JP2006114788A - 粒状結晶の製造装置および光電変換装置ならびに光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 量産性や低コスト性に優れた高品質な粒状結晶を製造することができる粒状結晶の製造装置を提供するとともに、それによって製造された粒状シリコン結晶を用いて作製された、変換効率特性に優れた光電変換装置を提供する。
【解決手段】 坩堝２のノズル部５から結晶材料の融液４を粒状に排出して落下させる粒状結晶の製造装置において、ノズル部５から結晶材料の融液４を粒状に排出する融液保持部１と、その上部に位置し、結晶材料12を溶融して融液保持部１に融液４を供給する融液供給部10とを有する粒状結晶の製造装置である。粒状結晶の生産効率を高め、低コストな光電変換装置用の粒状シリコン結晶を提供することができる。また、その粒状結晶の製造装置を用いて製造された粒状シリコン結晶を用いて、光電変換装置を作製することにより、高効率で低コストの光電変換装置を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は粒状結晶の製造装置に関し、特に、光電変換装置用途の粒状シリコン結晶を得るのに好適な粒状結晶の製造装置およびその製造装置を用いて製造された粒状シリコン結晶を用いた、変換効率特性に優れた光電変換装置ならびに光発電装置に関するものである。

光電変換装置は、性能面での効率の良さ、資源の有限性への配慮、あるいは製造コストの低さ等といった市場ニーズを捉えて開発が進められている。現在実用化されている主な太陽電池の材料としては、単結晶または多結晶の大きなバルクを切断して、光電変換素子となる結晶基板を作製して用いている。

しかしながら、この結晶基板を用いる光電変換素子では、バルク結晶を結晶基板に切断する際に結晶材料の切断ロスが多いという点で、省資源の観点から問題がある。このことから、今後の市場において有望な省資源型の光電変換装置の一つとして、粒状シリコン結晶を用いた光電変換装置が有望視されている。

粒状シリコン結晶を作製するための原料としては、例えば単結晶シリコンを粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や、流動床法で気相合成された高純度シリコン等が用いられている。これらの原料から粒状シリコン結晶を作製するには、それら原料をサイズあるいは重量によって分別した後に、赤外線や高周波を用いて容器内で溶融し、この溶融物を液滴（粒状の融液）として自由落下させる方法（例えば、特許文献１，特許文献２および特許文献４を参照。）がある。また、溶融したシリコンを飛散させて粒子状の結晶にする方法（例えば、特許文献３を参照。）もある。
国際公開第99／22048号パンフレット 米国特許第4188177号明細書 特開平５−78115号公報 米国特許第6432330号明細書

結晶材料を容器例えば坩堝内で溶融した後、坩堝に設けたノズル孔から加圧して噴出させ、粒状の融液として落下させて粒状結晶を得る製造方法では、同じ坩堝によって多数回の粒状の融液の排出を繰り返すことができる。

しかしながら、結晶材料の融点は高く、例えば、シリコンでは溶融温度が1415℃と極めて高温であり、そのような融点が高い結晶材料を溶融するためには膨大な熱量が必要とされる。そのため、溶融した結晶材料を噴出した後、次の結晶材料を投入して溶融するまでの時間がかかることにより、作業回数が律速されるという問題があった。

また、粒状の融液を噴出するノズル孔付近の温度制御の精度を上げるには、坩堝に対してノズル孔の周辺に抵抗加熱ヒータを配置することが好ましいことから、結晶材料を溶融するのにそのように局所的に加熱することが困難な高周波を投入してさらに溶融速度の向上を図ることを阻害する要因となっているという問題があった。

本発明は、以上のような従来の技術における問題に鑑み、これらを解決すべくなされたものであり、その目的は、繰り返して結晶材料を溶融する際の溶融時間を短縮することにより同じ坩堝を用いて粒状結晶を製造するサイクル回数を増加させ、安定して高効率に結晶化させることができると同時に、低コストで高い結晶性を持った例えば単結晶シリコンからなる粒状シリコン結晶を製造するのに好適な粒状結晶の製造装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、本発明の粒状結晶の製造装置を用いて製造された粒状シリコン結晶を用いることで、量産性に富む特性の良好な光電変換装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、本発明の光電変換装置を用いて、特性の優れた低コストの光発電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、坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒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において、前記坩堝は、前記融液を保持して前記ノズル部から排出する前記ノズル部側の融液保持部と、この融液保持部上に位置し、前記結晶材料を溶融して前記融液保持部に前記融液を供給する融液供給部とを有することを特徴とするものである。

