メガソーラ向けの高効率太陽電池用シリコンインゴット単結晶の作製に
新規成長法を用いて生産性の高いキャスト成長炉で成功

ポイント

• メガソーラ向け太陽電池に使われるシリコンは、多結晶を使ったものが主流である。多結晶は単結晶より変換効率が劣るものの、キャスト法を使うため高い生産性が得られ低コストである。生産性の高いキャスト成長炉で現行の単結晶なみの歩留まりと特性が実現できれば、単結晶が市場で主流になると見込まれる。
• ＮＯＣ法という新しいキャスト成長炉を用いて単結晶を作製し、現行の単結晶の太陽電池特性や歩留まりと同等の特性を世界で初めて得た。
• 太陽電池用シリコンインゴットの製造方法の主流になると期待される。

＜研究の背景と経緯＞

現在使用されている太陽電池の大半はシリコン単結晶または多結晶から作製されています。太陽電池用多結晶シリコンウェハーの１枚当たりの価格は単結晶よりも安く、キャスト成長炉を用いる多結晶はＣＺ成長炉を用いる単結晶より生産性が高いことから、太陽電池市場の６０％を占有しています。最大の市場はメガソーラ（全市場の８０％）を主体とする市場であり、変換効率が１８％前後の多結晶太陽電池が主に使われています。

しかし、市場占有率の高い多結晶の課題は、良質のテクスチャー構造^注７）が作れないことと結晶品質が劣るため、変換効率が単結晶より１～１．５％程度低い点と、残留歪み^注８）が存在するために結晶品質のバラツキが大きく歩留まりが悪い点にあります。このため太陽電池業界では、生産性の高いキャスト成長炉を用いた、高品質シリコンインゴット単結晶の製造を目標に掲げ、新規技術の開発に取り組んでいます。ここでは、キャスト成長炉による単結晶で作製した太陽電池の変換効率や歩留まりが、ＣＺ成長炉による単結晶と同等の特性を得ることが大きな課題となっています。これを実現できれば、生産性の高いキャスト成長炉で高効率単結晶太陽電池が製造できることになり、キャスト成長炉による市場占有率をさらに増すことが現実になります。当グループで開発したＮＯＣ法（図１）キャスト成長炉を用いており、高効率単結晶太陽電池の製造技術として開発しております。図２にｐ－型太陽電池^注９）が主体のメガソーラ市場における、変換効率と生産性で表示した、既存の成長法とＮＯＣ成長法の位置づけを示します。今回、ＮＯＣ法を用いて、キャスト成長炉で作製したシリコンインゴット単結晶で、ＣＺ単結晶の太陽電池と同等の高効率と高歩留まりを世界で初めて実現しました。

＜研究の内容＞

ＪＳＴの中嶋 一雄らは、従来のキャスト成長法が石英ルツボに入れたシリコン融液を一方向凝固させる手法のため、成長したインゴット結晶内に大きな残留歪みが存在する点に注目し、ルツボ壁に触れないでシリコン融液内でインゴット単結晶を成長できる実用可能なＮＯＣ法を開発しました。

ＮＯＣ法は原理的には図１で示した多くのメリットを有しますが、実際にこれらのメリットを実現するには、成長炉に多くの工夫をする必要がありました。その中で太陽電池特性に直結する重要ポイントは、１）不純物の低減、２）結晶内転位^注１０）の低減、３）酸素濃度の低減にありました。

１）の課題に対して、今回、炉の内容物であるグラファイト冶具をすべて真空中で長時間高温空焼きし、主な汚染物質である鉄不純物を除去しました。この炉内クリーン化は極めて有効で、図３に示すように、クリーン化後にはライフタイム^注１１）が大きく向上し、ゲッタリング^注１２）後でミリ秒のオーダの値が得られました。

２）の課題に対して、図４に示すように、結晶の引き上げ速度と回転速度を極力遅くし、成長方向に凸の形状を有するインゴット単結晶を作製し、インゴット単結晶内の転位が成長するにつれて結晶外で排出されるようにしました。この現象はＮＯＣ成長法により見出された効果であり、今回この手法を活用しました。

