JPH0936403A - 基体の製造方法およびそれを用いた太陽電池 - Google Patents
基体の製造方法およびそれを用いた太陽電池Info
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Abstract
な基体の製造方法、及び、量産性が高く、安価で、かつ
良質の太陽電池を提供する。 【解決手段】 半導体層を支持する基体の製造方法にお
いて、搬送される方向に対して垂直方向に板状の溝を有
する鋳型101が、前記板状の溝の内部にSiからなる
原料を注入される第1工程と、鋳型をSiの融点よりも
高い温度に保ち、Siからなる原料を融解106させて
板状の溝を満たす第2工程と、鋳型が搬送される方向に
負の温度勾配の設けられた炉内を、前記鋳型が移動する
第3工程と、鋳型が前記炉内を移動する間に、融解され
たSiを固化107させる第4工程と、からなる。ま
た、光電変換素子をなす半導体層が、上述した基体上に
形成される。
Description
太陽電池に係る。より詳細には、安価で、かつ、不純物
の少ない表面を有する基体の製造方法に関する。また、
上記基体の製造方法による基体を用いることによって、
光電変換特性が改善された太陽電池に関する。
と系統連結させる電源として、太陽電池が広く研究され
ている。
金属のように低価格で入手できる基体上に、光電変換素
子が形成できることが望まれている。
しては、一般にSiからなる半導体が用いられる。光エ
ネルギーを電気エネルギーに変換する効率の点からは、
前記半導体としては、単結晶Siを用いるのが好まし
い。しかし、太陽電池の大面積化および低コスト化の点
から、アモルファスSiが有利である。また近年では、
アモルファスSi並みの低コストと単結晶Si並みの高
い光電変換効率とを同時に得る目的から多結晶Siの使
用が検討されている。
Siからなる太陽電池では、塊状の結晶をスライスし、
板状体に加工して用いるため、その厚さを0.3mm以
下にすることは困難であった。したがって、光量を吸収
するのに必要十分な厚さ以上となっているため、材料の
有効利用が不十分であった。すなわち、コストを下げる
ためには、さらなる薄型化を図る必要があった。
として、溶融したSiの液滴を鋳型に流し込むスピン法
によりシリコンシートを形成する方法が提案されてい
る。しかし、この方法によっても、厚さは最小0.1m
m〜0.2mm程度であり、結晶Siとして光吸収に必
要十分な膜厚(20〜50μm)に比べて、まだ薄型化
が不十分である。また、このような薄型化によって、シ
リコンシート自体が基体としての強度を維持することが
困難となる。その結果、必然的にシリコンシートを支持
する別の安価な基体が要求される。
ば金属級Si(T.Warabisako, T.Saitoh, E.Kuroda, H.
Itoh. N.Nakamura and T.Tokuyama, “Efficient Solar
Cells from Metallurgical-GradeSilicon", Proceedin
gs of the 11th Conferenceon Solid State Devices, T
okyo, 1979; Japanese Journal of Applied Physics,
19 (1980) Supplement 19-1, p.539)が挙げられる。T.
