JP2010269943A - Silicon polycrystalline ingot and silicon polycrystalline wafer - Google Patents
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Abstract
【課題】従来、結晶成長の初期段階でランダムな面方位を有する多数の結晶粒が制御されずに形成され、それらの結晶粒の接触により形成される結晶粒界の分布もランダムであるため、結晶欠陥がランダム粒界から発生してしまい、高品質な結晶が得られなかった。これに対し、転位や亜粒界などの結晶欠陥の少ない高品質なシリコン多結晶インゴットおよびシリコン多結晶ウェハーを提供する。
【解決手段】インゴットの底部または表面付近に{110}近傍または{112}近傍上面方位を有する複数のデンドライト結晶を含み、隣り合うデンドライト結晶の主鎖成長方向の相対方位角度が0〜45°もしくは135〜180°に制御されている。
【選択図】図１
Conventionally, a large number of crystal grains having random plane orientations are formed uncontrolled in the initial stage of crystal growth, and the distribution of crystal grain boundaries formed by contact of these crystal grains is also random. Crystal defects occurred from random grain boundaries, and high quality crystals could not be obtained. On the other hand, a high-quality silicon polycrystalline ingot and a silicon polycrystalline wafer with few crystal defects such as dislocations and subgrain boundaries are provided.
The ingot includes a plurality of dendrite crystals having a top surface orientation in the vicinity of {110} or in the vicinity of {112} near the bottom or surface of the ingot, and the relative orientation angle in the main chain growth direction of adjacent dendrite crystals is 0 to 45 ° or It is controlled to 135 ~ 180 °.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、高効率太陽電池の作製に必要な高品質のシリコン多結晶インゴットおよびシリコン多結晶ウェハーに関するものである。 The present invention relates to a high-quality silicon polycrystalline ingot and a silicon polycrystalline wafer necessary for producing a high-efficiency solar cell.
太陽光発電は、化石燃料を消費せず、発電時に温室効果ガスを排出しないクリーンな発電技術として、急速に普及が進んでいる。太陽光発電を地球規模で本格的に普及させるためには、発電コストを低減することにより、既存の商用電力に対する競争力を高めることが必要である。中でも、太陽光発電の基幹デバイスである太陽電池のエネルギー変換効率を向上させることは、発電コストの低減に対して最も効果的であり、太陽電池の高効率化が希求されている。 Solar power generation is rapidly spreading as a clean power generation technology that does not consume fossil fuels and does not emit greenhouse gases during power generation. In order to spread solar power generation on a global scale, it is necessary to increase the competitiveness of existing commercial power by reducing power generation costs. Among these, improving the energy conversion efficiency of a solar cell, which is a basic device for solar power generation, is most effective for reducing the power generation cost, and high efficiency of the solar cell is demanded.
現在、多様な材料を利用した太陽電池が市場に投入されているが、実用太陽電池の大半は、シリコンバルク結晶を用いた太陽電池である。シリコンバルク結晶は、単結晶と多結晶とに大別することができるが、シリコンバルク多結晶太陽電池の市場占有率が圧倒的に高い。太陽電池の高効率化により、太陽光発電技術を地球規模で普及させるには、安全で環境にやさしいシリコン資源を用いて、高効率太陽電池の実現を可能とする高品質シリコンバルク多結晶インゴットの開発が必要である。 Currently, solar cells using various materials are put on the market, but most of the practical solar cells are solar cells using silicon bulk crystals. Silicon bulk crystals can be broadly classified into single crystals and polycrystals, but the market share of silicon bulk polycrystalline solar cells is overwhelmingly high. In order to spread solar power generation technology on a global scale by increasing the efficiency of solar cells, a high-quality silicon bulk polycrystalline ingot that can realize high-efficiency solar cells using safe and environmentally friendly silicon resources. Development is necessary.
