JP2005255490A

JP2005255490A - 粒状結晶の製造装置

Info

Publication number: JP2005255490A
Application number: JP2004071422A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Ono; 智之小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】高い結晶性を持った粒状結晶を製造する場合において、合体のない単体球形状の粒状結晶を一様な形状および粒径で高効率に製造すること
【解決手段】上下方向に配置した管３の内部で容器５の底部の孔６から溶融液体４を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の粒状融液12を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置100において、粒状融液12が落下する管３の途中に放電区間を設け、粒状融液12が放電区間の放電気体13中を通過するように構成することにより、粒状融液12を負に帯電させ、粒状融液12同士を互いに電気的に反発させることで合体を防止することができ、単体球形状の粒状結晶を一様な形状および粒径で高効率に作製することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置に用いられる結晶シリコン粒子等の粒状結晶の製造に使用される粒状結晶の製造装置に関するものである。

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等といった市場ニーズを捉えて開発が進められている。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を用いるものが活発に開発されている。

現在、太陽電池の光電変換素子に用いる粒状シリコン等の高い結晶性を持った粒状結晶を安定して高効率に、しかも低コストで製造するための粒状結晶の製造装置として、坩堝のノズル部から結晶材料の融液を滴状に排出して落下させるとともに、この滴状の融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置がある（例えば、特許文献１を参照。）。
特開2003−128493号公報

しかしながら、従来の粒状結晶の製造装置における製造方法では、孔から次々に排出される融液は鉛直線上でほぼ同一の軌跡をたどるため、大きさが異なることによって速度差を持つ融液同士が落下中に合体することがあり、得られた粒状結晶の粒径に広い分布ができるという問題点がある。また、速度差を持つ融液同士が落下中に接触した際に固化が開始した場合、だるま型や数珠型のように複数の粒子が密着したものが生成されることがあり、単体球形状の粒状結晶を安定して得ることが困難になるとともに、分球の工程が必要となるためコスト高になるという問題点もある。

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、太陽電池の光電変換素子に用いる粒状シリコン等の高い結晶性を持った単体球形状の粒状結晶を、安定した一様な形状および粒径で高効率に、しかも低コストで製造することができる粒状結晶の製造装置を提供することにある。

本発明の粒状結晶の製造装置は、上下方向に配置した管の内部で容器の底部の孔から溶融液体を粒状に排出して落下させ粒状融液とするとともに、この粒状融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置において、前記粒状融液が落下する前記管の途中に放電区間を設け、前記粒状融液が前記放電区間の放電気体中を通過するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の粒状結晶の製造装置によれば、粒状融液が内部を落下する管の途中の通過領域に放電区間を設け、落下する粒状融液がその放電区間の放電気体中を通過するように構成したことから、放電気体中を通過する粒状融液を電子付着により負に帯電させることができ、その帯電によって粒状融液同士を電気的に反発させて、落下するそれぞれの粒状融液同士に互いに接触しないような軌跡をたどらせることができるので、粒状融液同士の接触によるだるま型や数珠型のような複数の粒子が密着したものの生成を抑え、高い結晶性を持った単体球形状の粒状結晶を、一様な形状および粒径で効率良く製造することができる。したがって、例えば粒状シリコン等の高い結晶性を持つ粒状結晶を製造する際の製造歩留まりを向上させることができるとともに、得られた粒状結晶に対する分球工程を不要として製造コストを下げることができる。

また、本発明の粒状結晶の製造装置によれば、放電気体中を通過した粒状融液を電子付着により負に帯電させることができるため、粒状結晶の原料は半導体や金属に限定されず、結晶となるあらゆる物質に対して粒状結晶の製造に応用できる。

以下、本発明の粒状結晶の製造装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の粒状結晶の製造装置の実施の形態の一例における概略構成を示す断面図である。図１に示す例の本発明の粒状結晶の製造装置100は、上下方向に配置され、上部に気体供給手段としてのガスボンベ１が、ならびに下部に気体排出手段としての排気ポンプ２がそれぞれ設けられた管３と、内部に溶融液体４を保持する、坩堝等の容器５と、容器５の底部に設けられた、溶融液体４を排出する孔６を有するノズル部材７と、容器５の側面に配置されて容器５に充填される溶融液体４を加熱するヒータ８と、管３の溶融液体４が落下する領域の途中に設けられた放電区間の側面に配置された放電電力印加手段９とから構成されている。

容器５に充填される溶融液体４は、容器５内の加圧ガス10の圧力を圧力制御装置11により制御することにより底部に設けられたノズル部材７の孔６から排出されて粒状融液12となり、放電電力印加手段９が設けられた放電区間において放電気体13中を通過し、管３底部に設けられた接地された回収容器14に落下し、回収される。

管３内に供給される気体のガス種はガスボンベ１の交換により変更することができ、管３内における気体の圧力はガスボンベ１から供給される気体の流量と排気ポンプ２による排気量とを調整することによって制御される。

