JP2002292265A - 球状半導体粒子の大量生産装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 球状半導体粒子を、簡単な操作で、大量生産
すること。 【解決手段】 Ｓｉ半導体を坩堝２０８に貯留し、誘導
加熱の手法２１５，２１６によって、坩堝内の半導体を
加熱して溶融し、この溶融半導体に、坩堝内の溶融半導
体よりも上部の空間にＡｒ、Ｎ₂などのガス圧力を作用
し、ノズル２０９から落下する。ノズルからの溶融半導
体には、加振手段２１２の音波または超音波が照射さ
れ、これによって溶融半導体は気相中で、粒径の揃った
球状粒子とされる。液体または固体の粒子には、レーザ
源２２２からレーザ光２２３が照射され、これによって
粒子にクラックを生じることなく、単結晶または多結晶
にされる。さらにその粒子の表面に、不純物をドープし
て表面層を形成するために、拡散源の気相中を通過させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば光発電装
置などのために好適に実施することができる球状半導体
粒子の大量生産装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような球状半導体粒子は、たとえば
特公平７−５４８５５におけるソーラ・アレーを製造す
るために必要になる。金属箔マトリクスに、シリコン半
導体の球を電気的に接続し、光の照射によって光起電力
を取出すことができる。

【０００３】このような球状粒子を生産するには、たと
えばアメリカ特許５，０１２，６１９に開示されている
ように、固体状物質を粉砕して不規則な外形を有する粒
子を得、その後、研磨用ライニングが施された円筒体内
に収納し、その円筒体内でガスの渦巻き流を形成して、
粒子を研磨ライニングに衝突させ、または粒子相互に衝
突させ、これによって球状粒子を得る。

【０００４】この先行技術では、球状半導体粒子を生産
するために多くの労力と時間を必要とし、原価の低減に
劣る。

【０００５】他の先行技術は、特開平８−２３９２９８
に開示される。この先行技術では、細線状シリコン棒を
製造するために、鉛直に保持したシリコン棒の先端部分
を高周波加熱によって融解した後、種となるシリコン結
晶を、この融解したシリコンに融着させ、種結晶とシリ
コン棒を相対的に鉛直方向に引き離して、太さが１ｍｍ
以下の細線状シリコン棒を得る。この先行技術では、得
られる細線状シリコン棒は、たとえば５〜１０ｍｍ／ｍ
ｉｎである。したがってもっと高い速度で、大量の球状
半導体粒子を製造することが望まれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、球状
半導体粒子を簡単な操作で容易に大量生産することがで
きるようにした装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体を、貯
留する坩堝と、坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱
手段と、坩堝内の溶融半導体を落下するノズルと、溶融
半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、
気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段とを含
むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置であ
る。

【０００８】本発明に従えば、坩堝内に半導体を貯留し
て加熱手段によって溶融し、この溶融半導体を、ノズル
から落下し、この溶融半導体に振動を加振手段によって
加え、これによってノズルから落下する溶融半導体が、
気相中で球状粒子となり、その球状粒子の粒径がほぼ一
定の値に揃う。これによって簡単な操作で容易に球状半
導体粒子を大量生産することができるようになる。気相
というのは、空気、ＡｒまたはＮ₂などの不活性ガスな
どであってもよく、さらにまた真空中も含む。

【０００９】本発明に従えば、ノズルから落下する溶融
半導体は、線状ではなく、液体状であり、したがって高
速度で短時間に大量の球状半導体粒子を製造することが
容易に可能である。たとえば本発明によれば、溶融半導
体をノズルから、１ｃｍ／ｓｅｃ〜１ｍ／ｓｅｃで落下
して、球状半導体粒子を製造することができ、この生産
速度は、前述の先行技術に比べて格段に大きい。

【００１０】また本発明は、坩堝内の溶融半導体を加圧
する手段をさらに含むことを特徴とする。

【００１１】また本発明は、加圧手段は、坩堝内の半導
体の上部空間に、大気圧を超える不活性ガスを供給する
ガス源であることを特徴とする。

【００１２】また本発明は、坩堝内の半導体の上部空間
の圧力よりも、ノズル孔が臨む空間の圧力が、低く選ば
れることを特徴とする。

【００１３】また本発明は、ノズルは複数本設けられ、
各ノズルの内径１±０．５ｍｍφであり、各ノズルの長
さ１〜１００ｍｍであることを特徴とする。

【００１４】また本発明は、ノズルの長さ５〜１０ｍｍ
であることを特徴とする。本発明に従えば、坩堝内の溶
融半導体を、気体、液体によって加圧するようにしても
よく、またはピストンなどによって加圧するようにして
もよく、これによってノズルから溶融半導体を落下す
る。たとえば気体で溶融半導体を加圧するには、坩堝内
の半導体の上部空間に、大気圧を超える圧力を有するＡ
ｒ、Ｎ₂などの不活性ガスをガス源から供給する。ある
いはまた坩堝内の半導体の上部空間の圧力よりも、ノズ
ル孔が臨む下方の空間の圧力を低くし、これによって坩
堝内の溶融半導体がノズルから落下するように構成して
もよい。ノズルの内径１±０．５ｍｍφに選び、このノ
ズルの長さを１〜１００ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍ
に選ぶことによって、坩堝内の溶融半導体が、その自重
でノズルを落下して流過してしまうおそれはなく、加圧
手段による圧力によって、たとえば一定の流量でノズル
から溶融半導体を落下することができるようになる。こ
れによって粒径が揃った球状粒子を、正確に得ることが
できるようになる。

【００１５】また本発明は、加熱手段は、坩堝の付近に
設けられる誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルを励磁す
る高周波電源とを含むことを特徴とする。

【００１６】また本発明は、加熱手段は、坩堝を加熱す
る抵抗加熱手段であることを特徴とする。

【００１７】坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手
段は、誘導加熱コイルと高周波電源とを含む誘導加熱の
ための構成であってもよく、あるいはまた坩堝ジュール
熱で加熱する電気ヒータなどの抵抗加熱手段によって実
現されてもよい。

【００１８】また本発明は、加振手段の振動周波数は、
１０Ｈｚ〜１ｋＨｚに選ばれることを特徴とする。

【００１９】加振手段によって溶融半導体を振動する周
波数は、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚに選ばれ、これによって溶
融半導体は、粒径が揃った球状粒子とされて、球状半導
体粒子の大量生産が容易に可能になる。

【００２０】また本発明は、加振手段は、落下する溶融
半導体に音波または超音波を発生して、この音波または
超音波によってノズルから落下する溶融半導体を振動す
ることを特徴とする。

【００２１】本発明に従えば、ノズルから落下する溶融
半導体に、音波または超音波を照射し、これによって落
下している溶融半導体が、粒径の揃った球状粒子とする
ことが正確に可能になる。

【００２２】また本発明は、ノズルは、振動可能に構成
され、加振手段は、ノズルを、往復変位して振動するこ
とを特徴とする。

【００２３】また本発明は、加熱手段は、ノズルを、ノ
ズル孔が、そのノズルの軸線に垂直な方向に振動するよ
うに駆動し、振動の振幅Ａは、形成されるべき粒子の外
径Ｄ１の１／２未満に選ばれることを特徴とする。

【００２４】また本発明は、加振手段は、ノズルを、そ
のノズルの軸線方向に振動することを特徴とする。

【００２５】本発明に従えば、ノズルを、少なくともそ
のノズル孔付近で往復変位して振動し、このことによっ
てもまた粒径が揃った球状半導体粒子を正確に得ること
ができるようになる。ノズル孔が、ノズルの軸線に垂直
な方向に振動するにあたって、振動の振幅Ａを、粒径が
揃って形成されるべき球状粒子の外径Ｄ１の１／２未満
（すなわちＡ＜Ｄ１／２）に選ぶことによって、前述の
外径Ｄ１を有する球状粒子を正確に得ることができる。
本発明の実施の他の形態では、ノズルを、そのノズルの
軸線方向、たとえば上下方向に、振動するようにしても
よく、このような構成によってもまた、粒径Ｄ１が揃っ
た球状粒子を得ることができる。

【００２６】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導
体の上部空間の圧力を変動する圧力変動手段であること
を特徴とする。

【００２７】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導
体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラムと、ダ
イヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴と
する。

【００２８】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導
体の上部空間に接続される駆動室と、駆動室の圧力を振
動させる駆動源とを含むことを特徴とする。

【００２９】本発明に従えば、溶融半導体を振動するた
めの加振手段は、坩堝内の溶融半導体の上部空間に気体
の圧力を作用してその圧力を変動する圧力変動手段であ
る。この圧力変動手段は、ダイヤフラムと、そのダイヤ
フラムを往復駆動する駆動源、たとえばモータとクラン
クとを含む構成によって実現されてもよく、あるいはま
た駆動室の容積を駆動源によって大小に変動して圧力を
振動させる構成によって実現されてもよい。

【００３０】また本発明は、加振手段は、坩堝を振動す
ることを特徴とする。さらに本発明に従えば、溶融半導
体を振動させるために、その溶融半導体が貯留されてい
る坩堝を、駆動源によって振動するようにしてもよい。

【００３１】また本発明は、ノズルから落下する溶融半
導体に、ローレンツ力を作用し、断面積を絞るピンチ効
果を発揮して粒子を形成するローレンツ力発生手段をさ
らに含むことを特徴とする。

【００３２】本発明に従えば、ノズルから落下する溶融
半導体は導電性であり、この溶融半導体に電流を作用す
るとともに、溶融半導体の周囲に交流磁界を発生し、溶
融半導体の液柱にローレンツ力を作用して断面積を絞る
ピンチ効果を発揮する。これによってノズルから落下す
る溶融半導体を、粒径が揃った球状粒子とすることが正
確に可能になる。

【００３３】また本発明は、半導体を、貯留する坩堝
と、坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、坩
堝内の溶融半導体を落下するノズルと、溶融半導体を振
動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、
粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、ノズルからの
液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、
冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または
多結晶にする結晶化手段とを含むことを特徴とする球状
半導体粒子の大量生産装置である。

【００３４】また本発明は、液体または固体の粒子を、
その粒子が気相中に存在している状態で加熱し、粒子を
単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段を含むことを
特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。

【００３５】本発明に従えば、ノズルから落下する液体
または固体の粒子を、結晶化手段によって加熱して再溶
融して、その粒子が気相中に存在している状態で、粒子
を単結晶または多結晶にする。

【００３６】加熱される粒子は、溶融半導体であって液
体であってもよいけれども、ノズルから落下された溶融
半導体が冷却されて固体となった状態であってもよく、
さらにまたこの粒子は、半導体が粉砕、破砕された構成
を有していてもよい。

【００３７】また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子に
レーザ光を照射するレーザ源であることを特徴とする。

