JPH10194718A

JPH10194718A - 太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造方法

Info

Publication number: JPH10194718A
Application number: JP34998096A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 裕幸馬場; Naomichi Nakamura; 尚道中村; Masamichi Abe; 正道阿部; Yasuhiko Sakaguchi; 泰彦阪口; Yoshihide Kato; 嘉英加藤
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-28
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JP3852147B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、太陽電池用シリコン基板にしても、
結晶粒の方位が一方向に揃い、光電効率に優れたものに
なる太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造方法
を提供することを目的としている。【解決手段】高純度の溶融シリコンを鋳型に注入し、該
鋳型の底部から上方に向け一方向凝固させるに際し、上
記鋳型内の底面に、凝固時の種結晶となるよう単結晶シ
リコン基板を配置し、その上に溶融シリコンを注ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池用多結晶
シリコン・インゴットの製造方法に関し、詳しくは、太
陽電池の光電効率を高めるため、結晶粒の成長方向がそ
ろったインゴットになるよう、溶融シリコンを鋳型に注
入する技術である。

【０００２】

【従来の技術】現在、エネルギー源の多様化要求から、
太陽光発電が脚光を浴びているが、コストが高いため、
電力用としては一般に普及していない。また、太陽電池
用基板材料のほとんどはシリコンであるが、該シリコン
専用の製造プロセスが存在していないので、そのシリコ
ンの製造は、図３に示すように、半導体用シリコンの製
造プロセスで発生した高純度シリコンのスクラップある
いは単結晶引き上げの際に発生したスクラップに依存し
ている。なお、図３の高純度シリコンは、金属シリコン
を塩酸と反応させてトリクロロ・シランとしてガス化
し、該ガスを精留して不純物元素を除き、水素ガスと反
応させる所謂ＣＶＤ法でガスから析出させたものであ
る。

【０００３】この図３に示す方法では、化学的プロセス
におけるシリコンの精製、析出工程にコストと時間がか
かり、単結晶引上げや鋳造をしなければならないので、
手間がかかる上に、歩留が悪く、再溶解の設備、エネル
ギーも別途必要で、製造費用が嵩むという問題があっ
た。そのため、現在入手可能な太陽電池は高価なものと
なり、その一般的な普及の障害となっている。また、上
記のような化学プロセスが主体の金属シリコンの精製で
は、シラン、塩化物等の公害物質の多量発生が避けられ
ず、量産の障害になるという問題もあった。さらに、半
導体産業の活況に伴い、半導体に向けられる高純度シリ
コンの量が不足してきており、太陽電池用に向けられる
シリコンは、今後さらに少なくなると予想される。かか
る現状においては、太陽電池用に使用できるシリコン源
を、高純度シリコンよりさらに上流に位置する金属シリ
コンを主体にして、従来より一層安価に得るようにする
必要がある。

【０００４】そこで、本出願人は、上記のような化学プ
ロセスによる金属シリコンの高純度化を改め、先般（Ｐ
ＣＴ／ＪＰ９６／０２９６５で）、図４に示すような冶
金プロセスのみで、太陽電池に適した純度のシリコンを
多量に製造し、それを鋳造して一気にシリコン基板まで
にする方法を提案している。それは、珪石を炭材で還元
して得た金属シリコン（純度９８〜９９重量％Ｓｉ）を
出発原料とし、真空精錬によってＰ、Ａｌ，Ｃａ等の易
揮発性不純物元素を除去すると共に、溶湯を凝固精製し
て不純物金属元素（Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃａ）を粗く精
製する。そして、得られた鋳塊を再度溶解し、酸化精錬
でＢ，Ｃを除き、脱酸してから、一方向凝固で上記不純
物金属元素の仕上凝固精製した後、鋳塊の一部を切り捨
て、残部をスライスして太陽電池用シリコン基板を連続
的な流れ作業として生産するものである。かかる製造方
法によれば、太陽電池用シリコンを従来よりかなり安価
に量産できる目処が立っている。

【０００５】ところで、上記した化学プロセスや冶金プ
ロセスは、いずれも最終工程で溶融シリコンを鋳型に鋳
込みインゴットとし、それをスライスして基板にしてい
る。この基板を太陽電池とするには、通常、その表面を
弗酸や硝酸水溶液で処理してエッチングする。つまり、
表面を図５に示すような所謂ピラミッド構造１とし、入
射太陽光の光電効率を向上させるのである。このピラミ
ッド構造１は、結晶方位が一方向に揃った単結晶インゴ
ットからスライスした基板２では、容易に得られる。

