JP2004043253A

JP2004043253A - Method for manufacturing granular silicon

Info

Publication number: JP2004043253A
Application number: JP2002204680A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Tanabe; 田辺　英義; Nobuyuki Kitahara; 北原　暢之; Toshio Suzuki; 鈴木　俊夫; Mamoru Shimomura; 下村　守; Hisao Arimune; 有宗　久雄
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP4051234B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent particles from bonding to each other even if the particles contact each other at a high temperature in manufacturing granular silicon, to drastically reduce the formation of the large particles, and to manufacture the high-quality granular silicon at a low cost simultaneously with stable preparation thereof. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the granular silicon comprises preparing the granular silicon by discharging and dropping a silicon melt 4 dropwise from a nozzle section 3 of a crucible 1 and cooling the silicon melt 4 to solidify during dropping, in which the silicon melt 4 is cooled to solidify in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒状シリコンの製造方法に関し、特に光電変換装置に用いる粒状シリコンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池の開発では、性能面での効率、資源の有限性、あるいは製造コストなどといった市場ニーズを捉えて開発がされている。その有望な太陽電池の一つとして、粒状シリコンを用いた光電変換素子が活発に開発されている。
【０００３】
現在、粒状シリコンを作製するための原料は、単結晶シリコン材料を粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や流動床法によって気相合成された高純度シリコンを用いている。それら原料のサイズあるいは重量による分別を行った後に、赤外線や高周波コイルを用いて原料を容器内で溶融し、その後に自由落下させることで球状化させる方法（例えばＷＯ９９／２２０４８号公報、米国特許第４１８８１７７号公報等を参照）や、同じく高周波プラズマ加熱溶融（特開平５−７８１１５号）により球状化させる方法が用いられている。また、米国特許第４１８８１７７号では、落下により作製される球のうち、ティアー状の粒子はそれを構成する結晶粒子が３〜５個程度以下の結晶粒で構成された高い結晶性をもつとされている。
【０００４】
しかしながら、これらの方法では原料の重量の均一化や不純物量の制御といった点から問題があった。すなわち、重量のバラツキは、作られる球の大きさにそのまま反映されるため、均一な重量の原料が望まれる。従って、太陽電池に用いる粒状シリコンとして有効な大きさに対応する重量の原料を粉砕や分級などの手法で効率よく得ることはシリコンなどの金属材料では困難である。
【０００５】
また、そのように粉砕や分級された原料に半導体材料として一定の不純物を添加するには、初めから原料中に混入させたり、後から添加することが必要である。従って、その原料を作製する段階で例えば単結晶作製時に不純物を添加する方法や、粉砕後に気相中で不純物を添加して拡散する方法などが用いられる。しかし、粉砕をする工程においては、粉砕メディアからの汚染が生じることから工程が複雑になり、高価な設備を用るためにコスト増加が避けられない。
