JPH08183692A - シリコンの製造方法 - Google Patents
シリコンの製造方法Info
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- JPH08183692A JPH08183692A JP6325864A JP32586494A JPH08183692A JP H08183692 A JPH08183692 A JP H08183692A JP 6325864 A JP6325864 A JP 6325864A JP 32586494 A JP32586494 A JP 32586494A JP H08183692 A JPH08183692 A JP H08183692A
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- melt
- fine holes
- melts
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 低コストで商用電力との競合に堪える変換効
率の高い太陽電池用シリコンの製造方法を提供。 【構成】 隣接する複数の細孔１５を、シリコン融液１
３上に配設した高融点治具１４に、またはシリコン融液
保持容器の底または壁に設け、これよりシリコン融液１
３を引出し一体化させて所望の断面形状を有するシリコ
ン１６を育成する。
率の高い太陽電池用シリコンの製造方法を提供。 【構成】 隣接する複数の細孔１５を、シリコン融液１
３上に配設した高融点治具１４に、またはシリコン融液
保持容器の底または壁に設け、これよりシリコン融液１
３を引出し一体化させて所望の断面形状を有するシリコ
ン１６を育成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に太陽電池用として
有用な電子、正孔対発生体となる板状シリコンの新しい
製造方法に関するものである。
有用な電子、正孔対発生体となる板状シリコンの新しい
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池、特にシリコン等の半導体材料
を用いた太陽電池は、近年の地球温暖化をはじめとする
環境対策の面からクリーンな代替エネルギー発生源とし
て注目されている。シリコン太陽電池としては、使用す
るシリコン素材の結晶構造からみても単結晶、多結晶、
アモルファスの三種類が、またその太陽電池セルの構成
や構造からみても幾多の提案がなされ、一部はすでに実
用化されているが、太陽電池の特性及び代替エネルギー
のコストからみて多くの課題をかかえている。従来のシ
リコン太陽電池としては、例えば図２に示すように、ｐ
型のシリコン半導体基板１の表面に、Ｐなどを拡散させ
たｎ層２、その上に反射防止膜３を介して表面電極４を
形成し、裏面にはＡｌペーストの印刷などにより形成し
た層を焼成してｐ+ 層５、その上に同じくＡｌペースト
の印刷により裏面電極６を形成したものが一般的であ
る。この太陽電池に太陽光線７を照射すると、シリコン
中に入射した光エネルギーによって自由電子および正孔
対が発生し、裏面電極６と表面電極４の間で外部の回路
に電流を取り出すことができ、太陽エネルギーを直接電
気エネルギーに変換することができる。
を用いた太陽電池は、近年の地球温暖化をはじめとする
環境対策の面からクリーンな代替エネルギー発生源とし
て注目されている。シリコン太陽電池としては、使用す
るシリコン素材の結晶構造からみても単結晶、多結晶、
アモルファスの三種類が、またその太陽電池セルの構成
や構造からみても幾多の提案がなされ、一部はすでに実
用化されているが、太陽電池の特性及び代替エネルギー
のコストからみて多くの課題をかかえている。従来のシ
リコン太陽電池としては、例えば図２に示すように、ｐ
型のシリコン半導体基板１の表面に、Ｐなどを拡散させ
たｎ層２、その上に反射防止膜３を介して表面電極４を
形成し、裏面にはＡｌペーストの印刷などにより形成し
た層を焼成してｐ+ 層５、その上に同じくＡｌペースト
の印刷により裏面電極６を形成したものが一般的であ
