JP2004006787A - Liquid phase growing method and device - Google Patents

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JP2004006787A
JP2004006787A JP2003101368A JP2003101368A JP2004006787A JP 2004006787 A JP2004006787 A JP 2004006787A JP 2003101368 A JP2003101368 A JP 2003101368A JP 2003101368 A JP2003101368 A JP 2003101368A JP 2004006787 A JP2004006787 A JP 2004006787A
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Katsumi Nakagawa
中川 克己
Akiyuki Nishida
西田 彰志
Shunichi Ishihara
石原 俊一
Hiroshi Sato
佐藤 宏
Yasuyoshi Takai
高井 康好
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide, at a lower cost, a large amount of a polycrystal which has a characteristic equivalent to a polycrystal which has been used for a conventional solar battery, and has few possibility of the disconnection of a grid electrode or the like even if used in a solar battery, and to provide a manufacturing device preferred for embodying this method. <P>SOLUTION: In a liquid phase growing method, a polycrystalline substrate is dipped in a melt in a crucible in which a crystalline raw material is fused, and the polycrystal is grown on the substrate. This method comprises a first step of growing the polycrystal having a predetermined thickness and a second step of fusing a part of the polycrystal grown in the first step in the melt. A relative position between the substrate and the melt is altered in the first step and the second step, and the melts at different temperatures are brought into contact with the surface of the polycrystal. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池用の半導体として好適に使用できるシリコン等の多結晶半導体の液相成長方法、及びこの方法を実施するのに好適な液相成長装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
環境に対する意識の高まりとともに、太陽電池が民生用途にも広く使用されるようになってきた。民生用途の太陽電池には、主として単結晶または多結晶のシリコンウェファが用いられている。
【0003】
単結晶シリコンウェファとしては、従来はIC産業等で規格外となったシリコンウェファや、引き上げ残りのシリコンから再引き上げしたものを利用することが多く、供給量に限界があった。
【0004】
一方、多結晶シリコンウェファについては、単結晶に比べて結晶化工程のスループットが高いものの、原料として半導体用の高純度シリコンを使用する場合には依然として供給量に限界があり、価格もそれほど低廉にはできない。
【0005】
そこで、グラッシーカーボンやムライト等のセラミクスの基板に、多結晶シリコン膜を成長する方法も試みられているが、成長は通常1000〜1500℃の高温下で行う必要があり、耐熱性やシリコンとの熱膨張率のマッチングの観点から、金属板やガラス等の安価な材料は使用しにくい。さらに、このような基板上に成長した多結晶シリコン膜は、結晶粒が小さく、表面の平坦性が悪くなる傾向があるため、実用化に至っていない。
【0006】
このような課題を解決するための試みの一つとして、安価な未精製シリコンを用いて製造した多結晶シリコン(金属級シリコン)を基板とし、この上に高純度のシリコンを用いて成長した多結晶シリコンを活性層として、太陽電池を形成する方法がある。
【0007】
例えば、非特許文献1では、金属級シリコン基板の上にSiHClを用いてCVD法でシリコン多結晶を成長し、太陽電池を試作している。この場合には、基板はシリコンであり、耐熱性や熱膨張率の不一致などの問題がない。また、原料が低価格なため資源の制約がなく、安価に提供できる可能性がある。さらに、成長した多結晶シリコン膜は、基板の結晶性を引き継ぐため、グラッシーカーボンやセラミクスなどを基板とした場合より、良質の多結晶を成長させ易い。
【0008】
しかしながら、上記のCVD法で成長を行った場合、使用する原料ガスを100%有効に成長に使うことができず、また太陽電池として必要とされる厚さ数十μmのシリコンの成長を行うと、成長装置を頻繁にメンテナンスする必要がある等、製造上の問題が多い。
【0009】
多結晶シリコンの成長には、また液相成長法を利用することができる。液相成長法では、シリコン等の原料をインジウム、ガリウム、錫、銅、アルミニウム等の低融点金属に溶解してメルトを調整した後、冷却するなどの方法により過飽和として、この中に浸漬した基板上に結晶を成長させる。シリコンがメルト外に流出することがないので、投入した原料の無駄が無く、装置のメンテナンスも容易である。
【0010】
この液相成長法によって、安価な金属級シリコンの多結晶基板の上に高品質の多結晶シリコンを成長し、この多結晶シリコンを用いて太陽電池を形成する方法が、特許文献1に開示されている。この方法によれば、金属級シリコンの多結晶基板を型に充填し溶解して直接形成できるので、インゴット形成やスライスの手間をかける必要が無く、コスト的にさらに有利である。しかし勿論、安価な金属級シリコンを用いてインゴットを形成し、これをスライスして形成した基板も好適に使用できる。
【0011】
しかし、図6に示すように、金属級シリコンに限らず、多結晶の基板200の上に液相成長法で成長した多結晶成長層202を利用して太陽電池を製造する場合、その表面に形成したグリッド電極206には断線を生じる事が少なくない。このグリッド電極206は、入射光により生起されたキャリアを収集する役割を果たしており、グリッド電極206に断線が生じると、太陽電池の変換効率が著しく損なわれる。またグリッド電極206を太くすると、断線は起こり難くなるが、グリッド電極206の影による入射光の損失が増大するので、やはり望ましくない。
【0012】
このような問題が生じる原因は、次のように考えられる。即ち、多結晶の基板200には粒界201が存在し、粒界を挟んだ両側の結晶粒の内部では結晶方位が異なる。その表面に多結晶成長層202を成長すると、微視的には結晶粒の各々の領域では結晶がエピタキシャルに成長するため、多結晶成長層202にも基板の粒界201と同じ位置に粒界203が形成される。グルーブ205は一般に粒界203の上に生じるが、非特許文献2が示しているように、液相法で成長した多結晶では、CVD法で成長した多結晶に比べグルーブが深くなる傾向がある。そのため、液相法で成長した多結晶は優れた特性を持つにも関わらず、この多結晶を用いた太陽電池はグリッド電極206の断線が生じ易くなる。
【0013】
一方、太陽電池の活性層となる多結晶はその厚さが増すと、入射光の吸収が強まり出力電流が増大するため特性的には好ましい。しかし、同時にグルーブも深くなり、グリッド電極206の断線が生じ易くなる。
【0014】
そこで、図6において示される多結晶層の平均的な厚さWがなるべく大きく、一方、グルーブの平均的な深さG2がなるべく小さい、言い換えるとG2/Wがなるべく小さいことが、多結晶の太陽電池用への応用に対する適性を示す目安となる。実際、本発明の説明において後述する図2に示すように、G1/Wが小さくなると、グリッド電極の断線は防止できる上、出力電流が増加し、高い変換効率が得られる。
【0015】
非特許文献3には、多結晶シリコン基板上に多結晶シリコンを液相成長する場合に粒界に生じるグルーブを浅くする方法が示されている。この方法では、図7に示すように、基板をメルトに浸漬してから(t=t0)、メルトから引き上げるまで(t=tf)の間、メルトを温度Thから単調にTlに低下させるのではなく、途中でメルトをΔThだけ加熱する期間を設けることにより、グルーブを浅くできるとしている。彼等はその理由として、粒界は構造が不安定なため、その上に成長するには結晶粒の内部に成長するより大きなエネルギーが必要とされるので、特に熱平衡に近い状態で成長が起こる液相成長法では相対的に成長速度が低下してグルーブが生じるが、加熱されている時には、逆に結晶粒内部の粒界外の領域で優先的にシリコンの溶け出し(メルトバック)が起こるので、グルーブが相対的に浅くなるとしている。
【0016】
しかしながら、大型の液相成長装置では数十kg〜数百kgといった大量のメルトを扱う必要がある。その際に、図7のようにメルトの冷却と加熱を繰り返すと、成長に要する時間が長くなり、生産のスループットが低下し、また生産に無駄なエネルギーを要するので望ましくない。
【特許文献1】
特開平10−098205号公報
【非特許文献1】
Haruo ITO, Tadashi SAITOH, Noboru NAKAMURA, Sunao MATSUBARA, Terunori WARABISAKO, Takashi TOKUYAMA、J. Crys. Growth 45(1978) 446−453
【非特許文献2】
K.J.Weber,A.W.Blakers、J. Crys. Growth 154(1995) 54−59
