JPH06268242A

JPH06268242A - シリコン基板の製造方法および結晶質シリコン太陽電池

Info

Publication number: JPH06268242A
Application number: JP5056831A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Mitani; 力三谷; Hidenobu Shintaku; 秀信新宅; Shigeo Suzuki; 茂夫鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は結晶質シリコン基板の製造方法と、
結晶質シリコン太陽電池に関するものであって、特に従
来に比べて薄いシリコン基板を製造できること、あるい
は低コストな基板を採用できることによって、低コスト
な結晶質シリコン太陽電池を提供することを目的として
いる。【構成】支持基板１上に形成したシリコンの微粒子堆
積層１６を高温プラズマ１２、ハロゲンランプ１３で加
熱、結晶化し、支持基板１から剥離、除去することで、
例えば厚さが１０μｍの結晶質シリコン基板１８を製造
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は優れた特性の太陽電池等
を低コストで実現できるシリコン基板の製造方法、およ
び低コスト化が可能な構成の結晶質シリコン太陽電池に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池はクリーンエネルギーとして有
望であり、すでに屋外発電用素子としても一部実用化さ
れている。各種太陽電池の中でも単結晶太陽電池、ある
いは多結晶太陽電池等の結晶質太陽電池は、発電用とし
て必要な特性である太陽光を電気に変換する変換効率が
高いこと、２０年以上もの長期間にわたっても発電能力
が劣化せず安定であり信頼性が高いこと等の点で優れて
いる。しかし、発電コストは、例えばアモルファス太陽
電池等に較べて高価であり、より一層、低減することが
太陽電池を広く普及するために必要不可欠な重要課題と
なっている。

【０００３】上記課題に対して、材料、製造方法等の開
発が積極的に行われている。材料は多種類の中でも原材
料の豊富なシリコンが、太陽電池の大量供給と低コスト
化に最も有望である。また、製造方法では、従来の単結
晶ウエハ、あるいは多結晶ウエハを太陽電池用の基板に
用いずに、シート状のシリコン薄帯を基板とする製造方
法とか、製膜技術を用いてガラス基板上にシリコン薄膜
を形成する製造方法が有望である。

【０００４】以下に、第一の従来の技術として、特開昭
６１−６５４２２号公報に記載の結晶質シリコン太陽電
池用のシート状のシリコン基板の製造方法について説明
する。この従来例でシリコン基板を製造する技術的骨子
は、支持体に大面積シリコン結晶体を形成する出発材料
をとりつける前に主として石英、またはシリコンからな
る分離材を設け、シリコン結晶体の形成後にこの分離材
を結晶体から取り外すことによって、シリコン薄帯の製
造が達成される。

【０００５】分離材としては粒径が１０μｍ以下のシリ
コン微細粉末を使用し、またシリコン結晶体の出発材料
としては粒径が３０μｍから１５０μｍの間のシリコン
粉末を使用することも明記されている。

【０００６】さらには、この従来例では、シリコン結晶
体となるシリコン粉末が４００μｍから６００μｍまで
の厚さの層としてとりつけられることも明記されてい
る。

【０００７】さらに、図５を用いて、この従来例でシリ
コン基板を製造する具体的な方法を説明する。図５は分
離層とシリコン結晶体の出発材料を備える支持体の断面
を示すもので、６０は例えばセラミック製の支持体、６
１は微細シリコン粉末から成る厚さ約２０μｍの分離
層、６２は片持ちシリコン結晶体となる粗粒シリコン粉
末層である。

【０００８】図６は、前記のシリコン粉末層を支持体上
に積層したものを、水平加熱炉６３に設置して加熱する
ことで、結晶体となすときの概略図である。矢印はデバ
イス（６０、６１、６２）の搬送方向を表す。このデバ
イスの運動はベルトコンベア方式に従い送り機構によっ
て連続的に行われる。前記炉は、その中央に達するまで
例えば１２００℃に保持されるような基底負荷をもって
操作される。図に示した温度分布曲線から、炉中央では
例えば１４５０℃に上昇し、それから冷却区間が始ま
る。粗粒シリコン材６２は５０％の密度を持ち、平均粒
径５０μｍのシリコンからなる厚さ４００μｍの粗材フ
ィルムの形であり、溶融して空孔がうめられると、最後
には密度１００％で粒径が１００μｍ以上である厚さ２
００μｍのシリコン結晶体となる。

【０００９】以上のようにしてこの従来例では結晶質シ
リコン薄帯が製造される。そして、この結晶質シリコン
薄帯を用いて、上記特開昭６１−６５４２２号公報で
は、結晶質シリコン太陽電池が製造される。

【００１０】また、つぎは第二の従来の技術として、製
膜技術を用いてガラス等の基板上にシリコン薄膜を形成
する太陽電池の製造方法の代表従来例を、図７に示す。
図７は、従来のグロー放電プラズマＣＶＤ法を用いて多
結晶シリコン太陽電池を製造する概略を記す。