【００３８】また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子の
通路に設けられ、輻射熱で粒子を加熱する輻射熱源であ
ることを特徴とする。

【００３９】また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子の
加熱を、粒子の冷却速度のプロファイルを、ゆるやかに
し、粒子にクラックが生じないように、かつアモルファ
ス化しないように、行うことを特徴とする。

【００４０】本発明に従えば、結晶化加熱手段は、レー
ザ源であってもよく、あるいはまた輻射熱を発生する輻
射熱源であってもよい。このような結晶化加熱手段によ
って、粒子が冷却する際における温度低下の時間変化率
を小さくし、粒子にクラックが生じないように、かつア
モルファス化しないようにし、球状粒子を、単結晶また
は多結晶に確実に形成する。

【００４１】また本発明は、半導体を、貯留する坩堝
と、坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、坩
堝内の溶融半導体を落下するノズルと、溶融半導体を振
動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、
粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、ノズルからの
液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、
冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または
多結晶にする結晶化手段と、一方導電形式の結晶半導体
粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子
を含む原料ガスの気相中の通路を通過して、他方導電形
式の表面層を形成する拡散手段とを含むことを特徴とす
る球状半導体粒子の大量生産装置である。

【００４２】また本発明は、一方導電形式の結晶半導体
粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子
を含む原料ガスの気相中の通路を通過して、他方導電形
式の表面層を形成することを特徴とする球状半導体粒子
の大量生産装置である。

【００４３】本発明に従えば、ガス拡散法または固相拡
散法によって、一方導電形式、たとえばｐ形の結晶半導
体粒子の表面層に、他方導電形式、たとえばｎ形の表面
層を容易な操作で形成することができる。ガス拡散法
は、拡散したい不純物を、高温に保ったシリコン表面に
ガス状で送る手法であり、固相拡散法は、シリコン表面
に不純物を含む拡散剤を堆積し、その後、高温度でシリ
コンを熱処理する手法である。

【００４４】また本発明は、前記通路は、上下に延びて
形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の拡散が
行われることを特徴とする。

【００４５】本発明では、ガス拡散法により球状シリコ
ンの表面に拡散層を形成する。事例として、たとえばｐ
形球状シリコンの表面に浅いｎ形拡散層を形成する。拡
散源としては、Ｐ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ₃あるいはＰＨ₃等を用
いる。まず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガ
スにより、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲
気的に分離された拡散層形成領域に導入し、同領域内を
同ガスにより充満させる。ｐ形シリコン球は、レーザ光
の照射により高品質再結晶化された後、高温度に保たれ
たまま、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過
する。同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に太陽電池
として機能するに必要な深さのｎ形拡散層が形成され
る。この工程は前記ガスを連続して導入し、拡散層形成
領域のガス雰囲気をコントロールすることにより、大量
にかつ連続して行うことが可能となる。

【００４６】また本発明は、前記通路を通過して拡散剤
が表面に堆積した粒子を、加熱して所望の厚みを有する
表面層を形成することを特徴とする。

【００４７】本発明に従えば、たとえばｐ形シリコン球
を、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過さ
せ、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に浅いｎ形拡
散層を形成しておき、しかる後、これらのシリコン球を
多数石英等の容器にのせ、再度熱処理することにより所
望のｎ形拡散層を得ることもできる。

【００４８】また本発明は、半導体は、Ｓｉであること
を特徴とする。本発明に従えば、半導体はＳｉであって
もよいけれども、そのほかの半導体に関連して本発明が
実施されてもよい。

【００４９】また本発明は、前述の生産装置によって生
産された複数の半導体層から成ることを特徴とする光電
変換素子である。

【００５０】また本発明は、前記光電変換素子を複数個
配列して構成されることを特徴とする光発電装置であ
る。

【００５１】また本発明は、半導体を加熱溶融し、溶融
した半導体を、気相中で落下し、溶融した半導体を振動
することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法で
ある。

【００５２】また本発明は、落下する半導体を、気相中
で加熱して再溶融して単結晶または多結晶とすることを
特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法である。

【００５３】また本発明は、単結晶または多結晶の粒子
に、ドープすべき組成を有するガス中で、拡散すること
を特徴とする。

【００５４】本発明に従えば、球状半導体粒子を、光電
変換素子とし、この光電変換素子を用いて光発電装置を
容易に実現することができるようになる。このような球
状光電変換素子を用いた光発電装置は、できるだけ少な
い単結晶または多結晶の半導体を用いて、光電変換素子
の光源に臨む単位面積あたりの発電電力を大きくするこ
とが初めて可能になる。光電変換素子は、単結晶、多結
晶だけでなく、アモルファス材料から成ってもよい。

【００５５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の一形態の球
状半導体粒子の大量生産装置の全体の構成を簡略化して
示す図であり、図２は図１に示される装置の操作を示す
フローチャートである。光発電装置などにおいて用いら
れるＳｉから成る球状半導体粒子を大量生産するために
先ず、上部ホッパ２０１に、Ｓｉ半導体の原料が供給さ
れる。ホッパ２０１内は常時、常圧である。上部ホッパ
２０１からの原料は、開閉弁２０２を経て中間ホッパ２
０３に供給される。中間ホッパ２０３は、原料受け入れ
時は常圧であり、原料供給時に運転圧力になる。この中
間ホッパ２０３からの原料は、開閉弁２０４を経て下部
ホッパ２０５に供給される。下部ホッパ２０５は、常に
運転圧力であり、固体状態の原料を滞留する。こうして
図２のステップｓ１では、Ｓｉ半導体の果粒状の原料が
上部ホッパ２０１から中間ホッパ２０３を経て供給さ
れ、開閉弁２０２，２０４の働きによってステップｓ２
では、下部ホッパ２０５への定量供給が、外部の圧力が
遮断された状態で、達成される。

【００５６】下部ホッパ２０５からの原料は、固体予熱
部２０６において図２のステップｓ３では原料が予熱さ
れる。この固体予熱部２０６は、高周波誘導加熱方式で
予熱が行われ、本発明の実施の他の形態では、高周波誘
導加熱方式に代えて、反射炉または電気炉などによって
輻射加熱するように構成されてもよい。

【００５７】固体予熱部２０６で予熱された原料は、次
の溶融部２０７において、図２のステップｓ４に示され
るように加熱されて溶融される。溶融部２０７の溶融
は、前述の固体溶融部２０６と同様に、高周波誘導加熱
方式で達成されてもよいけれども、本発明の実施の他の
形態では、反射炉または電気炉などによる輻射加熱方式
によって加熱溶融されてもよい。溶融部２０７は、坩堝
２０８を含み、溶融半導体が坩堝２０８に貯留される。
この坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間には、運転圧
力が与えられて加圧されるとともに、図２のステップｓ
４ａに示されるように溶融半導体が加振されて振動され
る。坩堝２０８の底部には複数本のノズル２０９が設け
られ、このノズル２０９から、坩堝２０８の溶融半導体
の上部空間に与えられる圧力に対応した予め定める一定
の流量で溶融半導体が落下される。ノズル２０９は、単
一本でもよい。

【００５８】図３は、坩堝２０８からノズル２０９を経
て溶融半導体を落下する構成を簡略化して示す図であ
る。溶融部２０７において坩堝２０８には、加圧手段２
１１によって溶融半導体の上部空間に不活性ガス、たと
えばＡｒまたはＮ₂などのガスによって圧力が与えられ
る。坩堝２０８内の半導体は、加熱手段２１２によって
加熱され、前述のように溶融される。さらにノズル２０
９から落下する溶融半導体は、加振手段２１３によって
振動される。

【００５９】図４は、溶融部２０７の簡略化した断面図
である。加圧手段２１１は、ガス源２１４を含み、不活
性ガスを坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間に供給す
る。坩堝２０８内の半導体を加熱溶融するために、誘導
加熱方式では、たとえば２００〜５００ｋＨｚの高周波
電源２１５からの高周波電力が坩堝２０８を囲む誘導加
熱コイル２１６に供給される。これによって坩堝２０８
内の半導体が誘導加熱される。坩堝２０８は、たとえば
炭素、黒鉛などの高融点導電性材料から成る。ノズル２
０９は、内径１±０．５ｍｍφを有し、その長さ１〜１
００ｍｍであり、好ましくは５〜１０ｍｍである。これ
によってガス源２１４による溶融半導体の上部空間に与
えられるガス圧に対応した流量で、たとえば一定の予め
定める値の流量で、ノズル２０９から溶融半導体を落下
することができる。ノズル２０９のノズル孔２１８が臨
む空間２１７の圧力は、大気圧である。

【００６０】本発明の実施の他の形態では、ガス源２１
４によるガス圧が溶融半導体の上部空間に供給される代
わりに、この坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間の圧
力を大気圧とし、ノズル２０９のノズル孔が臨む空間２
１７の圧力を、坩堝内の溶融半導体の上部空間の圧力よ
りも低く選ぶようにしてもよい。坩堝２０８内の半導体
を加熱溶融するために、坩堝２０８またはその付近に設
けられた電気ヒータを有する抵抗加熱手段によって行う
ようにしてもよい。

【００６１】ノズル２０９から落下する溶融半導体に
は、加振手段２１３によって、たとえば１０Ｈｚ〜１ｋ
Ｈｚの音波が与えられ、落下する溶融半導体が振動され
る。この振動周波数は、超音波の帯域であってもよい。

【００６２】図５は、ノズル２０９のノズル孔２１８か
ら落下される溶融半導体が球状粒子に形成される状態を
示す図である。ノズル孔２１８から落下する溶融半導体
は、上下に連なっているが、さらに落下することによっ
て、加振手段２１３の振動の作用によって、上下に分断
され、粒子となる。

【００６３】図６は、落下される立方体状の溶融半導体
の粒子が球状になる経過を示す本件発明者のシミュレー
ション結果を示す図である。図６（１）に示されるよう
に、ノズル２０９から落下して分断した溶融半導体の粒
子は、図６（２）および図６（３）に示されるように、
その外形が次第に丸みを帯び、図６（４）に示されるよ
うにほぼ真球状となる。

【００６４】本発明の実施の他の形態では、ノズル２０
９を、そのノズル孔２１８が、そのノズル２０９の軸線
に垂直な方向（図３〜図５の左右方向）に振動するよう
に駆動し、そのノズル孔２１８における振動の左右方向
の振幅Ａを、形成されるべき粒子の径Ｄ１の１／２未満
に選ぶ。このことによってもまた正確な径Ｄ１を有する
粒子を得ることができる。本発明の実施のさらに他の形
態では、ノズル２０９をそのノズル２０９の軸線方向に
図３〜図５の上下方向に振動するように構成してもよ
い。ノズル２０９は、剛性であってもよいが、弾性を有
していてもよい。