【非特許文献3】
G.Ballhorn, K.J.Weber, S.Armand, M.J.Stokes, A.W.Blakers、Solar Energy Materials & Solar Cells 52(1998) 61−68
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、従来の太陽電池に用いられてきた多結晶に匹敵する特性を持ち、太陽電池に使用してもグリッド電極の断線等の障害を生じる虞れの少ない多結晶を低コストで大量に得ることができる液層成長方法、及びこの方法を実施するのに好適な液相成長装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明の液相成長方法は、結晶原料を溶かし込んだ坩堝内のメルトに多結晶基板を浸漬し、その基板上に多結晶を成長させる液相成長方法であって、
所定の厚さの多結晶を成長させる第1の工程と、
第1の工程で成長させた多結晶の一部をメルト中に溶融させる第2の工程とを有し、
第1の工程と第2の工程とで基板とメルトの相対位置を変え、異なる温度のメルトを多結晶表面に接触させることを特徴とする

【0019】
上記液相成長方法において、第1の工程と第2の工程とを交互に複数回繰り返すことが好ましい。
【0020】
この場合、第2の工程で、第1の工程で成長させた多結晶を、前記所定の厚さに対して5%以上30%以下の領域をメルト中に溶融させることが好ましく、一回の第1の工程で成長させる多結晶の厚さは1〜20μmであることが好ましい。
【0021】
また、第1の工程において前記基板を相対的に温度の高い領域のメルトに接触させ、第2の工程において前記基板を相対的に温度の低い領域のメルトに接触させて、
さらにメルトの各領域の温度を下げていくことが好ましい。
【0022】
第1の工程と第2の工程を同一の坩堝内で行うことが好ましく、その場合、基板を坩堝内で上下に往復運動させることにより、前記基板を相対的に温度の高い領域のメルトと相対的に低い領域のメルトに交互に接触させるのが良い。
【0023】
また、第1の工程と第2の工程は異なる坩堝内で行っても良い。
【0024】
加えて、第1の工程と第2の工程とで、多結晶表面に接するメルト中における単位体積当たりの結晶原料の含有量が異なることが好ましい。
【0025】
一方、本発明の液相成長装置は、少なくとも、結晶原料を溶解させるメルトと、
該メルトを収容する坩堝と、
メルトに温度分布を形成しうる加熱手段と、
基板を保持する支持架と、
メルトの温度の相対的に高い領域と相対的に低い領域との間で、基板とメルトとの相対位置を変化させる支持架駆動手段と、
を備えていることを特徴とする。
【0026】
上記液相成長装置において、メルトの温度分布を形成しうる加熱手段が、上下に分割され独立制御可能なヒーターであることが好ましい。
【0027】
この場合、基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、基板を上下する手段であることが好ましい。
【0028】
また、メルトの温度分布を形成しうる加熱手段が、周方向に分割され独立制御可能なヒーターであることも好ましい。
【0029】
この場合、基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、基板を該中心軸の周りに回転させる手段であることが好ましく、基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、坩堝を回転させる手段を含むことは好適である。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限られない。
【0031】
本発明の液相成長方法では、多結晶を成長させる第1の工程の後に多結晶をメルトバックする第2の工程を有する。本発明は、メルトの温度を制御する等により意図的に基板上に多結晶を成長、メルトバックさせることを特徴とするものであり、この点で、単に基板をメルト中に浸漬させ、引き上げる液相成長方法とは異なる。これらの工程は、第1→第2→第1→第2→・・・の如く、複数回繰り返して行うことが好ましい。太陽電池で高効率を出すには、光電流を得るためにある程度以上の膜厚が必要であるが、そのため長時間成長を続けると、グルーブが深くなるにつれてシリコンの濃度が高いメルトがグルーブの奥まで供給され難くなるため、さらに周囲より成長が遅れて、極端にグルーブが発達することとなる。後からグルーブ以外の部分を選択的にメルトバックする事も可能であるが、グルーブが極端に発達する前にメルトバックを行って、複数回成長を行う事で必要な膜厚とすることが好ましい。
【0032】
一回の第1の工程で成長させる多結晶の厚さは1〜20μmが好ましい。この範囲を下回ると、膜厚の制御が困難であり、工程数が増えるので生産性も悪い。この範囲を上回ると凹凸が大きくなりすぎ、平坦化の効果が極めて小さくなる。
【0033】
また、第2の工程でメルトバックする多結晶の量は、第1の工程で成長させた多結晶の5%以上30%以下であることが好ましい。この範囲を下回ると、凹凸の制御が殆どできなくなってしまい、膜厚の制御も困難であり、工程数が増えるので生産性も悪い。この範囲を上回ると、成長終了後の表面に3角形や正方形の窪みが形成され易くなる上、成長させた多結晶の多くが無駄になってしまい、生産性が悪くなる。
【0034】
図1は、本発明の液相成長方法を実施するのに好適な液相成長装置の一例を示しており、同図を用いて本発明の好適な実施形態を説明する。以下、多結晶シリコン基板に多結晶シリコンを成長する場合を例として具体的に説明するが、本発明は太陽電池などのデバイスの製造に好適なゲルマニウムやガリウムリンなどの多結晶の成長にも同様に適用することができる。
【0035】
図1において、300はメルト301を収容するための石英ガラスやカーボン製の坩堝である。メルト301は、坩堝300の上下方向にメルト301の温度分布を形成しうる加熱手段として、独立して制御できる上下に分割された2つのヒーター302a、302bを備えている。これらのヒーター302a、302bにより、その温度や上下方向の温度分布が制御される。また、坩堝300は不図示の気密を保てるチャンバ内に保持されており、必要な場合にはその内部を水素雰囲気とすることができ、高品質の多結晶を成長することができる。
【0036】
まず、坩堝300にインジウム・ガリウム・錫・銅・アルミニウム等の低融点の金属を装入し、ヒーター302a、302bにより加熱・融解する。その中に原料となるシリコンを溶かし込んで飽和させ、メルト301とする。原料シリコンはウェファ状でも良いし、粉末状、ナゲット状であっても良い。
【0037】
その後、ヒーター302a、302bを制御し、図4に示すようにメルトの冷却を開始する。数℃〜数十℃冷却したところで(t=t0、Ta=Tb=Th)、メルト301に基板303を浸漬し、位置303aの位置で保持する。同時にヒーター302bをヒーター302aとは独立に制御し、坩堝300の底に近い部分の温度(Tb)を、表面に近い部分の温度(Ta)より緩やかに低下させる。
【0038】
さらにt=t1の時点で、不図示の基板上下機構によって、基板301を302aの位置からメルトの底に近い位置303bの位置に下降させる。その際に基板周辺のメルトはΔThだけ温度が上昇する。そしてt=t2の時点で、基板301を303bの位置から再び303aの位置に上昇させる。その際に基板周辺のメルトはΔTcだけ温度が低下する。以下同様に、基板303を位置303aと303bの間で往復させる。この往復により基板の成長温度は各時点におけるTaとTbの間で変化し、ほぼ図4の太線の変化に従う。すなわち、メルトの内部に相対的に温度の高い領域と、相対的に温度の低い領域を形成し、その間で基板を交互に移動させ、基板周辺のメルトはΔThの温度上昇とΔTcの温度低下を繰り返す。
【0039】
ところで、温度の高い領域と温度の低い領域の間でもメルトの連絡はあり、シリコンは相互に拡散できるため、全体のシリコンの濃度は均一になろうとする。その結果、温度の低い領域では温度の低い割にはシリコンの濃度が高く過飽和となり、温度の高い領域では温度の高い割にはシリコンの濃度が低く未飽和となる。したがって、基板303はこの間を行き来することにより、その表面で成長と、メルトバックが交互に起こることになる。所定期間の成長量やメルトバック量は、その期間の当初のメルト温度と終了時のメルト温度の差が極端に大きくなければ、この温度差にほぼ比例すると考えられる。それ故、多結晶が成長する厚さと、メルトバックする厚さの割合は、ほぼ|ΔTh|:|ΔTc|になる。こうすると、図7の場合に示したメルト全体を冷却、加熱する場合と同様に、グルーブの発達が抑えられ、図2に示すように成長した多結晶のグルーブの深さと膜厚の比G1/Wが小さくなり、その表面に形成したグリッド電極が断線する虞れが少なくなる。
【0040】
しかも、本発明の液相成長方法によれば、大量のメルトを使用する場合にもメルト全体を繰り返し加熱・冷却する必要がないので、成長を短時間で終了させることができ、生産のスループットが向上する。また加熱・冷却の繰り返しに伴うエネルギーの無駄もなく、高品質の多結晶を大量生産することができる。
【0041】
上記した実施形態の変形例として以下のような形態が考えられる。
【0042】
図3は、本発明の液相成長方法を実施するのに好適な別の液相成長装置の構造を示しており、(a)はその側断面構造の模式図、(b)はその平面図である。
【0043】
この液相成長装置では、坩堝400の中心軸の回りにメルト401の温度分布を形成しうる加熱手段として、周方向に2分割されたヒーター402a、402bが備えられている。これらのヒーター402a、402bは、坩堝400の側面に対向して設けられ、それぞれ独立して制御できる。また基板403は、縦方向に所定の間隔を保って複数の基板を保持した列を2列並べて、不図示の支持架で支持するようになっている。また、この支持架の回転に伴い、各基板はヒーター402aに近い位置403aと、ヒーター402bに近い位置403bとを交互に通過させることができる。さらに、ヒーター402bをヒーター402aと独立に制御して、位置403bのメルトの温度を位置403aのメルトの温度よりも低く設定できる。
【0044】
本装置を用いても、上記基板を上下方向に移動させるものと同様の液相成長方法が実現できる。
【0045】
また例えば、上記の実施形態では、同一の坩堝内における温度の低い領域と温度の高い領域との間で基板を移動させたが、複数の坩堝中にメルトを保持し、それぞれのメルトの温度を異ならせるようにしても良い。
【0046】