【０００６】
この問題を解決する方法として、一定の純度となるように添加する微量不純物を予め主原料と調合して坩堝の中で一旦溶融し、それを排出させると同時に粒子化する方法が取られている（米国特許第６０７４４７６号参照）。しかしながら、製造されるシリコン粒子は１ｍｍを超える大きさの粒子であり、その後の熱処理によって粒子を一つずつ時間をかけて作製しているため、その生産性は極めて低いものである。すなわち、多数個のシリコン粒子を必要とする太陽電池を形成するための粒子の作製工程としては不向きなものである。
【０００７】
本発明では、太陽電池向けに用いる粒状シリコンを製造する場合に、その粒状シリコン結晶を安定して高効率に作製すると同時に、高い結晶性をもった粒状シリコンを低コストで製造可能とする粒状シリコンの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る粒状シリコンの製造方法では、坩堝のノズル部からシリコン融液を滴状に排出して落下させるとともに、このシリコン融液を落下中に冷却固化させて粒状シリコンを作製する粒状シリコンの製造方法において、前記シリコン融液を酸素及び窒素を含む雰囲気中で冷却固化させることを特徴とする。
【０００９】
また、上記粒状シリコンの製造方法では、前記雰囲気がアルゴンであることが望ましい。
【００１０】
上記粒状シリコンの製造方法では、前記雰囲気中の酸素分圧が０．２％以上２０％以下で、窒素分圧が０．８％以上４０％以下であることが望ましい。
【００１１】
また、上記粒状シリコンの製造方法では、前記粒状シリコン中の酸素濃度が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、窒素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下であることが望ましい。
【００１２】
坩堝中でシリコン融液を形成した後、融液状態のシリコンを微小重力状態下で自由落下させた場合、ある程度落下したところで結晶表面から熱が奪われて冷却されて固化が始まる。その際には、自由落下中のシリコン融液の液滴同士が接触して結合して大粒子化してしまうことを避ける必要がある。通常、アルゴンのような不活性ガスのみの雰囲気中でシリコン融液の落下を行った場合、液滴の粒子同士が高温で接触すると粒子同士が結合して合体して大粒子化してしまうという大きな問題があった。
【００１３】
一方、同じ液滴下中であっても酸素及び窒素を含むアルゴンガス雰囲気であれば、たとえ高温で粒子同士が接触しても結合したり合体したりせず大粒子化することを回避することができる。これはアルゴンガス雰囲気中の酸素及び窒素が落下中のシリコン融液の冷却・固化の際に酸窒化膜がシリコン結晶表面に形成され、その被覆効果によって粒子同士が接触しても結合したり合体したりせず大粒子化するのを防ぐことができるためである。
【００１４】
以上より、太陽電池向けに用いる粒状シリコンの炭素不純物汚染を低減化できて高品質化できるため、太陽電池に効率的なシリコン材料を利用できると同時にその高効率化と信頼性向上を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る粒状シリコンの製造方法に用いる坩堝を示す図であり、１は全体として坩堝、２は本体部材、３はノズル部材である。
【００１６】
坩堝１は、円筒状の本体部材２とこの本体部材２の底部に取り付けられる円盤状のノズル部材３とで構成される。
【００１７】
坩堝１の本体部材２は、例えばシリコンとの反応を抑えるための内壁部材２ａとこの内壁部材２ａの外側に配設される外壁部材２ｂとから構成される。この外壁部材２ｂは、強度を確保するために設ける。この内壁部材２ａと外壁部材２ｂは、鋳込み成形法やホットプレス法などで緻密化された焼結体で構成されている。シリコンとの反応を抑えるには、石英ガラス、酸化アルミニウム、炭化珪素、グラファイトなどが適するが、加工のしやすさの点ではホットプレスで焼結したグラファイトなどが適する。グラファイトで形成する場合、加工した後にその純度を上げるために、酸による洗浄を行なった後、水洗と乾燥を行なって使用する。
【００１８】
また、坩堝１の先端側にはノズル孔３ａを有するノズル部材３が設けられている。つまり、金属融液を排出するためのノズル孔３ａを有するノズル部材３を坩堝１の外壁部材２ｂとは別体に設け、このノズル部材３を坩堝１の本体部材２の内側に配設したものである。このノズル部材３は、炭化珪素、ダイヤモンド、酸化アルミニウム、単結晶サファイア、立方晶窒化ボロンなどからなる。この各材料は単結晶あるいは多結晶体が用いられる。
