JPS6289367A - 太陽電池用大面積シリコン結晶体の製造方法 - 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］ この発明は太陽電池用大面積シリコン結晶体の製造方法
に関する。

［従来の技術］ 原料として結晶粒度の小さいシリコン粉末を用い、焼結
プロセスにより箔の形に転換する方法は、ドイツ連邦共
和国特許出願公開第２１１１２７０８８号公報（アメリ
カ合衆国特許第４３３０３５８号明細書及び特開昭５８
−１５０８２号公報に同じ）により知られている。この
方法においてはシリコン粉末を有機結合剤と混合してス
リップを作り、このスリップを引き伸ばしシューを用い
て下敷き上に引き伸ばしたシリコン箔をアルゴンガス流
中で１３５０℃で焼結し、その際１７ｈｍの小さい直径
のシリコン粒子が箔の厚さの大きい直径を有する粒子に
成長する。焼結温度は溶融温度にできるだけ近く選ばれ
、焼結は十分な粒子成長が行われるまで長く続けられる
。

しかし粒子成長と縮化は各シリコン粒子を囲む酸化物被
膜により著しく妨げられる。満足な縮化は溶融プロセス
が行われた所だけで実現できる。

しかしこのことは長時間の焼結の際に下敷きとの反応の
ために避けなければならない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３０１７９２３号公報
によりシリコン箔の製造方法が知られており、この方法
では焼結プロセス中にシリコン箔の表面範囲を１回又は
複数回の熱パルスにより短時間溶融する。その際熱放射
は高温空気噴射により作られ、またシリコン焼結箔の溶
融されなかった下面が除去される。この方法は比較的実
施が面倒であり、箔裏面の除去による材料損失及びそれ
に基づく生産量の低下のために、経済的に太陽電池基礎
材料を製造するのにあまり適していない。更に連続的な
加工プロセスを実施するのは困難である。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は、かかる欠点を有していない太陽電池用大面
積シリコン結晶体の製造方法を提供することを特徴とす
る特にこの材料から作られた太陽電池の結晶品質と電気
的特性を低下させるおそれのある不純物が、焼結プロセ
ス及び溶融プロセス中に結晶体の中に入り込まないこと
を保証しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ この１１的は前記の種類の方法においてこの発明に基づ
き、 ａ）少なくとも表面がシリコン又はシリコン化合物から
成り製造すべき結晶体の大きさに適合した型の中で、シ
リコン粉末をプレスにより粒子直径の複数倍の厚さを有
する層に圧縮し、 〔ｂ〕圧縮した層を第１の熱処理中に焼結により自立す
るシリコン焼結箔に転換し、 Ｃ）シリコン焼結箔を第２の熱処理中に片側からのエネ
ルギー入射により、層厚さの少なくとも半分まで溶融し
て再結晶し、 ｄ）残りの層厚さを第３の熱処理中に溶融して再結晶し
、それにより第２の熱処理の後に再結晶して大きくなっ
た結晶粒を更にシリコン体の層厚さ全体にわたって成長
させる ことにより達成される。

その際熱処理を片側からの光学的加熱により、特に順次
投入される集束光源により行うと有利である。

この発明の実施態様は特許請求の範囲第２項以下に記載
されている。

［発明の作用効果］ ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３８３３５号公報
から太陽電池用大面積シリコン結晶体の製造方法が知ら
れており、この方法ではシリコン焼結体を自立状態で溶
融し、シリコン結晶体の比較的高い純度と結晶品質とを
保証しているけれども、ここではシリコン焼結箔を流れ
作業原理に基づき水平な加熱装置を通って、溶融したシ
リコンにより濡れない又は濡れにくい支持体例えばガラ
ス繊維織物上に載せて移動し、−回の熱処理で完全に溶
融する。結晶化の後に支持体を再び取り去る。

特別に構成された加熱器により平面上のシリコン結晶体
を中心から外に向かって凝固するということが達成され
る。しかしこの方法では自立するシリコン焼結箔が少な
くとも一時的にその機械的安定性を失い、また粒子が不
均一に成長することを防止できない。更に支持体から不
純物を持ち込む危険及び箔の溶着が起こる。

これに対してこの発明の理論に基づく方法では、結合剤
を用いないで圧縮を行い、箔の機械的な安定性だけを目
的として同様の材料から成る冷たい下敷き上で焼結を実
施することによるだけでも既に、最初から不純物の持ち
込みが回避される。更に石英から成る反応室を用い、こ
の反応室は熱処理の際にも冷たい状態のままである。こ
の発明の方法では粒子は均一に成長する。なぜならば最
初に層厚さの半分だけを溶融し、この層部分の再結晶の
後に初めて残りの層厚さを溶融し再結晶するからである
。再溶融プロセスの際には片側からのエネルギー入射に
より下敷きは冷たい状態のままであるので、箔の下敷き
との接着又は融合が避けられる。