また、上述したように温度分布を設けるのではなく、一定の温度であっても濃度が異なる領域間で基板を移動させてもよい。この場合、第1の工程と第2の工程とで多結晶表面(より厳密には、最初の工程では多結晶基板表面、その他の工程では直前に形成された多結晶の表面)に接するメルト中における単位体積当たりの結晶原料の含有量が異なることになる。濃度分布を設ける方法としては、複数の坩堝を用いる方法、溶質と溶媒の比重差を利用する方法が挙げられる。
【0047】
さらに、本発明の好適な実施形態では、メルトと基板の位置関係を相対的に変えることが好ましい。そこで、上述したように基板を移動させるのではなく、坩堝を移動させるようにしても構わない。なお、移動機構を簡単にするためには、基板を移動させる形態の方が好ましい。
【0048】
【実施例】
〔実施例1〕
純度98.5%の金属級シリコンを真空溶解炉で溶解・徐冷し、多結晶シリコンのインゴットを形成した。これをスライスし、1辺が5インチの多結晶シリコンのウェファとして成型して、さらに表面をフッ酸・硝酸・酢酸の混合液でエッチングし、スライスに伴う表面の荒れを除いた。
【0049】
この多結晶シリコンは、直径が数mm〜1cm程度の不定形の結晶粒からなっていた。また、その比抵抗は概ね0.05Ωcm程度で、導電型はp型であった。
【0050】
図1に示す液相成長装置を用いて、インジウムを坩堝300内に装入し、水素雰囲気中で950℃の温度とした。太陽電池グレードの多結晶シリコンウェファを不図示の基板上下機構にセットし、水素雰囲気を保ちつつ、インジウムに浸漬させ、シリコンで飽和したメルト301を形成した。
【0051】
次に、基板上下機構から多結晶シリコンウェファを取り外し、金属級シリコンで形成した基板303を5枚セットした後、メルトの冷却を開始した。Ta=Tb=Th=950℃となった時点で(t=t0)、基板303をメルトに浸漬させ、303aの位置で保持した。Ta=900℃となった時点で(ΔTc=−50℃、t=t1)、基板303を303bの位置へゆっくり移動した。移動が終わった時点でTb=915℃であった(ΔTh=15℃)。そして、基板303を303aの位置にゆっくりと移動した。移動の終わった時点でTa=865℃となっていた(ΔTc=−50℃)。
【0052】
以下同様にして、図4のΔTh=15℃、ΔTc=−50℃となるように基板303の上下を繰り返し、最後は303bの位置で保持し、Tb=800℃となった時点で(t=tf)、基板303をメルトから引き上げた。すなわち、基板近傍のメルトの温度は図4の太線のプロファイルに従って変化した。この間に70分を要した。この温度プロファイルに従った場合、多結晶がメルトバックした厚さは、成長した厚さの30%と考えられる。
【0053】
次いで、この多結晶シリコンの表面にリンの拡散剤(OCD)を塗布し、900℃の温度で30分間リンの拡散を行った。その結果、多結晶シリコンの表面から約0.2μmの深さまでリンが拡散し、n層104が形成された。拡散剤を除去した後、さらにその表面に銀ペーストを用いてグリッド電極106のパターンを印刷した。グリッド電極106は、幅150μm、厚さ約20μmとなるように調整した。その上から、酸化チタンをスパッタリングにより厚さ約550オングストローム堆積して、不図示の反射防止膜とし太陽電池を形成した。
【0054】
この太陽電池を、AM1.5のソーラーシミュレーターで測定したところ、変換効率15.0%が得られた。また顕微鏡で観察したところ、グルーブ105の上でグリッド電極106の断線は全く見られなかった。さらにこの太陽電池を切断し、断面を金属顕微鏡で観察したところ、基板303の表面には、平均の厚さ50μmの多結晶シリコン膜が成長していた。多結晶シリコン膜には粒界に沿ってグルーブが生じており、その深さは平均して10μmであった。即ち、図2の定義でG1/W=20%であった。
【0055】
また、ΔTh=2.5℃、ΔTc=−50℃とした以外は、上記と同様の手順で液相成長を行い、同様の形状の太陽電池を作成した。この温度プロファイルに従った場合、多結晶がメルトバックした厚さは、成長した厚さの5%と考えられる。
【0056】
この太陽電池では変換効率14.5%が得られた。また顕微鏡観察によれば、多結晶の成長層の厚さは約50μmであり、グルーブの深さは約20μmで、図2の定義でG1/W=40%であった。さらに、この太陽電池のグリッド電極の形状を金属顕微鏡にて観察したところ、所々に断線が見られた。ΔTh=15℃、ΔTc=−50℃の太陽電池より若干変換効率が低かったのは、グルーブがやや深かったため生じたグリッド電極206の断線が影響したためと推測される。
【0057】
〔参考例〕
比較のため、実施例1で使用したのと同じ金属級シリコンで作成した多結晶シリコン基板の上に、メルトを加熱するための2分割されたヒーターの制御パラメータを調整してΔThとΔTcを変更した以外は同様にして、多結晶シリコンの成長を行った。
【0058】
実施例1と同様にして、950℃の温度で多結晶シリコンウェファをインジウムに溶かし込んだ後、メルトの冷却を開始し、メルトが940℃の温度となった時点で金属級シリコンの基板303を浸漬させ、単調に冷却を続け、即ちΔTc=0℃として、メルトが800℃の温度となった時点で引き上げた。この間70分間を要した。
【0059】
実施例1と同じく、基板上に厚さ約50μmの多結晶シリコンが成長していた。その後実施例1と同様に、n層104と不図示の反射防止膜を形成した。
【0060】
この太陽電池の変換効率は11.5%であった。この太陽電池を顕微鏡で観察したところ、図6のようにグルーブの上でグリッド電極206が至るところで断線しており、しかしグルーブの深さは平均30μmで、図6のG2/W=80%となっていた。本比較例の太陽電池が実施例1の太陽電池より効率が低いのは、本発明の液相成長方法によらなかったため、深いグルーブが生じてグリッド電極が断線し、光入射により発生した電流が効率的に収集できなかったのが原因であると分かった。
【0061】
また同様にΔTc=−50℃、ΔTh=2℃で多結晶シリコンの成長を行った。この温度プロファイルに従った場合、多結晶がメルトバックした厚さは、成長した厚さの4%と考えられる。グルーブの深さは30μmでG2/W=60%となり、作成された太陽電池の変換効率は12.3%であった。
【0062】
また同様にΔTc=−50℃、ΔTh=20℃で多結晶シリコンの成長を行った。この温度プロファイルに従った場合、多結晶がメルトバックした厚さは、成長した厚さの40%と考えられる。グルーブの深さは7μmでG2/W=14%まで改善されたが、作成された太陽電池の変換効率は13.7%とむしろ低下した。あらためて他結晶の表面を観察したところ、部分的に逆ピラミッド状の窪みが認められ、特性を損ねていることが分かった。この窪みはメルトバック量が大きかったため、多結晶表面の微小な欠陥を中心に局所的に大きなメルトバックが生じた結果と推測される。
【0063】
以上の実験より、多結晶をメルトバックさせる厚さとしては、成長させた厚さの5〜30%の範囲が適当と分かった。
【0064】
〔比較例〕
実施例1で使用したのと同じ金属級シリコンで作成した多結晶シリコン基板の上に、実施例1で使用したのと同じ液相成長装置で多結晶シリコンを成長した。但し本比較例では、ヒーターを制御し、メルト全体の温度を図4の太線の変化に従って制御することを試みた。
【0065】
しかしながら、メルトは重量10kgあり、冷却の途上にあるメルトを加熱したり、加熱の途上にあるメルトを冷却しても、急激にはメルトの温度が追従しないので、ヒーターの容量を増し、急速な冷却を行うため坩堝の回りに冷却用の水素ガスを流す等の工夫をしたが、結局ΔTh=20℃、ΔTc=−60℃をつけながら940℃から800℃の温度変化をさせるには約120分間を要した。
【0066】
本比較例で作成した多結晶シリコンを用いた太陽電池では、グリッド電極の断線は見られず、変換効率も14.8%と実施例1と殆ど同等であった。しかしながら、本比較例の結果より、多量のメルトを使用する場合には、メルト全体の温度を制御してΔTh、ΔTcを付けるのは時間がかかり、生産効率の面で実施例1の場合よりも劣ることが確認された。
【0067】
〔実施例2〕
本実施例においては、1バッチ当たりでさらに大量の基板への成長を行うのに最適な図3に示す液相成長装置を用いた例を説明する。
【0068】
基板として純度98.5%の金属級シリコンを真空溶解炉で溶解・徐冷した後、カーボン製の鋳型に注ぎ徐冷して、1辺が5インチの多結晶シリコンの基板を直接形成した後、表面をフッ酸と硝酸の混合液でエッチングし、型と接触していた表面の荒れを除いたものを用いる。この多結晶シリコンは、直径が数mm〜1cm程度の不定形の結晶粒からなっていた。また、その比抵抗は概ね0.05Ωcm程度で、導電型はp型であった。
【0069】
この液相成長装置では、坩堝400の中心軸の回りにメルト401の温度分布を形成しうる加熱手段として、周方向に2分割されたヒーター402a、402bが備えられている。これらのヒーター402a、402bは、坩堝400の側面に対向して設けられ、それぞれ独立して制御できる。また多数の基板403は、縦方向に所定の間隔を保って50枚保持した列を2列並べて、合計100枚不図示の支持架で支持するようになっている。また、この支持架の回転に伴い、各基板はヒーター402aに近い位置403aと、ヒーター402bに近い位置403bとを交互に通過させることができる。さらに、ヒーター402bをヒーター402aと独立に制御して、位置403bのメルトの温度を位置403aのメルトの温度よりも低く設定できる。
【0070】
インジウムを坩堝400内に装入し、水素雰囲気中でメルト全体を950℃の温度とした。太陽電池グレードの多結晶シリコンのナゲットを不図示の石英ガラス製の専用ホルダにセットし、インジウムに浸漬させ、シリコンで飽和したメルト401を形成した。
【0071】
次に、不図示の支持架に金属級シリコンを用いて形成した基板403をセットした。そして、メルトの冷却を開始し、ヒーター402a近傍のメルトの温度が図5のTa、ヒーター402b近傍のメルトの温度が図5のTbとなるようにした。Ta=Tb=Th=940℃となった時点で(t=t0)、基板403をメルトに浸漬した。Ta=900℃となった時点で(t=t1)、支持架をゆっくりと180度回転した。当初403aの位置にあった基板は403bの位置へ移動し、この基板はTb=920℃となった。一方、当初403bの位置にあった基板は約930℃から約900℃になった。以下、t=t2、t=t3・・・の時点で、支持架を180度ゆっくりと回転させた。
【0072】