る。この太陽電池に太陽光線７を照射すると、シリコン
中に入射した光エネルギーによって自由電子および正孔
対が発生し、裏面電極６と表面電極４の間で外部の回路
に電流を取り出すことができ、太陽エネルギーを直接電
気エネルギーに変換することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来から太陽電池のコ
ストの中に占める結晶基板のコストを低減するために、
薄いリボン状ないしは板状のシリコンを製造する方法が
研究提案されており、代表的な方法として、スリット状
の開口部を有する治具を用い毛細管現象でシリコン融液
を上昇させ、その上端部で結晶化させて板状結晶を育成
するＥＦＧ（Edge-defined Film.fed Growth）法や、シ
リコン融液を同じくスリット状開口部から直接引出し結
晶化させるゴンペルツーステパノフ法、あるいはこれら
の変形として、シリコン融液を下方に引出す方法、また
はシリコン融液表面を過冷却状態に保って治具を用いな
いで板状結晶を育成するデントライト育成法、ないしは
Ｗｅｂ法等の方法が研究提案されている。しかしながら
これらの方法は、いずれの方法においても板状シリコン
が成長する固液界面の温度を全域に渡って安定に保つこ
とがきわめて困難であるため、厚さが一定の板状シリコ
ンを連続して安定に育成することが不可能であるという
欠点を有する。
ストの中に占める結晶基板のコストを低減するために、
薄いリボン状ないしは板状のシリコンを製造する方法が
研究提案されており、代表的な方法として、スリット状
の開口部を有する治具を用い毛細管現象でシリコン融液
を上昇させ、その上端部で結晶化させて板状結晶を育成
するＥＦＧ（Edge-defined Film.fed Growth）法や、シ
リコン融液を同じくスリット状開口部から直接引出し結
晶化させるゴンペルツーステパノフ法、あるいはこれら
の変形として、シリコン融液を下方に引出す方法、また
はシリコン融液表面を過冷却状態に保って治具を用いな
いで板状結晶を育成するデントライト育成法、ないしは
Ｗｅｂ法等の方法が研究提案されている。しかしながら
これらの方法は、いずれの方法においても板状シリコン
が成長する固液界面の温度を全域に渡って安定に保つこ
とがきわめて困難であるため、厚さが一定の板状シリコ
ンを連続して安定に育成することが不可能であるという
欠点を有する。
【０００４】すなわち従来技術による板状シリコンの製
造方法においては、育成速度は、発生する固化熱と板状
シリコンと融液の間の固液界面近傍の温度分布によって
定まる固液界面からの熱の移動量によって決定される。
したがって板状シリコンを一定速度で安定に育成するに
は、固液界面の温度ならびにその近傍の温度分布を精密
に制御することが必要であり、育成中の板状シリコンの
幅と厚みを計測して温度、およびその分布状態にフィー
ドバックをかけて制御することが望ましいが、育成炉の
構造、部材の熱容量から考えて温度制御系の時定数は一
般に大きく応答性に劣るため、制御の時間遅れが大きく
なるのでその結果として育成速度を低く抑えなければな
い。さらに例えばＥＦＧ法の場合には、固液界面への融
液の供給は治具の開口部における毛細管現象に依存して
いるため、治具と融液との界面の性状によっても育成速
度が影響を受けるので、安定した製造がより困難とな
る。
造方法においては、育成速度は、発生する固化熱と板状
シリコンと融液の間の固液界面近傍の温度分布によって
定まる固液界面からの熱の移動量によって決定される。
したがって板状シリコンを一定速度で安定に育成するに
は、固液界面の温度ならびにその近傍の温度分布を精密
に制御することが必要であり、育成中の板状シリコンの
幅と厚みを計測して温度、およびその分布状態にフィー
ドバックをかけて制御することが望ましいが、育成炉の
構造、部材の熱容量から考えて温度制御系の時定数は一
般に大きく応答性に劣るため、制御の時間遅れが大きく
なるのでその結果として育成速度を低く抑えなければな
い。さらに例えばＥＦＧ法の場合には、固液界面への融
液の供給は治具の開口部における毛細管現象に依存して