【００１１】図７において、６４はシリコン膜が製膜さ
れる基板、６５、６６は各々原料ガス６７をプラズマ化
させるための下部電極、上部電極、６８は原料ガスのプ
ラズマ、６９は下部電極に電力を投入する電源、７０は
基板を設置する真空容器、および７１は真空容器７０を
真空排気する真空ポンプである。

【００１２】太陽電池の変換効率と信頼性に大きく影響
するシリコン膜は、原料ガス６７として水素ガスで希釈
したシランガスを用いてプラズマ６８に分解し、基板６
４上に製膜される。

【００１３】前記のような従来行われているグロー放電
プラズマＣＶＤ法によれば、シリコン膜は上記のままで
は製膜条件にもよるが数１０nmの微結晶も含んだ非晶質
膜である。このままでは変換効率と信頼性に優れた結晶
質太陽電池は実現困難であるため、後工程として例えば
レーザ光を前記シリコン膜に照射する再結晶化工程（図
示せず）を導入し、膜の結晶粒の大きさを数１０μm以
上、好ましくは数１００μm以上に拡大することで変換
効率と信頼性の向上が可能となる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記のよう
な従来の技術で太陽電池を製造する場合、特に低コスト
化が困難であるという課題があった。

【００１５】まず、前記第一の従来例の場合について説
明する。この従来の技術では、結晶質シリコン層の出発
材料として、粒径が３０〜１５０μｍのシリコン粉末を
使用し、このシリコン粉末が４００μｍから６００μｍ
までの厚さの層としてとりつけられるている。このた
め、シリコン層の厚さを例えば１００μｍ以下にするこ
とがはなはだ困難である。

【００１６】実際に第一の従来例を考案した発明者らに
よる投稿文献例では、シリコン層の厚さが２００〜４０
０μｍとなっている（引用文献例：Ｊｏｕｒｎａｌｏ
ｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ、１０４（１９９０）
ｐ．１１９〜１２５）。

【００１７】すなわち、このようなシリコン層の厚さで
あれば、従来のシリコンウエハーを用いたシリコン太陽
電池の厚さと大差なく、少ないシリコン材料を用いるこ
とによる低コスト化は困難である。

【００１８】また、上記第二の従来の技術で低コスト太
陽電池を製造することが困難な理由を述べる。

【００１９】その要因の１つは、前記従来のシリコン膜
の製膜方法では結晶質シリコン太陽電池用のシリコン膜
の製膜には長時間が必要であるため、大量生産による低
コスト化が困難であることである。すなわち、前記従来
の製膜方法ではシリコン膜の製膜速度はたかだか毎分数
１０ｎｍと遅いため、結晶質シリコン太陽電池用のシリ
コン膜として好ましい１０μｍ以上の膜厚を製膜するの
に要する時間が数１０時間もかかってしまうためであ
る。

【００２０】他の低コスト化が困難な要因は、前記従来
の技術ではシリコン膜の結晶粒の大きさ拡大工程、いわ
ゆるアニール工程にレーザー光照射装置を用いており、
この装置が高価なため、太陽電池の低コスト化が必然的
に困難となってしまうことである。この従来例で、レー
ザー光照射装置を使用する目的は、レーザー光によるア
ニール方法は、他の熱アニール工程に比べて５００〜６
００℃と比較的低い温度で結晶粒径の拡大が可能なため
に、比較的低コストなガラス基板が太陽電池の基板に用
いることができ、その結果、太陽電池の低コスト化に寄
与するためである。

【００２１】また、この従来の技術では、シリコン膜の
出発原料に高価なシランガスを用いていることも低コス
ト化を困難としている一原因である。

【００２２】以上記したように、従来のグロー放電プラ
ズマＣＶＤ法を用いた太陽電池の製造方法では、変換効
率と信頼性に優れ、なおかつ低コストの結晶質シリコン
太陽電池を提供することははなはだ困難と言わざるをえ
ない。

【００２３】そこで、本発明は上記課題を解決し、低コ
ストの結晶質シリコン太陽電池を製造するために鋭意検
討されて発明されたものである。

【００２４】本発明の一つの目的は、太陽電池用基板を
用いることなく、かつ前記従来のシート状の結晶質シリ
コン基板よりもさらに薄い結晶質シリコン基板を製造す
ることである。

【００２５】また本発明の他の目的は、太陽電池用基板
を用いる場合においても、前記従来の、例えばガラス基
板に比べてもはるかに安価な基板を用いることを特徴と
している。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載のシリコン基板の製造方法は、真空
中、もしくは不活性ガス雰囲気中、もしくは水素ガス雰
囲気中においてシリコン部材を蒸発させて微粒子を生成
するとともに、支持基板上に前記微粒子の堆積層を形成
する工程と、前記堆積層を表面から加熱することで緻密
な結晶質シリコン基板とする工程と、前記シリコン基板
を支持基板から剥離する工程とが、前記記述工程順に真
空中、もしくは不活性ガス雰囲気中での一連の連続工程
によって行われるものである。