その結果、当初位置403aにあった列の基板の温度は、図5の太い実線に従って変化した。また、当初位置403bにあった列の基板の温度は、図5の太い点線に従って変化した。t=t0からt=tfまで70分間を要した。本実施例の液相成長装置ではメルトは約200kgあり、実施例1の液相成長装置の約20倍であったが、メルトの量が多いために温度制御に困難を来たすことはなく、本発明の効果が実証された。
【0073】
以下、実施例1と同様の手順で太陽電池を作成した。変換効率は平均で14.7%であった。また断面の顕微鏡観察によると、平均でG1/W=25%であった。実施例1の場合より、やや変換効率が低く、G1/Wが大きかったのは、メルトの温度の高い領域と低い領域の間で、シリコンの拡散が不十分だったためと思われる。
【0074】
〔実施例3〕
本実施例では、実施例2の結果をさらに改善する方法を示す。本実施例においては、図3の液相成長装置と概ね同様の液相成長装置を使用するが、坩堝はその中心軸の回りにゆっくりと回転させることができる。
【0075】
基板には、実施例2と同じ方法で製造した基板を用いた。また実施例2と同じく、図3におけるヒーター402aの近傍におけるメルトの温度や、ヒーター402bの近傍におけるメルトの温度が、図5のTa及びTbに従って変化する様に制御した。さらにt0からtfに渡り、比較例と同じタイミングで基板の支持架を回転させた。その間、坩堝を5分に1回の割合で回転した。成長した多結晶を用いて実施例2と同様にして太陽電池を作成した。
【0076】
変換効率は平均で15.2%であった。また断面の顕微鏡観察によると、平均でG1/W=18%であった。実施例2の場合より変換効率が高く、G1/Wが小さかったのは、坩堝がゆっくりと回転して、高温領域で基板からメルトバックしたシリコンが低温領域に輸送されるため、低温領域ではシリコンの濃度が高まり、基板上へのシリコンの析出が盛んに起こるようになり、一方高温領域おいてはメルト中のシリコンの濃度が下がり、基板からシリコンのメルトバックが盛んに起こるようになったためであると思われる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液相成長法で多結晶基板に多結晶を成長した場合にも、多結晶に生じるグルーブが多結晶の膜厚に比べて深くならないので、この多結晶を利用して太陽電池を製造した場合に生じがちなグリッドの断線を防止することができる。特に大量のメルトを使用する場合にも、スループットを落とさず容易に適用できるため、太陽電池の量産に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液相成長方法を実施するのに好適な液相成長装置の構造を示しており、(a)はその側断面構造の模式図、(b)はその平面図である。
【図2】本発明の液相成長方法により多結晶シリコン基板上に成長した太陽電池の断面状況を示す説明図である。
【図3】本発明の液相成長方法を実施するのに好適な別の液相成長装置の構造を示しており、(a)はその側断面構造の模式図、(b)はその平面図である。
【図4】本発明の液相成長方法におけるメルトの冷却プロファイルの例を示す説明図である。
【図5】本発明の液相成長方法におけるメルトの冷却プロファイルの他例を示す説明図である。
【図6】従来の液相成長方法で多結晶シリコン基板上に成長したためグリッド電極の断線を起こした太陽電池の断面状況を示す説明図である。
【図7】液相成長において、多結晶のグルーブを抑止するために推奨されるメルトの冷却プロファイルの例を示す説明図である。
【符号の説明】
100 多結晶基板
101 基板の粒界
102 多結晶成長層
103 多結晶成長層の粒界
104 n
105 グルーブ
106 グリッド電極
300 坩堝
301 メルト
302a 第1のヒーター
302b 第2のヒーター
303a 第1の位置にある基板
303b 第2の位置にある基板
303 基板
400 坩堝
401 メルト
402a 第1のヒーター
402b 第2のヒーター
403a 第1の位置にある基板
303b 第2の位置にある基板
403a 基板
403b 基板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid phase growth method for a polycrystalline semiconductor such as silicon that can be suitably used as a semiconductor for a solar cell, and a liquid phase growth apparatus suitable for performing the method.
[0002]
[Prior art]
With increasing awareness of the environment, solar cells have been widely used in consumer applications. For a solar cell for consumer use, a monocrystalline or polycrystalline silicon wafer is mainly used.
[0003]
Conventionally, as a single-crystal silicon wafer, a silicon wafer which has conventionally been out of the standard in the IC industry or the like, or a silicon wafer which has been re-pulled from remaining silicon has been often used, and the supply amount has been limited.
[0004]
On the other hand, polycrystalline silicon wafers have a higher throughput in the crystallization process than single crystals, but when high-purity silicon for semiconductors is used as a raw material, the supply is still limited, and the price is so low. Can not.
[0005]
Therefore, a method of growing a polycrystalline silicon film on a substrate of ceramics such as glassy carbon or mullite has been attempted. However, the growth must be usually performed at a high temperature of 1000 to 1500 ° C. From the viewpoint of matching thermal expansion coefficients, it is difficult to use inexpensive materials such as metal plates and glass. Furthermore, a polycrystalline silicon film grown on such a substrate has not been put to practical use because the crystal grains are small and the surface flatness tends to be poor.
[0006]
One of the attempts to solve such a problem is to use a polycrystalline silicon (metal-grade silicon) manufactured using inexpensive unpurified silicon as a substrate, and grow a polycrystalline silicon on the substrate using high-purity silicon. There is a method of forming a solar cell using crystalline silicon as an active layer.
[0007]
For example, in Non-Patent Document 1, SiH is placed on a metal-grade silicon substrate. 2 Cl 2 Are used to grow silicon polycrystals by the CVD method and prototype solar cells. In this case, the substrate is silicon, and there is no problem such as heat resistance and thermal expansion mismatch. In addition, since the raw materials are inexpensive, there is no restriction on resources, and there is a possibility that they can be provided at low cost. Furthermore, since the grown polycrystalline silicon film inherits the crystallinity of the substrate, it is easier to grow a high-quality polycrystal than when glassy carbon, ceramics, or the like is used as the substrate.
[0008]
However, when the growth is performed by the above-described CVD method, the source gas used cannot be used 100% effectively for growth, and when a silicon having a thickness of several tens μm required for a solar cell is grown. There are many manufacturing problems, such as the need to frequently maintain the growth apparatus.