いるため、治具と融液との界面の性状によっても育成速
度が影響を受けるので、安定した製造がより困難とな
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、主として板状
シリコンの新しい製造方法を提供することを目的とする
ものであるが、またこの方法を拡張することによって、
任意の断面形状を有するシリコンをも作成することがで
きる。すなわち、シリコン融液を隣接する複数の細孔か
ら引出し一体化して所望の断面形状を有するシリコンと
することを特徴とし、細孔の開口部を一直線上に配列す
ることによって板状シリコンを製造することができる。
本発明者らはシリコン融液から細孔を有する治具を用い
て細線状シリコンを製造する技術を開発する過程におい
て、近接して設けた複数の細孔から同時にシリコン融液
を引出した場合、シリコン融液の温度と細線の引出し速
度との間に一定の関係が存在するときに、細孔から引き
出されたシリコンが一体化した形となることを発見し本
発明を完成させた。
シリコンの新しい製造方法を提供することを目的とする
ものであるが、またこの方法を拡張することによって、
任意の断面形状を有するシリコンをも作成することがで
きる。すなわち、シリコン融液を隣接する複数の細孔か
ら引出し一体化して所望の断面形状を有するシリコンと
することを特徴とし、細孔の開口部を一直線上に配列す
ることによって板状シリコンを製造することができる。
本発明者らはシリコン融液から細孔を有する治具を用い
て細線状シリコンを製造する技術を開発する過程におい
て、近接して設けた複数の細孔から同時にシリコン融液
を引出した場合、シリコン融液の温度と細線の引出し速
度との間に一定の関係が存在するときに、細孔から引き
出されたシリコンが一体化した形となることを発見し本
発明を完成させた。
【０００６】すなわち図１（ａ），（ｂ）に示すよう
に、カーボンサセプタ１０にはめ込んだ石英ルツボ１１
の中にシリコン塊を収容し、ヒーター１２により加熱し
てシリコン融液１３をつくる。つぎにこのシリコン融液
上に配設した高融点治具１４の中央部にたがいに近接し
て設けた細孔１５よりにじみ出てきたシリコン融液に種
結晶を接触させて引き上げると、シリコン融液が一体化
してシリコン１６が育成される。したがって複数の細孔
を近接し全体として任意の形状に配置することによっ
て、細孔全体によって形作られる形状とほぼ同じ形の断
面を有するシリコンを育成することができることが見出
された。この方法を用いて板状シリコンを作製する場合
には、図１（ｃ）に示すように、近接する細孔の開口部
を一直線上に配列すれば容易に実現でき、また細孔の径
を選択することによって任意の厚さの板またはリボン状
のシリコンを引き出すことが可能である。シリコンを引
き出す方向も、例えば融液上に鉛直方向に細孔をあけた
引出し用高融点治具を配置し上方に引き出すことができ
るほか、融液保持容器の底面に細孔を設けて下方に、さ
らには融液保持容器の側面に細孔を横方向にあけて配列
すれば側方に引き出すことが可能である。
に、カーボンサセプタ１０にはめ込んだ石英ルツボ１１
の中にシリコン塊を収容し、ヒーター１２により加熱し
てシリコン融液１３をつくる。つぎにこのシリコン融液
上に配設した高融点治具１４の中央部にたがいに近接し
て設けた細孔１５よりにじみ出てきたシリコン融液に種
結晶を接触させて引き上げると、シリコン融液が一体化
してシリコン１６が育成される。したがって複数の細孔
を近接し全体として任意の形状に配置することによっ
て、細孔全体によって形作られる形状とほぼ同じ形の断
面を有するシリコンを育成することができることが見出
された。この方法を用いて板状シリコンを作製する場合
には、図１（ｃ）に示すように、近接する細孔の開口部
を一直線上に配列すれば容易に実現でき、また細孔の径
を選択することによって任意の厚さの板またはリボン状
のシリコンを引き出すことが可能である。シリコンを引
き出す方向も、例えば融液上に鉛直方向に細孔をあけた
引出し用高融点治具を配置し上方に引き出すことができ