現在、国内外において、太陽電池用シリコンバルク多結晶インゴットを製造するための実用手法として、ルツボ内に入れたシリコン融液を用いて、ルツボ内でルツボ底部から上方に一方向成長させるキャスト法が用いられている。太陽電池は、キャスト法により製造したシリコンバルク多結晶インゴットから、薄板形状のシリコンバルク多結晶ウェハーを切り出し、太陽光を効率よく利用するための表面テクスチュア形成、pn接合形成のためのドーパントの拡散、表面反射を抑制するための反射防止膜形成、電極のスクリーン印刷などのプロセスにより作製される。 At present, in Japan and overseas, as a practical method for producing silicon bulk polycrystalline ingots for solar cells, there is a casting method in which a silicon melt placed in a crucible is used to grow in one direction upward from the bottom of the crucible in the crucible. It is used. A solar cell cuts out a thin plate-shaped silicon bulk polycrystalline wafer from a silicon bulk polycrystalline ingot manufactured by a casting method, forms a surface texture for efficient use of sunlight, and diffuses a dopant for forming a pn junction, It is produced by processes such as formation of an antireflection film for suppressing surface reflection and screen printing of electrodes.
通常のキャスト成長法で成長したシリコンバルク多結晶では、成長の初期段階で、ルツボ底部における不均一核形成により多数の小さい結晶粒が形成され、それらの結晶粒の面方位は、特殊な制御を用いない限りランダムに分布している。よって、複数の結晶粒が接触することにより形成される結晶粒界も、ランダム粒界である割合が高い。結晶粒の面方位がランダムであると、表面テクスチュアを均質に作ることが困難であるため、太陽電池表面での反射率が高くなり、太陽電池の変換効率を低下させる要因となる。 In bulk silicon polycrystals grown by the usual cast growth method, many small grains are formed by heterogeneous nucleation at the bottom of the crucible at the initial stage of growth, and the plane orientation of these grains is controlled specially. It is randomly distributed unless used. Therefore, the proportion of crystal grain boundaries formed by contact of a plurality of crystal grains is also a random grain boundary. If the plane orientation of the crystal grains is random, it is difficult to make a uniform surface texture, so that the reflectance on the surface of the solar cell is increased, which causes a reduction in the conversion efficiency of the solar cell.
また、ランダム粒界は、光励起により形成されたキャリアの再結合中心となるため、光電流を低下させることにより、太陽電池の変換効率を低下させる。更に、本発明者らの研究により、結晶成長の初期段階でランダム粒界が形成されると、その後の一方向成長過程において、ランダム粒界から転位が発生し、発生した転位が配列することにより亜粒界を形成することが明らかとなった（例えば、非特許文献１参照）。亜粒界のキャリア再結合速度は、ランダム粒界と同等に大きく、太陽電池の特性を著しく低下させる（例えば、非特許文献２参照）。特に、ランダム粒界から発生する亜粒界は、インゴット全体の結晶品質に影響を及ぼす。 Moreover, since the random grain boundary serves as a recombination center of carriers formed by photoexcitation, the conversion efficiency of the solar cell is reduced by reducing the photocurrent. Furthermore, when random grain boundaries are formed in the initial stage of crystal growth according to the study by the present inventors, dislocations are generated from random grain boundaries in the subsequent unidirectional growth process, and the generated dislocations are arranged. It has been clarified that subgrain boundaries are formed (for example, see Non-Patent Document 1). The carrier recombination rate at the sub-grain boundary is as large as that at the random grain boundary, and the characteristics of the solar cell are remarkably deteriorated (for example, see Non-Patent Document 2). In particular, subgrain boundaries generated from random grain boundaries affect the crystal quality of the entire ingot.
このように、通常のキャスト法で製造されるインゴットは、結晶成長の初期段階における核形成、結晶粒界の形成が制御されていないため、成長初期に形成されるランダム粒界から発生する亜粒界の影響がインゴット全体に及び、高品質なインゴットではない。 In this way, ingots produced by the normal casting method are not controlled for nucleation and grain boundary formation in the initial stage of crystal growth, so sub-grains generated from random grain boundaries formed in the early stage of growth. The influence of the world covers the entire ingot and is not a high quality ingot.
結晶粒方位を揃えたインゴットを製造する公知技術として、ルツボ底面にシリコン単結晶を配置し、その上にシリコン融液を注ぐことにより、単結晶の面方位を引き継いで成長させて、方位を揃える方法がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、高価なシリコンバルク単結晶を種結晶として利用するため、製造コストの観点から実用的ではない。また、転位などの結晶欠陥密度を低下させることはできない。 As a well-known technique for producing ingots with aligned crystal grain orientations, a silicon single crystal is placed on the bottom of the crucible, and a silicon melt is poured onto it to grow by inheriting the plane orientation of the single crystal to align the orientation. There exists a method (for example, refer patent document 1). However, this method is not practical from the viewpoint of manufacturing cost because an expensive silicon bulk single crystal is used as a seed crystal. In addition, the density of crystal defects such as dislocations cannot be reduced.