また、図１に示すように、管３内の気体を交換する際のガス交換の効率から、また、溶融液体４および粒状融液12ならびにそれから得られる粒状結晶の下方への落下の安定の点から、ガスボンベ１は管３の上部へ、排気ポンプ２は管３の底部へ設置するのが望ましい。さらに、排気ポンプ２の管３への接続管は、落下する粒状融液12または粒状結晶の排気ポンプ２への流入を防ぐため、管３から排気ポンプ２へ斜め上に向けるのが望ましい。

管３内へガスボンベ１から供給される気体は、溶融液体４の孔６からの排出を行なう前にガス種とガス圧を所望の状態に整えてから管３内に封じ切ってもよく、あるいは、溶融液体４の排出中もガスボンベ１から所定の流量で供給し、排気ポンプ２によってそれに応じた所定の排気量で排気させて所望の状態に維持するようにしてもよい。気体を供給しながら溶融液体４を排出する場合には、落下する溶融液体４の流れを乱さないよう、ガスボンベ１から管３への気体の流入口は溶融液体４に気体が直接に吹きかからないような位置に設置することが好ましい。また、供給される気体によって発生する気流は層流となるようにするのが望ましい。

管３内のガス圧は、放電区間で安定した状態の放電気体13を発生させるためには１ｍＴｏｒｒから１Ｔｏｒｒ程度とするのが望ましく、ガス圧をこの範囲とすることで、放電区間で容易にかつ安定した放電を行なわせてその放電を維持することができるとともに、管３内の気流の乱れにより溶融液体４の流れが乱される影響を低減することができ、より均一な形状および粒径の粒状融液12を生成することができる。

管３は、図１に示すように内部に容器５およびヒータ８を収容する場合には溶融液体４を加熱するヒータ８の熱に対して十分な耐熱性を有し、また、内部の溶融液体４および粒状融液12が落下する部分での気流を乱さないような内面を有し、継ぎ目部にはＯリングやガスケット等を用いて外部との気密が保たれるものが望ましい。管３を構成する部材としては石英，アルミナセラミックス，ステンレス等を用いることができる。また、管３内では放電気体13を発生させる放電を行なうため、管３ならびに容器５は接地されていることが好ましい。

孔６から排出される溶融液体４を保持する容器５は、溶融液体４をヒータ８で加熱して良好な溶融状態で保持できる十分な耐熱性を有するとともに溶融液体４との反応性を考慮した材料で構成するのが望ましい。例えば、溶融液体４がシリコンの場合であれば、酸化アルミニウム，炭化珪素，グラファイト等から成る容器５を用いることで、溶融液体４に容器５の成分が混入するのを防ぐことができ、かつ劣化が少ないため長時間にわたって使用可能なものとなる。

容器５の底部に設置されたノズル部材７は、中央部にこれを貫通して設けられた孔６の磨耗を防止して安定した状態で溶融液体４を排出して粒状結晶を生成するために、耐熱性および耐磨耗性に優れた材料で構成するのが望ましく、例えば、真比重が3.0ｇ／ｃｍ^３以上の炭化珪素，3.30ｇ／ｃｍ^３以上の立方晶窒化ホウ素，3.35ｇ／ｃｍ^３以上のダイヤモンドのうちのいずれかから成ることが望ましい。また、このノズル部材７が、単結晶炭化珪素，単結晶酸化アルミニウム（サファイヤ），単結晶立方晶窒化ホウ素，単結晶ダイヤモンドのうちのいずれかから形成されていると、さらに孔６の磨耗を良好に防止して安定した状態で溶融液体４を排出して粒状結晶を生成することができる。これら各材料を用いたノズル部材７は、その単結晶を加工したものにより、あるいは焼結条件によりその緻密度を設定した焼結体により形成される。

ノズル部材７の孔６は、容器５内の溶融液体４を排出して管３内を落下させるためのものであり、溶融液体４から所望の大きさの粒状結晶を得るためには、例えばその直径を５μｍ以上100μｍ以下として形成することが望ましい。この孔６を５μｍ未満に形成することは、現在の加工技術では困難であり、また、溶融液体４を排出するために容器５に大きな圧力を加える必要性が生ずるため、装置の大型化を招くこととなる。また、孔６の直径が５μｍ未満では、この孔６から排出された溶融液体４が粒状に分離されて形成される粒状融液12の粒径が小さくなりすぎて、例えば粒状結晶が結晶シリコンの場合には、その粒状結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置による太陽光の吸収効率が悪くなる等といった、大きさが小さ過ぎることによる弊害が生ずるようになる。他方、孔６の直径が100μｍを超えると、排出された溶融液体４が粒状に分離されて得られる粒状融液12およびそれから得られる粒状結晶の大きさが大きくなって、良好な結晶状態の粒状結晶を得ることが困難になる傾向がある。

ノズル部材７への孔６の加工は、機械加工やレーザ加工、あるいは超音波加工等で形成ればよく、その際、溶融液体４の流れを乱さないよう、孔６の内壁の壁面は滑らかになるよう形成することが望ましい。