るほか、融液保持容器の底面に細孔を設けて下方に、さ
らには融液保持容器の側面に細孔を横方向にあけて配列
すれば側方に引き出すことが可能である。
【０００７】またさきに述べたこれまで用いられてきた
板状シリコン育成の制御の困難さに対する本発明の解決
方法は、細孔を通しての融液の移動量をシリコン融液面
に加える静圧によって制御し、もって育成速度を制御す
るという考えに基づいている。すなわち細孔を通しての
融液の流れはポワズイユ（Poiseuille）の式によって表
され、基本的には細孔の径と長さ、融液の粘度と細孔両
端間の圧力差によって決定される。例えばシリコン融液
を直径０．２ｍｍ、長さ１ｃｍの細孔を通して毎秒１ｃ
ｍの線速で流すためには、およそ２．６ｋＰａの圧力差
が必要である。シリコン融液の表面と固液界面との距離
を１０ｃｍとすると、細孔よりシリコン融液を下方に引
き出す場合は、この液面の高さの差に基づく重力による
静圧およそ２．５ｋＰａよりさらに０．１ｋＰａ多い圧
力をシリコン融液の表面に加えればよく、上方に引き出
す場合は、２．５ｋＰａを２．６ｋＰａに加えた静圧を
シリコン融液の表面に加えればよい。
板状シリコン育成の制御の困難さに対する本発明の解決
方法は、細孔を通しての融液の移動量をシリコン融液面
に加える静圧によって制御し、もって育成速度を制御す
るという考えに基づいている。すなわち細孔を通しての
融液の流れはポワズイユ（Poiseuille）の式によって表
され、基本的には細孔の径と長さ、融液の粘度と細孔両
端間の圧力差によって決定される。例えばシリコン融液
を直径０．２ｍｍ、長さ１ｃｍの細孔を通して毎秒１ｃ
ｍの線速で流すためには、およそ２．６ｋＰａの圧力差
が必要である。シリコン融液の表面と固液界面との距離
を１０ｃｍとすると、細孔よりシリコン融液を下方に引
き出す場合は、この液面の高さの差に基づく重力による
静圧およそ２．５ｋＰａよりさらに０．１ｋＰａ多い圧
力をシリコン融液の表面に加えればよく、上方に引き出
す場合は、２．５ｋＰａを２．６ｋＰａに加えた静圧を
シリコン融液の表面に加えればよい。
【０００８】すなわち細孔よりシリコン融液を引き出す
速度は、シリコン融液の表面に加わる気相の圧力によっ
て制御することができるので、成長するシリコンの形状
ないしは成長速度の値を常時自動計測し、これらの値に
基づいて液面圧をフィードバック制御すれば、圧力制御
系の時定数が比較的小さく応答性が高いので、瞬間的に
シリコンの形状ないしは成長速度を一定の値に制御する
ことが可能であり、固液界面の温度とその近傍における
温度分布にゆらぎが存在しても、きわめて安定した状態
で育成するシリコンの形状および育成速度を精密にコン
トロールすることができる。またその結果、従来の方法
よりも高速で育成することができるのが本方法の大きな
特徴である。
速度は、シリコン融液の表面に加わる気相の圧力によっ
て制御することができるので、成長するシリコンの形状
ないしは成長速度の値を常時自動計測し、これらの値に
基づいて液面圧をフィードバック制御すれば、圧力制御
系の時定数が比較的小さく応答性が高いので、瞬間的に
シリコンの形状ないしは成長速度を一定の値に制御する
ことが可能であり、固液界面の温度とその近傍における
温度分布にゆらぎが存在しても、きわめて安定した状態
で育成するシリコンの形状および育成速度を精密にコン
トロールすることができる。またその結果、従来の方法
よりも高速で育成することができるのが本方法の大きな
特徴である。
【０００９】細孔の断面形状は円形、角形、多角形の任
意の形状とすることができるし、すべての細孔がまった
く同一形状、同一の大きさである必要はない。例えばレ
ンズ状のシリコンを引き出すには、図１（ｄ）、（ｅ）
いずれの形状と配列を用いても可能であり、管状のシリ
コンを引き出すには（ｆ）に示す形状と配列を用いて実
施することができる。引き出す場合のシリコン融液の雰
囲気中に気体状のドーパントを存在させれば、任意の抵
抗率を有するｐ型あるいはｎ型いずれの導電型のシリコ
ン結晶をも得ることができる。引出し用治具はシリコン
より高融点でシリコン融液に対し耐食性の高い材料から