３）の課題に対して、成長中のインゴット単結晶の回転速度を１ｒｐｍと小さくし、ルツボ回転速度も０．５ｒｐｍと小さく、しかも結晶と同方向の回転としました。これにより、シリコン融液内の対流を減らし、シリコン融液と石英ルツボ壁との溶解反応を抑え、酸素がシリコン融液に入るのを防ぎました。これによりインゴット結晶内の酸素濃度を常に１×１０^１８ｃｍ^－３以下に保ち、最低酸素濃度を３．６×１０^１７ｃｍ^－３にまで下げることが出来ました。

上述の１）、２）、３）に示した手法をキャスト成長炉に用いて、ｐ－型シリコンインゴット単結晶を作製し、そのインゴットの全領域から均等に切り出したウェハーを用いて太陽電池を作製し、変換効率の分布を調べました（図５）。ｐ－型ＣＺウェハーを用いたＡｌ－ＢＳＦセル構造で平均１９．１％の変換効率が得られる太陽電池構造・プロセスを用いて、ＣＺ法の単結晶と同等の最高変換効率が１９．１４％、平均の変換効率が１９．０％の高効率太陽電池を、極めて高歩留まりで実現することに成功しました。この成果は、市場占有率の高いハイパーフォーマンス（ＨＰ）キャスト成長法^注１３）で作製したインゴット多結晶の太陽電池特性を遙かに凌駕するものであり（図６）、ＮＯＣ法の優位性を示しています。

＜今後の展開＞

今後に残された課題はスケールアップですが、ＮＯＣ法ではルツボ径の９０％の直径比を有するインゴット単結晶をすでに実現しており、ルツボのサイズを最大限に活用することができます。今後、大きなルツボを使用して、図７に示すような大容量のシリコンインゴット単結晶を作製できれば、本技術を太陽電池用シリコンインゴット製造方法の主流にできる道が開けます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） インゴット

各種結晶成長法で得られたある程度の容積を有する結晶のブロック。

注２） ＮＯＣ（Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ　Ｃｒｕｃｉｂｌｅ）法

当研究グループで発明・開発した、太陽電池用の高品質・大口径シリコン単結晶の成長技術。シリコン融液を入れたルツボからの凝固歪みの影響を排除するため、シリコン融液内に大きな低温領域^注１４）を設け、この中で結晶成長することにより、ルツボ壁に触れないでシリコン単結晶を成長できる独自技術である。シリコン融液内に大きな低温領域を形成するには独自のノーハウが必要であり、まだ開示していない。結晶の高純度化や高品質化を原理的に狙える技術である。

注３） ルツボ壁

シリコン単結晶の成長は、石英製のルツボに入れたシリコン融液の内部で行う。シリコン融液はルツボの内面である壁に触れており、融液内の対流が激しいと、融液と壁の反応が高温で起こり酸素元素が溶けだす。また成長中の結晶がルツボ壁に触れないように、低温領域を融液内に設定しなければならない。

注４） Ａｌ－ＢＳＦ構造

単結晶シリコン太陽電池の基本構造であるｐ－ｎ接合のｐ側裏面にＡｌ（アルミニウム）を高ドープすることによってｐ＋層を形成する構造。ｐ＋層を形成することで裏面側に内蔵電界を発生させ、少数キャリヤーを追い返すことで再結合ロスを減少させ、光生成キャリヤーの収集効率の改善を図っている。

注５） 太陽電池市場

現在の太陽電池市場は、８０％を占めるメガソーラ市場と２０％を占める屋根置市場からなっている。メガソーラ市場では、変換効率が１８％程度のｐ－型多結晶太陽電池が主体であり、キャスト成長法で作製されている。屋根置市場では変換効率が２０％前後のｎ－型単結晶太陽電池が主体になっている。本発表技術は、メガソーラ市場をターゲットとしており、生産性の高いキャスト成長炉を用いるＮＯＣ成長法で、キャスト成長法の多結晶太陽電池を凌駕する変換効率が１９％のｐ－型単結晶太陽電池の開発を目指している。