【００６５】再び図１および図２を参照して、ノズル２
０９から落下された溶融半導体が粒子状となり、冷却筒
２１１を通過し、粒子の真球度を向上し、表面状態を滑
らかにされる。この冷却筒２１１では、図２のステップ
ｓ６における冷却制御が行われる。ステップｓ７では、
冷却された粒子が分級され、たとえばその粒径Ｄ１が１
±０．５ｍｍφ内の粒子だけが分級されてレーザ源２２
２によるレーザ光２２３が照射される。こうしてステッ
プｓ８では、ノズル２０９からの固体の粒子が、気相中
に存在している状態で、レーザ光２２３の照射によって
加熱されて再溶融し、これによって粒子が、単結晶また
は多結晶になり、その表面にクラックが生じたり、また
粒子がアモルファス化することを防ぐ。このレーザ源２
２２は、粒子を結晶化するための働きを果たし、結晶化
手段２２４を構成する。こうして結晶化された粒子は、
図２のステップｓ９において再び分級され、その粒径Ｄ
１が前述のように１±０．５ｍｍφの粒子だけが分級さ
れて、次の表面層形成手段２２５に導かれ、ステップｓ
１０におけるコーティング工程が行われる。表面層形成
手段２２５では、一方導電形式、たとえばｐ形の単結晶
または多結晶の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にド
ープすべき原子または分子を含む拡散源の気相中の通路
に通過して、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を形
成する。この通路は、上下に延びて形成され、粒子がそ
の通路を落下中に、表面層の拡散が行われる。拡散源
は、たとえばＰ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ₃またはＰＨ₃などであっ
てもよい。こうして気相拡散方式で、表面層が形成され
る。本発明の実施の他の形態では、この通路を通過して
拡散剤が表面に堆積した粒子を、さらに加熱して、所望
の厚みを有する表面層を形成し、固体拡散方式によって
表面層を形成するようにしてもよい。表面層は、真空蒸
着によって形成されてもよい。

【００６６】こうして表面層が形成された粒子は、冷却
筒２２７において、図２のステップｓ１１において冷却
制御が行われる。こうして真球度が向上され、表面状態
が希望する表面層の状態に保たれて制御され、クラック
などが生じることなく、結晶性、真球度および表面形状
が優れた光電変換素子がステップｓ１２において得られ
る。

【００６７】図７は、本発明の実施の他の形態の断面図
である。Ｓｉ半導体の破砕された図７（１）に示される
粒子に、気相中を落下している状態で、レーザ源２２２
からＹＡＧレーザ光２２３を２０Ｗ×１０ｍｓｅｃ、照
射して加熱溶融することによって、図７（２）に示され
る球状の粒子が得られることが確認された。このような
粒子は、結晶性に優れている。

【００６８】図８は、本発明の実施の他の形態の加振手
段２２８を示す簡略化した断面図である。この加振手段
２２８は、坩堝２０８内の半導体の上部空間に連通して
設けられるダイヤフラム２２９と、このダイヤフラム２
２９を図８の上下に往復駆動する駆動源２３１とを含
む。駆動源２３１は、たとえばモータと、そのモータに
よって駆動されるクランク機構とを含んでもよい。ダイ
ヤフラム２２９の図８における上下動によって、溶融半
導体２３２の上部空間２３３に作用する圧力が周期的に
変動して加振されることになる。

【００６９】図９は、本発明のさらに他の実施の形態の
加振手段２３４の簡略化した断面図である。坩堝２０８
内の半導体２３２の上部空間２３３には、管路２３５を
経て駆動室２３６が接続される。この駆動室２３６の圧
力を、駆動源２３７によって駆動し、駆動室２３６内の
容積を大小に周期的に変化する。これによって空間２３
３、したがって溶融半導体２３２を振動することができ
る。

【００７０】図１０は、表面層形成手段２２５の具体的
な構成を示す断面図である。結晶化手段２２４によって
結晶化されて固化された粒子は、表面層形成手段２２５
において前述のように表面層が形成される。本発明で
は、ガス拡散法により球状シリコンの表面に拡散層を形
成する。事例として、ｐ形球状シリコンの表面に浅いｎ
形拡散層を形成する方法について説明する。拡散源とし
ては、Ｐ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ ₃あるいはＰＨ₃等を用いる。ま
ず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガスによ
り、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲気的に
分離された拡散層形成領域２３９に導入し、同領域２３
９内を同ガスにより充満させる。また、同拡散層形成領
域２３９は上下方向の長さが約５メートルであり、上端
部２４１の温度が約１４００℃、下端部２４２の温度が
約１３５０℃になるよう設定されている。ｐ形シリコン
球は、レーザ光の照射により高品質再結晶化された後、
高温度に保たれたまま、上記拡散層形成領域２３９の上
端部２４１より下端部２４２に向け通過する。通過時間
は約１秒である。そして、同通過時にｐ形シリコン球の
表面全面に太陽電池として機能するに必要な深さ約０．
５μｍのｎ形拡散層が形成される。この工程は前記ガス
を連続して導入し、拡散層形成領域２３９のガス雰囲気
をコントロールすることにより、大量にかつ連続して行
うことが可能となる。

【００７１】図１１は、本発明の実施のさらに他の形態
の表面層形成手段２３８の構成を簡略化して示す図であ
る。本発明に従えば、前述と同様な拡散層形成領域２４
３の温度を約１２００℃になるように設定しておき、前
述同様ｐ形シリコン球を、拡散層形成領域２４３の上端
部２４４より下端部２４５に向け約１秒で通過させ、同
通過時にｐ形シリコン球の表面全面に深さ約０．１μｍ
の浅いｎ形拡散層を形成しておき、しかる後、これらの
シリコン球を多数石英等の容器２４６にのせ、９００〜
１０００℃の温度で再度数十分間熱処理することにより
所望のｎ形拡散層を得ることもできる。

【００７２】ノズル付坩堝溶融造粒の本件発明者による
実験結果を述べる。 実験使用機器 高周波加熱装置（日本高周波株式会社製）型番ＹＫＮ−５ 高周波出力；５ｋＷ 所要電力 ；３相２００Ｖ １１ｋＶＡ 発信周波数；約４００ｋＨｚ 寸法 ；幅６００×高さ１，１７０×奥行き７００ｍｍ 重量約２５０ｋｇ 冷却 ；空冷

【００７３】実施例１ 一端に内径１ｍｍで長さ５ｍｍのノズルを有する、セラ
ミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径２
０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ３５ｍｍの
内容積のカーボン製坩堝に、約１．５ミリリッタの原料
となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に４．６ｋｗｈ
の高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒条
件を安定させた後、約３００ｐａの窒素ガスの圧力を加
えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍφの球状シリコ
ンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等を
低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高周
波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないため
流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの圧
力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を低
減するための約１０ｍｍの温度保持部を通過して取得し
た。

【００７４】実施例２ 一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セ
ラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径
２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ
の内容積のカーボン製坩堝に、約１．５ミリリッタの原
料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に４．６ｋｗ
ｈの高周波誘導電力を約１５分間保持して温度等の造粒
条件を安定させた後、約５００ｋｐａの窒素ガスの圧力
を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリ
コンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等
を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高
周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないた
め流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの
圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を
低減するための約１０ｍｍの温度保持部を通過して取得
した。

【００７５】実施例３ 一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セ
ラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径
２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍ
の内容積のカーボン製坩堝に、約１．２ミリリッタの原
料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に３．６ｋｗ
ｈの高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒
条件を安定させた後、約３００ｋｐａの窒素ガスの圧力
を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリ
コンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等
を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高
周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないた
め流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの
圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を
低減するための約２０ｍｍの温度保持部を通過して取得
した。実施例２より高周波誘導電力投入量が小さい理由
は、内径１０ｍｍで長さ２５ｍｍのカーボン製坩堝のノ
ズルと反対側にガス加圧のための内径１ｍｍの孔を有す
るカーボンキャップを追加して放熱を低減した効果であ
る。

【００７６】実施例４ 一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セ
ラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径
２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍ
の内容積のカーボン製坩堝に、約１．２ミリリッタの原
料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に３．６ｋｗ
ｈの高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒
条件を安定させた後、約２００ｋｐａの窒素ガスの圧力
を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリ
コンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等
を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高
周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないた
め流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの
圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を
低減するための約２０ｍｍの温度保持部を通過して取得
した。実施例３より窒素ガス圧力が低い理由は、ノズル
部の射出方向にストローク約０．１ｍｍ、振動数３０回
／秒の振動を付加した効果である。振動付加の目的は粒
径分布をシャープにすることである。なお、粒径１ｍｍ
の射出条件で振動を付加すると流出球径は１ｍｍ以下と
なる。

【００７７】レーザ光による溶融結晶化の本件発明者に
よる実験結果を述べる。 実験使用機器 大出力高速パルスＹＡＧレーザ溶接機（ミヤチテクノス株式会社製）型番Ｍ Ｌ−２６５０Ａ 最大定格出力 ；５００Ｗ 最大出力エネルギ；７０Ｊ／Ｐ（パルス幅１０ｍ／ｓ） パルス幅 ；０．５〜３０．０ｍｓ（０．１ｍｓステップ） パルス繰返し速度；１〜５００ｐｐｓ 発振波長 ；１．０６４μｍ

【００７８】実施例５ １ｍｍ径の球相当の容積を有する破砕鉱石原料シリコン
を、石英ガラス板のすり鉢状の孔に保持し、５０ワット
のレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結
晶性球状シリコンを取得した。

【００７９】実施例６ １ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコ
ンを、石英ガラス板のすり鉢状の孔に保持し、５０ワッ
トのレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの
結晶性球状シリコンを取得した。

【００８０】実施例７ １ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコ
ンを、内径２．５ｍｍの石英ガラス管の内部に保持し、
５０ワットのレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約
１ｍｍの結晶性球状シリコンを取得した。

【００８１】実施例８ １ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコ
ンを、細い糸に接着剤で保持し、３６ワットのレーザ光
を１０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結晶性球状シ
リコンを取得した。

【００８２】なお、全てのレーザ照射はモニタで被照射
体の重心点を中心に約０．６ｍｍの円形状にレーザ光を
照射した。また、サンプルは冷却筒を通過して取得し
た。

【００８３】本件明細書中、ｐｉｎ接合というのは、ほ
ぼ球状の光電変換素子２の内から外に、または外から内
に、順次的にｎ形、ｉ形およびｐ形の各半導体層が形成
された構成を含むものと解釈されなければならない。