Warabisako 等は、前記金属級Siを用いて基体を形成
し、その上に光吸収に必要十分な膜厚のSi層を形成し
て太陽電池とする試みを報告している。
は、金属級Siを引き上げ法によって塊状結晶とした
後、これをスライスして板状基板を作製している。ゆえ
に、従来の単結晶Siを基体として用いたプロセスと同
じであり、安価な材料である金属級Siのメリットが生
かされていないという問題があった。また、現状では、
十分な特性を得るためには前記引き上げを2回行う必要
があり、製造に多大な時間がかかるという問題もあっ
た。
で、かつ、不純物の少ない表面を有する基体の製造方法
を提供することである。
造方法による基体を用いることによって、光電変換特性
が改善された太陽電池を提供することである。
は、半導体層を支持する基体の製造方法において、搬送
される方向に対して垂直方向に板状の溝を有する鋳型
が、前記板状の溝の内部にSiからなる原料を注入され
る第1工程と、前記鋳型をSiの融点よりも高い温度に
保ち、前記Siからなる原料を融解させて前記板状の溝
を満たす第2工程と、前記鋳型が搬送される方向に負の
温度勾配の設けられた炉内を、前記鋳型が移動する第3
工程と、前記鋳型が前記炉内を移動する間に、融解され
た前記Siを固化させる第4工程と、からなることを特
徴とする。
ファイト、シリコン・カーバイト、又は窒化珪素の中か
ら選択され、前記Siからなる原料は、金属級Siであ
ることが好ましい。
ともSi3N4を含む離型剤が被膜されていることが望ま
しい。前記基体は、光電変換素子用として好適に用いら
れる。
前記半導体層が、請求項1乃至5のいずれか1項に記載
の基体上に形成されたことを特徴とする。
工程を設けたため、以下に示す点の改善が図られた基体
の製造方法が得られる。
板状の溝を有する鋳型が、前記板状の溝の内部にSiか
らなる原料を注入される第1工程を設けたため、前記板
状の溝の内部に、原料を均一に注入することができる。
度に保ち、前記Siからなる原料を融解させて前記板状
の溝を満たす第2工程を設けたため、注入された原料は
十分に融解状態となる。
温度勾配の設けられた炉内を、前記鋳型が移動する第3
工程を設けたため、溶融した金属級Siが固化される
際、前記負の温度勾配により、鋳型の搬送される方向を
向いた面からSiの固化が始まり、これと反対側の面が
最後に固化する。その結果、金属級Siに含まれる不純
物は最後に固化する進行方向とは反対側の面付近に偏析
する。したがって、鋳型の搬送される方向を向いた面が
不純物の比較的少ない基板面として得られる。
る間に、融解された前記Siを固化させる第4工程を設
けたため、後加工無しに、金属級Siからなる板状の基
板が得られる。したがって、従来行われていた引き上げ
法のように基板形状をスライスするための工程が省略で
き、時間的・コスト的に改善する。
質が、カーボン・グラファイト、シリコン・カーバイ
ト、又は窒化珪素の中から選択されるため、繰り返し使
用に耐える鋳型が形成できる。その結果、低コスト化が
図られ、安価な基体の製造方法が得られる。
なる原料が、金属級Siであるため、高純度Si等で比
べた場合、材料費が非常に安く抑えられる。その結果、
通常のウエハと同等の強度を有する安価な基体の製造方
法が得られる。
の内面には、少なくともSi3N4を含む離型剤が被膜さ
れているため、固化後の金属級Siからなる板状基体の
鋳型からの取り外しが容易となる。その結果、一度に多
数枚の板状基体の処理が可能になる。
光電変換素子用であるため、従来の単結晶Si基体や多
結晶Si基体に比べ材料の有効利用が可能となる。その
結果、製造コストの低い太陽電池を供給できる基体の製
造方法が得られる。
をなす前記半導体層が、請求項1乃至5のいずれか1項
に記載の基体上に形成されたため、Si等からなる半導
体層成長時に、前記基体から前記半導体層ヘの不純物移
動を低減できる。その結果、従来その対策として行われ
ていたゲッタリング処理を省略することができるため、
低コスト化が図れる。
ては、低純度、具体的には不純物元素を1ppm乃至2
%含むものが安価で容易に用いられる。粉末状にしてか
ら、溶融される前に、必要に応じて予め塩酸等の酸によ
る処理を行い、不純物の量を軽減しておくことも可能で
