかる垂直に構成され
た配置において、加熱領域と型との間の相対的運動は、
実験が示すように、とくに簡単方法において達成される
ことができる。しかしながら、原則として、分配ステー
シヨンが結晶化ステーシヨンの次に配置される水平に構
成された配置もまた可能であり、空のおよび充填された
型を導入するためのステーシヨンおよびそれを除去する
ためのステーシヨンがそれぞれ分配ステーシヨンの代わ
りに設けられる変形例もまた可能である。

【００２８】装置全体は制御された組成の作動大気が確
立されるのを許容するガス気密容器により取り囲まれ、
そして個々のステーシヨンは好都合にはロツクまたはス
ライドのごとき適宜なバリヤ要素により互いに分離され
ることができる。大体、容器はステンレス鋼から作られ
かつ二重壁で設計されるかまたは冷却チヤンネルを備え
、流動する冷却剤により冷却されることができる。しか
しながら、すでに述べられたように、例えば、石英、石
英ガラス等のごとき非結合材料が、加熱がエネルギ源、
例えば、容器の外部に配置された、誘導加熱コイルによ
つて誘導的に行われる領域の壁用材料として望ましい。

【００２９】図に示された好適な実施例は、例えば、入
口および出口ロツク開口２９を介して、配置されること
ができる空で設けられた型により、キヤリヤプレートと
ともに適切ならば、例えば搬送フオークによつて、負荷
および無負荷ステーシヨンニ下降された軸上で充填され
ることができる。アルゴンまたはヘリウム／ＡｚＣ大気
のごとき適切な作動大気が確立された後、かつ必要なら
ば、型は焼成され、一般に設けられるバリヤ要素が、分
配ステーシヨンと結晶化ステーシヨンとの間に例えば、
真空スライドが開放されることができる。型は、次いで
、これが鋳造位置に達するまで軸によつて結晶化ステー
シヨンに上方に移動されることがてき、鋳造位置におい
て型開口は溶融シリコンが鋳造過程の間中それから流れ
る通路開口にできるだけ近接して動かされる。

【００３０】好都合には、溶融るつぼはまた本方法のこ
の段階において、石英の可塑性領域に達するために、約
１１５０ないし１４００°Ｃ、好ましくは１２５０ない
し１３５０°Ｃの温度に予め加熱され、その結果、必要
ならば、固体の、好都合には塊状のシリコンの充填が即
座に開始される。

【００３１】型が鋳造位置に達したときまたはこの位置
に動かされる間、加熱領域の確立がまた開始されること
ができる。誘導加熱コイルは次いで好都合には発生され
る加熱力が、型の端部位置において、型とキヤリヤプレ
ートとの間の空間に実質上流れる位置にあり、その結果
とくに型底部が加熱される。温度は、例えば、熱電対ま
たは高温計によつて監視されることができ、好都合には
、型底部はシリコンの溶融点のすぐ上の温度に加熱され
る。

【００３２】有利には、溶融るつぼは型底部が約１２０
０ないし１３００°Ｃの温度に達したときシリコンです
でに充填されることができ、るつぼに作用する加熱力は
同時に増加されかつその温度はシリコンの溶融点（約１
４２０°Ｃ）以上の値に、好都合には約１４５０ないし
１６００°Ｃに上昇される。かくして充填されているシ
リコンは表面上で最初に溶融し始め、溶融材料は下方に
降下し、溶融るつぼの底部に集まりそして増大する溶融
処理量により大きさが徐々に成長しかつ最後に実質上安
定な流出量において安定化する噴流として出口開口を通
って流れる。