【００８４】本発明によって生産された球状半導体粒子
は、光電変換素子であり、このような光電変換素子２を
用いて、後述の光発電装置１を構成することができる。

【００８５】図１２は本発明の実施の一形態の光発電装
置１の一部の拡大断面図であり、図１３は光発電装置１
の全体の構成を示す断面図であり、図１４は図１３に示
される光発電装置１の分解斜視図である。光発電装置１
は基本的に、ほぼ球状の形状を有する複数の光電変換素
子２と、その光電変換素子２が搭載される支持体３とか
ら成る組合せ体４が、透光性合成樹脂材料、たとえばＰ
ＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＥＶＡ（エチレンビニ
ルアセテート）などから成る充填層５内に埋設され、こ
の充填層５には、太陽光などの光源側にポリカーボネー
トなどの透光性保護シート６が配置されて固定される。
充填層５の保護シート６と反対側（図１２の下方）の表
面には、合成樹脂材料などから成る防水性裏面シート１
２が固定される。こうして光発電装置１の全体の形状
は、偏平な板状である。

【００８６】光電変換素子２は、第１半導体層７、およ
びそれよりも外方の第２半導体層８を有する。第２半導
体層８には開口部９が形成される。第１半導体層７の一
部分１０は、開口部９から図１２の下方に露出する。図
１２の上方から光１１が照射されることによって、光電
変換素子２の第１および第２半導体層７，８間から光起
電力が出力される。

【００８７】支持体３は、第１導体１３と第２導体１４
との間に電気絶縁体１５がサンドイッチされ、こうして
第１および第２導体１３，１４が、電気絶縁体１５を介
して電気的に絶縁されて構成される。第１および第２導
体１３，１４は、たとえばアルミニウム箔であってもよ
く、そのほかの金属製シートであってもよい。電気絶縁
体１５は、たとえばポリイミドなどの合成樹脂材料であ
ってもよく、そのほかの電気絶縁性材料から成ってもよ
い。複数の各凹部１７は、隣接して形成され、この凹部
１７の内面は、第１導体１３によって形成される。各凹
部１７内の底には、光電変換素子２がそれぞれ配置され
る。

【００８８】図１５は、支持体３の一部の平面図であ
る。凹部１７の開口端１８は多角形であり、たとえばこ
の実施の形態では蜂の巣状の正６角形であり、本発明の
実施の他の形態では、たとえば３角形以上の他の多角形
であってもよい。図１５において開口端１８の長さＷ１
は、たとえば２ｍｍであってもよい。相互に隣接する各
開口端１８は、連続し、すなわち凹部１７は、図１２に
おける逆Ｕ字状の屈曲部１９によって連なる。これによ
って光１１に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部１７
を形成することができ、したがって凹部１７の内面の第
１導体１３による反射光を、光電変換素子２に反射して
導くことができ、集光比を大きくすることができる。

【００８９】凹部１７は、底になるにつれて、たとえば
放物線状に先細状に形成される。凹部１７の底で、光電
変換素子２の第１半導体層７が支持体３の第２導体１４
に接続部２１で電気的に接続される。光電変換素子２の
第２半導体層８は、凹部の底もしくはその周辺で、支持
体３の第１導体１３に電気的に接続される。

【００９０】図１６は、光電変換素子２の支持体３に搭
載される前の状態における光電変換素子３１を示す断面
図である。図１６の光電変換素子３１は、前述の図１２
に類似する断面構造を有する。第１半導体層７は、球状
であり、ｎ形Ｓｉから成る。第１半導体層７は、アモル
ファス、単結晶または多結晶であってもよい。この第１
半導体層７の外方に形成される第２半導体層８は、ｐ形
Ｓｉである。この第２半導体層８は、アモルファス、単
結晶または多結晶であってもよい。この第２半導体層８
は、第１半導体層７よりも光学的バンドギャップを広く
とれば、たとえばｐ形ａ−ＳｉＣとすれば、ワイドギャ
ップ窓作用が達成される。

【００９１】本発明の実施の他の形態では、図１６に示
される第１半導体層７は、直接遷移形半導体層によって
実現され、たとえばｎ形導電形式を有するＩｎＡｓ、Ｃ
ｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ₂、ＣｕＩｎＳ、Ｇ
ａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＴｅから成るグループから選
ばれた１種類であってもよい。この直接遷移形半導体層
によって形成された第１半導体層７の上に、第２半導体
層８が形成され、この第２半導体層８は、ｐ形導電形式
を有する半導体ＡｌＧａＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ
（ＩｎＧａ）Ｓｅ₂、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＣｄＴｅ
またはそれに類似する化合物半導体のグループから選ば
れた１種類である。こうしてｐｎ接合構造が形成され
る。

【００９２】第１および第２半導体層７，８にアモルフ
ァス半導体を用いる工程では、後述の図１７のように、
第１半導体層６８および第２半導体層７０の間に、ｉ半
導体層６９を形成し、これによってｐｉｎ接合構造が形
成されてもよい。

【００９３】図１６に示される光電変換素子３１を用い
て、図１２に示される支持体３とともに組合せ体４を製
造する方法を、次に説明する。

【００９４】図１７は、光電変換素子２と支持体３とを
有する組合せ体４を製造する方法を説明するための断面
図である。前述の図１６に示される球状の光電変換素子
２が製造された後、図１７に示されるように、光電変換
素子２が切削加工される。図１７に示される光電変換素
子２では、第２半導体層８の開口部９から第１半導体層
７の一部分１０が露出している。この開口部９は、中心
角θ１が１８０°未満の範囲で平面状に形成される。中
心角θ１は、たとえば４５〜９０°であってもよく、好
ましくは６０〜９０°であってもよい。光電変換素子３
１の外径Ｄ１は、たとえば０．５〜２ｍｍφ未満であっ
てもよく、さらに好ましくは０．８〜１．２ｍｍφであ
る。開口部９の内径は、参照符Ｄ２で示される。集光比
ｘ＝Ｓ１／Ｓ２は、２〜８倍であり、好ましくは４〜６
倍である。

【００９５】図１８は、球状の光電変換素子３１を切削
加工して開口部９を形成する工程を説明するための断面
図である。複数の球状光電変換素子３１は、その上部が
吸引パッド３４によってそれぞれ真空吸引され、無端ベ
ルト状研磨材３５によって研磨される。研磨材３５は、
ローラ３６，３７にわたって巻掛けられて回転駆動され
る。

【００９６】再び図１７を参照して、支持体３の製造に
あたって、アルミニウム箔の第１導体１３が準備され、
この第１導体１３には接続孔３９が形成される。接続孔
３９の内径Ｄ３は、光電変換素子２の外径Ｄ１未満であ
って、第２半導体層８の開口部９の内径Ｄ２を超える値
に選ばれる（Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２）。薄板状の電気絶縁体
１５が準備され、この電気絶縁体１５には接続孔４０が
形成される。接続孔４０の内径Ｄ４は、光電変換素子２
の開口部９の内径Ｄ２未満である（Ｄ２＞Ｄ４）。こう
して接続孔３９を有する第１導体１３と接続孔４０を有
する電気絶縁体１５とが重ねられて接着されて一体化さ
れ、これらの接続孔３９，４０の各軸線は一直線上に存
在する。さらに第２導体１４が重ねられて接着されて一
体化され、偏平な支持体３ａが形成される。本発明の実
施の他の形態では、接続孔３９を有する第１導体１３
と、接続孔４０を有する電気絶縁体１５と、第２導体１
４とが、同時に重ねられて接着されて一体化されてもよ
い。第１および第２導体１３，１４ならびに電気絶縁体
１５の厚みは、たとえば６０μｍであってもよい。光電
変換素子２の開口部９付近は、接続孔３９に嵌まり込
み、電気絶縁体１５の接続孔４０に臨む。前記開口部９
付近は、接続孔３９に臨んで第１導体１３上に置かれて
もよい。

【００９７】図１２も併せて参照して、光電変換素子２
の開口部９よりも図１２の上方で第２半導体層８の開口
部９を囲む外周面と、支持体３ａまたは３の第１導体１
３の第１接続孔３９付近の部分、すなわち第１接続孔３
９の内周面またはその第１接続孔３９付近で第１接続孔
３９を囲む部分とが、電気的に接続される。第２半導体
層８の外周面と第１導体１３との接続部分４４（図１２
参照）は、開口部９を含む仮想平面の周縁部４５よりも
第１導体１３とは反対側（図１２の上方）に位置し、こ
れによって第１導体１３が第１導体７と電気的に導通す
ることを確実に防ぎ、またこの接続部分４４は、開口部
９を含む仮想平面に平行であってかつ光電変換素子２の
中心４６を通る仮想平面４７よりも開口部９側（図１２
の下方）に存在する。

【００９８】その後、偏平な支持体３ａがプレスによっ
て塑性変形加工され、複数の凹部１７が隣接して形成さ
れる。第２導体１４は、電気絶縁体１５の接続孔４０か
ら図１７の上方に突出し、すなわち接続孔４０を挿通し
て隆起するように変形されて接続部２１が形成される。
こうして形成された支持体３の高さＨ１は、たとえば約
１ｍｍであってもよい。

【００９９】第１半導体層７と第２導体１４との電気的
接続工程、および第２半導体層８と第１導体１３との電
気的接続工程との両工程は、いずれが先に順次的に行わ
れてもよく、あるいはまた同時に行われてもよい。

【０１００】こうして形成された凹部１７内に、開口部
９を有する光電変換素子２が配置される。

【０１０１】本発明の実施の他の形態では、導体１３／
絶縁体１５／導体１４の３層構造を、凹部１７が形成さ
れるように塑性変形加工した後、上述の各開口部３９，
４０を、２種類の各レーザ光を用いて、導体１３と絶縁
体１５とにそれぞれ形成して、支持体３を製造してもよ
い。

【０１０２】図１９は、支持体３の凹部１７内に光電変
換素子２を配置する工程を示す簡略化した斜視図であ
る。前述の図１８において吸引パッド３４で真空吸引さ
れた状態で切削加工された光電変換素子２は、その開口
部９が下方に臨んだ姿勢のままで、支持体３の凹部１７
内に搬送されて配置される。吸引パッド３４は、複数
個、たとえば１００個、列を成して設けられる。吸引パ
ッド３４によって光電変換素子２が凹部１７内に配置さ
れた後、支持体３が進行方向４２に凹部１７の１ピッチ
だけ移動され、前述と同様にして吸引パッド３４を用い
て光電変換素子２を、新たな凹部１７に配置する。この
ような動作が繰返されて全ての凹部１７に光電変換素子
２が配置される。その後、光電変換素子２は支持体３に
凹部１７の底で電気的に接続される。