ある。
向に板状に溝を設けたものであって、溝の数は一つの鋳
型に対して一つでも複数でもよく、またこのような溝を
持った鋳型を複数個連結した構造のものでも構わない。
鋳型の材質としては、加工の容易性や価格の点からカー
ボン・グラファイトが用いられる。しかし、溶融/固化
したSiを離型させる材料が塗布でき、かつ、融点がS
iのそれよりも高いものであれば何でも良く、シリコン
・カーバイトや窒化珪素等も使用可能である。
る離型剤としては、溶融したSiに対して反応を起こさ
ず接触角の大きいものが選ばれる。具体的にはSi3N4
を主成分としたものが用いられ、必要に応じてSiO2
等が添加される。離型剤の鋳型内への被膜の仕方として
は、粉末状のSi3N4を分散させた有機溶液あるいはシ
ラノール溶液を鋳型内にスプレーし、400℃以上の熱
処理をして被膜を形成する。
制御性の上から好ましい。また、同一炉内にSiを融解
するためにSiの融点以上の温度一定に保たれた部位
と、Siの融点以上の温度から融点以下の温度に至るま
で負の温度勾配の設けられた部位とを有し、これらの部
位の間を鋳型が移動できる構造のものが望ましい。
温度勾配のある部位を移動するときの速度は、溶融させ
たSiの固化条件によって適宜決められる。しかし、固
化したシートの結晶性や不純物の偏析効果の点から、鋳
型が移動するときに受ける降温速度(=温度勾配×移動
速度)は、およそ−30℃/min以下となるように設
定されるのが好ましい。
方法および太陽電池について更に詳しく説明するが、本
発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
の製造工程に基づき、金属級Siの溶融/固化によるシ
ート基体の製造方法に関して説明する。図1の鋳型10
1は、縦方向に板状の溝を設けたカーボン製のものを用
いた。また、溝の表面に固化したSiを容易に取り出す
目的で、その内面にはSi3N4膜を塗布した。
明する。 (1)粉末状の金属級Si103を、フィーダー102
を通して鋳型内の溝に投入し、カーボン製の蓋104で
溝の口を塞ぎ、図1に示すような電気炉内に置いた。 (2)Siの融点よりも高い一定温度に設定された電気
炉内に、ある一定時間保持することによって、粉末状金
属級Siを融液106にした。
に温度勾配のある部位の中をゆっくりと一定速度で鋳型
101を移動させた。このとき図1に示すように鋳型の
進行方向に対して温度勾配が負となるように設定した。 (4)鋳型が融点付近に相当する炉の部位を通過した
後、十分離れた所で温度を室温にまで落とした。 (5)固化した板状のシート基体を鋳型から取り出し
た。
て得られた、シート基体の表面付近の元素分析を行った
結果に関して説明する。
いて、「金属級Si」とは原料の分析結果であり、「進
行方向側」及び「反対側」とは形成したシート基体の場
合を示した。ここで、「進行方向側」とは、鋳型の進行
方向を向いた側の面を意味する。一方、「反対側」と
は、「進行方向側」の反対面である。
の不純物の移動があったことが分かった。特に、「進行
方向側」は「反対側」に比べて、遥かに不純物の量が減
少していることが確認された。
相当する炉の部位を通過する際、融液106は進行方向
を向いた側の面から固化が始まり、反対側の面は最後に
固化したため、金属級Siに含まれる不純物は進行方向
とは反対側の面付近に偏析することが分かった。またSe
ccoエッチングにより結晶粒界を顕在化させたところ、
得られたシートの結晶粒径は数mm〜数cmまで拡大し
ており、通常のキャスティング法で得られるSiインゴ
ットの場合と同等であった。
たシート基体上に、CVD法によりSi層を結晶成長さ
せた場合を説明する。 (1)シート基体の不純物が偏析した側の面をHF/H
NO3系のエッチャントにより数十μmエッチバックし
た。 (2)原料ガスにSiH2Cl2を用いて、成長温度を1
050℃とし、約0.8μm/minの成長速度で、不
純物が少なかった側の面上にSi層を30μm形成し
た。 (3)成長終了後Si層表面を光学顕微鏡及び走査型電
子顕微鏡で観察した。
体の表面と同等であり、比較的平坦なSi層が形成され
た。また、結晶粒径も下地であるシートの大きさを受け
継いでいた。さらに、得られたSi層表面のエッチピッ