【００３３】流出したシリコンは型内に集められ溶融プ
ールとして完全に型底部を徐々に被覆する。型内の充填
レベルの上昇に応じて、加熱コイルは次いで徐々に上方
に移動され、その結果最後に、発生された加熱領域の最
も高い温度領域がほぼ溶融物の表面と同一高さである。 この段階において、型底部は本方法の開始に比して減じ
られた加熱力が供給されるので、僅かに冷却し始め、そ
してシリコンの結晶化が底部から開始することができる
。加熱力の実質的な部分は型の側壁を通って型内部に通
過し、溶融シリコンと固化シリコンとの間のほぼ水平な
、かつ幾らか平らな凸状の、結晶化前面がコイルパワー
を増加または減少することにより形成されかつ安定化さ
れることができる。結晶化前面の実質上平らな形状はこ
こでは好都合であることが判ったが、僅かに凹状または
凸状形状の方向への小さなずれは概してブロツク品質の
いかなる劣化も導かない。

【００３４】結晶化前面を発生しかつ安定化するこの初
期段階に、一方でさらに溶融シリコンが型内に連続して
または段階的に流れかつ他方で結晶化前面が充填レベル
の上昇により底部区域から離れて動き、そして理想的な
処理制御により、溶融物の表面と実質上同期して型内で
上方に移動する。最後に、これはは型内の意図された充
填レベルが達成されるまでのブロツクの連続的な帯状成
長を意味し、その結果溶融シリコンのさらに他の供給が
停止されることができ、そして固化された材料の上方に
溶融状態でまだ残っている領域が結晶化させられること
ができ、完全に固化したブロツクが得られる。

【００３５】かかる結晶化の過程を達成するために、結
晶化前面は加熱領域と型との間に、すでに述べられた、
相対的な運動により、加熱領域内に保持される。好都合
には、加熱領域はここでは、停止しているかまたはゆっ
くり回転している型により、上方に動かされ、この運動
は好都合には型内の溶融レベルの上昇と実質上同時に実
施される。すでに示されたように、同様に結晶化前面が
同一方法において上方に移動する限定の場合に理想的な
処理制御により可能である。

【００３６】鋳造段階のさらに他の過程における結晶化
前面および溶融表面の前進のかかる完全にまたは実質上
同期の結合は、しかしながら絶対に必要とは規定されな
い。認められることは、優れた品質のブロツクがまた溶
融レベルの変動がある場合に得られるということである
。好都合には、結晶化前面の上方に置かれたシリコンの
溶融レベルは２０ないし５０ｍｍの範囲に保持される。 制御は加熱領域の加熱力および溶融供給を制御する溶融
ステーシヨンの加熱力を介してかつ好都合にはこれら２
つの制御パラメータの相互作用によりり行われることが
できる。親指の結果として、多くの場合に、結晶化前面
が自由表面での溶融シリコンの温度が１４２５ないし１
４６０°Ｃの範囲にあるならば前記溶融レベルに対応す
る距離に配置されると言われることができる。加熱領域
内の温度外観はもちろんこの評価に考慮されねばならな
い。

【００３７】成長段階において、加熱領域を発生する加
熱装置、好ましくは加熱コイルは、結晶化前面が加熱領
域内に保持されるような方法において型内で充填レベル
の上昇に沿って動かされる。好都合には、最も高い温度
の領域は次いで結晶化前面以上にかつ固化シリコンの頂
部に横たわる溶融プール内またはそれ以上に配置される
。

【００３８】とくに好都合な方法において、加熱領域の
意図される位置が最後にそれから引き出される型内の溶
融レベルの高さは供給されるシリコンの量により発生さ
れる型の重量増加を介して決定されかつ制御されること
ができる。これは、例えば、軸２２に取り付けられるこ
とができる公知の重量センサによつて例えば行われるこ
とができる。型断面積に関連してととくに測定された重
量値は、出発値として型の空の重量から出発して、加熱
領域の適宜な位置がそれから順次引き出される一定の充
填レベルと関連付けられる。好都合には、これは制御ユ
ニツトにより行われることができ、この制御ユニツトに
溶融ステーシヨンおよび加熱ステーシヨン用のかつ型お
よび加熱領域との間の相対的運動用の、重量信号から結
果として生じる制御変数が各々プログラムされた。しか
しながら、原則として、方法制御はまた手により完全に
または少なくとも部分的に実施されることができる。