【００１９】
このノズル部材３に設けられるノズル孔３ａは複数設けてもよい。ノズル孔３ａを複数設けることで生産性の向上が図れるため、製造上のメリットは大きい。ノズル孔３ａは機械加工、レーザー加工、あるいは超音波加工などで形成される。
【００２０】
上述のように坩堝１の本体部材２とノズル部材３とを別部材で形成して、それを組立てることができる構造にすることで、ノズル部材３のみを差し替えることが可能となり、坩堝１の高価な本体部材２を繰り返して使用することができる。
【００２１】
このような坩堝１にシリコン原料を投入して、誘導加熱または抵抗加熱ヒータ（不図示）でシリコン原料全体を溶融させる。溶融したシリコン融液４の上部をアルゴンガスなどで例えば０．１ＭＰａ以上に加圧してノズル部材３のノズル孔３ａから押し出すことにより、シリコン融液４を噴霧して多数の滴状にする。多数の滴状に噴出したシリコン融液４は自由落下する。
【００２２】
酸素及び窒素を含むアルゴン雰囲気ガスで満たされた管状体５を落下するシリコン融液は落下中に冷却・固化して粒状シリコンとなって管状体５の下部に設置された容器（不図示）に収容される。この管状体５は、石英管、アルミナ管、あるいはステンレス管などで形成されることが望ましい。また、気密に保たれるものであることが望ましい。
【００２３】
上記雰囲気は、その酸素分圧が０．２％以上２０％以下で、窒素分圧が０．８％以上４０％以下であることが望ましい。すなわち、雰囲気中の酸素分圧が０．２％以下で、窒素分圧が０．８％以下の場合、粒子同志の結合が発生しやすくなって望ましくない。窒素を酸素とともに導入すると酸窒化膜が形成され、酸窒化膜は酸化膜に比べて粒子が隣合っても粒子間の表面拡散が少ないため、より合体結合しにくくなる。また、雰囲気中の酸素分圧が２０％以上で、窒素分圧が４０％以上の場合、粒状シリコンの表面に亀裂が発生しやすくなって望ましくない。
【００２４】
管状体５内部のアルゴン不活性ガスと酸素及び窒素を含む雰囲気ガス中の酸素及び窒素の分圧は、アルゴン流量に対する酸素及び窒素の流量で調整することができる。管状体５中の圧力とガス濃度が調整可能な機構を持つものであればよい。また、管状体５内部の圧力を外気圧と同じになるように維持する。
【００２５】
このようにして得られるシリコン粒子６（図２参照）は、太陽電池を形成するために使用される。したがって、溶融させるシリコンには、例えばｐ型ドーパントであるホウ素などの所望の半導体用不純物を含有させておくことが望ましい。
【００２６】
また、形成される粒状シリコン中の酸素濃度は５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、窒素濃度は１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下であることが望ましい。粒状シリコン中の酸素濃度が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上で、窒素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上の場合、光電変換特性を示しにくくて望ましくない。
【００２７】
なお、粒状シリコン中の酸素濃度及び窒素濃度はＳＩＭＳ分析を用い、フッ酸および硝フッ酸のエッチングで酸窒化膜が除去された状態の粒状シリコンの最表面から１μｍよりも深い部分である一定濃度に落ち着いたところを測定する。
【００２８】
図２に得られた粒状シリコン６を用いて形成する光電変換装置を示す。まず、粒状シリコン６の表面に形成された酸窒化膜の除去をフッ酸および硝フッ酸でエッチングして行う。除去される酸窒化膜の膜厚は５μｍ以上である。次に、金属基板７の上に粒状シリコン６を配置する。次に、これを全体的に加熱して粒状シリコン６を金属基板７に接合層８を介して接合させる。粒状シリコン６の間に、金属基板７上に絶縁層９を形成する。これらの上側の全体にわたってアモルファスまたは多結晶のシリコン膜１０を成膜する。このとき、粒状シリコン６は第１導電形のｐ型またはｎ型であるので、シリコン膜１０は第２導電形ｎ型またはｐ型で成膜する。さらに、その上から透明導電膜１１を形成する。このようにして、金属基板７を一方の電極にし、シリコン膜１０上に銀ペースト等を塗布してもう一方の電極１２とする光電変換素子が得られる。
【００２９】
【実施例】