[0009]
For the growth of polycrystalline silicon, a liquid phase growth method can be used. In the liquid phase growth method, a raw material such as silicon is dissolved in a low melting point metal such as indium, gallium, tin, copper, and aluminum to adjust a melt, and then supersaturated by a method such as cooling, and a substrate immersed in the substrate Grow crystals on top. Since silicon does not flow out of the melt, the input materials are not wasted, and the maintenance of the apparatus is easy.
[0010]
Patent Literature 1 discloses a method of growing high-quality polycrystalline silicon on an inexpensive metal-grade silicon polycrystalline substrate by the liquid phase growth method and forming a solar cell using the polycrystalline silicon. ing. According to this method, since a polycrystalline substrate of metal-grade silicon can be filled in a mold, melted, and directly formed, there is no need to take time for ingot formation or slicing, which is further advantageous in terms of cost. However, of course, a substrate obtained by forming an ingot using inexpensive metal-grade silicon and slicing the ingot can also be suitably used.
[0011]
However, as shown in FIG. 6, when a solar cell is manufactured using not only metal-grade silicon but also a polycrystalline growth layer 202 grown on a polycrystalline substrate 200 by a liquid phase growth method, the surface thereof may be In many cases, disconnection occurs in the formed grid electrode 206. The grid electrode 206 plays a role of collecting the carriers generated by the incident light. If the grid electrode 206 is broken, the conversion efficiency of the solar cell is significantly impaired. Further, if the grid electrode 206 is made thicker, disconnection is less likely to occur, but the loss of incident light due to the shadow of the grid electrode 206 increases, which is also undesirable.
[0012]
The cause of such a problem is considered as follows. That is, the grain boundary 201 exists in the polycrystalline substrate 200, and the crystal orientation is different inside the crystal grains on both sides of the grain boundary. When the polycrystalline growth layer 202 is grown on the surface, microscopically, the crystal grows epitaxially in each region of the crystal grains. Therefore, the polycrystalline growth layer 202 also has a grain boundary at the same position as the grain boundary 201 of the substrate. 203 is formed. Although the groove 205 generally occurs on the grain boundary 203, as described in Non-Patent Document 2, the polycrystalline grown by the liquid phase method tends to have a deeper groove than the polycrystalline grown by the CVD method. . Therefore, although the polycrystal grown by the liquid phase method has excellent characteristics, the solar cell using the polycrystal is liable to cause disconnection of the grid electrode 206.
[0013]
On the other hand, if the thickness of the polycrystal serving as the active layer of the solar cell increases, the absorption of incident light increases and the output current increases, which is preferable in terms of characteristics. However, the groove is also deepened at the same time, and disconnection of the grid electrode 206 is likely to occur.
[0014]
Therefore, the polycrystalline layer shown in FIG. 6 has an average thickness W as large as possible, while an average depth G2 of the groove is as small as possible, in other words, G2 / W is as small as possible. It is an indication of suitability for battery applications. In fact, as shown in FIG. 2, which will be described later in the description of the present invention, when G1 / W is small, disconnection of the grid electrode can be prevented, output current increases, and high conversion efficiency can be obtained.
[0015]
Non-Patent Document 3 discloses a method of reducing the depth of a groove generated at a grain boundary when polycrystalline silicon is grown in a liquid phase on a polycrystalline silicon substrate. In this method, as shown in FIG. 7, after the substrate is immersed in the melt (t = t0), the melt is monotonously decreased from the temperature Th to Tl until the substrate is pulled up from the melt (t = tf). Instead, the groove can be made shallower by providing a period in which the melt is heated by ΔTh in the middle. They argue that growth is particularly close to thermal equilibrium because grain boundaries are structurally unstable and growing on top of them requires more energy to grow inside the grains. In the liquid phase growth method, the growth rate is relatively lowered to generate grooves. However, when heated, silicon melts out preferentially (melt back) in the region inside the crystal grains and outside the grain boundaries. , The groove is relatively shallow.
[0016]
However, a large-sized liquid phase growth apparatus needs to handle a large amount of melt such as several tens kg to several hundred kg. At this time, if the cooling and heating of the melt are repeated as shown in FIG. 7, the time required for growth is increased, the production throughput is reduced, and unnecessary energy is required for production, which is not desirable.
[Patent Document 1]
JP-A-10-098205
[Non-patent document 1]
Haruo ITO, Tadashi SAITOH, Noboru NAKAMURA, Sunao Matsubara, Terunori WARABISAKO, Takashi Tokuyama, J. Crys. Growth 45 (1978) 446-453
[Non-patent document 2]
K. J. Weber, A .; W. Blakers, J.M. Crys. Growth 154 (1995) 54-59
[Non-Patent Document 3]
G. FIG. Ballhorn, K .; J. Weber, S.M. Armand, M .; J. Stokes, A. W. Blakers, Solar Energy Materials & Solar Cells 52 (1998) 61-68.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and has an object to have properties comparable to polycrystals used in conventional solar cells, and to provide a grid electrode even when used in solar cells. An object of the present invention is to provide a liquid layer growth method capable of obtaining a large amount of polycrystals at a low cost with a low risk of causing troubles such as disconnection, and a liquid phase growth apparatus suitable for performing the method.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the liquid phase growth method of the present invention is a liquid phase growth method in which a polycrystalline substrate is immersed in a melt in a crucible in which a crystal raw material is melted, and a polycrystal is grown on the substrate. hand,
A first step of growing a polycrystal of a predetermined thickness;
A second step of melting a part of the polycrystal grown in the first step in a melt,
The relative position between the substrate and the melt is changed between the first step and the second step, and the melt at different temperatures is brought into contact with the polycrystalline surface.
.
[0019]
In the above liquid phase growth method, it is preferable that the first step and the second step are alternately repeated a plurality of times.
[0020]
In this case, in the second step, it is preferable that the polycrystal grown in the first step is melted in a melt in a region of 5% or more and 30% or less with respect to the predetermined thickness. The thickness of the polycrystal grown in the first step is preferably 1 to 20 μm.
[0021]
Also, in the first step, the substrate is brought into contact with the melt in a relatively high temperature region, and in the second step, the substrate is brought into contact with the melt in a relatively low temperature region,
Further, it is preferable to lower the temperature of each region of the melt.
[0022]
The first step and the second step are preferably performed in the same crucible. In this case, the substrate is reciprocated up and down in the crucible, so that the substrate is relatively free from the melt in a relatively high temperature region. It is good to alternately contact the melt in an area as low as possible.
[0023]
Further, the first step and the second step may be performed in different crucibles.
[0024]
In addition, it is preferable that the content of the crystal raw material per unit volume in the melt in contact with the polycrystalline surface differs between the first step and the second step.
[0025]
On the other hand, the liquid phase growth apparatus of the present invention comprises at least a melt for dissolving the crystal raw material,
A crucible containing the melt,
Heating means capable of forming a temperature distribution in the melt;
A support frame for holding the substrate,
Support frame driving means for changing the relative position between the substrate and the melt between a relatively high temperature region and a relatively low temperature region of the melt,
It is characterized by having.
[0026]
In the above-mentioned liquid phase growth apparatus, it is preferable that the heating means capable of forming the temperature distribution of the melt is a heater which is vertically divided and which can be controlled independently.
[0027]
In this case, it is preferable that the means for changing the relative position between the substrate and the melt is means for moving the substrate up and down.
[0028]
It is also preferable that the heating means capable of forming the temperature distribution of the melt is a heater which is divided in the circumferential direction and can be controlled independently.
[0029]
In this case, the means for changing the relative position between the substrate and the melt is preferably means for rotating the substrate around the central axis, and the means for changing the relative position between the substrate and the melt rotates the crucible. It is preferred to include means.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.
[0031]
The liquid phase growth method of the present invention has a second step of melt-backing the polycrystal after the first step of growing the polycrystal. The present invention is characterized in that a polycrystal is intentionally grown on a substrate and melted back by controlling the temperature of the melt and the like, and in this regard, the liquid is simply immersed in the melt and pulled up. Different from the phase growth method. These steps are preferably performed a plurality of times, for example, first → second → first → second →. To achieve high efficiency in a solar cell, a certain thickness or more is necessary to obtain a photocurrent.However, if the growth is continued for a long time, a melt having a high silicon concentration becomes deeper in the groove as the groove becomes deeper. Since it is difficult to supply the gas, the growth is further delayed from the surroundings, and the groove is extremely developed. It is also possible to selectively melt-back portions other than the groove later, but it is preferable to perform the melt-back before the groove is extremely developed and grow it a plurality of times to obtain a necessary film thickness. .
[0032]
The thickness of the polycrystal grown in one single first step is preferably 1 to 20 μm. Below this range, it is difficult to control the film thickness, and the number of steps increases, resulting in poor productivity. Above this range, the irregularities become too large and the flattening effect becomes extremely small.