【００３９】本方法のとくに有効な精密な制御は追加的
に型内の温度条件が監視される場合に達成されることが
でき、そしてこれはより有効になされれば検出された値
から確立されることができる時間において結晶化前面の
位置をより正確にすることができる。加熱領域中の加熱
力を減少または増加することにより、固化量の加速また
は減速がその場合に達成されることができ、その結果結
晶化学前面は所望の公称範囲内により正確に保持される
ことができる。同時に、固化量の、ブロツク中の不純物
の集中に至る特別な変動における過度に広い変動はこの
方法において、精密な制御が、また温度監視によりとく
に急速に検出されることができる熱条件の変化に迅速に
反応することができるので、阻止されることができる。 温度は、例えば、高温計または熱電対を介して監視され
ることができ、原則として基準装置として型内容物およ
び型壁の両方を使用することができる。結果として生じ
る温度値は本方法の手動制御温度コンピユータ制御の両
方において追加のまたは管理制御パラメータとして利用
されることができる。

【００４０】変化に利用できる種々の工程パラメータに
より、また最後に維持されるかまたは予め設定された固
化量を変化するための広い範囲がありかつ４ｍｍ／分ま
での値が原則として可能であるけれども、０．１ないし
２．５ｍｍ／分の範囲の値が好都合であることが判った
。この量の範囲内で固化された材料が高い効率を達成す
るためにとくに重要である小さな充填キヤリヤの拡散長
さの優れた値を示すことが見出された。

【００４１】成長段階は型内への溶融供給が実質上連続
的に行われるような方法において配置されることができ
る。実際に、種々の段階において溶融物供給を実施し易
いことが判ったことは事実であり、その結果型内の溶融
物のレベルの結果として生じる増加はまた段階的に行わ
れかつ次いで中断された溶融物供給により、溶融レベル
の予め設定された限界まで、好都合には約１５ないし２
５ｍｍに、結晶化前面を移動しかつ次いで前に固定され
れた限界、大体約３０ないし５０ｍｍがここで再び達成
されるまで再び溶融物を流れさせる。しかしながら、実
験が示すように、得られる材料の品質が高ければ高いほ
ど、工程は益々短くなり、その結果最後にその方法は最
も好都合であり、ほぼ一定のレベルの溶融物が結晶化前
面の前に均一に前進させられる。重量増大および型温度
の値は監視および制御に著しく適する。

【００４２】意図されたブロツク高さが達成されたとき
、溶融ステーシヨンの加熱力はさらに他の溶融シリコン
が流れ出ない範囲に減少され、そして結晶化ステーシヨ
ンの固化過程が完了される。したがって、適切なららば
、熱応力の漸減に関して約３０ないし５００分の軽減段
階後、型とともに軸が分配ステーシヨンに下降されるこ
とができる。後者において、充填された型が軸から取り
外されかつ例えば、型が開放温度、大体約５００°Ｃ以
下に冷却される下流の冷却ステーシヨンに移動される。 一方、調製された新たな型が次いで充填のために結晶化
ステーシヨンに移動される軸上に配置されることができ
る。

【００４３】冷却された型から最終的に取り出されるブ
ロツクはさらに太陽電池を付与するために通常の方法に
おいてさらに処理されることができ、できるならば、型
は、これが過度に厳しい損傷により不可能でないならば
、処理後製造サイクルに再び戻されることができる。

【００４４】本発明による方法はかくして実質上平らな
結晶化前面および最適な固化量を維持しながら帯状固化
により多結晶シリコンブロツクの鋳造を許容する。ブロ
ツク内で、得られた材料は柱状の単結晶領域のほぼ垂直
な方向かつ同時に、とくに炭素または金属のごとき装置
による不純物のとくに低いレベルを示す。同様に、公知
の鋳造方法により得られた太陽電池ベース材料に比して
、単結晶るつぼで引き出された材料の代表的なキヤリヤ
に達する小さい充填キヤリヤの拡散長さに関する著しく
高い値により識別される。かくして、これまで高いコス
トでのみかまたはそうではなしに達成することができた
効率を有する太陽電池がこの鋳造材料から製造されるこ
とができる。