内径１９．０ｍｍφ、外径２５．０ｍｍφ、長さ１４３ｍｍの寸法に加工され、グラファイト（ポコ社グラファイトＤＦＰ−２）で構成され、ノズル孔３ａをレーザ加工したノズル部材３を有する坩堝をアルゴン不活性ガスと酸素及び窒素を含む雰囲気ガスで満たされた炉の中にセットして１４５０℃に全体の温度を設定した。坩堝上部の不活性雰囲気に保たれた経路を通じてシリコン原料２０ｇを供給して完全に溶融させた。この十分に溶融した状態の原料に０．１ＭＰａ以上のガス圧力をかけてノズル孔から一気に全量を噴霧して排出した。
【００３０】
噴霧した液滴は管状体の中を自由落下するが、管状体内の酸素及び窒素を含む雰囲気ガスによって粒状シリコンの表面に酸窒化膜が形成されるとともに、シリコン融液への冷却効果によって固化された粒状シリコンが作製された。管状体には石英管を用い、内部の圧力を外気圧と同じになるように維持した。アルゴン不活性ガスと酸素及び窒素を含む雰囲気ガス中の酸素及び窒素の分圧は、アルゴン流量に対する酸素及び窒素の流量で調整した。
【００３１】
【実施例１】
管状体内のアルゴン雰囲気ガス中の酸素及び窒素の分圧をそれぞれ２％、８％となるように酸素ガス及び窒素ガスの流量を調整して雰囲気の調整を行った。このガス雰囲気中で溶融したシリコン原料を噴霧して自由落下により冷却・固化して粒状シリコンを作製した。回収した粒状シリコンは個々の粒子が独立している単分散粒子であった。
【００３２】
【比較例１】
実施例１で酸素ガス及び窒素ガスを停止した状態、つまりアルゴンガスのみの雰囲気中でシリコン融液の噴霧を行なって落下中に固化した粒子を回収した。回収した粒状シリコンは個々の粒子が結合して合体している凝集体が多く含まれていた。
【００３３】
【実施例２、比較例２】
表１に示すように、アルゴン雰囲気中に含まれる酸素及び窒素の分圧を段階的に変化させた雰囲気でシリコン融液を噴霧して落下中に冷却固化させた。
【００３４】
【表１】

【００３５】
結果、アルゴンガスのみの雰囲気中では粒子同志の結合が３０％程度という高い割合で発生していた。また、酸素及び窒素の各分圧がそれぞれ２０％、４０％を超えた場合、結合はなかったが粒状シリコンの表面に亀裂が発生して形状が崩れてしまった。
【００３６】
【実施例３、比較例３】
実施例２で作製した各粒子から、フッ酸と硝酸の混酸で表面の酸窒化皮膜を除去するエッチングを行なった後、図２に示すような光電変換装置を作製し、所定の強度、所定の波長の光を照射して、太陽電池特性を測定し変換効率を計算した結果を表２に示した。
【００３７】
一方、変換効率の測定とは別にエッチングを行なった後のシリコン球についてＳＩＭＳで表面から酸素濃度及び窒素濃度の分析を行なった。その結果を表２に示す。ここでの分析値は最表面から１μｍよりも深い部分で酸素濃度及び窒素濃度の値が一定になった値を記した。
【００３８】
【表２】

【００３９】
結果、粒状シリコン中の酸素濃度が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ、窒素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃを超えるものは、光電変換特性を示さなかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る粒状シリコンの製造方法では、坩堝のノズル部からシリコン融液を滴状に排出して、その落下中に冷却・固化させる際の雰囲気に酸素及び窒素を存在させることで球同士の結合を防止することができ、粒子形状を制御すると共に均質化を容易に進めることが可能となり、粒状シリコンの高品質化が実現され、太陽電池に適した粒状シリコンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粒状シリコンの製造方法に用いる坩堝を示す図である。
【図２】本発明の粒状シリコンの製造方法で得られる粒状シリコンを用いて作製した光電変換装置を示す図である。
【符号の説明】
１　　坩堝
２　　本体部材
２ａ　内壁部材
２ｂ　外壁部材
３　　ノズル部材
３ａ　ノズル孔
４　　ガス導入口
５　　管状体
６　　粒状シリコン
７　　金属基板
８　　接合層
９　　絶縁層
１０　シリコン膜
１１　透明導電層
１２　電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing granular silicon, and more particularly, to a method for producing granular silicon used in a photoelectric conversion device.