【０１０３】光電変換素子２の第１半導体層７は、開口
部３２で露出し、第２導体１４の接続孔４０で接続部２
１に電気的に接続される。また光電変換素子２の第２半
導体層８は、開口部９の上部の外周部が第１導体１３の
接続孔３９付近の部分と電気的に接続される。これらの
第１および第２導体１３，１４と光電変換素子２の第２
および第１半導体層８，７との電気的な各接続は、たと
えばレーザ光を用いて共晶によって、または導電性ペー
ストを用いて、もしくは金属バンプを用いて電気的に接
続されてもよい。こうして鉛を含むはんだを用いること
なく、電気的接続を行うことができ、環境の保護の観点
から好ましい。

【０１０４】図２０は、光電変換素子２と支持体３とを
有する組合せ体４，４ｂが接続された状態を示す斜視図
である。組合せ体４，４ｂの外方に延びる平面状の周辺
部６１，６１ｂで、電気的な接続が行われる。

【０１０５】図２１は、図２０に示される組合せ体４，
４ｂの周辺部６１，６１ｂ付近の分解断面図である。一
方の組合せ体４の支持体３の第１導体１３の上に、他方
の支持体３ｂの第２導体１４が、重ねられて電気的に接
続され、固定される。こうして複数の支持体３，３ｂ毎
の光電変換素子２による光起電力を直列接続し、したが
って希望する高い電圧を取り出すことができる。

【０１０６】図２２は、組合せ体４，４ｂ，４ｃを電気
的に接続した状態を示す簡略化した側面図である。隣接
する一方の組合せ体４の周辺部６１の上または下に他方
の組合せ体４ｂの周辺部６１ｂを重ねて、電気的に前述
のように接続する。さらに組合せ体４ｂの前述の周辺部
６１ｂと反対側の周辺部６１ｂ１は、隣接する組合せ体
４ｃの周辺部６１ｃに上下に重ねられて電気的に接続さ
れる。組合せ体４ｂの一方の周辺部６１ｂが、組合せ体
４の周辺部６１ｂの下方に図２２に示されるように配置
される構成では、他方の周辺部６１ｂ１は、組合せ体４
ｃの周辺部６１ｃの上方に配置され、こうしていわば２
段状に交互に上下に組合されて、接続される。周辺部６
１，６１ｂ；６１ｂ１，６１ｃの図２２における左右方
向の重なった長さＬ６１は、たとえば１ｍｍであっても
よい。

【０１０７】図２３は、隣接する組合せ体４，４ｂの電
気的な接続構造を示す断面図である。一方の組合せ体４
の周辺部６１は、立上っており、他方の組合せ体４ｂの
周辺部６１ｂは立下って形成される。周辺部６１におけ
る導体１４と、周辺部６１ｂの導体１３とが電気的に接
続される。

【０１０８】図２４は、本発明の実施の他の形態におけ
る組合せ体４，４ｂの電気的接続状態を示す断面図であ
る。この実施の形態は、図２３の実施の形態に類似する
けれども、特にこの実施の形態では、組合せ体４の立上
った周辺部６１の導体１３が、組合せ体４ｂの立下った
周辺部６１ｂの導体１４に電気的に接続される。このよ
うな図２３および図２４の接続構造によれば、支持体
３，３ｂの凹部を近接し、限られた面積にできるだけ多
くの凹部および光電変換素子を配置することができるよ
うになる。

【０１０９】図２５は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の一部の断面図である。図２５および後述の
図２６〜図３１では、各半導体層は、周方向に展開した
偏平な形状で示されているけれども、実際には、円弧状
に半径方向内方から外方にすなわち各図面の下方から上
方に向かって順次的に、積層して球面を有して形成され
ている。

【０１１０】図２５では、光電変換素子の半径方向内方
から外方に向かって順次的に、ｎ形微結晶（μｃ）Ｓｉ
層６３、ｎ形多結晶（ｐｏｌｙ）Ｓｉ層６４／ｐ形ａ−
ＳｉＣ層６５／ｐ形微結晶ＳｉＣ層６６のダブルヘテロ
接合層を有する構成を有する。このようなｐｎ接合を有
する光電変換素子の構成は、表１に示す。

【０１１１】

【表１】

【０１１２】図２６は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の断面図である。各半導体層６８，６９，７
０は、前述の表１の構成を有する。本発明の実施の他の
形態では、図２６の光電変換素子２において、半導体層
６８として、ｎ形の単結晶または多結晶のＳｉが用いら
れてもよい。

【０１１３】図２７は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の断面図である。各半導体層の具体的な構成
は、前述の表１に示されるとおりである。本発明の実施
の他の形態では、この図２７における半導体層７３，７
４は、ｎ形結晶Ｓｉであってもよい。また半導体層７４
は、ｉ形微結晶Ｓｉであってもよい。

【０１１４】図２８は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の断面図である。図２８〜図３１の光電変換
素子２は、２接合のスタック構造を有する。本発明の実
施の他の形態では、３接合以上のスタック構造を有する
光電変換素子２が用いられてもよい。図２８〜図３１の
各光電変換素子２の具体的な構成は、表２に示されると
おりである。

【０１１５】

【表２】

【０１１６】図２８において、内部セル８１の外方に外
部セル８２が形成される。半導体層８４は、ｎ形アモル
ファスＳｉであってもよく、半導体層８５はｐ形微結晶
Ｓｉであってもよく、さらに半導体層８７は微結晶Ｓｉ
Ｃであってもよい。半導体層８６のｐｉｎ接合層は、光
電変換素子２の半径方向内方から外方に順次的にｐ形、
ｉ形およびｎ形の各半導体層が積層されて構成されても
よいが、本発明の実施の他の形態では、内部セル８１の
半導体層８４，８５の導電形式を図２８とは逆にし、外
部セル８２の半導体層８６，８７の導電形式を図２８と
は逆とし、この半導体層８６では、ｎ形、ｉ形およびｐ
形の半導体層が順次的に形成されてもよく、このことは
前述のとおりであって、そのほかの構成を有するｐｉｎ
接合層を備えた光電変換素子２に関して同様である。

【０１１７】図２９は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の断面図である。内部セル１０１と外部セル
１０２とには、半導体層１０３〜１０６；１０７〜１１
１が積層されて構成される。

【０１１８】図３０は、本発明の実施の他の形態の光電
変換素子２の断面図である。内部セル１１２と外部セル
１１３とには、半導体層１１４〜１１７；１１８〜１２
２が積層されて構成される。半導体層１１７に代えて、
ｐ形アモルファスＳｉＯであってもよい。半導体層１２
１も同様に、ｐ形アモルファスＳｉＯであってもよい。

【０１１９】図３１は、本発明のさらに他の実施の形態
の光電変換素子２の断面図である。内部セル１２４と外
部セル１２５とは、半導体層１２６〜１２９；１３０〜
１３４が形成される。半導体層１２９に代えて、ｐ形ア
モルファスＳｉＯが用いられてもよい。

【０１２０】本発明の光電変換素子２は、前述の構成以
外の構成を有していてもよい。本発明の実施の他の形態
では、支持体３に代えて、たとえばポリカーボネートな
どの電気絶縁性合成樹脂材料などの射出成形などの成形
によって凹部を形成し、その表面に、Ｎｉなどの導電性
材料をメッキして、第１および第２導体を形成し、支持
体を製造してもよい。第１および第２導体は、たとえば
アルミニウム箔であってもよいが、Ｃｒメッキによっ
て、またはＡｇメッキによって形成されてもよく、さら
にこれらの金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ等を蒸着もしく
はスパッタ等により形成してもよい。第１導体の上に
は、被覆層が形成されてもよく、この被覆層は、たとえ
ばメッキなどによって形成される金属製であってもよ
く、または合成樹脂製であってもよい。

【０１２１】光電変換素子２を用いた光発電装置１の実
施の形態は、次のとおりである。本発明は、（ａ）ほぼ
球状の形状を有し、第１半導体層およびそれよりも外方
の第２半導体層を有し、第２半導体層の開口部から第１
半導体層の一部分が露出し、第１および第２半導体層間
から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、（ｂ）
支持体であって、第１導体と第２導体との間に、電気絶
縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、第１導
体または第１導体上に形成された被覆層によって内面が
形成された複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内
に光電変換素子が配置されて凹部の第１導体または第１
導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換
素子に照射され、第１導体は、光電変換素子の第２半導
体層に電気的に接続され、第２導体は、第１半導体層の
前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含む
ことを特徴とする光発電装置である。

【０１２２】本発明に従えば、ほぼ球状の複数の各光電
変換素子が、支持体の複数の各凹部にそれぞれ配置さ
れ、この凹部の内面は、第１導体または第１導体上に形
成された被覆層によって形成され、したがって太陽光な
どの外部からの光は、光電変換素子に直接に照射される
とともに、凹部内面の第１導体または第１導体上に形成
された被覆層によって反射されて光電変換素子に照射さ
れる。

【０１２３】光電変換素子は、凹部内に配置されるの
で、相互に間隔をあけて設けられ、すなわち光電変換素
子が密に配置されることは無い。したがって光電変換素
子の個数を減少して光電変換素子を構成する高純度のた
とえばＳｉなどの材料の使用量を低減することができる
とともに、光電変換素子と支持体の導体との接続工程を
容易にすることができる。

【０１２４】しかも複数の凹部は、相互に隣接して形成
され、これによって外部からの光は、凹部内面で反射し
て光電変換素子に照射し、外部からの光を有効に、光電
変換素子の光起電力の発生のために、利用することがで
きる。こうして本発明の光電変換素子の光源に臨む単位
面積あたりの発電電力をできるだけ大きくすることがで
きる。

【０１２５】本発明の光電変換素子には、単結晶、多結
晶またはアモルファスの材料から成ってもよく、シリコ
ン系、化合物半導体系、その他の材料から成ってもよ
く、またたとえばｐｎ形、ｐｉｎ形の各構造を有してい
てもよく、その他たとえば、ショットキーバリヤ形、Ｍ
ＩＳ（metal-insulator-semiconductor）形、ホモ接合
形、ヘテロ接合形およびその他の構成を有していてもよ
い。

【０１２６】中心側の第１半導体層は、外側の第２半導
体層の開口部から部分的に露出しており、これらの第１
および第２半導体層間から、光照射時に発生される光起
電力を取出すことができる。支持体の凹部に配置された
光電変換素子の第２半導体層は、支持体の第１導体に電
気的に接続される。光電変換素子の内部の第１半導体層
の露出部分は、第１導体とは電気絶縁体を介して設けら
れた第２導体に、電気的に接続される。第１導体と第２
導体とが面状に形成される構造では、複数の光電変換素
子は、これらの第１および第２導体によって並列接続さ
れ、大きな電流を導出することができる。

【０１２７】光電変換素子は、真球であってもよいけれ
ども、真球でなくても、その外表面が、真球以外のほぼ
球状であればよい。第１半導体層は、中実のほぼ球状に
形成されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態で
は、予め準備した芯体の外周面に第１半導体層が被覆し
て形成された構成であってもよく、あるいはまたほぼ球
状の第１半導体層の中心付近が空胴である構成を有して
もよい。