また、本発明の粒状結晶の製造装置は、上記構成において、前記融液保持部の前記融液は抵抗加熱により加熱され、前記融液供給部の前記結晶材料は高周波加熱により加熱されることを特徴とするものである。

また、本発明の粒状結晶の製造装置は、上記各構成において、前記融液保持部と前記融液供給部との間に、前記結晶材料と同種の結晶材料から成り、前記融液供給部から溶融前の前記結晶材料が供給されるのを阻止する阻止部材を設けることを特徴とするものである。

また、本発明の粒状結晶の製造装置は、上記各構成において、前記結晶材料がシリコンであることを特徴とするものである。

また、本発明の光電変換装置は、導電性基板の一主面に、第１の導電型の粒状シリコン結晶が多数個、下部を前記導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置されて、これら粒状シリコン結晶に第２の導電型の半導体層および透光性導体層が順次設けられた光電変換装置であって、前記粒状シリコン結晶は、上記本発明の粒状結晶の製造装置を用いて製造されたものであることを特徴とするものである。

また、本発明の光発電装置は、前記光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成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、坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒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において、坩堝は、融液を保持してノズル部から排出するノズル部側の融液保持部と、この融液保持部上に位置し、結晶材料を溶融して融液保持部に融液を供給する融液供給部とを有することから、粒状の融液の排出と結晶材料の溶融とを坩堝のノズル部側の融液保持部とその上に位置する融液供給部との別々の部分にて同時に行なうことができるので、同じ坩堝を用いて粒状結晶を製造するサイクル回数を大幅に増加させることができ、粒状結晶を製造するサイクル時間を大きく削減することができるとともに、安定して高効率に粒状結晶を製造することができる。

また、融液保持部の融液は抵抗加熱により加熱され、融液供給部の結晶材料は高周波加熱により加熱されるときには、微妙な温度勾配を制御できる抵抗加熱方式の利点と、大電力投入の容易な高周波加熱方式の利点をともに発揮できる製造装置として、さらに安定して高効率に粒状結晶を製造することができる。

また、融液保持部と融液供給部との間に、結晶材料と同種の結晶材料から成り、融液供給部から溶融前の結晶材料が供給されるのを阻止する阻止部材を設けるときには、例えば粉末で供給される結晶材料を融液供給部において上部から溶融させ、最後に阻止部材を溶融して、完全な融液の状態として融液保持部に供給できるので、結晶材料の融液の適切な投入タイミングを図ることができる。また、融液保持部での坩堝壁やノズル部との接触時間を短縮することができ、結晶材料とノズル部を含む坩堝の材料との反応を極力抑制することができる。

また、結晶材料がシリコンであるときには、シリコンが極めて反応性が高いことによる不純物の生成を抑制する効果が大きく、安定して高効率に結晶化させることができると同時に高い結晶性を持った粒状シリコン結晶を安定して高効率に量産することができる。

また、本発明の光電変換装置によれば、導電性基板の一主面に、第１の導電型の粒状シリコン結晶が多数個、下部を前記導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置されて、これら粒状シリコン結晶に第２の導電型の半導体層および透光性導体層が順次設けられた光電変換装置であって、粒状シリコン結晶は、本発明の粒状結晶の製造装置を用いて製造されたものであることにより、良好な結晶性を有する粒状シリコン結晶が安定して高効率に低コストで製造されるものであるので、これを用いて量産性に富む電気特性に優れた良好な光電変換装置を提供することができる。

また、本発明の光発電装置によれば、本発明の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことにより、この光発電装置を用いた光発電システム全体を特性の優れたものとすることができ、高効率でかつ低コストの光発電装置を提供することができる。

以下、本発明の粒状結晶の製造装置およびそれにより製造した粒状シリコン結晶を用いた光電変換装置の実施の形態の例について、模式的に図示したそれぞれの図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を模式的に表した断面図である。また、図２は本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す断面図である。なお、本発明の光電変換装置において半導体の粒状結晶として粒状シリコン結晶を用いるので、以下は粒状結晶として粒状シリコン結晶を例に説明する。

図１に示した本発明の粒状結晶の製造装置の例において、融液保持部１の坩堝２は、結晶材料である例えばシリコンの融液４との反応を抑えるため、石英等からなる内壁部材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、坩堝２の強度を確保するために設けられる。