[0002]
2. Description of the Related Art
Solar cells are being developed in response to market needs such as efficiency in terms of performance, limited resources, and manufacturing costs. As one of the promising solar cells, a photoelectric conversion element using granular silicon has been actively developed.
[0003]
At present, as raw materials for producing granular silicon, fine silicon particles generated as a result of pulverizing a single crystal silicon material and high-purity silicon synthesized by a gas phase by a fluidized bed method are used. After sorting the raw materials by size or weight, the raw materials are melted in a container using an infrared ray or a high-frequency coil, and then fall free to form a spheroid (for example, WO99 / 22048, US Pat. No. 4,188,177), and a method of spheroidizing by high-frequency plasma heating and melting (Japanese Patent Laid-Open No. 5-78115). In U.S. Pat. No. 4,188,177, among the spheres produced by dropping, the tiered particles are said to have high crystallinity in which about 3 to 5 crystal grains or less constitute crystal grains. ing.
[0004]
However, these methods have problems in terms of uniforming the weight of the raw material and controlling the amount of impurities. That is, since the variation in weight is directly reflected on the size of the sphere to be produced, a raw material having a uniform weight is desired. Therefore, it is difficult to efficiently obtain a raw material having a weight corresponding to a size effective as granular silicon used for a solar cell by a method such as pulverization or classification with a metal material such as silicon.
[0005]
Further, in order to add certain impurities as a semiconductor material to the raw material thus pulverized or classified, it is necessary to mix the raw material into the raw material from the beginning or to add it later. Therefore, a method of adding an impurity at the stage of producing the raw material, for example, at the time of producing a single crystal, a method of adding and diffusing an impurity in a gas phase after pulverization, and the like are used. However, in the pulverizing step, the contamination is caused by the pulverizing media, which complicates the step and inevitably increases the cost due to the use of expensive equipment.
[0006]
As a method of solving this problem, a method has been adopted in which a trace impurity to be added so as to have a certain purity is previously mixed with a main raw material, melted once in a crucible, discharged, and simultaneously granulated. (See U.S. Patent No. 6,074,476). However, the silicon particles to be manufactured are particles having a size exceeding 1 mm, and the productivity is extremely low because the particles are produced one by one over time by subsequent heat treatment. That is, it is not suitable as a process for producing particles for forming a solar cell that requires a large number of silicon particles.
[0007]
In the present invention, when manufacturing granular silicon used for a solar cell, the granular silicon crystal can be produced stably with high efficiency while producing granular silicon with high crystallinity at low cost. It is an object of the present invention to provide a method for producing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the method for producing granular silicon according to claim 1, the silicon melt is discharged from the nozzle portion of the crucible in a droplet form and dropped, and the silicon melt is cooled and solidified during falling. In the method for producing granular silicon, the silicon melt is cooled and solidified in an atmosphere containing oxygen and nitrogen.
[0009]
In the method for producing granular silicon, the atmosphere is desirably argon.
[0010]
In the method for producing granular silicon, it is preferable that the oxygen partial pressure in the atmosphere is 0.2% or more and 20% or less, and the nitrogen partial pressure is 0.8% or more and 40% or less.
[0011]
In the method of manufacturing granular silicon, it is preferable that the oxygen concentration in the granular silicon be 5 × 10 ¹⁸ atoms / cc or less and the nitrogen concentration be 1 × 10 ¹⁷ atoms / cc or less.
[0012]
After silicon melt is formed in a crucible and the silicon in the melt is allowed to fall freely under microgravity, heat is taken from the crystal surface when it falls to some extent, and the crystal is cooled and solidification starts. In this case, it is necessary to prevent the droplets of the silicon melt that are falling freely from coming into contact with each other and combining to form large particles. Usually, when the silicon melt is dropped in an atmosphere of only an inert gas such as argon, when the droplet particles come into contact with each other at a high temperature, the particles are combined and coalesced to form a large particle. There was a problem.