他の結晶粒方位を揃えたインゴットを製造する公知技術として、シリコン融液を入れたルツボ底面で、結晶成長の初期段階において、成長方位の揃ったデンドライト結晶を発現させ、そのデンドライト結晶の上面を種結晶として、ルツボ内でシリコンを一方向成長させることによりシリコンバルク多結晶インゴットを製造する方法がある（例えば、特許文献２参照）。また、ルツボを用いたシリコンバルク多結晶の融液成長において、シリコン融液にゲルマニウムを添加し、成長初期にルツボ底面に沿って＜１１２＞方向に伸びるデンドライト結晶を発現させ、デンドライト結晶の上面を｛１１０｝面とした後、そのデンドライト結晶の上面にシリコンバルク多結晶を成長させることにより、結晶粒の方位を｛１１０｝のみに方位を揃えることのできるシリコンバルク多結晶の作製方法も開示されている（例えば、特許文献３参照）。 As a known technique for producing other ingots having the same crystal grain orientation, a dendrite crystal having a uniform growth orientation is expressed at the bottom of the crucible bottom containing a silicon melt, and the upper surface of the dendrite crystal is formed. As a seed crystal, there is a method of manufacturing a silicon bulk polycrystalline ingot by unidirectionally growing silicon in a crucible (see, for example, Patent Document 2). Further, in the melt growth of silicon bulk polycrystal using a crucible, germanium is added to the silicon melt, and a dendrite crystal extending in the <112> direction along the bottom of the crucible is expressed at the initial stage of growth, and the upper surface of the dendrite crystal is formed. Also disclosed is a method for producing a silicon bulk polycrystal that allows the orientation of crystal grains to be aligned to only {110} by growing a silicon bulk polycrystal on the upper surface of the dendrite crystal after the {110} plane. (For example, refer to Patent Document 3).
特許文献２および３記載のシリコンバルク多結晶の作製方法は、結晶の上面方位を揃えることができるため、表面に均質なテクスチュア構造やパッシベーション膜を形成できるなどの効果により、通常のキャスト法で作製したシリコンバルク多結晶太陽電池と比較して高い変換効率を得ることができる。しかし、これらの方法で製造されるインゴットは、結晶成長の初期過程において形成されるランダム粒界から、転位や、転位が配列した亜粒界などの結晶欠陥が発生し、これらの結晶欠陥がキャリアの再結合中心となり、太陽電池の特性を低下させる問題がある。 The methods for producing silicon bulk polycrystals described in Patent Documents 2 and 3 can be produced by a normal casting method due to the effect that a uniform texture structure and passivation film can be formed on the surface because the top surface orientation of the crystal can be aligned. High conversion efficiency can be obtained as compared with the silicon bulk polycrystalline solar cell. However, ingots produced by these methods generate crystal defects such as dislocations and sub-grain boundaries in which dislocations are arranged from random grain boundaries formed in the initial stage of crystal growth. There is a problem that it becomes a recombination center of and deteriorates the characteristics of the solar cell.
また、他にも、ルツボを用いたシリコンバルク多結晶の融液成長において、シリコン融液表面近傍にデンドライト結晶を生成させ、デンドライト結晶の下面を新たな成長面として上部から下部へシリコンバルク結晶を成長させることにより、結晶粒の方位を｛１１０｝近傍または｛１１２｝近傍に揃えることのできるシリコンバルク多結晶の作製方法が報告されている（例えば、特許文献４参照）。 In addition, in the melt growth of silicon bulk polycrystal using a crucible, a dendrite crystal is formed near the surface of the silicon melt, and the silicon bulk crystal is formed from the top to the bottom using the lower surface of the dendrite crystal as a new growth surface. There has been reported a method for producing a silicon bulk polycrystal by which the orientation of crystal grains can be aligned in the vicinity of {110} or {112} by growing (for example, see Patent Document 4).