外壁部材２ｂは、鋳込み成形法やホットプレス法等で緻密化された焼結体で構成されている。結晶材料としてシリコンを用いる場合であれば、その融液４との反応を抑えるには、外壁部材２ｂには酸化アルミニウム，炭化珪素，グラファイト等の焼結体が適する。特に、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が適する。外壁部材２ｂをグラファイトで形成する場合は、所望の形状に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、水洗および乾燥を行なって使用する。そして、内壁部材２ａとの組み立ては、例えば内壁部材２ａの外側と外壁部材２ｂの内側とにネジを設けて組み立てるとよい。

また、融液保持部１の坩堝２の先端側（底部）にはノズル孔６を有するノズル部５が設けられている。つまり、一方端に小径部を有する坩堝２の外壁部材２ａとは別体に結晶材料の融液４を粒状に排出するためのノズル孔６を有するノズル部５を設けている。このノズル部５は、耐熱性および強度に優れ、また融液４との反応性が低いことが必要なため、例えば炭化珪素，ダイヤモンド，酸化アルミニウム，石英，立方晶窒化ボロン等からなる。これらの各材料を用い、その単結晶を加工したものか、あるいは焼結条件によりその緻密度を設定したものを用いて、中央部にノズル孔６を有する例えば円板状に加工されたノズル部５として形成される。

ノズル孔６の加工は、機械加工あるいはレーザ加工により、ノズル孔６の下端の孔径が例えば100μｍ程度の所定の値になるように仕上げを行なう。なお、ノズル孔６の加工径に対するノズル部５の厚みも一定となるように、ノズル部５間で厚みを揃えて加工すると安定して粒状結晶を製造することができる。

このように坩堝２を内壁部材２ａおよび外壁部材２ｂからなる本体部材とノズル部５との別部材で構成して、それを組み立てることができる構造にすることで、ノズル部５のみを差し替えることが可能となり、高価な坩堝２の本体部材は繰り返して使用することができる。

このような坩堝２に結晶材料として例えばシリコン原料を投入して、抵抗加熱ヒータ９で坩堝２を加熱して内部のシリコン原料全体を溶融させて融液４とする。この溶融したシリコンの融液４の上部をアルゴンガス等で例えば0.5ＭＰａ以下の圧力で加圧してノズル部５のノズル孔６から押し出すことにより、シリコンの融液４を噴出して粒状に排出し、多数の粒状の融液８にする。多数の粒状に噴出されたシリコンの融液８は、自由落下すると、落下中に冷却され凝固して、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの粒状シリコン結晶となって容器（図示せず）に収容される。

このとき、このような融液保持部１のみを用いて粒状結晶を製造するのでは、坩堝２に投入された結晶材料が融液４となり粒状の融液８として噴出された後、次の結晶材料を坩堝２に投入して再び溶融する作業を繰り返すのに、例えば１時間以上といった相当な時間がかかり、粒状結晶を製造するサイクルタイムがこの溶融工程に律速されるということとなる。また、結晶材料の溶融時間を短縮するためには、抵抗加熱ヒータよりも出力を大容量にできる誘導加熱ヒータを用いることが考えられるが、誘導加熱ヒータを用いたのでは、抵抗加熱ヒータのように坩堝２との距離の調整や必要な所に所望の加熱部を設ける等の制御が難しいため、ノズル孔６付近の温度を所望の値に微妙に制御することが困難である。

これに対して、本発明の粒状結晶の製造装置では、結晶材料の融液４を保持してノズル部５から粒状の融液８として排出するノズル部５側の融液保持部１に加え、融液保持部１上に位置し、結晶材料12を溶融して融液保持部１にその融液４を供給する融液供給部10を設けている。融液供給部10は、結晶材料12を溶融して融液保持部１へ供給するための、内壁が例えば石英から成る坩堝部材11と、結晶材料12を溶融するのに加熱するための加熱手段である例えば高周波コイル14と、結晶材料12の融液４を坩堝２に供給するための放出ノズル11ａとから構成される。この坩堝部材11の中に結晶材料12である例えばシリコン結晶材料12が投入されており、放出ノズル11ａの入口には同じシリコン結晶材料から成る阻止部材13が設けられて、結晶材料12がそのまま放出ノズル11ａから下に落ちないようになっている。そして、高周波コイル14に高周波電力を投入して坩堝部材11の温度を上昇させることにより、結晶材料12を溶融させる構成となっている。このような融液供給部10を設けることにより、融液保持部１において粒状の融液８を噴出する工程とは全く別に結晶材料12の溶融工程を同時に行なうことができ、それによって用意した結晶材料12の融液４を融液保持部１に速やかに供給することができるので、粒状結晶の製造サイクル時間を大きく短縮することができる。