[0013]
On the other hand, even in the same droplet, if an argon gas atmosphere containing oxygen and nitrogen is used, even if the particles come into contact with each other at a high temperature, it is possible to avoid the particles from being combined or coalesced and becoming large. it can. This is because an oxynitride film is formed on the silicon crystal surface when cooling and solidifying the silicon melt in which oxygen and nitrogen in the argon gas atmosphere are falling. This is because it is possible to prevent the particles from becoming large without any dripping.
[0014]
From the above, it is possible to reduce the carbon impurity contamination of the granular silicon used for the solar cell and to improve the quality, so that it is possible to use an efficient silicon material for the solar cell and at the same time to improve the efficiency and improve the reliability. it can.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a view showing a crucible used in the method for producing granular silicon according to the present invention, wherein 1 is a crucible as a whole, 2 is a main body member, and 3 is a nozzle member.
[0016]
The crucible 1 includes a cylindrical main body member 2 and a disk-shaped nozzle member 3 attached to the bottom of the main body member 2.
[0017]
The main body member 2 of the crucible 1 is composed of, for example, an inner wall member 2a for suppressing a reaction with silicon and an outer wall member 2b disposed outside the inner wall member 2a. The outer wall member 2b is provided to ensure strength. The inner wall member 2a and the outer wall member 2b are formed of a sintered body that has been densified by a casting method, a hot pressing method, or the like. Quartz glass, aluminum oxide, silicon carbide, graphite and the like are suitable for suppressing the reaction with silicon, but graphite and the like sintered by hot pressing are suitable from the viewpoint of ease of processing. In the case of forming with graphite, in order to increase the purity after processing, washing with an acid is performed, followed by washing with water and drying.
[0018]
Further, a nozzle member 3 having a nozzle hole 3a is provided on the tip side of the crucible 1. That is, a nozzle member 3 having a nozzle hole 3a for discharging a metal melt is provided separately from the outer wall member 2b of the crucible 1, and the nozzle member 3 is disposed inside the main body member 2 of the crucible 1. It is. The nozzle member 3 is made of silicon carbide, diamond, aluminum oxide, single crystal sapphire, cubic boron nitride, or the like. As each of these materials, a single crystal or a polycrystal is used.
[0019]
The nozzle member 3 may have a plurality of nozzle holes 3a. Since the productivity can be improved by providing a plurality of nozzle holes 3a, there is a great advantage in manufacturing. The nozzle holes 3a are formed by machining, laser machining, ultrasonic machining, or the like.
[0020]
As described above, the main body member 2 and the nozzle member 3 of the crucible 1 are formed as separate members, and the structure is such that they can be assembled. Therefore, only the nozzle member 3 can be replaced, and the crucible 1 is expensive. The main body member 2 can be used repeatedly.
[0021]
A silicon raw material is put into such a crucible 1, and the whole silicon raw material is melted by an induction heating or a resistance heater (not shown). The upper portion of the melted silicon melt 4 is pressurized with, for example, 0.1 MPa or more with argon gas or the like, and is extruded from the nozzle hole 3 a of the nozzle member 3, so that the silicon melt 4 is sprayed into a large number of droplets. The silicon melt 4 ejected in a number of drops falls freely.
[0022]
The silicon melt that falls on the tubular body 5 filled with an argon atmosphere gas containing oxygen and nitrogen is cooled and solidified during the fall to become granular silicon and is placed in a container (not shown) installed below the tubular body 5. Will be accommodated. This tubular body 5 is desirably formed of a quartz tube, an alumina tube, a stainless steel tube, or the like. It is also desirable that the airtightness be maintained.
[0023]
It is desirable that the atmosphere has an oxygen partial pressure of 0.2% to 20% and a nitrogen partial pressure of 0.8% to 40%. That is, if the oxygen partial pressure in the atmosphere is 0.2% or less and the nitrogen partial pressure is 0.8% or less, the particles are likely to be bonded to each other, which is not desirable. When nitrogen is introduced together with oxygen, an oxynitride film is formed, and even if particles are adjacent to each other, the oxynitride film has less surface diffusion between particles than an oxide film, and thus is less likely to be united and bonded. Further, when the oxygen partial pressure in the atmosphere is 20% or more and the nitrogen partial pressure is 40% or more, cracks are easily generated on the surface of the granular silicon, which is not desirable.