しかし、この方法で製造されるインゴットは、結晶成長の初期過程において形成されるランダム粒界から、転位や、転位が配列した亜粒界などの結晶欠陥が発生し、これらの結晶欠陥がキャリアの再結合中心となり太陽電池の特性を低下させる問題がある。 However, ingots produced by this method generate crystal defects such as dislocations and subgrain boundaries in which dislocations are arranged from random grain boundaries formed in the initial stage of crystal growth. There is a problem that it becomes a recombination center and deteriorates the characteristics of the solar cell.
高効率の太陽電池を低コストで作製するためには、使用するシリコンバルク多結晶インゴットが高品質で高均質であり、高い歩留まりで製造できなくてはならない。シリコンバルク多結晶の最大の課題は、結晶成長の初期過程でランダムな面方位を有する多数の結晶粒が制御されずに形成され、それらの結晶粒の接触により形成される結晶粒界の分布もランダムであるため、結晶成長過程において、結晶欠陥がランダム粒界から発生してしまい、高品質な結晶が得られないことである。 In order to produce a high-efficiency solar cell at a low cost, the silicon bulk polycrystalline ingot to be used must be of high quality and high homogeneity and can be manufactured with a high yield. The biggest problem with silicon bulk polycrystals is that many crystal grains with random plane orientations are formed uncontrolled in the initial stage of crystal growth, and the distribution of grain boundaries formed by the contact of these crystal grains is also important. Since they are random, crystal defects are generated from random grain boundaries in the crystal growth process, and high-quality crystals cannot be obtained.
太陽電池の高効率化を可能とする高品質なシリコンバルク多結晶インゴットは、結晶粒方位の大部分が揃い、転位や亜粒界などの結晶欠陥の少ない結晶である。このようなインゴットを製造するには、結晶成長の初期段階に形成される多結晶組織の制御が極めて重要である。まず、結晶粒方位の大部分を揃えた多結晶組織を形成し、その組織を引き継いで成長を行うことが必要である。さらに、発明者らの詳細な研究により、ランダム粒界は、粒界を挟んで対向する結晶粒の相対方位関係により、結晶成長過程における欠陥の発生しやすさが大きく異なることが明らかとなった。この知見から、結晶欠陥の低減には、結晶成長の初期段階において、結晶粒方位を揃えるだけでなく、結晶粒界を欠陥が発生しにくいような粒界に制御することにより、成長過程における欠陥発生を抑制することが必要である。本発明は、これらの課題を全て解決できる高品質なシリコン多結晶インゴットおよびシリコン多結晶ウェハーを提供するものである。 A high-quality silicon bulk polycrystalline ingot that enables higher efficiency of a solar cell is a crystal with most of crystal grain orientations and few crystal defects such as dislocations and subgrain boundaries. In order to manufacture such an ingot, it is extremely important to control the polycrystalline structure formed in the initial stage of crystal growth. First, it is necessary to form a polycrystalline structure in which most of the crystal grain orientations are aligned, and to carry out growth while taking over the structure. Furthermore, detailed studies by the inventors have revealed that random grain boundaries vary greatly in the probability of occurrence of defects in the crystal growth process, depending on the relative orientation of crystal grains facing each other across the grain boundary. . From this knowledge, crystal defects can be reduced not only by aligning the crystal grain orientation at the initial stage of crystal growth, but also by controlling the crystal grain boundaries to grain boundaries that do not easily generate defects. It is necessary to suppress the occurrence. The present invention provides a high-quality silicon polycrystalline ingot and a silicon polycrystalline wafer capable of solving all of these problems.
本発明によれば、底部または表面付近に、{110}近傍または{112}近傍上面方位を有する複数のデンドライト結晶を含み、隣り合うデンドライト結晶の主鎖成長方向の相対方位角度が0〜45°もしくは135〜180°に制御されていることを、特徴とするシリコン多結晶インゴットにより、インゴット全体を高品質化することができる。さらに、全体を高品質化した本発明に係るシリコン多結晶インゴットを、底面に平行にスライスした面を表面とすることにより、高品質なシリコン多結晶ウェハーを得ることができる。 According to the present invention, a plurality of dendrite crystals having a top surface orientation in the vicinity of {110} or in the vicinity of {112} are included near the bottom or the surface, and the relative orientation angle in the main chain growth direction of the adjacent dendrite crystals is 0 to 45 °. Alternatively, the quality of the entire ingot can be improved by a silicon polycrystalline ingot characterized by being controlled to 135 to 180 °. Furthermore, a high-quality silicon polycrystalline wafer can be obtained by using a silicon polycrystal ingot according to the present invention whose quality is improved as a whole as a surface sliced parallel to the bottom surface.