注６） キャスト成長法

焼成した石英ルツボの中で原料のシリコンを融解し、ルツボ内の下方から上方に向け結晶を成長する手法。ルツボ壁から多数の結晶核が発生するため、結晶は多結晶となる。

注７） テクスチャー構造

結晶表面での光の反射ロスを低減させることを目的として形成するミクロなピラミッド構造。単結晶においては全体に均一なピラミッド構造を形成することができるが、多結晶の場合は様々な方向性を持った結晶粒の集まりであるため、不均一なピラミッド構造となり反射ロスが大きくなる。反射ロスが少ないテクスチャー構造ほど高い変換効率が得られる。

注８） 残留歪み

成長したインゴット単結晶内には、熱分布の不均一による熱歪みと成長中のインゴット単結晶がルツボ壁に触れることによる機械的歪みがある。特にシリコン結晶は、成長時の凝固で体積膨張（１．１倍になる）があり、成長中のインゴット結晶がルツボ壁に触れると大きな圧縮応力を受け、大きな機械的歪みが発生する。これらの歪みは、転位などの結晶欠陥を発生させる原因となる。

注９） ｐ－型太陽電池

ｐ－型太陽電池は正孔の少数キャリヤーで発電を起こさせる太陽電池。電子が少数キャリヤーのｎ－型太陽電池に比べてライフタイムは低く変換効率も低いが、太陽電池の作製プロセスが低温であり比較的容易であるため、主に多結晶を用いて大量生産が必要な大市場（８０％の市場）であるメガソーラに使われている。多結晶太陽電池の変換効率は１８％程度が主体であるため、ｐ－型太陽電池で１９％の平均変換効率を示す今回発表の単結晶太陽電池が、生産性の高いキャスト成長炉を用いて作製できた意義は大きい。

注１０） 転位

結晶中に現れる線状の格子欠陥である。少数キャリヤーの再結合中心として働き、ライフタイムの低下の要因となる。ＮＯＣ法では、融液内でインゴット単結晶の成長方向に凸の成長界面を形成しやすく、原理的に低転位の結晶を得られやすい利点を有する。

注１１） ライフタイム

熱平衡状態の半導体は光や熱などの作用を受けると、過剰キャリヤー（多数キャリヤーと少数キャリヤー）を作り非平衡状態となる。少数キャリヤーが再結合し消滅するまでの平均時間をライフタイムという。太陽電池においては少数キャリヤーが発電に寄与するため、ライフタイムが長いほど高い変換効率が得られやすい。

注１２） ゲッタリング

ウェハー内部の金属不純物を取り除く技術。ウェハーの表面層にＰなどを含む層（ゲッタリング層）を付け、熱処理を施すことにより、ウェハー内に存在する鉄などの金属不純物を拡散でゲッタリング層に集め、ウェハー内部の金属不純物を除去する結晶の純化方法。

注１３） ハイパーフォーマンス（ＨＰ）キャスト成長法

キャスト成長法の一種で、ルツボ底に細かい結晶粒や石英粒を敷いて、インゴット多結晶の結晶粒を細かくした技術をＨＰキャスト成長法と呼ぶ。結晶粒が細かいので残留歪みが小さく、転位などの結晶欠陥の発生が少なくなり、太陽電池の変換効率を従来のキャスト成長法よりも高くできる。

注１４） 低温領域

ＮＯＣ法において、シリコン融液の温度を特殊な手法で管理することにより、融液内の中央から下部にかけて形成し、周囲の融液より温度の低い領域で、この領域内でインゴット単結晶が成長する。低温領域の大きさは、成長するシリコンインゴット単結晶のサイズをほぼ同じとなる。

＜講演タイトル＞

K. Nakajima, S. Ono, Y. Kaneko, R. Murai¹, K. Shirasawa, T. Fukuda, H. Takato, S. Castellanos, M. A. Jensen, A. Youssef, T. Buonassisi, F. Jay, Y. Veschetti, and A. Jouini, “Applications based on novel effects derived to the Si bulk crystal growth inside Si melt without contact to crucible wall using noncontact crucible method”, in The 18^th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18), Nagoya, Japan, August 7-12 (2016).

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