また、融液供給部10において結晶材料12を融液４とするための加熱には、抵抗加熱ヒータではなく大電力を投入できる誘導加熱ヒータを用いており、高周波コイル14は結晶材料12を短時間で溶融させるために大容量電力型としている。したがって、融液供給部10では結晶材料12を速やかに融液４とすることができるので、本発明の粒状結晶の製造装置によれば、融液保持部１における微妙な温度勾配を制御できる抵抗加熱方式の利点と、融液供給部10における大電力投入の容易な高周波加熱方式の利点とをともに発揮できる、製造効率に優れた粒状結晶の製造装置とすることができる。

また、融液保持部１と融液供給部10との間に、結晶材料12と同種の結晶材料から成り、融液供給部10から溶融前の結晶材料12が供給されるのを阻止する阻止部材13を設けることにより、例えば粉末の状態で供給される結晶材料12を坩堝部材11において上部から溶融させ、最後に阻止部材13を溶融させることによって、安定した状態の結晶材料の融液４を一気に融液保持部１に供給できるものとなるので、結晶材料の融液４の適切な供給タイミングを図ることができる。図１に示した例では板状の阻止部材13を放出ノズル11ａの入口に設けているが、この他にも例えば放出ノズル11ａの途中や出口側に栓状に形成した阻止部材13を設けてもよい。

融液供給部10から融液保持部１に結晶材料12の融液４を供給するタイミングとしては、融液保持部１にて微妙に温度バランスを取りながら融液４を粒状に排出している途中に、その融液４の中に融液供給部10からの融液４を流入させることは温度バランスの維持等の観点から好ましくないので、融液保持部１からの融液４の排出を終えた後に供給することが好ましい。また、融液保持部１からの融液４の排出を終えた後に融液供給部10から新たな融液４を供給することにより、融液保持部１において結晶材料の融液４と内壁部材２ａやノズル部５との接触時間を短縮することができ、それらの部材と結晶材料の融液４との反応を極力抑制することができる。

融液供給部10において結晶材料12を効率よく溶融させるために、高周波コイル14は上下に可動となっていることが好ましく、始めに結晶材料12の上部より溶融が始まるように配置して、徐々に高周波コイル14の位置を低下させることにより、徐々に坩堝部材11の下部の結晶材料12を溶融させ、さらに高周波コイル14の位置を放出ノズル11ａに対応する位置へと下げることによって、結晶材料12を全て融液とした状態で阻止部材13を溶解させ、これにより安定した状態の融液４を供給するように制御することができる。

結晶材料12の中でも、シリコン結晶材料は極めて反応性が高く、例えば雰囲気中に存在する一酸化炭素から炭素が入り込んでしまうことがある。これに対し、本発明の粒状結晶の製造装置によれば、内壁が内壁部材２ａの石英で覆われており、結晶材料12が接する部分に酸素と結合して一酸化炭素を供給するグラファイトの露出はないので、このような反応性が高い結晶材料12の融液４に対しても、その融液４が接触している坩堝２の内壁部材２ａからの不純物の混入を抑制する効果が大きく、安定して高効率に結晶化させることができると同時に、高い結晶性を持った粒状結晶を効率よく容易に量産することができる。そして、高い結晶性を持つ粒状シリコン結晶の生産効率を向上させることで、この粒状シリコン結晶を用いた高効率で低コストの光電変換装置を供給することができるようになる。

このような粒状シリコン結晶は、太陽電池を始めとする光電変換装置を製造するために好適に使用される。したがって、溶融させるシリコン結晶材料12には、所望の半導体用添加不純物を含有させておくのが望ましい。所望の導電型および抵抗値になるように、第１の導電型とするためのドーパント、例えばｐ型ドーパントがドーピングされる。シリコンに対するｐ型ドーパントとしては、ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウムがあるが、シリコンに対する偏析係数が大きい点やシリコン溶融時の蒸発係数が小さい点からは、ホウ素を用いることが望ましい。