本発明により、ルツボ内に入れたシリコン融液をルツボ底部から上部、あるいは上部から底部に一方向成長させることによるシリコン多結晶インゴットの製造方法において、成長の初期段階で形成される多結晶組織は、{110}近傍または{112}近傍上面方位を有する複数のデンドライト結晶を含み、隣り合うデンドライト結晶の主鎖成長方向の相対方位角は0〜45°もしくは135〜180°の範囲となる。成長の初期段階に発現させた複数のデンドライト結晶を含む多結晶組織の上面または下面を種結晶面に用いて、ルツボ内のシリコンを凝固させることにより、粒界からの亜粒界の発生を抑制し、インゴット全体の欠陥密度を低減した高品質なシリコン多結晶インゴットが得られる。さらに、得られたSi多結晶インゴットを太陽電池用のウェハー作製に用いることで太陽電池の高効率化が可能となるという効果が得られる。 According to the present invention, in the method for producing a silicon polycrystal ingot by unidirectionally growing a silicon melt contained in a crucible from the bottom of the crucible to the top or from the top to the bottom, the polycrystalline structure formed at the initial stage of growth is , {110} or {112} in the vicinity of a plurality of dendrite crystals, and the relative azimuth of the adjacent dendrite crystals in the main chain growth direction is in the range of 0 to 45 ° or 135 to 180 °. Suppressing the generation of sub-grain boundaries from the grain boundaries by solidifying the silicon in the crucible using the upper or lower surface of the polycrystalline structure containing multiple dendritic crystals developed in the initial stage of growth as the seed crystal plane. As a result, a high-quality silicon polycrystalline ingot in which the defect density of the entire ingot is reduced can be obtained. Furthermore, by using the obtained Si polycrystal ingot for the production of a wafer for a solar cell, an effect that the efficiency of the solar cell can be improved is obtained.
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態のシリコン（Si）多結晶インゴットの表面近傍の模式図であり、デンドライト結晶の主鎖成長方向を矢印で示している。ルツボ内に入れたSi融液を、デンドライト結晶が発現する過冷却度10K以上のさまざまな条件に保持し、複数のデンドライト結晶を内包する多結晶を成長させた。得られた多結晶の組織を後方電子線散乱回折（EBSP）法により調べたところ、デンドライト結晶の上面は{110}または{112}から10°以内の範囲にあった。また、樹枝状の形態を有するデンドライト結晶の中心部である主鎖の成長方向は、ランダムに分布していた。そのため、隣り合うデンドライト結晶の主鎖の成長方向の相対角度は、0〜180°の範囲でランダムに分布していた。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of the vicinity of the surface of a silicon (Si) polycrystalline ingot according to an embodiment of the present invention, and the main chain growth direction of a dendrite crystal is indicated by an arrow. The Si melt contained in the crucible was maintained under various conditions with a degree of supercooling of 10K or higher, where the dendrite crystal was developed, and a polycrystal containing multiple dendrite crystals was grown. When the structure of the obtained polycrystal was examined by the back electron scattering diffraction (EBSP) method, the upper surface of the dendrite crystal was within a range of 10 ° from {110} or {112}. Further, the growth direction of the main chain, which is the center of the dendritic crystal having a dendritic form, was randomly distributed. Therefore, the relative angle in the growth direction of the main chain of adjacent dendrite crystals was randomly distributed in the range of 0 to 180 °.