選択すればよく、例えば炭素材やＳｉＣのような炭化
物、Ｓｉ3 Ｎ4 のような窒化物その他酸化物、オキシナ
イトライド、ホウ化物のようなセラミックスあるいはＷ
Ｓｉ，ＴａＳｉのようなシリサイドを使用できる。
意の形状とすることができるし、すべての細孔がまった
く同一形状、同一の大きさである必要はない。例えばレ
ンズ状のシリコンを引き出すには、図１（ｄ）、（ｅ）
いずれの形状と配列を用いても可能であり、管状のシリ
コンを引き出すには（ｆ）に示す形状と配列を用いて実
施することができる。引き出す場合のシリコン融液の雰
囲気中に気体状のドーパントを存在させれば、任意の抵
抗率を有するｐ型あるいはｎ型いずれの導電型のシリコ
ン結晶をも得ることができる。引出し用治具はシリコン
より高融点でシリコン融液に対し耐食性の高い材料から
選択すればよく、例えば炭素材やＳｉＣのような炭化
物、Ｓｉ3 Ｎ4 のような窒化物その他酸化物、オキシナ
イトライド、ホウ化物のようなセラミックスあるいはＷ
Ｓｉ，ＴａＳｉのようなシリサイドを使用できる。
【００１０】
【実施例】カーボンサセプタにはめ込んだ石英ルツボ中
でシリコンを溶融し、０．４ｍｍの径の細孔を０．７０
ｍｍ間隔で１０個、開口部が一直線状になるよう配列し
て設けたＳｉＣ製の結晶引出し用の高融点治具をシリコ
ン融液上に配設し、シリコン融液温度を約１４２５℃に
保ちつつ、細孔からにじみでてきたシリコン融液に厚さ
０．２ｍｍ、幅６．５ｍｍのシリコン種結晶を接触させ
て、種結晶を上方に５ｃｍ／ｍｉｎの速さで引き上げて
種結晶とほぼ同じ形状で長さ６０ｍｍのシリコン薄板を
作製した。このシリコン薄板はｐ型の単結晶で０．８Ω
ｃｍの抵抗率を示した。この薄板を長さ約１０ｍｍに切
断し、８５０℃にてリンを拡散させてｐｎ接合を形成し
た後、裏面拡散層を除去し、ＴｉＯ2 反射防止膜をｎ型
表面に形成し、フォトリソグラフィーにてＡｌ−Ｓｉ表
面電極を、また裏面には同様にＡｌ−Ｓｉの裏面電極を
形成して太陽電池セルを作製した。この太陽電池セルを
ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2 、２８℃の条件で変換
効率を測定し１２．５％の値を得た。
でシリコンを溶融し、０．４ｍｍの径の細孔を０．７０
ｍｍ間隔で１０個、開口部が一直線状になるよう配列し
て設けたＳｉＣ製の結晶引出し用の高融点治具をシリコ
ン融液上に配設し、シリコン融液温度を約１４２５℃に
保ちつつ、細孔からにじみでてきたシリコン融液に厚さ
０．２ｍｍ、幅６．５ｍｍのシリコン種結晶を接触させ
て、種結晶を上方に５ｃｍ／ｍｉｎの速さで引き上げて
種結晶とほぼ同じ形状で長さ６０ｍｍのシリコン薄板を
作製した。このシリコン薄板はｐ型の単結晶で０．８Ω
ｃｍの抵抗率を示した。この薄板を長さ約１０ｍｍに切
断し、８５０℃にてリンを拡散させてｐｎ接合を形成し
た後、裏面拡散層を除去し、ＴｉＯ2 反射防止膜をｎ型
表面に形成し、フォトリソグラフィーにてＡｌ−Ｓｉ表
面電極を、また裏面には同様にＡｌ−Ｓｉの裏面電極を
形成して太陽電池セルを作製した。この太陽電池セルを
ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2 、２８℃の条件で変換
効率を測定し１２．５％の値を得た。
【００１１】
【発明の効果】本発明の方法により、板状をはじめ種々
の形状をもったシリコンを低コストで製造することがで
きるため、太陽電池の実用化に寄与することができる。
の形状をもったシリコンを低コストで製造することがで
きるため、太陽電池の実用化に寄与することができる。
【図１】（ａ）は本発明の板状シリコンの製造方法の一
実施例の説明図、（ｂ）はその育成部分の拡大図、
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）は細孔の配列、形状と
育成シリコンの断面を例示する説明図である。
実施例の説明図、（ｂ）はその育成部分の拡大図、
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）は細孔の配列、形状と