【００２７】また、請求項２記載のシリコン基板の製造
方法は、真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中、もしく
は水素ガス雰囲気中においてシリコン部材を蒸発させて
粒径が５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下の超微粒
子を生成するとともに、支持基板上に前記超微粒子の堆
積層を形成する工程と、前記堆積層を表面から加熱する
ことで緻密な結晶質シリコン基板とする工程と、前記シ
リコン基板を支持基板から剥離する工程とが、前記記述
工程順に真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中での一連
の連続工程によって行われるものである。

【００２８】また、さらに請求項３記載のシリコン基板
の製造方法は、支持基板上に結晶質シリコン層を形成す
る工程と、引続き前記結晶質シリコン層上に真空中、も
しくは不活性ガス雰囲気中、もしくは水素ガス雰囲気中
においてシリコン部材を蒸発させて微粒子を生成すると
ともに、支持基板上に前記微粒子を堆積させて第二の堆
積層を形成する工程と、第二の堆積層を表面から加熱す
ることで緻密な結晶質シリコン基板とする工程と、前記
シリコン基板を支持基板から剥離する工程とが、前記記
述工程順に真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中での一
連の連続工程によって行われるものである。

【００２９】また、本願の請求項５記載のシリコン太陽
電池は、融点が１５００℃以上のセラミック材料を出発
原料とした溶射で形成したセラミック基板上に製膜した
結晶質シリコン膜を用いて構成された結晶質シリコン太
陽電池である。

【００３０】

【作用】まず、請求項１に記載の構成の作用について記
す。

【００３１】真空中、不活性ガス中、あるいは水素ガス
中等の雰囲気中でつくる微粒子の粒径は製造条件にもよ
るが、０．１〜１μｍ程度と、例えば前記第一の従来の
技術で用いていたシリコン粉末よりも小さい。従って、
このような微粒子を用いれば、微粒子の数層程度の厚さ
以上、すなわち約１μｍ程度以上と、前記従来の技術で
は到底実現が困難であった薄い厚さの結晶質シリコン基
板が製造できるようになる。

【００３２】また、本構成では真空中、不活性ガス中、
あるいは水素ガス中等の清浄雰囲気中でシリコン微粒子
を生成し、かつ同様な清浄雰囲気中でシリコン基板に形
成する。従って、微粒子の表面にも酸化物がほとんど形
成されることのない、高純度なシリコン微粒子を出発原
料として用いることができるために、高品質な結晶質シ
リコン基板を製造できる。すならち、変換効率が高い太
陽電池が製造可能となるものである。

【００３３】さらには、上記のような微粒子の堆積層
は、微粒子相互間が点接触状態となっているために、バ
ルク材に比べて熱伝導率が約１／５〜１／１０程度であ
って、熱が伝わりにくい。この堆積層を表面から加熱す
れば、堆積層の表面から溶融しながら下方の微粒子へ熱
が徐々に伝わっていく。このとき堆積層の支持基板との
境界付近の微粒子へは、前記のように熱が伝わりにくい
こと、および固体の微粒子が溶融する際に加熱熱量から
溶融熱分を吸収することとによって、この境界付近の微
粒子をほとんど溶融することなく微粒子層のままの形態
にとどめておくことができる。

【００３４】このような微粒子層は、単に支持基板と、
溶融して結晶化した微粒子層との中間微粒子層の作用と
することができる。すなわち、このような結晶化層と微
粒子層との形態の層は、支持基板から容易に剥離、除去
することができるのである。

【００３５】このように支持基板から剥離された結晶質
シリコン基板には、前記基板との境界と接していた部分
には、加熱条件によもよるが、結晶粒径が十分大きくな
い部分とか、または微粒子のままの部分もあることがあ
る。このような部分は、支持基板からシリコン基板を除
去した後に、再度加熱処理による結晶化とか、あるいは
機械的な除去、エッチングでの除去によって、太陽電池
用の高品質シリコン基板とすることができる。

【００３６】またさらには、上記のように微粒子堆積層
が熱を伝えにくいことによって、支持基板の温度が上昇
することも抑制できる。すなわち、耐熱性に弱い材料の
使用が可能となるので、低コストな支持基板が使用でき
る。

【００３７】次に請求項２記載の構成の作用を記す。本
構成では、請求項１記載の構成に対して、シリコン基板
の出発材料として粒径が５０ｎｍ以下好ましくは２０ｎ
ｍ以下のシリコン超微粒子を用いることを特徴とするも
のである。以下に、この超微粒子の作用に基づく作用を
記す。

【００３８】一般に、微粒子の特徴的な物性に融点降下
現象があるのは周知の事実であり、各種文献にも記され
ている（例えば、一ノ瀬、尾崎、賀集著、オーム社発
行、超微粒子技術入門、ｐ．２６〜ｐ．２９）。このよ
うな微粒子に特有な融点降下現象は、特に粒径が小さい
ほど現れやすく、特に５０ｎｍ以下、さらに２０ｎｍ以
下のいわゆる超微粒子において顕著である。例えば前記
文献例では、粒径５ｎｍの金の超微粒子の融点は約１１
００Ｋ、さらに粒径２ｎｍの金の超微粒子の融点は約５
００Ｋと、バルクの金の融点１３３６Ｋからはるかに低
下している。この融点降下現象は、実験事実としても確
認されている。