【０００６】しかしながら、多結晶インゴットからの基
板３では、表面にある結晶粒４の方位がまちまちなの
で、エッチングにより凹凸が多方向に形成され、ピラミ
ッド構造１となり難い。特に、その傾向は、インゴット
下部から得た最初に凝固し結晶粒４の小さい基板に多
い。そのため、多結晶シリコン・インゴットの場合、単
結晶インゴットに比し、有効な基板としての歩留が低く
なり、コスト・アップの要因になる。これでは、太陽電
池用シリコンを量産し、その製造コストをより一層安価
にするという出願人の開発目標が達成できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
を鑑み、太陽電池用シリコン基板にしても、結晶粒の方
位が一方向に揃い、光電効率に優れたものになる太陽電
池用多結晶シリコン・インゴットの製造方法を提供する
ことを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、溶融シリコンの鋳造時に種基板を利用する
ことに着眼した研究を鋭意進め、それを具現化した。す
なわち、本発明は、高純度の溶融シリコンを鋳型に注入
し、該鋳型の底部から上方に向け一方向凝固させるに際
し、上記鋳型内の底面に、凝固時の種結晶となるよう単
結晶シリコン基板を配置し、その上に溶融シリコンを注
ぐことを特徴とする太陽電池用多結晶シリコン・インゴ
ットの製造方法である。

【０００９】また、本発明は、上記単結晶シリコン基板
を、その（１００）面が上方に向くようにしたことを特
徴とする太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造
方法である。さらに、本発明は、上記単結晶基板を、鋳
型底面と同形状、且つ同一面積としたことを特徴とする
太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造方法であ
る。

【００１０】本発明では、上記のような構成で太陽電池
用多結晶シリコン・インゴットを製造するようにしたの
で、該インゴットを形成する結晶粒の方位が一定にな
る。その結果、そのインゴットをスライスして得た基板
の表面を、弗酸あるいは硝酸でエッチッグすると、適切
なピラミッド構造の表面となり、該基板で製作した太陽
電池の光電効率は、従来の多結晶シリコン基板で製作し
たものよりも向上した。また、シリコン・インゴットか
らの有効な基板が増加したので、太陽電池用多結晶シリ
コン基板が従来より安価に製造できるようになった。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に係る太陽電池用
多結晶シリコン・インゴットの製造方法を実施している
状況を示す。それは、まず、図示していない大気を遮断
した小部屋に、内面にインゴットの付着を防止する離型
剤を塗布した水冷銅あるいは黒鉛製の鋳型５を配置す
る。そして、その中に凝固に際し種基板６となる単結晶
を置き、シリコン融点直下まで鋳型を予熱しておき、そ
の上に、ほぼ太陽電池用シリコンの純度までに精製され
た溶融シリコン（溶湯ともいう）７を取鍋８を介して注
ぐ。なお、該溶湯７の精製は、前記図４に示した冶金プ
ロセスにより行ない、脱ボロン、脱燐、脱酸、さらには
Ｆｅ，Ｔｉ等の不純物金属元素が粗く凝固精製されてい
る。また、小部屋内は、インゴットが空気で汚染されな
いように、アルゴン・ガス雰囲気とするのが好ましい。

【００１２】目標サイズのインゴットを形成する量の溶
湯７を注入したら、鋳型５の底部に配置した水冷ジャケ
ット９の冷却水量及び鋳型５の上方に配置した加熱源
（図示していないが、通常、電熱ヒータを使用）の出力
を設定し、底部から上方に向けて固液界面が一定速度で
ゆっくりと上昇するように凝固を開始する。特に、この
凝固は、インゴットを製造するだけでなく、溶湯７を太
陽電池用シリコンとして許容される純度に仕上精製する
役割も果たす。そのため、凝固は一方向凝固とし、凝固
速度（固液界面の移動速度）は、精製が効率良く行われ
る観点から予め定められている。凝固途中でのインゴ
ット１０の結晶成長状況を模式的に図２に示す。本発明
によれば、種結晶６にほぼ一致した結晶方位が上方に向
けて成長するので、どの高さで切断してもほぼ１００面
に近い結晶方位となる。この事実は、凝固完了後のイン
ゴット１０の縦断面観察で確認している。

