JPS61275119A - シリコンリボンの製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、太陽電池あるいは太陽電池以外の電子材料用
の多結晶シリコン基板等に用いられるリボン状シリコン
の製造法に関するものである。

〔従来の技術〕

シリコンを用いた太陽電池は、結晶型とアモルファス型
に大別される。結晶型太陽電池の基板には当初引上げ法
により製造した単結晶が使用されたが、最近では鋳造法
の採用によりコスト低減が計られている。しかし、この
鋳造法においても鋳塊を切断・研磨などの加工を施して
基板を製造する工程の歩留りが非常に低いという欠点が
あった。そこで、加工による歩留りロスを少なくするた
めリボン状のシリコンを製造することが盛んに研究され
、従来、数多くの方法が提案されてきた。

その中で製造速度が３０ｍ／秒という大きい利点を有す
る例として特開昭５５−１３６５４８では、第４図に示
すように単ロール１にノズル２から溶融シリコン４を吹
きつけシリコンリボン３を製造する方法が知られている
。しかしこの方法は、冷却速度が大きいため結晶粒径が
２０〜３０ＩＬｍと小さくなり、光から電気への変換効
率が低いという欠点がある。この方法のもう１つの欠点
は、溶融シリコンと製造したリボンの組成がほぼ同じで
あり、凝固に伴う精製効果が利用できないことである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、凝固時の精製効果を利用することができ、し
かも結晶粒径の大きなシリコンリボンの製造方法を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の技術手段は、円筒状
の回転冷却体の円筒面の一部を溶融シリコン中に浸漬し
、この回転冷却体を回転させながらその円筒面に生成す
るシリコン凝固殻を引出すことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は凝固による精製効果を有効に利用する方法とし
て、回転冷却体の一部を溶融シリコン中に浸漬して凝固
殻を生成する。公知のように、シリコンの凝固に伴う固
液平衡分配係数（ｋ）は、酸素を除く不純物元素につい
ては１より小さい。

特に１例えば鉄ではｋが８Ｘ１０−５であることかられ
かるように、金属元素のｋが非常に小さいために、溶融
シリコンが凝固する際に含有不純物は大部分溶融シリコ
ン側に排出される。この凝固に伴う精製効果を利用すれ
ば純度の良いシリコンリボンを得ることができる筈であ
るが、従来はこの精製効果は殆んど利用されていなかっ
た。

その理由を第４図の場合について説明する。この方法で
は、ロール表面側から凝固が進行するので、シリコンの
凝固殻のうちロールの表面側の純度は高くなるのである
が、その分、凝固殻のうち外側の方の純度が低くなり平
均的には原料となる溶融シリコンの純度とかわらない。

したがって第４図の方法では凝固に伴う精製効果が全く
利用できないのである。

これに対し本発明の方法においては、凝固に伴い不純物
がバルクの溶融シリコン中に排出されるのでシリコンリ
ボンの純度を高くすることができる。勿論、シリコンリ
ボンの引出しを続けるにつれて溶融シリコンバルク中に
不純物が蓄積され、溶融シリコンの純度が低下し、それ
につれてシリコンリボンの純度も低下する。この不都合
は、ある程度不純物が蓄積された時点で溶融シリコンを
精製することにより解決できる。

以上の理由により回転冷却体の一部を溶融シリコン融液
中に浸漬し、その円筒面に生成するシリコン凝固殻を引
き出す方法が有効である。

この際に、上記回転冷却体の円筒面の側面での凝固殻の
生成を防止することが重要である。これは、側面にも凝
固殻が生成すると、凝固殻が回転冷却体に拘束されるた
め、シリコンリボンに割れが生じたり極端な場合には切
断するのでこれを避けるためである。

５　回転冷却体の構造としては、熱伝導性のよい銅など
の板で円筒ドラムを構成し、その内部に水冷あ゛るいは
空冷等の冷却機構を設ける。この内部水冷金属体（円筒
ドラム）の外側を耐火物で覆う。

この回転冷却体の側面における凝固殻生成を防止するに
は、回転冷却体が側面で冷却されないような手段をとる
ことである。

回転冷却体の側面は、断熱性耐火物を使用するとか、耐
火物厚みを厚くするとか、内部水冷金属体と外部側面耐
火物との間に隙間を設ける等の他、側面を保温あるいは
加熱する機構を設けること等の構造により、側面凝固を
起こさせない構成とする。

回転冷却体に用いる耐火物としては、高温高強度材料と
して使用される窒化珪素や炭化珪素、窒化硼素などのセ
ラミックスが適している。特に窒化珪素セラミックスが
耐熱耐火物として最も適している。また、窒化硼素また
は窒化硼素を含有するセラミックスは、生成するシリコ
ン中に硼素が微量含有されるとＰ型太陽電池として有利
となる利点がある。