【００３９】ところで、物質を結晶成長させるためには
その物質固有の再結晶化温度に加熱することが必要であ
って、再結晶化温度はその物質の融点から２０〜３０Ｋ
低い温度である。微粒子の融点は、上記のように微粒子
の粒径によって、バルクの融点からはるかに低下するの
で、微粒子の再結晶化温度も微粒子の粒径によってバル
クの再結晶化温度からはるかに低下するものである。

【００４０】そこで本構成は、以上記した微粒子、特に
超微粒子での融点降下現象から生ずる再結晶化温度の降
下に着目したものである。その結果、本構成ではこのよ
うな粒径が５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下の超
微粒子を基板上に堆積することによって、基板温度は従
来の技術より低温で結晶質シリコン基板の製膜を可能と
するものである。

【００４１】従って、本構成では、請求項１の構成にお
ける作用を維持しつつ、さらに低温で結晶質シリコン基
板の製造ができるものである。その結果、前記第一の発
明の場合よりもさらに低コストな支持基板が使用できる
ものである。

【００４２】また、本構成では超微粒子を用いるため
に、請求項１記載の構成の場合に比較して、結晶質シリ
コン基板を製造するときの加熱熱量が少なくてすむ。そ
の結果、結晶質シリコン基板を製造するのに必要な電力
等の製造エネルギーが少なく、このことによっても低コ
スト化が可能となるものである。

【００４３】あるいは、このことは、同じ加熱量でも高
速に溶融、結晶化できることになるものであるので、結
晶質シリコン基板が、さらに多量に生産でき、この量産
効果によって低コスト化ができる。

【００４４】また、本構成では、上記微粒子と超微粒子
とが混在した堆積層を加熱して、結晶質シリコン薄帯を
製造することも可能であって、高品質な太陽電池用の結
晶質シリコン基板が製造できるものである。

【００４５】次に請求項３記載の構成の作用を記す。本
構成は、支持基板上に形成した結晶質シリコン層上に微
粒子の堆積層を形成し、加熱することで結晶質シリコン
基板を製造するものである。すなわち、前記表面結晶質
シリコン層は、堆積層を加熱し、結晶化する際のシリコ
ン成長でのエピタキシャル基板の作用を発揮するもので
ある。

【００４６】従って、本構成の結晶質シリコン基板の製
造方法は、請求項１および２記載の構成における作用
を維持しつつ、さらに例えば結晶粒径が大きい等の高品
質な結晶質シリコン太陽電池用の結晶質シリコン基板が
製造可能なものである。

【００４７】次に、請求項５記載の構成の作用について
記す。本構成は、前記第二の従来の技術に対して、より
低コストな基板を用いることで、太陽電池の低コスト化
を実現しようとするものである。

【００４８】本構成のセラミック基板は、セラミック粉
末を原料とする溶射によって形成されている。溶射法
は、溶射原料に用いる粉末が、他の製膜方法に用いるガ
ス原料とか、インゴット原料に比べても安価であるた
め、基板製造での材料費が低コストに形成できる。さら
に、製膜速度が各種の製膜方法の中でもけた違いに大き
く、また設備も安価なものであるため、設備コストが少
なく、このことによっても低コストで基板が形成できる
ものである。

【００４９】このような溶射による基板は、例えば表面
が鏡面状態のステンレス支持基板上にセラミック粉末を
溶射すると、付着力が大きくないために自然に剥離する
ことで、容易に形成できる。

【００５０】特に、アルミナ粉末をセラミック基板の原
料に用いた場合、アルミナの融点が２３００℃と高く、
結晶質シリコンとするときの加熱に十分に耐えられるこ
と、さらには前記剥離がよりしやすいこと等の長所があ
り、本構成の太陽電池用の基板に好適なものの一つであ
る。

【００５１】またさらには、本構成の太陽電池は、基板
の表面形状がガラス等の従来の表面平滑基板とは異なっ
て、粗表面であるために変換効率が向上できるものであ
る。

【００５２】太陽電池の効率向上方法の一つに、数μｍ
程度の表面粗さを付与し、太陽光のシリコン膜内での吸
収率を高める方法がある（一般に、この方法はテキスチ
ャー処理、と称せられている）。その具体的工程として
は、例えばシリコンウエハー基板をエッチング液に浸た
すことで可能となる。

【００５３】溶射製膜法は、原料に数μｍ程度の粉末を
使用するために、膜表面が例えば数μｍ程度と粗である
ことが特徴である。特に、セラミック粉末を原料とした
場合に表面を粗にしやすく、セラミックの中でも特にア
ルミナを用いた場合は容易に粗となる。

【００５４】以上のように、本願発明の太陽電池用基板
は、特性、コストともに低コスト太陽電池を実現する有
力な基板である。

【００５５】

【実施例】まず、請求項１記載の発明の結晶質シリコン
基板の製造方法の一実施例を説明する。図１（ａ）は同
実施例の製造方法を具現化した装置の構成図で、結晶質
シリコン基板の製造を行うものであり、図１（ｂ）は同
装置により行われたシリコン微粒子の結晶化の概略図を
示す。

