JP5935021B2 - シリコン結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池用シリコン結晶の製造方法に関し、さらに詳しくはシリコン結晶のなかでもＦＺ法単結晶を、太陽電池用として使用する目的に限定して行う太陽電池用ＦＺ単結晶シリコンの製造方法に関する。

シリコン太陽電池用基盤として使用されるＦＺ単結晶製造用原料としては通常シーメンス法多結晶シリコン棒が一般的に使用されている。
その為、安価な亜鉛還元法により製造される針状、樹枝状、コーラル状、塊状等の多結晶シリコンによりＦＺ単結晶製造用原料としてのシリコン棒を、安価に、より大量に、より少ない使用電力量で生産する技術が求められている。

四塩化珪素の亜鉛還元法により、一般に量産されるシリコン多結晶は原料となる四塩化珪素の精製に当たり、特にその精留段数、条件を選定する事により、製品多結晶中のライフタイムキラーとなる微量Ｆｅ、Ｎｉ系不純物を「−１１乗」オーダー以下に、安定して容易に制御することが可能である。

太陽電池用に特化したＦＺ単結晶シリコンを製造するにあたり、その原料となる棒状多結晶を、針状、樹枝状、コーラル状、塊状等の多結晶シリコンより、如何に短時間に均一な棒状に成型するかの基本技術が必要である。

太陽電池用ＦＺ単結晶製造にあたり、四塩化珪素の亜鉛還元法により一般に量産される多結晶シリコンは針状、樹枝状、コーラル状、塊状等の形状をしており、そのままではＦＺ単結晶製造の原料とはならないため、これを出来るだけ短時間に効率良く且つ量産的に棒状に、緻密に成型しなければならない。又それにより、溶融液接部よりのライフタイムキラーとなる不純物の混入を、現在一般的に用いられているＣＺ単結晶シリコンの二桁以下にすることが可能となる。

太陽電池用ＦＺ単結晶製造の原料となる棒状成型に当たり、出来るだけ可能な限り短時間に針状、樹枝状、コーラル状、塊状等の多結晶シリコンをシリコン棒に成型する為に、［図−１］に示す如く、シリコン融液中に差し込んだ石英チューブ、或いは高純度シリコンを含侵させたＳｉＣチューブ（内径１０ｍｍΦ〜３０ｍｍΦ）等により真空にて吸い上げ、且つその吸い上げ速度を真空度の調節により制御して、ＣＺ単結晶製造時の百分の一以下の液接時間に短縮する事が出来た。

吸い上げ管の液接部上部（≒１００ｍｍ〜２００ｍｍ）に熱線（ニクロム線ｅｔｃ）又は高周波コイルを設置し（１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）に出力調整をしつつ印加する事により吸い上げ管内での凝固時間を調節することが出来る。それにより緻密でクラック零のシーメンス法と同等のシリコン多結晶棒を生産する事が可能となった。
又、該凝固時間の調節は、経験に依るとその溶融坩堝径、キャスチング棒径により異なるが２０〜７０秒程度であり、このための吸い上げ管材よりのライフタイムキラーの浸透混入は無視出来た。

溶融シリコンを高速（＞１ｍｍ／Ｓｅｃ）ＣＺ引上げ法で１０〜３０ｍｍΦの緻密な多結晶棒を製造し、本発明目的のＦＺ単結晶製造用原料とすることも可能であるが、このための液接時間が本発明の１０倍以上を要し、この為にライフタイムキラー不純物の混入のチャンスが増加する。

ソーラー用ＦＺ単結晶シリコン製造の原料は、「特願２０１１−２６０９５４」で示した如く内径１０〜３０ｍｍφを適当とする棒状シリコン多結晶である。
通常の技術線上では、該原料用多結晶棒は、ソーラー用ＦＺ単結晶製造に適した急速ＣＺ単結晶棒（１０〜３０ｍｍφ）を使用することも出来る。
しかしながら、原子力発電、石油系火力発電と近い将来比肩出来る可能性の高い自然エネルギーの一つは太陽光発電で、しかも量的、コスト的に実現可能な技術を包含しているのはシリコン・バルク太陽電池であることは疑いもない事実である。

現在、半導体級高純度シリコンの代表的な製法、並びに製品は世界の約９５％を占めるシーメンス法多結晶シリコンである。
現在の純度は一般的には「１１−ｎｉｎｅ」と称され、高品質・量産性について他法の追随を許さぬ程その技術は工業的に確立されている。
しかしながら、前項で示したように近い将来具体的にシリコン・バルク太陽電池が大きく飛躍していくためには、もう一段原料面で幅広な供給の量的可能性と、一段のコスト改善の可能性が求められる。それが生産に拘わる電力原単位の更なる改善と四塩化珪素を原料として使用するという亜鉛還元法によるシリコン多結晶を基として展開されるシリコン・バルク太陽電池である。