得られた結晶を研磨した後、ソポリ法により化学処理を行い、結晶欠陥に対応する凹部を表面に発現させ、その密度とデンドライト結晶の主鎖の成長方向の相対角度との関係を調べた。エッチピット密度は、粒界近傍の80μm×80μmの領域を、一つの粒界につき、5箇所以上顕微鏡観察を行い、平均値より算出した。図２は、粒界近傍のエッチピット密度と、その粒界を形成する隣り合うデンドライト結晶の主鎖成長方向の相対方向との関係である。概ね、主鎖成長方向の相対方位角度が0〜45°もしくは135〜180°の場合、粒界近傍のエッチピット密度は、4×105 cm-2以下となった。その結果、デンドライト結晶の主鎖が平行または反平行に近い場合に、エッチピット密度が低いことが初めて明らかとなった。 After the obtained crystal was polished, it was subjected to chemical treatment by the sopoly method to develop concave portions corresponding to crystal defects on the surface, and the relationship between the density and the relative angle in the growth direction of the main chain of the dendrite crystal was examined. The etch pit density was calculated from an average value obtained by observing a region of 80 μm × 80 μm in the vicinity of the grain boundary with five or more microscopic observations per grain boundary. FIG. 2 shows the relationship between the etch pit density near the grain boundary and the relative direction of the main chain growth direction of adjacent dendrite crystals forming the grain boundary. In general, when the relative orientation angle in the main chain growth direction was 0 to 45 ° or 135 to 180 °, the etch pit density in the vicinity of the grain boundary was 4 × 10 5 cm −2 or less. As a result, it became clear for the first time that the etch pit density was low when the main chain of the dendrite crystal was parallel or nearly parallel.
この知見を基にキャスト成長を行った。内径150 mmの石英坩堝に、高純度Si原料2.5 kgを充填し、アルゴン雰囲気中で1450℃まで昇温して完全に溶解させ、Si融液を作製した。引き続き、融液上部で温度が低くなるように温度勾配を設定し、融液表面近傍をデンドライト結晶が発現する10K以上の過冷却状態とするとともに、上部からの抜熱を行うことにより成長面内の温度分布の制御を行った。このようにして、デンドライト結晶の数、隣り合うデンドライト結晶の主鎖成長方向が平行に近くなるよう制御を試みた。その後、融液全体の温度を、縦方向の温度勾配を保ったまま低下させ、上部から下部に向かって一方向成長を行った。その結果、成長の初期段階で、{110}を上面とするデンドライト結晶と、{112}を上面とするデンドライト結晶が発現し、その主鎖成長方向がほぼ平行となって成長した。相対角度は、約8°であった。 Cast growth was performed based on this knowledge. A quartz crucible with an inner diameter of 150 mm was filled with 2.5 kg of high-purity Si raw material, heated to 1450 ° C. in an argon atmosphere, and completely dissolved to prepare a Si melt. Subsequently, a temperature gradient is set so that the temperature becomes lower at the upper part of the melt, and the vicinity of the melt surface is brought into a supercooled state of 10K or more where dendritic crystals are developed, and heat is removed from the upper part to increase the temperature within the growth surface. The temperature distribution of was controlled. In this way, control was attempted so that the number of dendrite crystals and the main chain growth direction of adjacent dendrite crystals were nearly parallel. Thereafter, the temperature of the entire melt was lowered while maintaining a vertical temperature gradient, and unidirectional growth was performed from the top to the bottom. As a result, a dendrite crystal with {110} as the upper surface and a dendrite crystal with {112} as the upper surface were developed in the initial stage of growth, and the main chain growth directions grew almost in parallel. The relative angle was about 8 °.
図３は、粒界近傍のエッチピット密度と、結晶上部からの距離との関係である。相対角度が約8°の場合、粒界近傍のエッチピット密度は、1.5×105 cm-2であり、下方向に約5 mm成長した後も、粒界近傍のエッチピット密度は、ほぼ一定であった。一方、上部からの抜熱を行うことなく、融液表面近傍の坩堝壁からランダムにデンドライト結晶を発現させた場合は、主鎖成長方向の相対角度はランダムとなった。例えば、107°の場合の、粒界近傍のエッチピット密度は、8.0×105 cm-2であり、下方向に5mm成長した後は、2.5×106
cm-2と3倍に増加した。この結果は、成長の初期段階で、二本のデンドライト結晶の、主鎖成長方向の相対角度を適切に制御して成長を行うことにより、インゴット内の結晶欠陥の発生を効果的に抑制できることを示している。
FIG. 3 shows the relationship between the etch pit density near the grain boundary and the distance from the top of the crystal. When the relative angle is about 8 °, the etch pit density in the vicinity of the grain boundary is 1.5 × 10 5 cm -2 , and the etch pit density in the vicinity of the grain boundary is almost constant even after growing about 5 mm in the downward direction. Met. On the other hand, when dendrite crystals were developed at random from the crucible wall near the melt surface without removing heat from the top, the relative angle in the main chain growth direction was random. For example, in the case of 107 °, the etch pit density near the grain boundary is 8.0 × 10 5 cm −2 , and after growing 5 mm downward, 2.5 × 10 6
Increased 3 times with cm -2 . This result shows that the occurrence of crystal defects in the ingot can be effectively suppressed by appropriately controlling the relative angle of the two dendrite crystals in the main chain growth direction at the initial stage of growth. Show.