なお、容器５とノズル部材７とを別部材で作製して、それらを組み立てる構造にすることで、ノズル部材７のみを差し替えることが可能となる。これにより、もし孔６が磨耗したり、目詰まりしたりした場合の交換が容易となるとともに、通常は高価なものとなる容器５本体は交換せずに引き続き使用することができるものとなる。

溶融液体４となる原料には、導電性の有無に関わらず、容器５の内部にて溶融可能な、半導体や金属を始めとして、結晶となる全ての材料を使用することができる。

容器５の側面に配置されて容器５に充填される溶融液体４を加熱するヒータ８には、誘導加熱方式あるいは抵抗加熱方式のヒータを用いればよい。

粒状融液12が落下する領域の途中の管３の側面に、放電区間を設けるために設置された放電電力印加手段９は、通常はコイルに交流電圧を印加する手段が用いられ、落下する粒状融液12が固化を始める位置よりも上方に設置される。このコイルは、例えば管３の外径が20ｃｍ弱の場合であれば、銅等の導体線あるいは導体管を直径20ｃｍ，長さ20ｃｍ程度の大きさでらせん状に巻いたものが用いられる。この放電電力印加手段９は、導体に交流電圧を印加することで内側に交流磁場を発生させ、管３内の気体をプラズマ状態として放電気体13とするものであり、交流電圧としては、例えば13.56ＭＨｚの高周波電圧が用いられる。

ガスボンベ１から供給されて管３内を充填する気体（ガス）としては、無害で、なおかつ溶融液体４との反応性が低いことから、ヘリウム，アルゴン，キセノン等の不活性ガスを用いればよい。中でも、放電を安定に維持でき、なるべく安価であるものが好ましく、その観点からアルゴンが好適である。また、水素や酸素等を用いることもできるが、これらを用いた場合には、粒状結晶を生成させる過程において粒状結晶の表面がエッチングされたり酸化されたりする影響があるので、生成する粒状結晶の性質に応じて選択すればよい。

次に、以上のような本発明の粒状結晶の製造装置100を用いて、均一な大きさの粒状結晶を製造する方法を説明する。

まず、容器５に溶融液体４の原料として例えばシリコン原料を投入して、ヒータ８で加熱しシリコン全体を溶融して溶融液体４とする。この容器５内の溶融した溶融液体４の上部に加圧ガス10として例えばアルゴンガスを封入し、圧力制御装置11により0.7ＭＰａ以下の圧力（0.01ＭＰａ以上であることが好ましい。）でガス加圧して、容器５の底部に配設されたノズル部材７の孔６から溶融液体４を押し出して管３内に排出する。なお、この加圧方法には、機械的な加圧方法を用いてもよい。

孔６から排出された溶融液体４は、表面にある間隔でこぶ状の変形が発生し、溶融液体４の表面張力によりある大きさの粒状融液12に分離されることとなる。

次に、粒状融液12が落下する管３の途中の側面に配置された放電電力印加手段９に交流電圧を印加すると、交流電圧と同周期の交流磁場が発生して放電が開始し、管３内の放電電力印加手段９付近の気体はプラズマ状態となって放電気体13となる。ここで、落下中の粒状融液12がこの放電気体13中を通過すると、落下中の粒状融液12は導電性の有無に関わらず電子付着により負に帯電し、これにより、放電気体13を通過した粒状融液12同士には互いに電気的な反発力が働くこととなる。この反発力により、それぞれの粒状融液12は互いに軌道が乱されるとともに離れるような軌道を描くようになり、粒状融液12同士の合体を確実に防止することができる。

このようにして生成されて落下してきた粒状融液12は、落下中に冷却されて凝固し、例えば溶融液体４としてシリコンを用いた場合は、合体のない粒状結晶として粒状の単結晶シリコンまたは少数の結晶粒界を有する粒状の多結晶シリコンとなって、管３の底部に設置された回収容器14に収容されて回収される。このとき、粒状融液12の電荷を逃がすため、回収容器14は接地しておくことが好ましい。

以上のように、本発明の粒状結晶の製造装置100によれば、半導体や金属に限定されない、結晶となるあらゆる材質のものに対して、だるま型や数珠型のように複数の粒子が密着したものの生成を抑え、単体球形状の粒状結晶を一様な形状および粒径で高効率に製造することができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、放電電力印加手段９としてコイルの代わりに平行平板の電極を用い、これに高周波電圧を印加することによって放電を行なってもよい。

本発明の粒状結晶の製造装置の実施の形態の一例における概略構成を示す断面図である。

符号の説明

３・・・管
４・・・溶融液体
５・・・容器
６・・・孔
７・・・ノズル部材
８・・・ヒータ
９・・・放電電力印加手段
12・・・粒状融液
13・・・放電気体

Claims

上下方向に配置した管の内部で容器の底部の孔から溶融液体を粒状に排出して落下させ粒状融液とするとともに、この粒状融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置において、前記粒状融液が落下する前記管の途中に放電区間を設け、前記粒状融液が前記放電区間の放電気体中を通過するようにしたことを特徴とする粒状結晶の製造装置。