[0024]
The partial pressure of oxygen and nitrogen in the argon inert gas and the atmosphere gas containing oxygen and nitrogen inside the tubular body 5 can be adjusted by the flow rates of oxygen and nitrogen with respect to the flow rate of argon. What is necessary is just to have a mechanism which can adjust the pressure and gas concentration in the tubular body 5. Further, the pressure inside the tubular body 5 is maintained to be equal to the outside air pressure.
[0025]
The silicon particles 6 thus obtained (see FIG. 2) are used to form a solar cell. Therefore, it is desirable that the silicon to be melted contain a desired semiconductor impurity such as boron which is a p-type dopant.
[0026]
Further, the oxygen concentration in the formed granular silicon is desirably 5 × 10 ¹⁸ atoms / cc or less, and the nitrogen concentration is desirably 1 × 10 ¹⁷ atoms / cc or less. When the oxygen concentration in the granular silicon is 5 × 10 ¹⁸ atoms / cc or more and the nitrogen concentration is 1 × 10 ¹⁷ atoms / cc or more, the photoelectric conversion characteristics are hardly exhibited, which is not desirable.
[0027]
Note that the oxygen concentration and the nitrogen concentration in the granular silicon are determined by SIMS analysis, and are constant concentrations that are deeper than 1 μm from the outermost surface of the granular silicon from which the oxynitride film has been removed by etching with hydrofluoric acid and nitric hydrofluoric acid. Measure where you settle down.
[0028]
FIG. 2 shows a photoelectric conversion device formed using the obtained granular silicon 6. First, the oxynitride film formed on the surface of the granular silicon 6 is removed by etching with hydrofluoric acid and nitric hydrofluoric acid. The thickness of the oxynitride film to be removed is 5 μm or more. Next, the granular silicon 6 is arranged on the metal substrate 7. Next, the whole is heated to bond the granular silicon 6 to the metal substrate 7 via the bonding layer 8. An insulating layer 9 is formed on the metal substrate 7 between the granular silicon 6. An amorphous or polycrystalline silicon film 10 is formed over the entire upper side. At this time, since the granular silicon 6 is of the first conductivity type of p-type or n-type, the silicon film 10 is formed of the second conductivity type of n-type or p-type. Further, a transparent conductive film 11 is formed thereon. In this manner, a photoelectric conversion element in which the metal substrate 7 is used as one electrode and the silver paste or the like is applied on the silicon film 10 to be the other electrode 12 is obtained.
[0029]
【Example】
A crucible having a nozzle member 3 which is processed into dimensions of 19.0 mm in inner diameter, 25.0 mm in outer diameter, and 143 mm in length, is made of graphite (POCO Graphite DFP-2), and has the nozzle hole 3a laser-processed is argon inert. The temperature was set to 1450 ° C. in a furnace filled with a gas and an atmosphere gas containing oxygen and nitrogen. 20 g of a silicon raw material was supplied through a path maintained in an inert atmosphere above the crucible and completely melted. A gas pressure of 0.1 MPa or more was applied to the sufficiently melted raw material, and the entire amount was sprayed and discharged from the nozzle hole at a stretch.
[0030]
The sprayed droplets fall freely in the tubular body, but an oxynitride film is formed on the surface of the granular silicon by the atmospheric gas containing oxygen and nitrogen in the tubular body, and is solidified by a cooling effect on the silicon melt. Granular silicon was produced. A quartz tube was used for the tubular body, and the internal pressure was maintained at the same level as the external pressure. The partial pressure of oxygen and nitrogen in the atmosphere gas containing argon inert gas and oxygen and nitrogen was adjusted by the flow rate of oxygen and nitrogen with respect to the flow rate of argon.