【０１２８】また本発明は、光電変換素子の外径は、
０．５〜２ｍｍφであることを特徴とする。

【０１２９】本発明に従えば、光電変換素子の外径は、
０．５〜２ｍｍφであり、好ましくは０．８〜１．２ｍ
ｍφであり、あるいはまた約１ｍｍφであってもよい。
これによって高純度のＳｉなどの材料の使用量を充分少
なくし、しかも発生電力をできるだけ大きくすることが
できるようになるとともに、製造時の球状光電変換素子
のハンドリングが容易であり、生産性が優れている。

【０１３０】また本発明は、前記第２半導体層の開口部
の中心角θ１は、４５〜９０°であることを特徴とす
る。

【０１３１】本発明に従えば、前述のように中心角θ１
を、４５〜９０°に選ぶことによって、さらに好ましく
は６０〜９０°に選ぶことによって、第１および第２半
導体層が、前記開口部の形成によって廃棄される量を低
減し、無駄を抑制することができる。しかも中心角θ１
を、このような値の範囲に選ぶことによって、第１半導
体層と支持体の第２導体との電気的接続のために必要な
開口部の面積を得ることができる。

【０１３２】また本発明は、支持体に形成された凹部の
開口端は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、相互に隣
接する各開口端は、連続し、凹部は、底になるにつれて
先細状に形成され、凹部の底もしくはその周辺で、光電
変換素子の第１および第２半導体層が、相互に電気的に
絶縁されている第２および第１導体に、それぞれ電気的
に接続されることを特徴とする。

【０１３３】また本発明は、支持体の凹部の底もしくは
その周辺で、第１導体には、円形の第１接続孔３９が形
成されるとともに、電気絶縁体には、第１接続孔３９の
軸線を含む一直線上に軸線を有する円形の第２接続孔４
０が形成され、光電変換素子の前記開口部付近は、第１
接続孔３９に嵌まり込み、第２半導体層の開口部の上部
の外周面と第１導体の第１接続孔３９の端面もしくは端
面付近の部分とが、電気的に接続され、前記開口部から
露出した第１半導体層の前記部分が、第２接続孔４０を
介して第２導体に電気的に接続されることを特徴とす
る。

【０１３４】また本発明は、光電変換素子の外径をＤ１
とし、前記第２半導体層の開口部の内径をＤ２とし、第
１接続孔３９の内径をＤ３とし、第２接続孔４０の内径
をＤ４とするとき、 Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２＞Ｄ４ に選ぶことを特徴とする。

【０１３５】本発明に従えば、第１導体の第１接続孔３
９に、光電変換素子の前記開口部付近が嵌まり込み、そ
の開口部から露出した第１半導体層の前記一部分が、支
持体の電気絶縁体に形成された第２接続孔４０を介して
第２導体に、電気的に接続される。これによって第１導
体、電気絶縁体および第２導体を有する支持体の第１お
よび第２導体を、光電変換素子の第２および第１半導体
層と電気的に容易にそれぞれ接続することができるよう
になる。

【０１３６】第２半導体層と第１導体との電気的接続に
関して、図１２の開口部９よりも上方で第２半導体層の
開口部９の上部の外周面と、第１導体の第１接続孔３９
の端面もしくは端面付近の部分、すなわち第１接続孔３
９の内周面および／またはその第１接続孔３９付近で第
１接続孔３９を囲む部分とが、電気的に接続される。

【０１３７】第１半導体層７の開口部９から露出した部
分１０には、第２導体１４が第２接続孔４０を挿通し
て、たとえば隆起して塑性変形されて電気的に接続され
てもよく、または第２接続孔４０に設けられた導電性ペ
ーストによって、もしくは金属などの導電性バンプなど
によって、第２導体１４に電気的に接続されてもよい。

【０１３８】またこれらの外径Ｄ１および内径Ｄ２，Ｄ
３，Ｄ４を、前述の不等式のとおりに選ぶことによっ
て、不所望な電気的短絡を防いで、確実な電気的接続が
可能になる。

【０１３９】また本発明は、支持体の凹部の開口端の面
積をＳ１とし、光電変換素子の中心を含む断面積をＳ２
とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、２〜８に選ぶこ
とを特徴とする。

【０１４０】また本発明は、（ａ）ほぼ球状の形状を有
し、第１半導体層およびそれよりも外方の第２半導体層
を有し、第２半導体層の開口部から第１半導体層の一部
分が露出し、第１および第２半導体層間から光起電力を
出力する複数の光電変換素子と、（ｂ）支持体であっ
て、第１導体と第２導体との間に、電気絶縁体を介し
て、電気的に絶縁した状態を構成し、第１導体または第
１導体上に形成された被覆層によって内面が形成された
複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内に光電変換
素子が配置されて凹部の第１導体または第１導体上に形
成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射
され、第１導体は、光電変換素子の第２半導体層に電気
的に接続され、第２導体は、第１半導体層の前記露出し
た部分に電気的に接続される支持体とを含み、光電変換
素子の外径は、０．５〜２ｍｍφであり、支持体の凹部
の開口端の面積をＳ１とし、光電変換素子の中心を含む
断面積をＳ２とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、２
〜８に選ぶ支持体とを含むことを特徴とする光発電装置
である。

【０１４１】また本発明は、（ａ）ほぼ球状の形状を有
し、第１半導体層およびそれよりも外方の第２半導体層
を有し、第２半導体層の開口部から第１半導体層の一部
分が露出し、第１および第２半導体層間から光起電力を
出力する複数の光電変換素子と、（ｂ）支持体であっ
て、第１導体と第２導体との間に、電気絶縁体を介し
て、電気的に絶縁した状態を構成し、第１導体または第
１導体上に形成された被覆層によって内面が形成された
複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内に光電変換
素子が配置されて凹部の第１導体または第１導体上に形
成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射
され、第１導体は、光電変換素子の第２半導体層に電気
的に接続され、第２導体は、第１半導体層の前記露出し
た部分に電気的に接続される支持体とを含み、光電変換
素子の外径は、０．８〜１．２ｍｍφであり、支持体の
凹部の開口端の面積をＳ１とし、光電変換素子の中心を
含む断面積をＳ２とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２
を、４〜６に選ぶ支持体とを含むことを特徴とする光発
電装置である。

【０１４２】本発明に従えば、支持体の凹部の開口端
は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、たとえば六角形
であってもよく、この凹部は底になるにつれて先細状に
形成され、その底に、光電変換素子が配置され、その光
電変換素子が、凹部の底もしくはその周辺で、支持体の
各導体に接続される。凹部の開口端が多角形であって、
各開口端が連続することによって、太陽光などの光源に
臨む支持体における光電変換素子の位置以外の全面で受
けた光の全てを、光電変換素子に照射することができる
ようになる。したがって集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、たと
えば２〜８倍として、また好ましくは４〜６倍として、
いわば集光形光電変換素子を実現することができる。こ
れによって光電変換素子の相互の間隔を大きくし、光電
変換素子の個数を減少することができ、かつ支持体との
電気的な接続作業工程を簡素化することができる。した
がって光電変換素子の材料となる高純度半導体の使用量
を減少し、安価に本発明を実施することができるように
なる。支持体の構成は、比較的簡単であり、生産性に優
れており、製造が容易である。

【０１４３】たとえば本件発明者の実験によれば、ほぼ
球状のＳｉから成る光電変換素子を、その外径が８００
〜１０００μｍφとなるように形成した本件光発電装置
では、集光比ｘを４〜６倍とすれば、光発電装置で使用
される全ての光電変換素子を構成するＳｉと同一重量の
Ｓｉを、仮想上、光発電装置への光源からの光線に垂直
な仮想平面への投影面積と等しい面積を有する平板に換
算したときの厚みは、約９０〜１２０μｍになり、した
がって発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量は、２ｇ未満
の値で済むという画期的な結果を得られることになっ
た。前述の結晶シリコン半導体ウエハから成る光電変換
素子の第１先行技術では、結晶シリコンの厚みは、３５
０〜５００μｍであり、スライスロスを含めると、約１
ｍｍとなる。そのため、第１先行技術では、発生電力１
ＷあたりのＳｉの使用量は、約１５〜２０ｇ程度であ
る。したがって本発明では、Ｓｉの使用量を、前述の第
１先行技術に比べて大幅に軽減することができる。

【０１４４】集光比ｘが８を超える値とすれば、光電変
換素子の必要な数を減少することができ、発生電力１Ｗ
あたりのＳｉの使用量をさらに軽減することができる
が、その反面、実際には集光比ｘの増加とともに、凹部
に入射された光エネルギの光電変換素子に吸収される光
エネルギに対する比率である集光効率が悪くなり、その
結果、性能の低下を招いてしまう。

【０１４５】さらに本発明に従えば、前述のとおり、光
電変換素子の外径を０．５〜２ｍｍφに選び、好ましく
は０．８〜１．２ｍｍφに選ぶとともに、集光比ｘを、
２〜８に選び、好ましくは４〜６に選ぶことによって、
光電変換素子の数を減少し、発生電力１ＷあたりのＳｉ
の使用量を軽減することができるとともに、光電変換素
子と支持体との電気的な接続作業工程をさらに簡素化す
ることができるようになる。このようにして光電変換素
子の外径の数値選択との組合せは、光電変換素子の数を
減少し、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量を低減する
ために重要である。

【０１４６】光電変換素子の外径が０．５ｍｍφ未満で
は、Ｓｉの使用量は低減するが、光電変換素子の必要な
数が増加してしまい、またその外径が２ｍｍφを超える
構成では、光電変換素子の必要な数は減少するが、Ｓｉ
の使用量は多くなってしまう。

【０１４７】集光比ｘが２未満では、Ｓｉの使用量を充
分低減することはできず、また８を超えると、集光効率
がたとえば８０％未満に悪化し、性能の低下を招く結果
になる。本発明では、集光比ｘを前述の値の範囲に選ぶ
ことによって、集光効率を８０％以上とし、さらに９０
％以上とすることができるようになる。

【０１４８】こうして本発明に従えば、光電変換素子の
外径と集光比ｘとを前述の数値の範囲に選び、これによ
って先行技術に比べて、光電変換素子の必要な数と、発
生電力１ＷあたりのＳｉの使用量とをいずれも、１／５
〜１／１０に激減することができるという卓越した効果
が達成される。

【０１４９】また本発明に従ってアモルファスＳｉ（略
称ａ−Ｓｉ）光電変換素子を用いて前述の集光比で集光
した構成では、光電変換素子の温度を、アモルファスＳ
ｉ薄板の光電変換素子に比べて上昇させ、たとえば４０
〜８０℃とすることができる。これによってアモルファ
スＳｉ光電変換素子の劣化を抑制し、長寿命にすること
が可能である。