【００１３】また、上記種結晶とする単結晶シリコン板
としては、（１００）面を有するものが好ましい。それ
は、インゴットをスライスして得たシリコン基板を太陽
電池とした際、最も光電効率が高くなるからである。さ
らに、上記種結晶とする単結晶シリコン基板は鋳型底面
と同一形状、且つ同一面積のものが好ましい。それは、
結晶の生長開始が全て単結晶基材から発生するためでイ
ンゴット中の結晶方位が最も高い比率でそろうからであ
る。

【００１４】

【実施例】前処理でほぼ太陽電池用シリコンの純度にし
た溶融シリコン５０ｋｇを、取鍋８に保持し、内寸が３
２０×３２０×Ｈ４００ｍｍの鋳型５に注入し、一方向
凝固させてインゴットを製造した。その際、鋳型５に予
め配置する種結晶６としての単結晶シリコン板には、そ
の面方位が種々のもの、及び１６０×１６０ｍｍの角型
単結晶基板を４枚ならべ３２０×３２０ｍｍとしたもの
を用意し、それぞれについてインゴット１０の製造を試
行した。また、種結晶６を用いない従来通りの製造も、
ほぼ同一条件で行った。表１に溶湯７の不純物量、表２
に溶湯温度、凝固速度等の条件を示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】凝固完了後の各インゴット１０を、その上
端から２０％の位置で切断し、その部分をスクラップと
して除いた。そして、残りの部分をワイヤ・ソーを用い
て厚み４５０μｍでスライスし、太陽電池用多結晶シリ
コン基板とし、その一部を分析試料及び太陽電池セル化
テスト用試料とした。ここで、太陽電池セル化テストと
は、該基板を弗化水素酸と硝酸の混合液につけて表面を
５０μｍ程度除去し、ピラミッド構造の形成を行い、そ
の後ｐｎ接合を形成して太陽電池セルを製作し、光電変
換効率を測定することである。表３に分析及び太陽電池
セル化・テストの結果を一括して示す。

【００１８】

【表３】

【００１９】表３より、本発明に係る方法を採用する
と、基板表面が適切なピラミッド構造１となるため、従
来法による場合に比し、いずれも高い光電変換効率を示
している。なかでも、（１００）面の結晶方位を有する
単結晶シリコン板を種結晶６とした場合に最も良い結果
が得られている。さらに、鋳型底部全面を種結晶とした
場合にはさらに変換効率を示した。また、不純物元素に
関しては、表１と比較してみれば明らかなように、いず
れの場合も良く仕上精製がされていた。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、光電
変換効率に優れた太陽電池用多結晶シリコン基板が安定
して製造できるようになった。その結果、基板の段階で
不合格としていた量が減り、太陽電池用シリコン基板の
生産性が向上すると共に、製造コストの低下も可能にな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る太陽電池用多結晶シリコン・イン
ゴットの製造方法を実施している状況を示す縦断面図で
ある。

【図２】凝固途中のインゴットの結晶成長を示す模式図
である。

【図３】従来の化学プロセスを主体とした太陽電池用シ
リコン基板の製造工程図である。

【図４】本出願人の提案した冶金プロセスによる太陽電
池用シリコン基板の製造工程図である。

【図５】シリコン基板の表面処理を説明する図である。

【符号の説明】

１ピラミッド構造２単結晶インゴットからスライスした基板３多結晶インゴットからスライスした基板４結晶粒５鋳型６種結晶７溶融シリコン（溶湯）８取鍋９水冷ジャケット１０インゴット１１結晶成長方向（凝固方向）１２結晶粒界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部正道千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者阪口泰彦千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者加藤嘉英千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高純度の溶融シリコンを鋳型に注入し、
該鋳型の底部から上方に向け一方向凝固させるに際し、上記鋳型内の底面に、凝固時の種結晶となるよう単結晶
シリコン基板を配置し、その上に溶融シリコンを注ぐこ
とを特徴とする太陽電池用多結晶シリコン・インゴット
の製造方法。
【請求項２】上記単結晶シリコン基板を、その（１０
０）面が上方に向くようにしたことを特徴とする請求項
１記載の太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造
方法。
【請求項３】上記単結晶シリコン基板の形状を鋳型底
面と同形、且つ同面積にすることを特徴とする請求項１
または２記載の太陽電池用多結晶シリコン・インゴット
の製造方法。