【００４５】以下に、本発明を例示を参照してより詳細
に説明する。

【００４６】図１と同様に構成された装置において、充
填ステーシヨンのシリコン容器は塊状の多結晶シリコン
（平均粒子の大きさ３０ｍｍ）の約２５ｋｇの量で充填
された。振動チヤンネルを介して、約２．５ｋｇのこの
材料の出発充填が次いで溶融ステーシヨンの石英溶融る
つぼ（高さ約２０ｃｍ、直径約２０ｃｍ、出口開口の直
径約８ｍｍ）に充填され、るつぼは取り囲んでいる抵抗
ヒータシリンダにより約１３５０°Ｃに予め加熱された
。

【００４７】同時に、グラフアイト型（高さ約２５ｍｍ
、外径約３２ｃｍ、内部断面積２１×２１ｃｍ２　）が
排気された、アルゴン浄化分配ステーシヨンから結晶化
ステーシヨンにその開口が挿入プレートのすぐ下に配置
されるまで移動された。すでにこの工程の間中、加熱エ
ネルギは、結晶化ステーシヨンの下方端において基部位
置に配置された誘導加熱コイル（直径約５０ｃｍ、高さ
約１０ｃｍ、材料として銅）を介して型を取り囲んでい
るグラフアイト加熱壁に結合され、その結果型壁はこの
ようにして発生された加熱領域を通って移動するときに
同時に焼成された。最後に、型底部とキヤリヤプレート
との間のグラフアイトスペーサロツドにより形成された
キヤビテイが、そのレベルが第１近似として、それを発
生する加熱コイルのレベルにより予め定められた加熱領
域のレベルに配置された。

【００４８】コイルパワーおよび溶融パワーの両方が溶
融るつぼから単に小滴状で最初に出ている溶融シリコン
がほぼ連続的な噴流において型内に流れ始めるまで増大
した。型重量の増加が約２ｃｍの溶融レベルが達成され
たことを示すとすぐに、溶融ステーシヨンの加熱パワー
が僅かに減少され、その結果溶融噴流が少し弱くなつた
。

【００４９】同時に、加熱コイルは加熱コイル内の最大
温度の領域が型底部の内側表面のレベルにあるまで移動
された。コイルの加熱力は次いで溶融表面の温度が約１
４３０ないし１４４０°Ｃの範囲にあるように調整され
た。したがつて、不変の加熱力により、コイルは次いで
さらに最大温度の領域（その位置が実質上コイルの中心
を通る断面平面に対応する）が溶融表面の僅かに上方に
なるまで徐々に移動された。この工程の間中、シリコン
は溶融シリコンがその上に重畳される固化シリコンから
なる実質上平らな層が形成されるまで型底部から固化し
始めた。かくして、適切な、実質上平らな結晶化前面が
安定化された。

【００５０】それに続いて、成長工程において、溶融ス
テーシヨンの加熱力は一方で、そのなかに導入されたシ
リコンの量が徐々に溶融されかつ段階的な噴流として型
内に流れるように調整され、シリコンは容器から周期的
に充填された。溶融重量の増加は平均で約０．２ｍｍ／
分だけの溶融上昇に対応し、加熱コイルかつしたがつて
加熱領域は約０．２ｍｍ／分の量で上方に移動され、そ
れはシリコンの固化量に関してほぼ同一の値を結果とし
て生じた。全体の手順の間中、方法パラメータの調整に
より、結晶化前面の前で型内で促進された溶融プールの
溶融レベルを約２０ｍｍで実質上安定に維持することが
できた。

【００５１】鋳造手順はこの方法において継続されかつ
型内のブロツクの高さが着実に増大された。約１５ｃｍ
のブロツク高さで出発して、鋳造方法全体を通して回転
される（約１０ｒｐｍ）軸の水冷冷却ヘツドは、放射に
よる熱除去を促進するために、型底部に上昇された。

【００５２】型の溶融レベルがブロツクの高さの意図さ
れた値（約２３ｃｍ）に達したとき、溶融ステーシヨン
の加熱力は減少されかつ溶融噴流が停止された。誘導加
熱コイルの運動はブロツクの上方端での溶融レベルが減
少し続けるまで加熱力の同時の漸減により継続され、そ
して結局ブロツクは完全に結晶化された。