【００５６】まず、本実施例でのシリコン基板の製造工
程を説明する。図１（ａ）の製造装置は、各工程毎に室
に分かれており、図示してはいないが、各室は、真空ポ
ンプによって排気されている。

【００５７】図１（ａ）において、厚み２ｍｍ、１０ｃ
ｍ×１０ｃｍのソーダガラス製の支持基板１は支持基板
送りだし室２から順次に微粒子堆積室８へ搬送される。
微粒子堆積室８においては、支持基板１上にシリコン微
粒子７が堆積される。シリコン微粒子７は、対向するシ
リコン電極４を備えたシリコン微粒子生成室３にアルゴ
ンガス５を導入し、前記シリコン電極４間に交流電源
（図示せず）から交流電力を印加してアーク放電６を発
生させることで生成した。

【００５８】シリコン微粒子７は、シリコン微粒子生成
室３と微粒子堆積室８とのガス圧力差によって、微粒子
搬送管８内を搬送されて、支持基板１上に堆積し、図１
（ｂ）に示すような微粒子堆積層１６が形成される。微
粒子搬送管８の支持基板１と対向する部分の形状は、１
０ｃｍ幅の支持基板１に均一な層厚さで堆積させるため
に、幅１０．５ｃｍのノズル形状とした。

【００５９】前記微粒子堆積層１６が形成された支持基
板１は、次にアニール室１４へ搬送される。本実施例で
は、微粒子堆積層１６の加熱方法は、高温水素プラズマ
での加熱を用いた。すなわち、ＲＦプラズマトーチ１１
に水素ガス１０を導入し、高温プラズマ１２を発生させ
て、この高温プラズマ１２の熱で前記微粒子堆積層１６
を加熱するものである。

【００６０】この高温プラズマは、熱エネルギーが大き
く、大面積を加熱できるため、製造速度を高速にできる
ものである。特に、水素ガスの高温プラズマ中には、原
子状水素が多量に存在するために、形成された結晶質シ
リコンの結晶粒界に残りやすい結晶欠陥を低減し、高品
質な結晶質シリコン基板を製造することができるもので
ある。

【００６１】また、本実施例では、前記高温プラズマ１
２による加熱後に、ハロゲンランプ１３を用いて後加熱
した。このハロゲンランプ１３で加熱することによっ
て、結晶化層１７の結晶粒径がさらに大きくできるこ
と、結晶の欠陥密度を低減できること、さらには結晶化
層１７の熱応力を低減できる。

【００６２】アニール室１４では、前記堆積層の加熱は
図１（ｃ）に記すような、微粒子層１７’が支持基板１
と結晶化シリコン層１７との間に残存する程度で終了す
る。

【００６３】このような形態のシリコン層は、次に分離
室１５へ搬送される。この分離室１５では、支持基板１
からシリコン層が剥離されるが、図１（ｃ）に示す微粒
子層１７’があるために、容易に分離できる。分離した
後に、例えば窒素ガスブローで前記微粒子層１７’は結
晶化シリコン層１７から除去される。

【００６４】そして、最終的には図１（ｄ）に示すよう
な結晶質シリコン基板１８が製造される。本実施例で製
造されるシリコン基板の大半は、製造条件にもよるが、
図１（ｄ）で示す結晶粒界１９を含んだ多結晶シリコン
基板である。

【００６５】以上概略を記した製造工程に従って、各製
造工程での条件を選定して結晶シリコン基板を製造する
際の製造条件例と、その結果製造される結晶質シリコン
基板の品質例を記す。

【００６６】シリコン微粒子の生成は、シリコン微粒子
生成室３のアルゴンガス５の圧力を４０Ｔｏｒｒ、シリ
コン電極４でのアーク電圧を６０Ｖ、電流を１３０Ａと
し、また、微粒子堆積室９の雰囲気は、シリコン微粒子
生成室３からのアルゴンガス５によって、アルゴンガス
圧力で１Ｔｏｒｒとした。その結果、生成したシリコン
微粒子７は、粒径が約０．１５〜０．８μｍに分布し、
平均粒径が約０．５μｍのものであった。微粒子堆積層
の厚さは、支持基板１の搬送速度を約１ｍ／ｍｉｎとす
ることで、約１５μｍとなった。

【００６７】アニール室１４での水素ガス１０の高温プ
ラズマ１２の発生条件は、アニール室１４の圧力を０．
１Ｔｏｒｒ、水素ガス１０の流量を２ｌ／ｍｉｎ、高温
プラズマ１２の発生電力を５０ｋＷとした。また、アニ
ール室１４での支持基板１の搬送速度は前記微粒子堆積
室９での搬送速度と同じく約１ｍ／ｍｉｎである。ま
た、ハロゲンランプは長さ１５ｃｍのものを用いて、
１．５ｋＷで加熱した。

【００６８】以上記した条件によって製造された結晶質
シリコン基板は、図１（ｄ）に示すような、結晶粒界１
９を含む多結晶シリコン基板１８であり、厚さは約１２
μｍ、平均結晶粒径は約５０μｍのものであって、結晶
質シリコン太陽電池用の基板として十分なものである。