【０１５０】また本発明は、図２５のように、光電変換
素子は、一方導電形式の第１半導体層６４の外方に、第
１半導体層よりも光学的バンドギャップが広い他方導電
形式の第２半導体層６５が形成されて、ｐｎ接合を有す
ることを特徴とする。

【０１５１】また本発明は、図２６および図２７のよう
に、光電変換素子は、一方導電形式の第１半導体層６
８，７３の外方に、アモルファス真性半導体層６９，７
４、および第１半導体層よりも光学的バンドギャップが
広い他方導電形式のアモルファス第２半導体層７０，７
６が、この順序で形成されて、ｐｉｎ接合を有すること
を特徴とする。

【０１５２】また本発明は、第１半導体層は、ｎ形Ｓｉ
であり、第２半導体層は、ｐ形アモルファスＳｉＣであ
ることを特徴とする。

【０１５３】また本発明は、第１半導体層であるｎ形Ｓ
ｉは、ｎ形結晶Ｓｉまたはｎ形微結晶（μｃ）Ｓｉであ
ることを特徴とする。

【０１５４】本発明に従えば、異種のアモルファス半導
体によってｐｎまたはｐｉｎのヘテロ接合窓構造を構成
する。光の入射側に存在する窓材料の第２半導体層の光
学的バンドギャップを、内側の第１半導体層よりも広く
し、これによって第２半導体層の光吸収係数を小さくし
てこの第２半導体層で光が吸収されないようにし、表面
層での電子と正孔との再結合を減らし、光吸収損失を軽
減し、また短波長側の感度を増してワイドギャップ窓作
用を達成し、その結果、エネルギ変換効率を向上するこ
とができる。

【０１５５】特にｐｉｎ接合構造では、光起電力発生層
である真性半導体層（ｉ層）に、光エネルギをより多く
導き入れるとともに、短波長側の感度を増してワイドギ
ャップ窓作用を達成することができる。本発明では、前
述の先行技術におけるｐ形Ｓｉ球の外方にｎ形Ｓｉ表皮
部を形成した粒子に比べて、きわめて優れたエネルギ変
換動作が行われることになる。

【０１５６】ｐｉｎ接合を有する光電変換素子のｉ層で
は、光が吸収されて電子・正孔対を作って光電流を生成
し輸送する役目を果たし、ｐ層とｎ層とは、フェルミ準
位を価電子帯と伝導帯の近くに固定して、ｉ層で発生し
た電子、正孔を、両電極に運ぶ内部電界を作って光生成
キャリアを収集する役目を果たす。こうしてエネルギ変
換効率の向上が図られる。

【０１５７】また本発明は、図２８のように、光電変換
素子は、最内方の第１半導体層を有する内部セル８１
と、その内部セルの外方に形成され、最外方の第２半導
体層を有する外部セル８２とを含み、スタック形構造を
有することを特徴とする。

【０１５８】また本発明は、内部セル８１は、ｐｎ接合
層またはｐｉｎ接合層を有し、外部セル８２は、ｐｎ接
合層またはｐｉｎ接合層を有することを特徴とする。

【０１５９】また本発明は、内部セル８１は、内から外
に順に、一方導電形式の第１半導体層８４と、他方導電
形式のアモルファスおよび／または微結晶の半導体層８
５とを有し、外部セル８２は、内から外に順に、アモル
ファスｐｉｎ接合層８６と、このｐｉｎ接合層よりも光
学的バンドギャップが広いアモルファスまたは微結晶の
第２半導体層８７とを有することを特徴とする。

【０１６０】また本発明は、図２９のように、内部セル
１０１は、内から外に順に、一方導電形式の第１半導体
層１０４と、他方導電形式のアモルファスおよび／また
は微結晶の半導体層１０５，１０６とを有し、外部セル
１０２は、内から外に順に、一方導電形式の微結晶半導
体層１０７と、アモルファス真性半導体層１０８と、他
方導電形式の微結晶の第２半導体層１１１とを有するこ
とを特徴とする。

【０１６１】また本発明は、図３０のように、内部セル
１１２は、内から外に順に、一方導電形式のアモルファ
スの第１半導体層１１４と、アモルファス真性半導体層
１１５と、他方導電形式のアモルファス半導体層１１７
とを有し、外部セル１１３は、内から外に順に、一方導
電形式の微結晶半導体層１１８と、アモルファス真性半
導体層１１９と、他方導電形式の微結晶の第２半導体層
１２２とを有することを特徴とする。

【０１６２】また本発明は、図３１のように、内部セル
１２４は、内から外に順に、一方導電形式のアモルファ
スの第１半導体層１２６と、微結晶の真性半導体層１２
７と、他方導電形式であって、第１半導体層よりも光学
的バンドギャップが広いアモルファス半導体層１２９と
を有し、外部セル１２５は、内から外に順に、一方導電
形式の微結晶半導体層１３０と、アモルファス真性半導
体層１３１と、他方導電形式の微結晶の第２半導体層１
３４とを有することを特徴とする。

【０１６３】本発明に従えば、微結晶（μｃ）半導体層
は、導電度が高く、このような微結晶半導体層を、第１
半導体層とｐｉｎ接合層との間に導入することによっ
て、光電変換効率を向上することができる。アモルファ
スｐｉｎ接合層によって、またそのアモルファスｐｉｎ
接合層と第２半導体層とのヘテロ接合によって、光生成
キャリアの有効な収集を行うことができるとともに、光
生成キャリアの再結合の損失を軽減することができる。

【０１６４】アモルファス半導体は、支持体の凹部の内
面による反射光を受光することによって、たとえば４０
〜８０℃に昇温され、これによって光電変換特性の劣化
が抑制され、好都合である。この光電変換素子は、ほぼ
球状に形成されているので、直接光および反射光を受光
する単位面積あたりの光の入射エネルギが大きくなるこ
とが抑制され、このことによってもまた、光電変換特性
の劣化が抑制されることになる。

【０１６５】また本発明は、第１半導体層は、直接遷移
形半導体層であることを特徴とする。

【０１６６】また本発明は、直接遷移形半導体層は、Ｉ
ｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（ＩｎＧａ）
Ｓｅ₂、ＣｕＩｎＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＴｅ
から成るグループから選ばれた１種類であることを特徴
とする。

【０１６７】本発明に従えば、内側の第１半導体層を、
光を吸収しやすい直接遷移形半導体層によって実現し、
これによって電子と正孔との充分な遷移確率を得ること
ができ、このことによってもまた、光電変換効率を向上
することができる。

【０１６８】また本発明は、複数の支持体が隣接して配
置され、各支持体の周辺部は、外方に延在して形成され
ており、この周辺部で、隣接する一方の支持体の第１導
体と、他方の支持体の第２導体とが、重ねられて電気的
に接続されることを特徴とする。

【０１６９】また本発明は、前記各周辺部は、立上り部
分または立下り部分を有し、立上り部分または立下り部
分が重ねられて電気的に接続されることを特徴とする。

【０１７０】本発明に従えば、光電変換素子が搭載され
た複数の支持体の周辺部で、一方の支持体の第１導体
と、他方の支持体の第２導体とを重ねて接続し、こうし
て支持体毎の光電変換素子による光起電力を直列接続
し、希望する高い電圧を取り出すことができる。

【０１７１】本発明に従えば、図２３および図２４に示
されるように、支持体の周辺部の立上り部分と立下り部
分とを重ねて電気的に接続し、または立上り部分同士
を、または立下り部分同士を電気的に接続するようにし
てもよい。これによって支持体の凹部を近接し、限られ
た面積にできるだけ多くの凹部および光電変換素子を配
置することができるようになる。

【０１７２】

【発明の効果】本発明によれば、光電変換素子の材料、
特に高価なＳｉの使用量を大幅に低減し、さらに光電変
換素子の数を減少して光電変換素子と支持体との接続作
業工程を簡素化し、このようにして生産性が向上され、
原価が低減される。特に本発明の光電変換素子を用いる
ことによって、省資源、省エネルギ形の製造方法によっ
て実現することができる。支持体の凹部の内面を形成す
る第１導体またはその被覆層による太陽光などの反射光
を、光電変換素子に照射し、光を有効に利用することが
できる。第１導体またはその被覆層は、光を反射する働
きを果たすとともに、光電変換素子の第２半導体層に接
続されて、電流を導く働きを果たす。このような支持体
の構成は単純であり、生産性が優れている。

【０１７３】特に本発明によれば、光電変換素子の外径
を０．５〜２ｍｍφ、好ましくは０．８〜１．２ｍｍφ
に選ぶとともに、集光比ｘを２〜８、好ましくは４〜６
に選ぶことによって、前述の第３先行技術に比べて発生
電力１ＷあたりのＳｉの使用量と光電変換素子の必要な
数とを、１／５〜１／１０に激減することができるとい
う卓越した効果を達成することができるようになる。Ｓ
ｉの使用量を低減することによって、光発電装置を安価
に実現することができるとともに、光電変換素子の数を
減少して光電変換素子と支持体との電気的な接続作業工
程を簡素化し、こうして生産性が向上され、このことに
よっても安価な光発電装置が実現されることになる。

【０１７４】したがって高信頼性、高効率の光発電装置
を提供することができるようになる。

【０１７５】本発明によれば、外側のアモルファス第２
半導体層の光学的バンドギャップを、中心側の第１半導
体層よりも広くしてｐｎ接合またはｐｉｎ接合を構成
し、これによって、光の入射側の窓材料の第２半導体層
で光が吸収されないようにし、表面層での再結合を減ら
し、ワイドギャップ窓作用を達成し、光電変換効率の向
上を図ることができる。

【０１７６】また本発明によれば、中心側の第１半導体
層と、それよりも外方のｐｉｎ接合層との間に、導電度
の高い微結晶（μｃ）半導体層を介在することによっ
て、エネルギ変換効率の向上を図ることができる。

【０１７７】また本発明によれば、直接遷移形第１半導
体層を用いて、エネルギ変換効率を向上することも可能
である。

【０１７８】また本発明によれば、光電変換素子の製造
が容易である。本発明によれば、坩堝内で溶融された半
導体のノズルから落下し、この溶融半導体を振動するこ
とによって、簡単な操作で大量の球状半導体粒子を、粒
径を揃えて、大量生産することが容易に可能になる。ま
たこのような粒子を、単結晶または多結晶に、気相中で
形成することが容易に可能であり、さらに結晶半導体粒
子の表面に不純物をドープして表面層を形成することも
また、容易に可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の球状半導体粒子の大量
生産装置の全体の構成を簡略化して示す図である。