[0033]
Further, the amount of polycrystal to be melted back in the second step is preferably 5% to 30% of the polycrystal grown in the first step. Below this range, it is almost impossible to control the unevenness, it is difficult to control the film thickness, and the number of steps increases, resulting in poor productivity. If it exceeds this range, triangular or square depressions are likely to be formed on the surface after the growth, and more of the grown polycrystal is wasted, resulting in poor productivity.
[0034]
FIG. 1 shows an example of a liquid phase growth apparatus suitable for carrying out the liquid phase growth method of the present invention, and a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, the case where polycrystalline silicon is grown on a polycrystalline silicon substrate will be specifically described as an example, but the present invention is similarly applied to the growth of polycrystalline such as germanium or gallium phosphide suitable for manufacturing devices such as solar cells. Can be applied to
[0035]
In FIG. 1, reference numeral 300 denotes a crucible made of quartz glass or carbon for containing the melt 301. The melt 301 is provided with two heaters 302a and 302b, which can be independently controlled, divided into upper and lower portions as heating means capable of forming a temperature distribution of the melt 301 in the vertical direction of the crucible 300. These heaters 302a and 302b control the temperature and the vertical temperature distribution. The crucible 300 is held in an airtight chamber (not shown). If necessary, the inside of the crucible 300 can be made into a hydrogen atmosphere, so that high-quality polycrystal can be grown.
[0036]
First, a low melting point metal such as indium, gallium, tin, copper, or aluminum is charged into the crucible 300 and heated and melted by the heaters 302a and 302b. Silicon as a raw material is dissolved therein and saturated to obtain a melt 301. The raw material silicon may be in a wafer shape, a powder shape, or a nugget shape.
[0037]
After that, the heaters 302a and 302b are controlled to start cooling the melt as shown in FIG. When cooled down by several degrees C. to several tens degrees C. (t = t0, Ta = Tb = Th), the substrate 303 is immersed in the melt 301 and held at the position 303a. At the same time, the heater 302b is controlled independently of the heater 302a, and the temperature (Tb) near the bottom of the crucible 300 is gradually lowered from the temperature (Ta) near the surface.
[0038]
Further, at time t = t1, the substrate 301 is lowered from the position 302a to a position 303b near the bottom of the melt by a substrate vertical mechanism (not shown). At that time, the temperature of the melt around the substrate increases by ΔTh. Then, at time t = t2, the substrate 301 is raised again from the position 303b to the position 303a. At that time, the temperature of the melt around the substrate decreases by ΔTc. Similarly, the substrate 303 is reciprocated between the positions 303a and 303b. Due to this reciprocation, the growth temperature of the substrate changes between Ta and Tb at each point in time, and substantially follows the change indicated by the thick line in FIG. That is, a region having a relatively high temperature and a region having a relatively low temperature are formed inside the melt, and the substrate is alternately moved between them. The melt around the substrate undergoes a temperature increase of ΔTh and a temperature decrease of ΔTc. repeat.
[0039]
By the way, there is a melt connection between a high temperature region and a low temperature region, and silicon can diffuse mutually, so that the concentration of silicon as a whole tends to be uniform. As a result, in a low temperature region, the silicon concentration is high and supersaturated at a low temperature, and in a high temperature region, the silicon concentration is low and unsaturated at a high temperature. Therefore, the substrate 303 moves back and forth between them, so that growth and meltback occur alternately on the surface. It is considered that the growth amount and the meltback amount in a predetermined period are almost proportional to the temperature difference unless the difference between the initial melt temperature and the melt temperature at the end of the period is extremely large. Therefore, the ratio of the thickness at which the polycrystal grows and the thickness at which the polycrystal grows is approximately | ΔTh |: | ΔTc |. In this manner, the development of the grooves is suppressed, as in the case of cooling and heating the entire melt shown in the case of FIG. 7, and as shown in FIG. W becomes smaller, and the possibility that the grid electrode formed on the surface is disconnected is reduced.
[0040]
Moreover, according to the liquid phase growth method of the present invention, even when a large amount of melt is used, it is not necessary to repeatedly heat and cool the entire melt, so that the growth can be completed in a short time and the production throughput can be reduced. improves. In addition, high-quality polycrystals can be mass-produced without wasting energy due to repeated heating and cooling.
[0041]
The following forms can be considered as modified examples of the above-described embodiment.
[0042]
FIGS. 3A and 3B show the structure of another liquid phase growth apparatus suitable for carrying out the liquid phase growth method of the present invention, wherein FIG. 3A is a schematic view of a side sectional structure, and FIG. It is.
[0043]
In this liquid-phase growth apparatus, heaters 402a and 402b divided into two parts in the circumferential direction are provided as heating means capable of forming a temperature distribution of the melt 401 around the central axis of the crucible 400. These heaters 402a and 402b are provided to face the side of the crucible 400, and can be controlled independently. Further, the substrate 403 is configured such that two rows holding a plurality of substrates are arranged at predetermined intervals in the vertical direction and supported by a support rack (not shown). Further, with the rotation of the support frame, each substrate can alternately pass through a position 403a near the heater 402a and a position 403b near the heater 402b. Further, by controlling the heater 402b independently of the heater 402a, the temperature of the melt at the position 403b can be set lower than the temperature of the melt at the position 403a.
[0044]
Even if this apparatus is used, the same liquid phase growth method as that for moving the substrate in the vertical direction can be realized.
[0045]
Further, for example, in the above-described embodiment, the substrate is moved between a low-temperature region and a high-temperature region in the same crucible, but the melt is held in a plurality of crucibles and the temperature of each melt is reduced. You may make it different.
[0046]
Instead of providing a temperature distribution as described above, the substrate may be moved between regions having different densities even at a constant temperature. In this case, the melt is in contact with the polycrystalline surface (more strictly, the polycrystalline substrate surface in the first step and the polycrystalline surface formed immediately before in the other steps) in the first step and the second step. In this case, the content of the crystal raw material per unit volume is different. Examples of a method for providing a concentration distribution include a method using a plurality of crucibles and a method using a specific gravity difference between a solute and a solvent.
[0047]
Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the positional relationship between the melt and the substrate is relatively changed. Therefore, instead of moving the substrate as described above, the crucible may be moved. In order to simplify the moving mechanism, a mode in which the substrate is moved is more preferable.
[0048]
【Example】
[Example 1]
Metal-grade silicon having a purity of 98.5% was melted and gradually cooled in a vacuum melting furnace to form a polycrystalline silicon ingot. This was sliced, molded into a polycrystalline silicon wafer having a side of 5 inches, and the surface was etched with a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid to remove the surface roughness accompanying the slicing.
[0049]
This polycrystalline silicon consisted of amorphous crystal grains having a diameter of about several mm to 1 cm. The specific resistance was about 0.05 Ωcm, and the conductivity type was p-type.
[0050]
Using the liquid phase growth apparatus shown in FIG. 1, indium was charged into crucible 300, and the temperature was set to 950 ° C. in a hydrogen atmosphere. A solar cell grade polycrystalline silicon wafer was set on a substrate up / down mechanism (not shown) and immersed in indium while maintaining a hydrogen atmosphere to form a melt 301 saturated with silicon.
[0051]
Next, the polycrystalline silicon wafer was removed from the substrate up-down mechanism, and five substrates 303 made of metal-grade silicon were set, and then cooling of the melt was started. When Ta = Tb = Th = 950 ° C. (t = t0), the substrate 303 was immersed in the melt and held at the position of 303a. When Ta = 900 ° C. (ΔTc = −50 ° C., t = t1), the substrate 303 was slowly moved to the position of 303b. At the end of the transfer, Tb was 915 ° C. (ΔTh = 15 ° C.). Then, the substrate 303 was slowly moved to the position 303a. At the end of the movement, Ta = 865 ° C. (ΔTc = −50 ° C.).
[0052]
Similarly, the substrate 303 is repeatedly moved up and down so that ΔTh = 15 ° C. and ΔTc = −50 ° C. in FIG. 4. Finally, the substrate 303 is held at the position 303b, and when Tb = 800 ° C. (t = tf) The substrate 303 was pulled out of the melt. That is, the temperature of the melt near the substrate changed according to the profile of the thick line in FIG. It took 70 minutes during this time. When this temperature profile is followed, the thickness at which the polycrystal melts back is considered to be 30% of the grown thickness.
[0053]
Next, a phosphorus diffusing agent (OCD) was applied to the surface of the polycrystalline silicon, and phosphorus was diffused at a temperature of 900 ° C. for 30 minutes. As a result, phosphorus diffuses from the surface of the polycrystalline silicon to a depth of about 0.2 μm, and n + Layer 104 was formed. After removing the diffusing agent, a pattern of the grid electrode 106 was printed on the surface using a silver paste. The grid electrode 106 was adjusted to have a width of 150 μm and a thickness of about 20 μm. Titanium oxide was deposited thereon by sputtering to a thickness of about 550 angstroms to form a solar cell as an anti-reflection film (not shown).