【００６９】また、支持基板１はアニール室１４におい
て高温プラズマ１２で加熱されるときに、温度がもっと
も上昇したものの、約３５０℃程度であった。また、上
記の多結晶シリコン基板の製造速度は本実施例では、８
枚／ｍｉｎであった。

【００７０】次に、請求項２記載の発明の結晶質シリコ
ン基板の製造方法の一実施例を説明する。本実施例を具
現化した製造装置の基本的構成および基本的な製造工程
は、前記実施例とほぼ同様であるので、図１を用いて本
実施例を説明する。

【００７１】シリコン超微粒子の生成は、シリコン微粒
子生成室３のアルゴンガス５の圧力を３Ｔｏｒｒ、シリ
コン電極４でのアーク電圧を５５Ｖ、電流を１００Ａと
し、また、微粒子堆積室９の雰囲気は、シリコン微粒子
生成室３からのアルゴンガス５によって、アルゴンガス
圧力で０．１Ｔｏｒｒとした。

【００７２】その結果、生成したシリコン微粒子７は、
粒径が約５〜１８ｎｍに分布し、平均粒径が約１１ｎｍ
のものであった。微粒子堆積層の厚さは、支持基板１の
搬送速度を約１ｍ／ｍｉｎとすることで、約１３μｍと
なった。

【００７３】アニール室１４での水素ガス１０の高温プ
ラズマ１２の発生条件は、アニール室１４の圧力を０．
１Ｔｏｒｒ、水素ガス１０の流量を２ｌ／ｍｉｎ、高温
プラズマ１２の発生電力を２０ｋＷとした。また、アニ
ール室１４での支持基板１の搬送速度は前記微粒子堆積
室９での搬送速度と同じく約１ｍ／ｍｉｎである。ま
た、ハロゲンランプは長さ１５ｃｍのものを用いて、
１．１ｋＷで加熱した。

【００７４】以上記した条件によって製造された結晶質
シリコン基板は、図１（ｄ）に示すような、結晶粒界１
９を含む多結晶シリコン基板１８であり、厚さは約１１
μｍ、平均結晶粒径は約７０μｍのものであって、結晶
質シリコン太陽電池用の基板として十分なものである。

【００７５】また、支持基板１はアニール室１４におい
て高温プラズマ１２で加熱されるときに、温度がもっと
も上昇したものの、約２６０℃程度であった。

【００７６】また、上記の多結晶シリコン基板の製造速
度は本実施例では、８枚／ｍｉｎであった。

【００７７】次に、請求項３記載の発明の結晶質シリコ
ン基板の製造方法の一実施例を説明する。図２は、本実
施例を具現化した製造装置の要部構成図であり、図３は
同装置によるシリコン微粒子の結晶化の経緯を示す断面
図である。

【００７８】まず、図２の装置も各工程毎に部屋が分か
れており、各部屋は、図示しない真空ポンプによって排
気されている。

【００７９】図２において、厚み２ｍｍ、１０ｃｍ×１
０ｃｍのソーダガラス製の支持基板１９は支持基板送り
だし室２０から順次に第一の微粒子堆積室２７へ搬送さ
れる。微粒子堆積室２７においては、支持基板１９上に
シリコン微粒子２５が堆積される。シリコン微粒子２５
は、対向するシリコン電極２２を備えたシリコン微粒子
生成室２１にアルゴンガス２３を導入し、前記シリコン
電極２２間に交流電源（図示せず）から交流電力を印加
してアーク放電２４を発生させることで生成した。

【００８０】シリコン微粒子２５は、シリコン微粒子生
成室２１と第一の微粒子堆積室２７とのガス圧力差によ
って、微粒子搬送管２６内を搬送されて、支持基板１９
上に堆積し、図３（ａ）に示すような第一の微粒子堆積
層４５が形成される。微粒子搬送管２６の支持基板１９
と対向する部分の形状は、１０ｃｍ幅の支持基板１９に
均一な層厚さで堆積させるために、幅１０．５ｃｍのノ
ズル形状とした。

【００８１】前記第一の微粒子堆積層４５が形成された
支持基板１９は、次に第一のアニール室３１へ搬送され
る。本実施例では、第一の微粒子堆積層４５の加熱方法
は、高温水素プラズマでの加熱を用いた。すなわち、Ｒ
Ｆプラズマトーチ２９に水素ガス２８を導入し、高温プ
ラズマ３０を発生させて、この高温プラズマ３０の熱で
前記第一の微粒子堆積層４５を加熱するものである。

【００８２】第一のアニール室３１では、前記加熱の後
のシリコン層の形態は、図３（ｂ）に示すように、支持
基板１９上に数層の微粒子で構成された微粒子層４６’
と結晶化シリコン層４６とで構成されている。

【００８３】次に、前記支持基板１９は、第二の微粒子
堆積室３８へ搬送される。この第二の微粒子堆積室３８
では、前記基板上に図３（ｃ）に示す様に第二の微粒子
堆積層４７が形成される。第二の微粒子堆積層４７の堆
積方法は、前記第一の微粒子堆積方法と同じ装置構成の
もを用いた。