【００５３】ブロツクの温度がその間に約５００°Ｃに
減じられた約４時間の焼き戻し工程の終了後、軸は連続
的な回転により下降され、そして溶融物は結晶化ステー
シヨンから分配ステーシヨンに下降された。同時に、加
熱コイルは開始位置に戻された。

【００５４】搬送フオークにより、型は次いで、軸回転
の停止後、ブロツクが室温に冷却することができる冷却
ステーシヨンに移動された。それによりさらに他の鋳造
工程が同様な方法において実施されることがてきる型を
有する新たなキヤリヤプレートが軸上に配置された。

【００５５】シリコンブロツクは冷却された型から除去
されかつ最後に意図された寸法の、すなわち、１０×１
０ｃｍ２　の断面積および２０ｃｍのブロツク高さの４
つのブロツクが利用できるような方法において外部の分
離のこぎりによつて切断された。

【００５６】すべてのブロツクはそれらの柱状構造の単
結晶領域のほぼ垂直な配列を示した。材料の固有抵抗は
１．５Ωｃｍであることが認められ、かつかくしてるつ
ぼ引き出し材料の代表的な値の範囲内であつた。１９８
７年のソリツド・ステート・エレクトロニクス、第３０
巻、第２号、１９５ないし２０３ページに発表されたジ
エー・エム・ボレゴ等による論文「マイクロウエーブ反
射によるシリコンウエーハの非破壊寿命測定」に記載さ
れた方法により決定された、小さい充填キヤリヤの拡散
長さは約１７０μｍであつた。かくしてそれはるつぼ引
き出し単結晶材料の代表的な２００μｍの値に達しかつ
従来の鋳造方法により得られた材料のｑ代表的な約１１
０μｍの値より非常に上であった。小さな充填キヤリヤ
の寿命値は１０μｓｅｃのすぐ上の範囲かつしたがつて
製品から作られた太陽電池に期待されるような優れた効
率を許容する範囲であつた。

【００５７】チエツクのために、太陽電池は得られた多
結晶シリコンから従来の標準の方法により作られかつそ
れらの効率が決定された。対比すると、同一の標準方法
により作られかつ使用された基礎材料が従来の鋳造方法
により得られた多結晶シリコンであつた太陽電池の効率
は平均で１３％であった。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導入された固体シリコンが溶融ステーシヨンに熱を供給
することにより徐々に溶融され、そこから連続的にまた
は段階的に解放され、型に供給されかつ該型内で固化さ
れる太陽電池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツ
クの鋳造方法において、鋳造工程の最初の工程において
、固化および溶融シリコンの間の底部領域に型断面にわ
たつて延在しかつ前記型の底部領域を取り囲む加熱領域
により安定化される結晶前面を発生し、前記溶融ステー
シヨンからの溶融シリコンの供給により前記鋳造工程の
さらに他の過程において、前記型と前記加熱領域との間
の相対的運動により前記加熱領域内に保持される前記結
晶前面を上昇充填レベルに調整し、そして前記溶融ステ
ーシヨンへの熱供給により制御された、供給された溶融
物の量を前記加熱領域へのエネルギ供給に合わせること
により前記結晶前面に重畳された溶融シリコンの溶融レ
ベルを制御することからなるので、結晶化前面の平らな
形状のために、ブロツク内の柱状単結晶領域がほぼ垂直
に延在しかつ小さな充填キヤリヤの高い拡散長さおよび
寿命を有する優れた太陽電池基礎材料を呈する多結晶シ
リコンブロツクが得られることができる太陽電池用基礎
材料としていの多結晶シリコンブロツクの鋳造方法を提
供することができる。

【００５９】以下、本発明の好適な実施態様を例示する
。１．　　前記結晶前面は実質上平らなレベルにおいて
安定化されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電
池用基礎材料としていの多結晶シリコンブロツクの鋳造
方法。