これまで数年間世界的にも大きく進展してきた太陽電池の実に９０％がシリコン・バルク太陽電池であり、幸いこの間に大きく改善されたシリコン・バルク太陽電池はその光電変換効率（Ｐ／Ｎジュンクション、表面・裏面構造等）の飛躍的な改善により、その原料として遣われる多結晶が、一般的な表現で言えばその原料となるシリコン多結晶の純度が「６−ｎｉｎｅ」以上であれば充分であるとさえ言われ、ひたすら量の追求に走ってきた。
しかしながら更なる太陽電池による電力供給の期待が高まるにつれ、世界市場の要求は太陽電池そのもののエネルギー変換効率のアップが強く望まれるようになってきた。
例えば、現在のシリコン・バルク太陽電池の太陽光変換効率は商業ベース・モジュール基準で２１％が最高であり、今後２〜３年で２４％迄到達されようとしている。
この場合の多結晶純度は「６―ｎｉｎｅ」→「８−ｎｉｎｅ」と純度を上げるほど変換効率の上昇が技術的、工業的にも有利となるため、最早これまでの様な屑、格外品、再生シリコンと称されるようなロット均質性の欠けた原料の商品価値は著しく低下し、所謂バージンシリコンのみが太陽電池用シリコンとして、通用する時代に突入してきた。

「００１０」で記述した、これまでの世界標準とされてきたシーメンス法に代わり、その生産時の電力原単位、四塩化珪素等のコストが一段と低いとされる亜鉛還元法によるバージン多結晶に焦点を当てたもので、その純度は「８−ｎｉｎｅ」→「１０−ｎｉｎｅ」→「１１−ｎｉｎｅ」となり大量生産が可能なシリコン多結晶原料である。

しかしながら亜鉛還元法のシーメンス法に比べて唯一の欠点は、その製品の形状が針状、樹枝状、コーラル状、塊状等であり、そのままではＦＺ単結晶製造用原料とはならないことである。
本発明はこの原料をシーメンス法により製造された製品と同等の棒状多結晶シリコンとして、その工程におけるコンタミネーションを極小にし、且つ低コストで大量生産が可能であることを特徴としている。

これからの太陽電池は原子力、化石燃料系エネルギーとコスト上も太刀打ち出来るものでなければならず、その展開の道筋は既にシリコン・バルク太陽電池で確立されつつある。
光電変換効率２４％→２９％→３５％→４５％→６０％→７５％の過程は既に世の太陽電池関係の学者、技術者達により着々と進められつつあり、その本命はシリコン・バルクの基盤線上にある。
この場合２４％→２９％はＣＺ単結晶基盤線上での初加工並びに技術で達成される可能性が強いが、もし太陽電池用ＦＺ単結晶がＣＺ単結晶に近いコストで生産可能であれば、今後の太陽電池の光電変換効率の向上に大きく貢献し、恐らく本命となるはずである。

本法で作成されたＦＺ単結晶製造のチャージング多結晶棒原料は、キャスチング時の徐冷の為に設けられた電気加熱、又は高周波加熱制御に、一つの特徴があり、微妙な徐例制御を可能とし、クラックの無いシリコン・キャステイチング棒の効果的な製造を可能とする。

シリコン棒成型用炉 シリコン・キャステイチング炉

「図−２」に示す。

Claims (3)

1. 半導体グレードの透明石英又は不透明石英坩堝に、亜鉛還元法により作成された針状、樹枝状、コーラル状或いは塊状の高純度多結晶シリコンをチャージして、アルゴン又はヘリウム雰囲気中にて１４２０℃以上にて急速溶解し、その融液中に内径１０〜３０ｍｍφの坩堝と同材質のチューブを挿入しその先端より真空にて吸い上げることを特徴とするシリコン棒の製造方法。
2. 半導体グレードのシリコンカーバイド又は窒化シリコン製坩堝に亜鉛還元法により作成された針状、樹枝状、コーラル状或いは塊状の高純度多結晶シリコンをチャージして、アルゴン又はヘリウム雰囲気中にて１４２０℃以上にて急速溶解し、その融液中に内径１０〜３０ｍｍφの坩堝と同材質のチューブを挿入しその先端より真空にて吸い上げることを特徴とするシリコン棒の製造方法。
3. 溶融炉は連続チャージ構造として、高純度多結晶シリコン原料のチャージ、溶解及び吸い上げを一貫作業として行うシリコン棒の製造方法。