ト密度は、約1×104個/cm2であった。
たSi層を活性層として、その上に薄膜太陽電池を形成
した場合を説明する。
て説明する。 (1)Si層の表面に、イオン打ち込み法により、Pを
80keV、1×1015/cm2の条件で打ち込んだ。
その後、アニール(温度800℃、時間30分)して、
n+層を形成した。 (2)上記n+層の上に、集電電極(Cr(0.02μ
m)/Ag(1μm)/Cr(0.004μm))/透
明電極(ITO(0.085μm))を、真空蒸着によ
り形成した。 (3)シート基体の裏面に、A1を蒸着し、裏面電極と
した。
薄膜結晶太陽電池に対して、AM1.5(100mW/
cm2)光照射下でのI−V特性を測定した。その結
果、セル面積2cm2の場合、開放電圧0.57V、短
絡光電流29mA/cm2、曲線因子0.74となり、
変換効率12.2%を得た。
したシート基体を用い、その上にSi層を積層すること
で、良好な特性を有する薄膜結晶太陽電池が形成できる
ことが分かった。
/固化によるシート基体の製造方法において、次に示す
2つの点が実施例1と異なる。 (イ)粉末状の金属級Siとして、120℃に加熱した
塩酸/過酸化水混合溶液に粉末状の金属級Siを通して
不純物を浸出させた後、水洗/乾燥したものを用いた。
級Siを、フィーダーを用いてカーボン・グラファイト
製の鋳型内の溝に充填した。但し、鋳型の溝の内面に
は、予めSi3N4粉末を分散させたシラノール溶液を鋳
型内に塗布し、400℃の熱処理をして離型用被膜を形
成した。他の点は、実施例1と同様とした。
明する。 (1)図1に示す構造の電気炉内に鋳型を投入し、Si
の融点よりも高い一定温度(1500℃)に保持した。 (2)一定時間(30分〜1時間)経過したところで、
同じ炉内の別の部位に設定された負の温度勾配(1℃/
mm)の中を、10mm/minの速度で移動させた。 (3)Siが完全に固化し終わってからもしばらく移動
を続け、融点よりも十分低い温度領域に鋳型が来たとこ
ろで電気炉のヒータを切り、鋳型の温度を室温まで下げ
た。
て得られた、シート基体の表面付近の元素分析を行った
結果に関して説明する。
いて、「進行方向側」とは、鋳型の進行方向を向いた側
の面を意味する。一方、「反対側」とは、「進行方向
側」の反対面である。
の面に比ベて遥かに不純物の量が減少していることが分
かった。
顕在化させたところ、得られたシート基体の結晶粒径は
数mm〜数cmまで拡大しており、通常のキャステイン
グ法で得られるSiインゴットの場合と同等であった。
/固化によるシート基体の製造方法において、次に示す
2つの点が実施例1と異なる。 (イ)図1に示すようなSiC製の鋳型を作製し、鋳型
内の溝の内面にはSi3N4粉末を分散させたシラノール
溶液を塗布し、600℃の熱処理をして離型用被膜を形
成した。
混合溶液に粉末状の金属級Siを通して不純物を浸出さ
せた後、水洗/乾燥してからフィーダーを用いて鋳型内
の溝に充填した。他の点は、実施例1と同様とした。
明する。 (1)図1に示す構造の電気炉内に鋳型を投入し、14
80℃の一定温度に保持した。 (2)40分程経過したところで、同じ炉内の別の部位
に設定された−0.5℃/mmの温度勾配の中を、15
mm/minの速度で移動させた。 (3)Siが完全に固化し終わってからもしばらく移動
を続け、融点よりも十分低い温度領域に鋳型が来たとこ
ろで電気炉のヒータを切り、鋳型の温度を室温まで下げ
た。
り出し、シート基体の不純物が偏析した側の面をHF/
HNO3系のエッチャントにより数十μmエッチバック
した。 (5)エッチバックした面をサンドブラストで荒らして
から、シート基体に対して1100℃、3時間のゲッタ
リング処理を行った。
得られたシート基体において、鋳型の進行方向を向いた
側の面に対して元素分析を行った結果である。
は、ゲッタ処理後の方が処理前に比べて低減しているこ
とが分かった。
/固化によるシート基体の製造方法において、次に示す
2つの点が実施例1と異なる。その後、得られたシート
基体上に、CVD法によりSi層を堆積して太陽電池を
形成した。
を作製して用いた。 (ロ)120℃に加熱した塩酸/過酸化水混合溶液に粉
末状の金属級Siを通して不純物を浸出させた後、水洗