【００６０】２．　　前記結晶前面上に重畳された溶融
シリコンの溶融高さは２０ないし５０ｍｍの範囲内に保
持されることを特徴とする請求項１または前項１に記載
の太陽電池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツク
の鋳造方法。

【００６１】３．　　前記型の充填レベルはその重量の
上昇により監視されることを特徴とする請求項１、また
は前項１〜２のいずれか１項に記載の太陽電池用基礎材
料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方法。

【００６２】４．　　前記加熱領域の高さは型の直径の
０．１ないし０．５倍に対応することを特徴とする請求
項１、または前項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電
池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方
法。

【００６３】５．　　固化は４ｍｍ／分までの量で行わ
れることを特徴とする請求項１、または前項１〜４のい
ずれか１項に記載の太陽電池用基礎材料としての多結晶
シリコンブロツクの鋳造方法。

【００６４】６．　　前記加熱領域は前記型を筒状に取
り囲みかつ誘導加熱材料からなる壁、および該壁を取り
囲みかつその高さが前記型の外径の０．１ないし０．５
倍に対応する垂直に可動な誘導加熱コイルによつて作ら
れることを特徴とする請求項２に記載の装置。

【００６５】７．　　必要ならば加熱可能な、前記溶融
および結晶化ステーシヨンとの間に挿入されかつ溶融シ
リコン用通路開口を備えるプレートからなることを特徴
とする請求項２または前項６に記載の装置。

【００６６】８．　　溶融シリコンの入力により発生さ
れる前記型の重量増加を検出する重量センサ、および前
記溶融ステーシヨンおよび前記加熱領域の加熱用のおよ
び前記型と前記加熱領域との間の相対的運動用の制御パ
ラメータが重量信号から引き出される制御ユニツトから
なることを特徴とする請求項２、または前項６〜７のい
ずれか１項に記載の装置。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方法を実施するのに適する装置の
考え得る実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　溶融ステーシヨン ２　　充填ステーシヨン ３　　シリコン ４　　シリコン容器 ８　　溶融るつぼ ９　　ヒータ １５　　結晶化ステーシヨン １６　　挿入プレート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　導入された固体シリコンが溶融ステー
   シヨンに熱を供給することにより徐々に溶融され、そこ
   から連続的にまたは段階的に解放され、型に供給されか
   つ該型内で固化される太陽電池用基礎材料としての多結
   晶シリコンブロツクの鋳造方法において、鋳造工程の最
   初の工程において、固化および溶融シリコンの間の底部
   領域に型断面にわたつて延在しかつ前記型の底部領域を
   取り囲む加熱領域により安定化される結晶前面を発生し
   、前記溶融ステーシヨンからの溶融シリコンの供給によ
   り前記鋳造工程のさらに他の過程において、前記型と前
   記加熱領域との間の相対的運動により前記加熱領域内に
   保持される前記結晶前面を上昇充填レベルに調整し、そ
   して前記溶融ステーシヨンへの熱供給により制御された
   、供給された溶融物の量を前記加熱領域へのエネルギ供
   給に合わせることにより前記結晶前面に重畳された溶融
   シリコンの溶融レベルを制御することからなることを特
   徴とする太陽電池用基礎材料としての多結晶シリコンブ
   ロツクの鋳造方法。
2. 【請求項２】　　溶融されるべきシリコンの連続的また
   は周期的供給および溶融シリコンの連続的解放を許容す
   る加熱可能な溶融ステーシヨン、および該溶融ステーシ
   ヨンに接続された、溶融シリコンを受容するのに適する
   型により充填されることができる少なくとも１つの結晶
   化ステーシヨンを含み、該結晶化ステーシヨンが前記型
   を取り囲みかつその高さが前記型の外径の０．１ないし
   ０．５倍に対応する加熱領域からなる前記型を加熱する
   ための手段、および前記加熱領域と前記型との間の垂直
   相対的運動を許容する手段を含むことを特徴とする請求
   項１、または１項〜５項のいずれか１項に記載の太陽電
   池用基礎材料としての多結晶シリコンブロツクの鋳造方
   法を実施するための装置。