[0031]
Embodiment 1
The atmosphere was adjusted by adjusting the flow rates of the oxygen gas and the nitrogen gas so that the partial pressures of oxygen and nitrogen in the argon atmosphere gas in the tubular body became 2% and 8%, respectively. The silicon material melted in this gas atmosphere was sprayed, cooled and solidified by free fall to produce granular silicon. The recovered granular silicon was monodisperse particles in which individual particles were independent.
[0032]
[Comparative Example 1]
In Example 1, the silicon melt was sprayed in a state where the oxygen gas and the nitrogen gas were stopped, that is, in an atmosphere containing only an argon gas, and particles solidified during the fall were collected. The recovered granular silicon contained many aggregates in which individual particles were combined and united.
[0033]
Example 2, Comparative Example 2
As shown in Table 1, the silicon melt was sprayed in an atmosphere in which the partial pressures of oxygen and nitrogen contained in the argon atmosphere were changed stepwise, and cooled and solidified during the fall.
[0034]
[Table 1]

[0035]
As a result, in an atmosphere containing only argon gas, the bonding between particles occurred at a high rate of about 30%. When the partial pressures of oxygen and nitrogen exceeded 20% and 40%, respectively, there was no bonding, but cracks occurred on the surface of the granular silicon and the shape was broken.
[0036]
Example 3, Comparative Example 3
After performing etching to remove the oxynitride film on the surface with a mixed acid of hydrofluoric acid and nitric acid from each particle prepared in Example 2, a photoelectric conversion device as shown in FIG. Table 2 shows the results of measuring the solar cell characteristics by irradiating light of the wavelength and calculating the conversion efficiency.
[0037]
Separately from the measurement of the conversion efficiency, the silicon sphere after the etching was subjected to SIMS to analyze the oxygen concentration and the nitrogen concentration from the surface. Table 2 shows the results. Here, the analysis value is a value at which the values of the oxygen concentration and the nitrogen concentration become constant in a portion deeper than 1 μm from the outermost surface.
[0038]
[Table 2]

[0039]
As a result, those having an oxygen concentration of more than 5 × 10 ¹⁸ atoms / cc and a nitrogen concentration of more than 1 × 10 ¹⁷ atoms / cc in the granular silicon did not show photoelectric conversion characteristics.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, in the method for producing granular silicon according to the present invention, the silicon melt is discharged from the nozzle portion of the crucible in the form of drops, and oxygen and nitrogen are present in the atmosphere when cooling and solidifying during the fall. In this way, the bonding between spheres can be prevented, the particle shape can be controlled, and homogenization can be facilitated, and high-quality granular silicon can be realized, and granular silicon suitable for solar cells can be obtained. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a crucible used in the method for producing granular silicon of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a photoelectric conversion device manufactured using granular silicon obtained by the method for manufacturing granular silicon of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crucible 2 Body member 2a Inner wall member 2b Outer wall member 3 Nozzle member 3a Nozzle hole 4 Gas inlet 5 Tubular body 6 Granular silicon 7 Metal substrate 8 Bonding layer 9 Insulating layer 10 Silicon film 11 Transparent conductive layer 12 Electrode

Claims

A method for producing granular silicon, in which the silicon melt is discharged in a droplet form from the nozzle portion of the crucible and dropped, and the silicon melt is cooled and solidified during the fall to produce granular silicon, the method comprises the steps of: A method for producing granular silicon, comprising cooling and solidifying in an atmosphere containing nitrogen.

The method for producing granular silicon according to claim 1, wherein the atmosphere is argon.

3. The method for producing granular silicon according to claim 1, wherein an oxygen partial pressure in the atmosphere is 0.2% or more and 20% or less, and a nitrogen partial pressure is 0.8% or more and 40% or less. .

4. The granular silicon according to claim 1, wherein an oxygen concentration in the granular silicon is 5 × 10 ¹⁸ atoms / cc or less, and a nitrogen concentration is 1 × 10 ¹⁷ atoms / cc or less. 5. Production method.