しかしながらこの発明の木質は、自立するシリコン焼結
箔がまず上側から所望の深さく少なくとも半分）まで溶
かして作られ、大きい粒子に再結晶され、その際箔の溶
かされなかった層部分が溶融兼再結晶過程のために必要
な機械的安定性を与え、それから箔をいわばその裏面か
ら溶かして作り、その際既に再結晶された上側の層部分
により、後の溶融プロセスの際の安定性が保証されると
いうことにある。その際上側の層部分の既に発生してい
る大きい粒子が、更に成長するための出発点を形成する
。

この発明の方法により非常に薄いかつ滑らかな任意の大
きさのシリコン結晶板又は帯が容易に流れ作業により製
造できる。効率は少なくとも１０％の値に達する。

この発明により作られた平面シリコンは、半導体素子の
製造のための非常に経済的なシリコン基板材料としても
有利に使用できる。

［実施例］ 次にこの発明に基づく方法の一実施例を示す図面により
この発明の詳細な説明する。すべての図面において同じ
部分は同じ符号が付けられている。

第１図においては、石英から成る漏斗形の貯蔵容器１か
ら８０μｍないし１５０ｕＬｍの範囲の粒度を有するシ
リコン粉末２が、例えばシリコンから成る型３の中に例
えば１５００ＪＬｍの層厚さで入れられる。粉末層４の
面積は例えば５０　ｍｍＸ　１００　ｍｍである。矢印
５によりシリコンの型３の運動方向が示されている。

第２図においては、型３の中に形成された層４がプレス
により、シリコンカーバイドで被覆された材料から成る
パンチ２３を用いて４ｋＮ／ｃｍ２の圧力で圧縮される
。矢印７は圧縮方向を示す。符号６により圧縮されたシ
リコン粉末層を示す。

第３図は１３５０’ｃないし１４００°Ｃでの焼結によ
り圧縮された層６から自立するシリコン焼結箔８（厚さ
１０１００ＪＬを作る工程を示す。

焼結は集束された放射線９（詳細は第６図参照）を用い
て行われる。矢印５はここでも圧縮された粉末６又は焼
結箔８を装入された型３の運動方向を示す。速度は１０
ｍｍ毎分に設定されている。

このプロセスと次のプロセスとはアルゴンガスを充填さ
れた反応炉（第３図ないし第５図には示されていない）
の中で実施される。

第４図においては、第１の表面溶融プロセスが行われ、
このプロセスでは放射線源９（第３図）に比べて大きい
容量を有する片側からの光照射線１０により、シリコン
焼結箔８が少なくともその厚さの半分まで（望ましくは
その厚さの３分の２まで）溶融され再結晶される。再結
晶されたシリコン層は符号１１を付けられ、溶融域（幅
約８ｍｍ）は符号１２を付けられている。再結晶された
層部分１１の粒度は約５００　μｍである。

第５図においては、箔（層）８．１１の回転（回転矢印
１３参照）の後に、第２の表面溶融プロセス焼結が実施
され箔８の残りの層厚さが溶融して再結晶される。その
際放射線源１０（第４図）におけるのと同一の容量の集
束放射線源１４を用いて処理される。第４図に示す再結
晶の際に生じた粗粒の層１１は今や再結晶のための核生
成層として役立ち、再結晶の際には粒子は層厚さ全体に
まで成長する。大きいシリコン結晶体１５が完成する。

符号１６により溶融域（幅約８ｍｍ）が示されている。

矢印５はここでも運動方向を示す。速度は焼結プロセス
（第３図）及び第１の溶融プロセス（第４図）の場合の
速度に合わせられる。このようにしてこの発明に基づく
方法は流れ作業による連続処理方法のために好適に用い
ることができる。

放射線源１４がシリコン焼結体８，１１の下方に配置さ
れているときには、回転工程（１３）を省略することが
できる。そのとき特にシリコン体８．１１の縁は（第５
図に示されているような）開放された型１８の中に保持
されている。

第６図により例えば第４図に示されたような第１の溶融
兼結晶化プロセスが更に詳細に描かれている。その際簡
単化のためにシリコン焼結箔８（及び１１）は保持装置
３を省略して描かれている。