粒状の有利液８が自由落下しながら冷却され固化した粒状結晶は、この時点ではほぼ球形状のもののほかにも涙型や流線型，連結型等の種々の形状をした多結晶シリコンであることが多い。このままの粒状結晶を用いて太陽電池等の光電変換装置を作製した場合は、良好な単結晶でないことから良好な光電変換特性を得られないこととなる。この原因は、この多結晶シリコン中に含有されるＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等の金属不純物と多結晶シリコン中の結晶粒界における再結合効果によって十分なキャリア寿命が得られないことによるものである。これを改善するために、これら粒状結晶を温度制御した加熱炉の中で再溶融させて、酸素・窒素雰囲気下で降温することにより再結晶化させて作製された、不純物を抑えた単結晶シリコンからなる粒状シリコン結晶を用いることが行なわれている。

この再溶融・再結晶化のために、粒状シリコン結晶をシリコンの融点（1415℃）以上で、好ましくは1480℃以下の温度まで加熱する。この加熱の間に粒状シリコン結晶の内部のシリコンが溶融する。このとき、粒状シリコン結晶の表面に形成される珪素化合物被膜（酸窒化膜）によって、内部のシリコンが溶融するときにそれを内部に保持するとともに粒状結晶の形状を維持することが可能である。ただし、1480℃を超える温度まで昇温させることは、内部のシリコン溶融時に粒状結晶の形状を安定に保つことが難しくなり、この粒状結晶を載置する台板等と融着反応しやすくなるので望ましくない。

この後、熱アニール等を行ないながらゆっくりと冷却し固化させることで得られる粒状シリコン結晶は、本発明の光電変換装置を作製するために好適に使用される。

次に、本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を図２に断面図で示す。図２に示した本発明の光電変換装置の例は、本発明の粒状結晶の製造装置によって上記のようにして得られた粒状シリコン結晶21を用いて作製されたものである。図２る示す本発明の粒状シリコン結晶21を用いた光電変換装置においては、導電性基板22の一主面、この例では上面に、第１の導電型、例えばｐ型の粒状シリコン結晶21が多数個、その下部を例えば接合層23を介することによって導電性基板22に接合され、それら粒状シリコン結晶21の隣接するもの同士の間に絶縁物質24を介在させるとともにその上部を絶縁物質24から露出させて配置されて、これら粒状シリコン結晶21に第２の導電型、ここではｎ型の半導体層25および透光性導体層26が順次設けられた構成となっている。

ここで、第１の導電型の粒状シリコン結晶21はｐ型であることが好ましい。例えば、シリコン結晶材料にｐ型を呈する不純物であるＢやＡｌを１×10^１４〜１×10^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度添加したものである。この粒状シリコン結晶21の粒径は、10μｍより小さ過ぎると取り扱いが困難となる傾向があり、500μｍより大き過ぎると多結晶基板に比較して使用するシリコン材料の削減効果が十分に得られないものとなることから、10〜500μｍが好ましく、さらには50〜400μｍが望ましい。

導電性基板22は、少なくとも表面が導電性であればよく、例えばガラスセラミックス等の絶縁性基板の表面に金属層を形成したものでもよく、金属基板でもよいので、基板材料に関する選択肢を広げることができる。導電性基板22として好ましくは、銀，アルミニウム，銅等の光に対する高反射率を有する金属から成る基板であり、または少なくとも表面がアルミニウム等の金属層となっている基板である。導電性基板22がアルミニウム基板の場合は、アルミニウムとシリコンとの接合により、Ａｌ−Ｓｉ共晶から成る接合層23が形成されるとともに、アルミニウムがシリコンに対する良好なｐ型ドーパントであるため界面にｐ^＋層が形成されることでＢＳＦ効果が発現されることから好適なものである。また、Ａｌ−Ｓｉ共晶から成る接合層23によって、粒状シリコン結晶21と導電性基板22との強い接合強度を得ることができる。

粒状シリコン結晶21の表面に第２の導電型の半導体層25を形成するには、粒状シリコン結晶21の導電性基板22への接合に先立って、工程コストの低い熱拡散法により形成することが好ましい。この第２の導電型の半導体層25を形成するには、ドーパントとしては、ｎ型であればＶ族のＰ，Ａｓ，Ｓｂを、ｐ型であればIII族のＢ，Ａｌ，Ｇａ等を用い、例えば石英管を用いた拡散炉に粒状シリコン結晶21を収容し、ドーパントを導入しながら加熱して、第１の導電型の粒状シリコン結晶21の表面に第２の導電型の半導体層25を形成する。