〔実施例〕

本発明の実施に好適に用いることのできる回転冷却体の
例を第２図に示す、外部耐火物６には窒化珪素セラミッ
クスを用い１円筒部の厚みを３ｍｍとした。この外部耐
火物６の円筒部を冷却するため銅製の内部水冷金属体７
を内蔵した。ただし、内部水冷金属体による外部耐火物
側面１１の冷却を防止するため５ｍｍの隙間８を設けた
。なお、回転冷却体の円筒部の長さを８ｃｍ。

直径を１０ｃｍとした。この回転冷却体の円筒部表面か
ら２．５　ｃ　ｍの位置までを溶融シリコンに浸漬し、
回転させながらシリコンリボンを製造する実験を行なっ
た。

製造したシリコンリボンの結晶粒径は、１００７１ｍ以
上あり、第４図に示した単ロール法の２０〜３０ＩＬｍ
に比べて著しく大きくなった。

また、シリコンリボン中の不純物濃度を原料シリコン融
液のそれより低くすることができた。

例えば、鉄の場合、濃度をシリコン融液の４７１０００
の低濃度にすることができた。

さらに、以上の実験における溶融シリコンの過熱度とシ
リコンリボン引上げ速度を変化させた場合の生成リボン
の割れの有無との関係を調べた結果を第３図に示した。

第３図は横軸に溶融シリコンの過熱度すなわち溶融シリ
コンの温度とシリコン融点との差をとり、縦軸にシリコ
ンリボン引上げ速度をとって、これらをパラメータとし
て割れのないリボンをＯ印、割れの生じたリボンをＸ印
でプロットした。同図に示されるように、溶融シリコン
過熱度をシリコンリボン引上げ速度によって決まる臨界
値（Ｃ曲線）より高い値にすることにより、シリコンリ
ボンの割れ発生を防止することができた。

この現象は次のように解釈される。第２図に示した回転
冷却体５の円筒面の１つの母線をＡとし母線Ａを通る円
筒側面の半径をＢとする。Ａ部が溶融シリコンの湯面か
ら離れて大気中に在る間にＢ部の温度は低下するので、
Ａ部が再び湯面に入る時、側面Ｂ部に凝固殻が生成され
る。溶融シリコンの過熱度が高くまたシリコンリボン引
上げ速度すなわち回転冷却速度が遅い場合には、Ａ部が
再び湯面を離れるまでの間に側面Ｂ部に生成した凝固殻
は再溶解する。このため、凝固殻が回転冷却体５に拘束
されることによるシリコンリボンの割れが発生しないと
考えられる。

以上、本発明のように溶融シリコンの過熱度をシリコン
リボンの引上げ速度によって決まる臨界値以上に保持す
ることにより、割れの無いシリコンリボンを製造するこ
とができる。なお、既に説明したようにこの臨界値は、
凝固殻の再溶解に関係している。一方、凝固殻の再溶解
は、回転冷却体の外部耐火物の材質、隙間８の値など回
転冷却体の材質、構造にも当然のことながら依存する。

したがって、この臨界値は、回転冷却体の材質、構造と
シリコンリボン引上げ速度に依存して定められる値であ
る。

〔発明の効果〕

本発明により割れ発生が無く、従って安定して太陽電池
用シリコン基板を製造することができる。また、本発明
により、従来の単ロール法に比べ結晶粒径を著しく大き
くすることができる。さらに、本発明によれば、凝固に
よる精製効果を利用し、シリコンリボンの純度を高める
ことができる。

本発明は、多結晶体として使用可能な太陽電池以外の電
子材料としてのシリコン基板の製造にも適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法を示す概念図、第２図は本発明の実施
に好適な回転冷却体の斜視図、第３図はシリコンリボン
の割れ防止条件を示すグラフ。 第４図は従来の単ロール法によるシリコンリボンの製造
方法の説明図である。 ｌ・・・単ロール、２・・・ノズル、３・・・シリコン
リボン、４・・・溶融シリコン、５・・・回転冷却体、
６・・・外部耐火物、７・・・内部水冷金属体、８・・
・隙間、９・・・支持軸、１０・・・冷却水給排水パイ
プ、１１・・・外部耐火物側面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌ　円筒状の回転冷却体の円筒面の一部を溶融シリコン
   中に浸漬し、該回転冷却体を回転させながら円筒面に生
   成するシリコン凝固殻を引き出すことを特徴とするシリ
   コンリボンの製造方法。