/乾燥してからフィーダーを用いて鋳型内の溝に充填し
た。他の点は、実施例1と同様とした。
と太陽電池の形成を、工程に沿って説明する。 (1)図1に示す構造の電気炉内に鋳型を投入し、14
80℃の一定温度に保持した。 (2)1時間経過したところで、同じ炉内の別の部位に
設定された−0.3℃/mmの温度勾配の中を、30m
m/minの速度で移動させた。 (3)Siが完全に固化し終わってからもしばらく移動
を続け、融点よりも十分低い温度領域に鋳型が来たとこ
ろで電気炉のヒータを切り、鋳型の温度を室温まで下げ
た。
り出し、シート基体の不純物が偏析した側の面を、HF
/HNO3系のエッチャントにより数十μmエッチバッ
クした。 (5)エッチバックした面をサンドブラストで荒らして
から、シート基体に対して1100℃、3時間のゲッタ
リング処理を行った。 (6)不純物量が低減された側の面(鋳型の進行方向を
向いた側の面)上に、SiH2Cl2を用い、成長温度l
050℃、成長速度約0.8μm/minにて、Si層
を40μm形成した。
源として900℃の温度でPの熱拡散を行い、n+層を
形成した。その接合深さは、0.5μm程度であった。 (8)形成されたn+層表面のデッド層をエッチングに
より除去した。その結果、約0.2μmの適度な表面濃
度をもった接合深さを形成した。 (9)n+層の上に、ITOからなる透明導電膜(約
0.1μm)を、電子ビーム蒸着法によって形成した。
r(0.02μm)/Ag(1μm)/Cr(0.00
4μm))を真空蒸着により形成した。 (11)シート基体の裏面に、Alを蒸着して裏面電極
を形成した。
た薄膜結晶太陽電池に対して、AM1.5(100mW
/cm2)光照射下でのI−V特性を測定した。その結
果、セル面積2cm2の場合、開放電圧0.56V、短
絡光電流31mA/cm2、曲線因子0.75となり、
変換効率13.0%を得た。
したシート基体を用い、その上にSi層を積層すること
で、良好な特性を有する薄膜結晶太陽電池が形成できる
ことが分かった。
インゴットからスライスする工程を省略可能な基体の製
造方法がえられる。
た基体を用いることで、量産性が高く、安価で、かつ良
質の太陽電池がえられる。
た概略図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体層を支持する基体の製造方法にお
いて、搬送される方向に対して垂直方向に板状の溝を有
する鋳型が、前記板状の溝の内部にSiからなる原料を
注入される第1工程と、前記鋳型をSiの融点よりも高
い温度に保ち、前記Siからなる原料を融解させて前記
板状の溝を満たす第2工程と、前記鋳型が搬送される方
向に負の温度勾配の設けられた炉内を、前記鋳型が移動
する第3工程と、前記鋳型が前記炉内を移動する間に、
融解された前記Siを固化させる第4工程と、からなる
ことを特徴とする基体の製造方法。 - 【請求項2】 前記鋳型の材質が、カーボン・グラファ
イト、シリコン・カーバイト、又は窒化珪素の中から選
択されることを特徴とする請求項1に記載の基体の製造
方法。 - 【請求項3】 前記Siからなる原料が、金属級Siで
あることを特徴とする請求項1又は2に記載の基体の製
造方法。 - 【請求項4】 前記板状の溝の内面には、少なくともS
i3N4を含む離型剤が被膜されていることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の基体の製造方
法。 - 【請求項5】 前記基体が、光電変換素子用であること
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の基
体の製造方法。 - 【請求項6】 光電変換素子をなす前記半導体層が、請
求項1乃至5のいずれか1項に記載の基体上に形成され
たことを特徴とする太陽電池。
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JP18045995A JP3596828B2 (ja) | 1995-07-17 | 1995-07-17 | 基体の製造方法 |
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