育成シリコンの断面を例示する説明図である。
【図２】従来の太陽電池の断面図である。
１…ｐ型のシリコン半導体基板 １０…カーボン
サセプタ ２…ｎ層 １１…石英ルツ
ボ ３…反射防止膜 １２…ヒーター ４…表面電極 １３…シリコン
融液 ５…ｐ+ 層 １４…高融点治
具 ６…裏面電極 １５…細孔 ７…太陽光 １６…育成シリ
コン
サセプタ ２…ｎ層 １１…石英ルツ
ボ ３…反射防止膜 １２…ヒーター ４…表面電極 １３…シリコン
融液 ５…ｐ+ 層 １４…高融点治
具 ６…裏面電極 １５…細孔 ７…太陽光 １６…育成シリ
コン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阪口 新 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番１号 信越化学工業株式会社コーポレートリサ ーチセンター内 (72)発明者 平沢 照彦 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番１号 信越化学工業株式会社コーポレートリサ ーチセンター内
Claims (10)
- 【請求項１】 シリコン融液を隣接する複数の細孔から
引き出し一体化することを特徴とするシリコンの製造方
法。 - 【請求項２】 開口部を一直線上に配列した複数個の細
孔を通してシリコン融液を引き出し一体化して板状とす
る請求項１に記載の製造方法。 - 【請求項３】 前記引き出しが細孔両端間に圧力差を生
じさせてなる請求項１または２に記載の製造方法。 - 【請求項４】 前記圧力差が融液の引き出し速度の値に
応じて制御される請求項３に記載の製造方法。 - 【請求項５】 前記制御がシリコン融液表面に加わる圧
力を調節してなる請求項４に記載の製造方法。 - 【請求項６】 前記細孔がシリコン融液上に配設した高
融点治具に形成されている請求項１〜５に記載の製造方
法。 - 【請求項７】 前記細孔がシリコン融液保持容器の底面
に設けられている請求項１〜５に記載の製造方法。 - 【請求項８】 前記細孔がシリコン融液保持容器の側面
に設けられている請求項１〜５に記載の製造方法。 - 【請求項９】 細線状シリコンを相互に融着させて作成
する板状シリコン。 - 【請求項１０】 請求項１〜８に記載のいずれかの方法
によって製造されたシリコンまたは請求項９に記載の板
状シリコンを用いて作成される太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6325864A JPH08183692A (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | シリコンの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6325864A JPH08183692A (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | シリコンの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08183692A true JPH08183692A (ja) | 1996-07-16 |
Family
ID=18181475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6325864A Pending JPH08183692A (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | シリコンの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08183692A (ja) |
-
1994
- 1994-12-27 JP JP6325864A patent/JPH08183692A/ja active Pending
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