【００８４】次に、前記支持基板１９は、第二のアニー
ル室４３へ搬送される。本実施例では、第二の微粒子堆
積層４７の加熱方法は、前記第一のアニール室３１とど
うようなＲＦプラズマトーチ４０に水素ガス３９を導入
し、高温プラズマ４１を発生させる方法を用いた。

【００８５】また、本実施例では、前記高温プラズマ４
１による加熱後に、ハロゲンランプ４２を用いて後加熱
した。このハロゲンランプ４２で加熱することによっ
て、結晶化層４８の結晶粒径がさらに大きくできるこ
と、結晶の欠陥密度を低減できること、さらには結晶化
層４８の熱応力を低減できる。

【００８６】このような形態のシリコン層は、次に分離
室４４へ搬送される。この分離室４４では、支持基板１
９からシリコン層が剥離されるが、図３（ｄ）に示す微
粒子層４６’があるために、容易に分離できる。分離し
た後に、例えば窒素ガスブローで前記微粒子層４６’は
結晶化シリコン層４８から除去される。

【００８７】そして、最終的には図３（ｅ）に示すよう
な結晶質シリコン基板４９が製造される。本実施例で製
造されるシリコン基板の大半は、製造条件にもよるが、
図３（ｅ）で示す結晶粒界５０を含んだ多結晶シリコン
基板である。

【００８８】以上概略を記した製造工程に従って、各製
造工程での条件を選定して結晶シリコン基板を製造する
際の製造条件例と、その結果製造される結晶質シリコン
基板の品質例を記す。

【００８９】シリコン微粒子２５、および３６の生成
は、シリコン微粒子生成室２１、および３２３のアルゴ
ンガス２３、および３４の圧力を４０Ｔｏｒｒ、シリコ
ン電極２２、および３４でのアーク電圧を各々２５Ｖ、
６０Ｖ、電流を３０Ａ、１３０Ａとし、また、微粒子堆
積室２７、および３８の雰囲気は、シリコン微粒子生成
室２１、および３２からのアルゴンガス２３、および３
４によって、アルゴンガス圧力で１Ｔｏｒｒとした。そ
の結果、生成したシリコン微粒子２５、３６は、粒径が
約０．１５〜０．８μｍに分布し、平均粒径が約０．５
μｍのものであった。第一の微粒子堆積層４５の厚さ
は、支持基板１の搬送速度を約１ｍ／ｍｉｎとすること
で、約５μｍとして、また、第二の微粒子堆積層４７の
厚さは、約２０μｍとした。

【００９０】第一のアニール室３１での水素ガス２８の
高温プラズマ３０の発生条件は、第一のアニール室３１
の圧力を０．１Ｔｏｒｒ、水素ガス２８の流量を２ｌ／
ｍｉｎ、高温プラズマ３０の発生電力を２０ｋＷとし
た。また、第一のアニール室３１での支持基板１９の搬
送速度は前記微粒子堆積室２７、３８での搬送速度と同
じく約１ｍ／ｍｉｎである。

【００９１】第二のアニール室３８での水素ガス３９の
高温プラズマ４１の発生条件は、第二のアニール室４３
の圧力を０．１Ｔｏｒｒ、水素ガス３９の流量を２ｌ／
ｍｉｎ、高温プラズマ４１の発生電力を５０ｋＷとし
た。また、第二のアニール室４３での支持基板１９の搬
送速度は前記微粒子堆積室２７、３８での搬送速度と同
じく約１ｍ／ｍｉｎである。

【００９２】また、ハロゲンランプは長さ１５ｃｍのも
のを用いて、１．５ｋＷで加熱した。

【００９３】以上記した条件によって製造された結晶質
シリコン基板は、図３（ｅ）に示すような、結晶粒界５
０を含む多結晶シリコン基板４９であり、厚さは約２１
μｍ、平均結晶粒径は約１１０μｍのものであって、結
晶質シリコン太陽電池用の基板として十分なものであ
る。

【００９４】また、支持基板１９は第二のアニール室４
３において高温プラズマ４１で加熱されるときに、温度
がもっとも上昇したものの、約３５０℃程度であった。

【００９５】また、上記の多結晶シリコン基板の製造速
度は本実施例では、８枚／ｍｉｎであった。

【００９６】次に、請求項５記載の発明の結晶質シリコ
ン太陽電池についての実施例を、図４を用いて、その製
造方法と共に説明する。

【００９７】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明のセラミッ
ク基板の製造工程例概略である。平均粒径１０μｍのホ
ワイトアルミナ粉末をプラズマトーチ５１に供給し、ス
テンレス支持基板５３上に溶射すると、前記アルミナの
セラミック膜５２が形成される。ステンレス支持基板５
３は、厚さ５ｍｍで１０ｃｍ×１０ｃｍのものであっ
て、表面粗さＲａが０．１の鏡面状態のものを使用し
た。前記支持基板上に約１０分間程溶射を行うと、厚さ
が約０．２ｍｍのセラミック膜５２が形成される。