[0054]
When the solar cell was measured by a solar simulator of AM1.5, a conversion efficiency of 15.0% was obtained. Further, when observed with a microscope, no disconnection of the grid electrode 106 was found on the groove 105. Furthermore, when this solar cell was cut and its cross section was observed with a metallographic microscope, a polycrystalline silicon film having an average thickness of 50 μm was grown on the surface of the substrate 303. Grooves were formed along the grain boundaries in the polycrystalline silicon film, and the depth was 10 μm on average. That is, G1 / W = 20% in the definition of FIG.
[0055]
Also, except that ΔTh = 2.5 ° C. and ΔTc = −50 ° C., liquid phase growth was performed in the same procedure as above, and a solar cell having a similar shape was produced. When this temperature profile is followed, the thickness at which the polycrystal melts back is considered to be 5% of the grown thickness.
[0056]
With this solar cell, a conversion efficiency of 14.5% was obtained. According to microscopic observation, the thickness of the polycrystalline growth layer was about 50 μm, the depth of the groove was about 20 μm, and G1 / W = 40% as defined in FIG. Furthermore, when the shape of the grid electrode of this solar cell was observed with a metallurgical microscope, disconnections were observed in some places. The reason that the conversion efficiency was slightly lower than that of the solar cell with ΔTh = 15 ° C. and ΔTc = −50 ° C. is presumably due to the disconnection of the grid electrode 206 caused by the slightly deep groove.
[0057]
(Reference example)
For comparison, on the polycrystalline silicon substrate made of the same metal-grade silicon as used in Example 1, ΔTh and ΔTc were changed by adjusting the control parameters of the heater divided into two for heating the melt. Polycrystalline silicon was grown in the same manner except for the above.
[0058]
After melting the polycrystalline silicon wafer into indium at a temperature of 950 ° C. in the same manner as in Example 1, the cooling of the melt was started, and when the temperature of the melt reached 940 ° C., the metal-grade silicon substrate 303 was removed. It was immersed and cooled monotonously, that is, ΔTc = 0 ° C., and the temperature was raised when the melt reached a temperature of 800 ° C. During this time, 70 minutes were required.
[0059]
As in Example 1, polycrystalline silicon having a thickness of about 50 μm was grown on the substrate. Then, as in the first embodiment, n + A layer 104 and an antireflection film (not shown) were formed.
[0060]
The conversion efficiency of this solar cell was 11.5%. When the solar cell was observed with a microscope, the grid electrode 206 was broken everywhere on the groove as shown in FIG. 6, but the average depth of the groove was 30 μm, and G2 / W = 80% in FIG. Had become. The reason that the solar cell of this comparative example is lower in efficiency than the solar cell of Example 1 is because the liquid crystal growth method of the present invention was not used, so that a deep groove was generated, the grid electrode was disconnected, and the current generated by light incidence was low. It turned out to be due to inefficient collection.
[0061]
Similarly, polycrystalline silicon was grown at ΔTc = −50 ° C. and ΔTh = 2 ° C. When this temperature profile is followed, the thickness at which the polycrystal melts back is considered to be 4% of the grown thickness. G2 / W = 60% when the groove depth was 30 μm, and the conversion efficiency of the solar cell thus produced was 12.3%.
[0062]
Similarly, polycrystalline silicon was grown at ΔTc = −50 ° C. and ΔTh = 20 ° C. When this temperature profile is followed, the thickness at which the polycrystal melts back is considered to be 40% of the grown thickness. Although the groove depth was improved to G2 / W = 14% at 7 μm, the conversion efficiency of the manufactured solar cell was rather reduced to 13.7%. When the surface of the other crystal was observed again, an inverted pyramid-shaped depression was partially observed, and it was found that the characteristics were impaired. It is presumed that this dent had a large melt-back amount, and thus a large melt-back occurred locally around a small defect on the polycrystalline surface.
[0063]
From the above experiment, it was found that the thickness of the polycrystal to be melted back is appropriately in the range of 5 to 30% of the grown thickness.
[0064]
(Comparative example)
Polycrystalline silicon was grown on a polycrystalline silicon substrate made of the same metal-grade silicon used in Example 1 using the same liquid phase growth apparatus used in Example 1. However, in this comparative example, an attempt was made to control the heater and control the temperature of the entire melt in accordance with the change in the thick line in FIG.
[0065]
However, the melt has a weight of 10 kg, and even when heating the melt in the course of cooling or cooling the melt in the middle of heating, the temperature of the melt does not rapidly follow, so the capacity of the heater is increased, In order to perform cooling, a device such as flowing hydrogen gas for cooling around the crucible was devised. However, in order to change the temperature from 940 ° C. to 800 ° C. while applying ΔTh = 20 ° C. and ΔTc = −60 ° C. It took a minute.
[0066]
In the solar cell using polycrystalline silicon prepared in this comparative example, no disconnection of the grid electrode was observed, and the conversion efficiency was 14.8%, which was almost equivalent to that of Example 1. However, according to the results of this comparative example, when a large amount of melt is used, it takes time to control the temperature of the entire melt and apply ΔTh and ΔTc, and it is more difficult than in Example 1 in terms of production efficiency. It was confirmed that it was inferior.
[0067]
[Example 2]
In this embodiment, an example using the liquid phase growth apparatus shown in FIG. 3 which is optimal for growing a larger amount of substrates per batch will be described.
[0068]
After melting and slowly cooling metal grade silicon having a purity of 98.5% as a substrate in a vacuum melting furnace, then pouring into a carbon mold and slowly cooling to directly form a polycrystalline silicon substrate having a side of 5 inches. Then, the surface is etched with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid to remove the surface roughened in contact with the mold. This polycrystalline silicon consisted of amorphous crystal grains having a diameter of about several mm to 1 cm. The specific resistance was about 0.05 Ωcm, and the conductivity type was p-type.
[0069]
In this liquid-phase growth apparatus, heaters 402a and 402b divided into two parts in the circumferential direction are provided as heating means capable of forming a temperature distribution of the melt 401 around the central axis of the crucible 400. These heaters 402a and 402b are provided to face the side of the crucible 400, and can be controlled independently. In addition, a large number of substrates 403 are arranged such that two rows holding 50 substrates at predetermined intervals in the vertical direction are arranged, and a total of 100 substrates 403 are supported by a support frame (not shown). Further, with the rotation of the support frame, each substrate can alternately pass through a position 403a near the heater 402a and a position 403b near the heater 402b. Further, by controlling the heater 402b independently of the heater 402a, the temperature of the melt at the position 403b can be set lower than the temperature of the melt at the position 403a.
[0070]
Indium was charged into crucible 400, and the entire melt was heated to 950 ° C. in a hydrogen atmosphere. A solar cell grade polycrystalline silicon nugget was set in a quartz glass dedicated holder (not shown) and immersed in indium to form a melt 401 saturated with silicon.
[0071]
Next, a substrate 403 formed using metal-grade silicon was set on a support frame (not shown). Then, cooling of the melt was started so that the temperature of the melt near the heater 402a was Ta in FIG. 5 and the temperature of the melt near the heater 402b was Tb in FIG. When Ta = Tb = Th = 940 ° C. (t = t0), the substrate 403 was immersed in the melt. When Ta = 900 ° C. (t = t1), the support was slowly rotated by 180 degrees. The substrate which was initially at the position 403a was moved to the position 403b, and the temperature of the substrate reached 920 ° C. On the other hand, the temperature of the substrate at the position of 403b was changed from about 930 ° C. to about 900 ° C. Hereinafter, at times t = t2, t = t3,..., The support rack was slowly rotated by 180 degrees.
[0072]
As a result, the temperature of the substrate in the row at the initial position 403a changed according to the thick solid line in FIG. The temperature of the substrate in the row that was initially at the position 403b changed according to the thick dotted line in FIG. It took 70 minutes from t = t0 to t = tf. The liquid phase growth apparatus of this embodiment weighs about 200 kg, which is about 20 times that of the liquid phase growth apparatus of Example 1. However, since the amount of the melt is large, there is no difficulty in controlling the temperature. The effects of the invention have been demonstrated.
[0073]
Hereinafter, a solar cell was prepared in the same procedure as in Example 1. The conversion efficiency was 14.7% on average. According to microscopic observation of the cross section, G1 / W = 25% on average. The reason why the conversion efficiency was slightly lower and G1 / W was larger than in the case of Example 1 is presumably because silicon was insufficiently diffused between the region where the melt temperature was high and the region where the melt temperature was low.
[0074]
[Example 3]
In this embodiment, a method for further improving the result of the second embodiment will be described. In this embodiment, a liquid phase growth apparatus similar to the liquid phase growth apparatus of FIG. 3 is used, but the crucible can be rotated slowly around its central axis.