【図２】図１に示される装置の操作を示すフローチャー
トである。

【図３】坩堝２０８からノズル２０９を経て溶融半導体
を落下する構成を簡略化して示す図である。

【図４】溶融部２０７の簡略化した断面図である。

【図５】ノズル２０９のノズル孔２１８から落下される
溶融半導体が球状粒子に形成される状態を示す図であ
る。

【図６】落下される立方体状の溶融半導体の粒子が球状
になる経過を示す本件発明者のシミュレーション結果を
示す図である。

【図７】本発明の実施の他の形態の断面図である。

【図８】本発明の実施の他の形態の加振手段２２８を示
す簡略化した断面図である。

【図９】本発明のさらに他の実施の形態の加振手段２３
４の簡略化した断面図である。

【図１０】表面層形成手段２２５の具体的な構成を示す
断面図である。

【図１１】本発明の実施のさらに他の形態の表面層形成
手段２３８の構成を簡略化して示す図である。

【図１２】本発明の実施の一形態の光発電装置１の一部
の拡大断面図である。

【図１３】光発電装置１の全体の構成を示す断面図であ
る。

【図１４】図１３に示される光発電装置１の分解斜視図
である。

【図１５】支持体３の一部の平面図である。

【図１６】光電変換素子２の支持体３に搭載される前の
状態における光電変換素子３１を示す断面図である。

【図１７】光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ
体４を製造する方法を説明するための断面図である。

【図１８】真球状の光電変換素子３１を切削加工して開
口部３２を形成する工程を説明するための断面図であ
る。

【図１９】支持体３の凹部１７内に光電変換素子２を配
置する工程を示す簡略化した斜視図である。

【図２０】光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ
体４，４ｂが接続された状態を示す斜視図である。

【図２１】図２０に示される組合せ体４，４ｂの周辺部
６１，６１ｂ付近の分解断面図である。

【図２２】組合せ体４，４ｂ，４ｃを電気的に接続した
状態を示す簡略化した側面図である。

【図２３】隣接する組合せ体４，４ｂの電気的な接続構
造を示す断面図である。

【図２４】本発明の実施の他の形態における組合せ体
４，４ｂの電気的接続状態を示す断面図である。

【図２５】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
一部の断面図である。

【図２６】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
断面図である。

【図２７】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
断面図である。

【図２８】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
断面図である。

【図２９】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
断面図である。

【図３０】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の
断面図である。

【図３１】本発明のさらに他の実施の形態の光電変換素
子２の断面図である。

【符号の説明】

２０１ 上部ホッパ ２０３ 中間ホッパ ２０５ 下部ホッパ ２０６ 固体予熱部 ２０７ 溶融部 ２０８ 坩堝 ２０９ ノズル ２１１ 加圧手段 ２１２ 加熱手段 ２１３，２２８，２３４ 加振手段 ２１４ ガス源 ２１５ 高周波電源 ２１６ 誘導加熱コイル ２１８ ノズル孔 ２２２ レーザ源 ２２３ レーザ光 ２２４ 結晶化手段 ２２５，２３８ 表面層形成手段 ２２７ 冷却筒 ２２９ ダイヤフラム ２３１，２３７ 駆動源 ２３６ 駆動室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｒ // Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｘ (72)発明者 山口 由岐夫 神奈川県川崎市麻生区王禅寺574−14 (72)発明者 山形 順 神奈川県川崎市多摩区長尾６−４−８ (72)発明者 安田 英典 神奈川県川崎市犬蔵３−２−６ (72)発明者 室園 幹男 大阪府枚方市東香里１丁目20−10 Ｆターム(参考） 4G004 EA06 4G072 AA01 AA02 BB07 BB11 BB12 DD01 DD02 GG04 HH01 NN01 NN03 NN30 TT30 UU01 UU02 4G077 AA01 BA04 CD10 EB10 EG20 EG29 EJ05 EJ06 HA20 5F051 DA04 DA20 EA01 EA20 GA04 JA06 JA08 JA14 5F053 AA50 BB04 BB58 BB59 BB60 DD01 GG01 GG02 LL05 RR06

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体を、貯留する坩堝と、 坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、 坩堝内の溶融半導体を落下するノズルと、 溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体
   を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と
   を含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装
   置。
2. 【請求項２】 坩堝内の溶融半導体を加圧する手段をさ
   らに含むことを特徴とする請求項１記載の球状半導体粒
   子の大量生産装置。
3. 【請求項３】 加圧手段は、坩堝内の半導体の上部空間
   に、大気圧を超える不活性ガスを供給するガス源である
   ことを特徴とする請求項２記載の球状半導体粒子の大量
   生産装置。
4. 【請求項４】 坩堝内の半導体の上部空間の圧力より
   も、ノズル孔が臨む空間の圧力が、低く選ばれることを
   特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の球状半導
   体粒子の大量生産装置。
5. 【請求項５】 ノズルは複数本設けられ、 各ノズルの内径１±０．５ｍｍφであり、 各ノズルの長さ１〜１００ｍｍであることを特徴とする
   請求項１〜４のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大
   量生産装置。
6. 【請求項６】 ノズルの長さ５〜１０ｍｍであることを
   特徴とする請求項５記載の球状半導体粒子の大量生産装
   置。
7. 【請求項７】 加熱手段は、 坩堝の付近に設けられる誘導加熱コイルと、 誘導加熱コイルを励磁する高周波電源とを含むことを特
   徴とする請求項１〜６のうちの１つに記載の球状半導体
   粒子の大量生産装置。
8. 【請求項８】 加熱手段は、坩堝を加熱する抵抗加熱手
   段であることを特徴とする請求項１〜６のうちの１つに
   記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
9. 【請求項９】 加振手段の振動周波数は、１０Ｈｚ〜１
   ｋＨｚに選ばれることを特徴とする請求項１〜８のうち
   の１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
10. 【請求項１０】 加振手段は、落下する溶融半導体に音
    波または超音波を発生して、この音波または超音波によ
    ってノズルから落下する溶融半導体を振動することを特
    徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の球状半導体
    粒子の大量生産装置。
11. 【請求項１１】 ノズルは、振動可能に構成され、 加振手段は、ノズルを、往復変位して振動することを特
    徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の球状半導体
    粒子の大量生産装置。
12. 【請求項１２】 加熱手段は、ノズルを、ノズル孔が、
    そのノズルの軸線に垂直な方向に振動するように駆動
    し、振動の振幅Ａは、形成されるべき粒子の外径Ｄ１の
    １／２未満に選ばれることを特徴とする請求項１１記載
    の球状半導体粒子の大量生産装置。
13. 【請求項１３】 加振手段は、ノズルを、そのノズルの
    軸線方向に振動することを特徴とする請求項１１記載の
    球状半導体粒子の大量生産装置。
14. 【請求項１４】 加振手段は、坩堝内の半導体の上部空
    間の圧力を変動する圧力変動手段であることを特徴とす
    る請求項１〜９記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
15. 【請求項１５】 加振手段は、 坩堝内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤ
    フラムと、 ダイヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴
    とする請求項１４記載の球状半導体粒子の大量生産装
    置。
16. 【請求項１６】 加振手段は、 坩堝内の半導体の上部空間に接続される駆動室と、 駆動室の圧力を振動させる駆動源とを含むことを特徴と
    する請求項１４記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
17. 【請求項１７】 加振手段は、坩堝を振動することを特
    徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の球状半導体
    粒子の大量生産装置。
18. 【請求項１８】 ノズルから落下する溶融半導体に、ロ
    ーレンツ力を作用し、断面積を絞るピンチ効果を発揮し
    て粒子を形成するローレンツ力発生手段をさらに含むこ
    とを特徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の球状
    半導体粒子の大量生産装置。
19. 【請求項１９】 半導体を、貯留する坩堝と、 坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、 坩堝内の溶融半導体を落下するノズルと、 溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体
    を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段
    と、 ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在して
    いる状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を
    単結晶または多結晶にする結晶化手段とを含むことを特
    徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
20. 【請求項２０】 半導体を、貯留する坩堝と、 坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、 坩堝内の溶融半導体を落下するノズルと、 溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体
    を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段
    と、 ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在して
    いる状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を
    単結晶または多結晶にする結晶化手段と、 一方導電形式の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にド
    ープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通
    路を通過して、他方導電形式の表面層を形成する拡散手
    段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産
    装置。
21. 【請求項２１】 液体または固体の粒子を、その粒子が
    気相中に存在している状態で加熱し、粒子を単結晶また
    は多結晶にする結晶化加熱手段を含むことを特徴とする
    球状半導体粒子の大量生産装置。
22. 【請求項２２】 結晶化加熱手段は、粒子にレーザ光を
    照射するレーザ源であることを特徴とする請求項１９ま
    たは２１記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
23. 【請求項２３】 結晶化加熱手段は、粒子の通路に設け
    られ、輻射熱で粒子を加熱する輻射熱源であることを特
    徴とする請求項１９または２１記載の球状半導体粒子の
    大量生産装置。
24. 【請求項２４】 結晶化加熱手段は、粒子の加熱を、 粒子の冷却速度のプロファイルを、ゆるやかにし、 粒子にクラックが生じないように、かつアモルファス化
    しないように、行うことを特徴とする請求項２２または
    ２３記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
25. 【請求項２５】 一方導電形式の結晶半導体粒子を、 その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原
    料ガスの気相中の通路を通過して、他方導電形式の表面
    層を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生
    産装置。
26. 【請求項２６】 前記通路は、上下に延びて形成され、
    粒子がその通路を落下中に、表面層の拡散が行われるこ
    とを特徴とする請求項２０または２５記載の球状半導体
    粒子の大量生産装置。
27. 【請求項２７】 前記通路を通過して拡散剤が表面に堆
    積した粒子を、加熱して所望の厚みを有する表面層を形
    成することを特徴とする請求項２６記載の球状半導体粒
    子の大量生産装置。
28. 【請求項２８】 半導体は、Ｓｉであることを特徴とす
    る請求項２０〜２７のうちの１つに記載の球状半導体粒
    子の大量生産装置る
29. 【請求項２９】 請求項１〜２８のうちの１つの生産装
    置によって生産された複数の半導体層から成ることを特
    徴とする光電変換素子。
30. 【請求項３０】 請求項２９の光電変換素子を複数個配
    列して構成されることを特徴とする光発電装置。
31. 【請求項３１】 半導体を加熱溶融し、 溶融した半導体を、気相中で落下し、 溶融した半導体を振動することを特徴とする球状半導体
    粒子の大量生産方法。
32. 【請求項３２】 落下する半導体を、気相中で加熱して
    再溶融して単結晶または多結晶とすることを特徴とする
    球状半導体粒子の大量生産方法。
33. 【請求項３３】 単結晶または多結晶の粒子に、ドープ
    すべき組成を有するガス中で、拡散することを特徴とす
    る請求項３１または３２記載の球状半導体粒子の大量生
    産方法。