【００９８】前記セラミック膜５２は、溶射の終了後、
ステンレス支持基板５３から手で容易に剥離できて、図
３イに示すような厚さ約０．２ｍｍで１０ｃｍ×１０ｃ
ｍ形状のセラミック基板５４となる。

【００９９】以上のように形成されたアルミナのセラミ
ック基板５４の表面粗さは、Ｒａが約２．４μｍと粗表
面状態であった。

【０１００】本実施例の結晶質シリコン太陽電池は、上
記のようにして形成されたセラミック基板上に、図４
（ｃ）に示すような、下部電極５９と、Ｐ型シリコン
層、Ｎ型シリコン層からなる結晶質シリコン膜５８と、
上部電極５５で構成されている。

【０１０１】図４（ｃ）に示すＰ型シリコン層５７は、
各種製膜方法で製膜可能であるが、本実施例では、水素
希釈したＳｉ₂Ｈ₆を原料とし、Ｐ型ドーピングガスとし
てはＢ₂Ｈ₆を用いた熱ＣＶＤ法によって、厚さ１０μｍ
ほど製膜した。また、Ｎ型シリコン層５６は、前記Ｐ型
シリコン層５７を形成した後に、ＰＯＣｌ₃をドーピン
グガスとした熱拡散法で形成した。このようにして本実
施例では結晶質シリコン太陽電池用の結晶質シリコン膜
５８が形成される。

【０１０２】以上のようにして、本実施例での結晶質シ
リコン太陽電池は製造される。

【０１０３】

【発明の効果】以上記したように、本発明の効果は、従
来の技術に比べて、使用するシリコン材料が少ないこ
と、あるいは低コストな基板を使用できることで低コス
トな結晶質シリコン太陽電池を製造できることである。
従って、本発明の効果は産業上、多大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結晶質シリコン基板の製膜方法の一実
施例の説明図

【図２】本発明の結晶質シリコン基板の製膜方法の他の
実施例を具現化した製造装置の構成図

【図３】同実施例で得られた結晶質シリコン基板の説明
図

【図４】本発明の結晶質シリコン太陽電池の一実施例の
説明図

【図５】従来例のシリコン基板の構成図

【図６】同従来シリコン基板の製造方法の説明図

【図７】従来のシリコン薄膜を用いた太陽電池の製造方
法の説明図

【符号の説明】

１、１９支持基板７、２５、３６シリコン微粒子９、２７、３８微粒子堆積室１４、３１、４３アニール室１５、４４分離室１６、４５、４７微粒子堆積層１７、４６、４８結晶質シリコン層１８、４９結晶質シリコン基板５１プラズマトーチ５２セラミック膜５４セラミック基板５８結晶質シリコン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中、も
しくは水素ガス雰囲気中においてシリコン部材を蒸発さ
せて微粒子を生成するとともに、支持基板上に前記微粒
子の堆積層を形成する工程と、前記堆積層を表面から加
熱することで緻密な結晶質シリコン基板とする工程と、
前記シリコン基板を支持基板から剥離する工程とが、前
記記述工程順に真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中で
の一連の連続工程によって構成されるシリコン基板の製
造方法。
【請求項２】真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中、も
しくは水素ガス雰囲気中においてシリコン部材を蒸発さ
せて粒径が５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下の超
微粒子を生成するとともに、支持基板上に前記超微粒子
の堆積層を形成する工程と、前記堆積層を表面から加熱
することで緻密な結晶質シリコン基板とする工程と、前
記シリコン基板を支持基板から剥離する工程とが、前記
記述工程順に真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中での
一連の連続工程によって構成されるシリコン基板の製造
方法。
【請求項３】支持基板上に結晶質シリコン層を形成する
工程と、引続き前記結晶質シリコン層上に真空中、もし
くは不活性ガス雰囲気中、もしくは水素ガス雰囲気中に
おいてシリコン部材を蒸発させて微粒子を生成するとと
もに、支持基板上に前記微粒子を堆積させて第二の堆積
層を形成する工程と、第二の堆積層を表面から加熱する
ことで緻密な結晶質シリコン基板とする工程と、前記シ
リコン基板を支持基板から剥離する工程とが、前記記述
工程順に真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中での一連
の連続工程によって構成されるシリコン基板の製造方
法。
【請求項４】支持基板上に結晶質シリコン層を形成する
工程が、真空中、もしくは不活性ガス雰囲気中、もしく
は水素ガス雰囲気中においてシリコン部材を蒸発させて
微粒子を生成するとともに、支持基板上に前記微粒子の
第一の堆積層を形成する工程と、前記堆積層を表面から
加熱する工程である請求項３記載の結晶質シリコン基板
の製造方法。
【請求項５】融点が１５００℃以上のセラミック材料を
出発原料とした溶射で形成したセラミック基板上に製膜
した結晶質シリコン膜を用いて構成された結晶質シリコ
ン太陽電池。
【請求項６】セラミック粉末はアルミナ粉末である請求
項５記載の結晶質シリコン太陽電池。