[0075]
As the substrate, a substrate manufactured by the same method as in Example 2 was used. As in the second embodiment, the melt temperature near the heater 402a in FIG. 3 and the melt temperature near the heater 402b were controlled to change according to Ta and Tb in FIG. Further, from t0 to tf, the support frame of the substrate was rotated at the same timing as in the comparative example. Meanwhile, the crucible was rotated once every 5 minutes. Using the grown polycrystal, a solar cell was produced in the same manner as in Example 2.
[0076]
The conversion efficiency was 15.2% on average. According to microscopic observation of the cross section, G1 / W = 18% on average. The reason why the conversion efficiency was higher and G1 / W was smaller than in the case of Example 2 is that the silicon melted back from the substrate in the high temperature region was transported to the low temperature region because the crucible rotated slowly, Concentration of silicon increased, and the precipitation of silicon on the substrate became active.On the other hand, in the high temperature region, the concentration of silicon in the melt decreased, and the melt back of silicon from the substrate became active. It appears to be.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when a polycrystal is grown on a polycrystal substrate by the liquid phase growth method, the groove generated in the polycrystal does not become deeper than the thickness of the polycrystal, so Disconnection of the grid, which tends to occur when a solar cell is manufactured using crystals, can be prevented. In particular, even when a large amount of melt is used, it can be easily applied without lowering the throughput, so that it is suitable for mass production of solar cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a structure of a liquid phase growth apparatus suitable for carrying out a liquid phase growth method of the present invention, wherein (a) is a schematic diagram of a side sectional structure, and (b) is a plan view thereof. .
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a cross-sectional state of a solar cell grown on a polycrystalline silicon substrate by the liquid phase growth method of the present invention.
FIGS. 3A and 3B show the structure of another liquid phase growth apparatus suitable for carrying out the liquid phase growth method of the present invention, wherein FIG. 3A is a schematic view of a side sectional structure, and FIG. It is.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a cooling profile of a melt in the liquid phase growth method of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing another example of a cooling profile of a melt in the liquid phase growth method of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a cross-sectional state of a solar cell in which a grid electrode has been broken because it has been grown on a polycrystalline silicon substrate by a conventional liquid phase growth method.
FIG. 7 is an explanatory view showing an example of a cooling profile of a melt recommended for suppressing a polycrystalline groove in liquid phase growth.
[Explanation of symbols]
100 polycrystalline substrate
101 Substrate grain boundary
102 Polycrystalline growth layer
103 Grain boundary of polycrystalline growth layer
104 n + layer
105 grooves
106 grid electrode
300 crucible
301 Melt
302a first heater
302b Second heater
303a Substrate in first position
303b Substrate in second position
303 substrate
400 crucible
401 Melt
402a first heater
402b Second heater
403a Substrate in first position
303b Substrate in second position
403a substrate
403b substrate

Claims (16)

結晶原料を溶かし込んだ坩堝内のメルトに多結晶基板を浸漬し、その基板上に多結晶を成長させる液相成長方法であって、
所定の厚さの多結晶を成長させる第1の工程と、
第1の工程で成長させた多結晶の一部をメルト中に溶融させる第2の工程とを有し、
第1の工程と第2の工程とで基板とメルトの相対位置を変え、異なる温度のメルトを多結晶表面に接触させることを特徴とする液相成長方法。
A liquid phase growth method in which a polycrystalline substrate is immersed in a melt in a crucible in which a crystal raw material is melted, and a polycrystal is grown on the substrate.
A first step of growing a polycrystal of a predetermined thickness;
A second step of melting a part of the polycrystal grown in the first step in a melt,
A liquid phase growth method, wherein the relative positions of a substrate and a melt are changed between a first step and a second step, and melts having different temperatures are brought into contact with a polycrystalline surface.
第1の工程と第2の工程とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の液相成長方法。The liquid phase growth method according to claim 1, wherein the first step and the second step are alternately repeated a plurality of times. 第2の工程で、第1の工程で成長させた多結晶を、前記所定の厚さに対して5%以上30%以下の領域をメルト中に溶融させることを特徴とする請求項1または2に記載の液相成長方法。3. The method according to claim 1, wherein in the second step, the polycrystal grown in the first step is melted in a melt in a region of 5% or more and 30% or less with respect to the predetermined thickness. 3. The liquid phase growth method described in 1. above. 一回の第1の工程で成長させる多結晶の厚さは1〜20μmであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の液相成長方法。4. The liquid phase growth method according to claim 1, wherein the thickness of the polycrystal grown in one first step is 1 to 20 [mu] m. 第1の工程において前記基板を相対的に温度の高い領域のメルトに接触させ、第2の工程において前記基板を相対的に温度の低い領域のメルトに接触させて、
さらにメルトの各領域の温度を下げていくことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の液相成長方法。
Contacting the substrate with the melt in a relatively high temperature region in a first step, and contacting the substrate with the melt in a relatively low temperature region in a second step;
5. The liquid phase growth method according to claim 1, wherein the temperature of each region of the melt is further reduced.
第1の工程と第2の工程とを同一の坩堝内で行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の液相成長方法。6. The liquid phase growth method according to claim 1, wherein the first step and the second step are performed in the same crucible. 第1の工程と第2の工程は、基板を坩堝内で上下に往復運動させることにより、前記基板を相対的に温度の高い領域のメルトと相対的に低い領域のメルトに交互に接触させることを特徴とする請求項5または6のいずれかに記載の液相成長方法。In the first step and the second step, the substrate is alternately brought into contact with a melt in a relatively high temperature region and a melt in a relatively low temperature region by reciprocating the substrate up and down in a crucible. The liquid phase growth method according to claim 5, wherein: 第1の工程と第2の工程は、基板を坩堝の中心軸から外れた位置に配置し、該中心軸の周りに回転運動させることにより、前記基板を相対的に温度の高い領域のメルトと相対的に低い領域のメルトに交互に接触させることを特徴とする請求項5または6のいずれかに記載の液相成長方法。In the first step and the second step, the substrate is disposed at a position deviated from the central axis of the crucible, and is rotated around the central axis, so that the substrate is melted in a region having a relatively high temperature. 7. The liquid phase growth method according to claim 5, wherein the melt is alternately brought into contact with the melt in a relatively low region. 第1の工程と第2の工程とを異なる坩堝内で行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の液相成長方法。6. The liquid phase growth method according to claim 1, wherein the first step and the second step are performed in different crucibles. 第1の工程と第2の工程とで、多結晶表面に接するメルト中における単位体積当たりの結晶原料の含有量が異なることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の液相成長方法。10. The liquid phase growth according to claim 1, wherein the content of the crystal raw material per unit volume in the melt in contact with the polycrystalline surface differs between the first step and the second step. Method. 少なくとも、結晶原料を溶解させるメルトと、
該メルトを収容する坩堝と、
メルトに温度分布を形成しうる加熱手段と、
基板を保持する支持架と、
メルトの温度の相対的に高い領域と相対的に低い領域との間で、基板とメルトとの相対位置を変化させる支持架駆動手段と、
を備えていることを特徴とする液相成長装置。
At least a melt for dissolving the crystal raw material,
A crucible containing the melt,
Heating means capable of forming a temperature distribution in the melt;
A support frame for holding the substrate,
Support frame driving means for changing the relative position between the substrate and the melt between a relatively high temperature region and a relatively low temperature region of the melt,
A liquid phase growth apparatus comprising:
前記メルトの温度分布を形成しうる加熱手段が、上下に分割され独立制御可能なヒーターであることを特徴とする請求項11に記載の液相成長装置。The liquid phase growth apparatus according to claim 11, wherein the heating means capable of forming the temperature distribution of the melt is a vertically divided heater which can be controlled independently. 基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、基板を上下する手段であることを特徴とする請求項11または12のいずれかに記載の液相成長装置。13. The liquid phase growth apparatus according to claim 11, wherein the means for changing the relative position between the substrate and the melt is means for moving the substrate up and down. 前記メルトの温度分布を形成しうる加熱手段が、周方向に分割され独立制御可能なヒーターであることを特徴とする請求項11に記載の液相成長装置。The liquid phase growth apparatus according to claim 11, wherein the heating means capable of forming the temperature distribution of the melt is a heater which is divided in a circumferential direction and can be controlled independently. 基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、基板を該中心軸の周りに回転させる手段であることを特徴とする請求項11または14のいずれかに記載の液相成長装置。15. The liquid phase growth apparatus according to claim 11, wherein the means for changing the relative position between the substrate and the melt is a means for rotating the substrate around the central axis. 基板とメルトとの相対位置を変化させる手段が、坩堝を回転させる手段を含むことを特徴とする請求項11、14または15のいずれかに記載の液相成長装置。16. The liquid phase growth apparatus according to claim 11, wherein the means for changing the relative position between the substrate and the melt includes means for rotating a crucible.
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