本実施例によって成長したSiバルク多結晶では、成長の初期段階でデンドライト結晶が、主鎖成長方向がほぼ平行となって成長したことにより、その後の一方向成長過程により、粒界から欠陥が発生することが抑制され、インゴット全体にわたり欠陥密度の低い高品質な結晶が得られた。図４は、インゴットの縦断面に対して、粒界に沿ってX線ロッキングカーブを測定した空間分布の結果である。結晶全体にわたり、ピーク位置は、ほぼ一定であり、転位の集合体である亜粒界が発生していないことがわかる。亜粒界は、キャリアの再結合中心となり、また、太陽電池の並列抵抗を低下させるなど、太陽電池特性低下の主要因である。本実施例により作製される結晶欠陥の少ない高品質な、本発明の実施の形態のシリコン（Si）多結晶インゴットから切り出したシリコン（Si）多結晶ウェハーを利用することにより、太陽電池の高効率化が可能となる。 In the bulk Si crystal grown according to this example, the dendrite crystal grows in the initial stage of growth with the main chain growth direction almost parallel, and defects are generated from the grain boundary by the subsequent unidirectional growth process. Thus, a high-quality crystal having a low defect density over the entire ingot was obtained. FIG. 4 shows the result of spatial distribution obtained by measuring the X-ray rocking curve along the grain boundary with respect to the longitudinal section of the ingot. It can be seen that the peak position is almost constant throughout the crystal, and no sub-boundary, which is an aggregate of dislocations, is generated. The sub-grain boundary is a recombination center of carriers, and is a main factor for deterioration of solar cell characteristics such as reduction of parallel resistance of the solar cell. By using a silicon (Si) polycrystal wafer cut out from a silicon (Si) polycrystal ingot according to an embodiment of the present invention with few crystal defects produced by this example, high efficiency of a solar cell is obtained. Can be realized.
本発明では、表面または底面にデンドライト結晶の相対方位を制御して接触させた組織を有するインゴットにより、結晶欠陥の発生を抑制し、インゴット全体にわたり高品質な結晶を実現することができる。この結晶から切り出したウェハーは、光励起キャリアの再結合中心が少ないことから、太陽電池の変換効率を大幅に高めることができる。しかも、これらのSiバルク多結晶の成長方法は、実用的で安価なキャスト成長法をベースとして行うことができるため、太陽電池の変換効率の大幅な向上とコストの低下とを同時に実現できる効果が得られる。この発明により、従来から実現が渇望されていた、高効率で低コストの実用的な太陽電池を、高品質Siバルク多結晶を用いて作製でき、太陽電池の大規模な普及に対して計り知れない効果が期待できる。 In the present invention, generation of crystal defects can be suppressed and high-quality crystals can be realized over the entire ingot by using an ingot having a structure in which the relative orientation of the dendrite crystal is in contact with the surface or bottom surface. Since the wafer cut out from this crystal has few recombination centers of photoexcited carriers, the conversion efficiency of the solar cell can be greatly increased. Moreover, since these Si bulk polycrystalline growth methods can be performed on the basis of a practical and inexpensive cast growth method, it is possible to achieve both a significant improvement in solar cell conversion efficiency and a reduction in cost. can get. With this invention, it is possible to produce a high-efficiency and low-cost practical solar cell that has been eagerly desired to be realized by using high-quality Si bulk polycrystals, and it is well known for the large-scale spread of solar cells No effect can be expected.
なお、本発明は、Siに限るものではなく、多くの半導体や金属多結晶の高品質化にも適用可能である。
Note that the present invention is not limited to Si, and can be applied to high quality of many semiconductors and metal polycrystals.
Claims (2)
A silicon polycrystalline wafer characterized in that a surface obtained by slicing the silicon polycrystalline ingot according to claim 1 parallel to the bottom surface is used as a surface.
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