図示のようなだ円形の断面を有する筒形の鏡１７を用い
て、６ｋＷの最大容量の棒状ハロゲンランフ’１９の放
射線ｌＯが、搬送コンベヤ２０の上に載せられ石英反応
炉２１を通って（型３に入れて）送られるシリコン焼結
箔８の上に集束される。反応炉２１はプロセスの間アル
ゴンガスから成る保護ガスを流し込まれる。用いられた
棒状ハロゲンランプ１９は２３０ｍｍのフィラメント長
さを有する。放射線１０の最適利用のためにシリコン箔
８の幅は約２００　ｍ　ｍとすることができる。

放射線装置１７．１９の効率を最善に保つために、反射
鏡１７はその反射面２２に関して、断面だ円が７０ｍｍ
の半袖ａと６０　ｍ　ｍの半軸すを有するように設計さ
れている。その際反射面２２はできるだけシリコン体表
面８．１１の端部範囲にまで達するようにすべきである
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はそれぞれこの発明に基づく製造方
法の一実施例の各処理段階を示す断面図、第６図はシリ
コン焼結箔を送り込まれた連続処理装置に関して第４図
に示す放射線源装置の一実施例を示す断面略図である。 ２・・−シリコン粉末、　　３−・・型、　　６・・・
圧縮層、　　８−・・焼結箔（シリコン体）、１１・・
・結晶粒（シリコン体）、　　１２−・・溶融域、　　
１５φ・・結晶体（シリコン体）、１７．１９−・拳集
束光源（反射鏡とハロゲンラ７７’）、　　　２０＠ｍ
・搬送コンベヤ、　　２２・・・反射面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）原料として結晶粒度の小さいシリコン粉末を用い、
   焼結プロセスにより箔の形に転換する太陽電池用大面積
   シリコン結晶体の製造方法において、 ａ）少なくとも表面がシリコン又はシリコン化合物から
   成り製造すべき結晶体（１５）の大きさに適合した型（
   ３）の中で、シリコン粉末（２）をプレス（７）により
   粒子直径の複数倍の厚さを有する層（６）に圧縮し、 ｂ）圧縮した層（６）を第１の熱処理（９）中に焼結に
   より自立するシリコン焼結箔（８）に転換し、 ｃ）シリコン焼結箔（８）を第２の熱処理（１０）中に
   片側からのエネルギー入射により、層厚さの少なくとも
   半分（１２）まで溶融して再結晶し、 ｄ）残りの層厚さ（８）を第３の熱処理（１４）中に溶
   融して再結晶し、それにより第２の熱処理（１０）の後
   に再結晶して大きくなった結晶粒（１１）を更にシリコ
   ン体（１５）の層厚さ全体にわたって成長させることを
   特徴とする太陽電池用大面積シリコン結晶体の製造方法
   。 ２）熱処理を片側からの光学的加熱（９、１０、１４）
   により行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３）光学的加熱を順次投入される集束光源（１７、１９
   ）により行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の方法。 ４）原料として最大で２００μｍの粒度を有するシリコ
   ン粉末（２）を用いることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の方法。 ５）焼結箔（８）の層厚さを３００μｍないし１０００
   μｍの範囲に設定することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第４項のいずれか１項に記載の方法。 ６）処理段階〔ｂ〕による焼結プロセスを１３５０℃な
   いし１４００℃で約１分間実施することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項に記載
   の方法。 ７）処理段階〔ｂ〕、〔ｃ〕、〔ｄ〕による熱処理段階
   を連続処理方法（５）で実施し、その際圧縮されたシリ
   コン粒子から成り結晶化すべきシリコン体（８）を搬送
   コンベヤ（２０）の上に載せて、反射鏡（１７）により
   集束され順次投入される三つの光源（１９）から成る装
   置を通って移動し、その際第１及び第２の光源を上方か
   らまた第３の光源を下方からシリコン体（８）に作用さ
   せるか、又はすべての三つの集束光源（１７、１９）を
   上方から作用させ、その際第２及び第３の熱処理の間で
   シリコン体（８、１１）を１８０°回転することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１
   項に記載の方法。 ８）処理段階〔ｂ〕、〔ｃ〕、〔ｄ〕による熱処理を連
   続処理方法で実施し、その際固定配置されたシリコン体
   （８、１１）を越えて集束光源（１７、１９）を駆動装
   置により導くことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第６項のいずれか１項に記載の方法。 ９）光源として少なくとも各６ｋＷの容量を有する棒状
   ハロゲンランプ（１９）を用い、その放射線（９、１０
   、１４）を少なくとも８５％の反射率を有しだ円形の断
   面を備えた筒形の鏡（１７）により集束することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか１
   項に記載の方法。 １０）反射面（２２）がシリコン体表面（８、１１）の
   端部範囲にまで達する反射鏡（１７）を用いることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第９項のいずれか
   １項に記載の方法。