次に、導電性基板22の上に、表面に半導体層25が形成された粒状シリコン結晶21を多数個配置する。次に、これを還元雰囲気中にて全体的に加熱して、Ａｌ−Ｓｉの共晶温度である577℃以上に加熱することにより、Ａｌ−Ｓｉの共晶から成る接合層23を形成して、粒状シリコン結晶21を導電性基板22に接合層23を介して接合させる。

次に、導電性基板22の一主面に接合された多数個の粒状シリコン結晶21の隣接するもの同士の間に介在するように、導電性基板22上にポリイミド樹脂等の絶縁物質24をムラ無く全面にコーティングする。また、この絶縁物質24は、粒状シリコン結晶21の上部は露出させるように付与されることにより、粒状シリコン結晶21の上部に半導体層25を介して形成される透光性導体層26との有効な接触を可能とする。一方、粒状シリコン結晶21間の絶縁物質24の表面形状は、粒状シリコン結晶21側が高くなっている凹形状をしており、この光電変換装置の上に付与されるモジュールの封止樹脂との屈折率の差により、粒状シリコン結晶21の無い非受光領域における光の乱反射を促進することができ、光電変換素子としての粒状シリコン結晶21への光の入射量を増やして、変換効率を向上させることができる。

さらに、透光性導体層25の上に電極27を形成し、多数個の粒状シリコン結晶21で発生した光電流を効率的に収集できるようにする。なお、透光性導体層26は、錫ドープ酸化インジウム膜，酸化スズ膜，酸化亜鉛膜等から成り、膜厚を850Å程度に制御することで反射防止効果を有するものとなる。透光性導体層26は、量産に適した信頼性の高い膜質を得るにはスパッタリング法で形成するのが通常であるが、ＣＶＤ法，ディップ法，電析法等により形成することもできる。透光性導体層26は、第２の導電型の半導体層25上に上部電極として形成されるとともに、絶縁物質24上にも形成され、個々の粒状シリコン結晶21により形成された光電変換素子を並列につなぎ合わせることができる。

その後、前述のように透光性導体層25上に銀ペースト等を櫛状に塗布してグリット状の電極27を形成することで、本発明の光電変換装置が得られる。このようにして、導電性基板22を一方の電極にし、電極27を他方の電極とすることにより、太陽電池として機能する本発明の光電変換装置が得られる。

この本発明の光電変換装置は、低コストかつ高効率であることに加えて、基板に柔軟性に富む例えばアルミニウム金属板を使用することにより、表面が耐候性フィルムでラミネートされた光電変換モジュールにおいて、耐候性フィルムの上面より雹や霰による衝撃が加えられたときに、多結晶シリコン基板を用いたものでは多結晶シリコン基板そのものにクラックが入る等の破壊モードを回避することができるため、軽量かつ高耐候性の光電変換システムを供給できるだけでなく、設置架台やコンバータ等のトータルシステムにおいても効果を発揮しうるものである。

不活性雰囲気中で融液供給部10の坩堝部材11へシリコン結晶原料12を18ｇ充填して、1450℃の温度に昇温し溶解した。坩堝部材11は、内径19ｍｍφ，外径25ｍｍφ，長さ143ｍｍの寸法に加工された石英で構成した。また、高周波コイル14を用いた加熱装置は、投入する電力として10ｋＶＡの電力を投入できる装置とした。さらに、ＡｒまたはＨｅ不活性ガス雰囲気中で、結晶材料12の上部から溶融させて、最後に阻止部材13を溶かしたときに、融液供給部10の下に設置された融液保持部１に放出ノズル11ａを通して供給した。この結果、抵抗加熱では溶融に40分かかった時間が、融液供給部10において用いた高周波加熱では10分に短縮された。

次いで、ほぼ同形に構成され、抵抗加熱により加熱された融液保持部１のグラファイト（ポコ社グラファイトＥＤＰ−２等）製の坩堝２で溶融状態を維持しながら、レーザ加工により開口した100μｍのノズル孔６より、ガス圧力を加えて、一気に融液４の全量を噴出して、粒状の融液８として排出した。

この間に、融液供給部10は予め用意していた２番目の坩堝部材11に置き換え、融液保持部１からの粒状の融液８の排出中に高周波加熱を再開し、結晶材料12を溶融する作業を進めた。そして、融液保持部１が空になってから阻止部材13を溶融させて、融液４を融液保持部１に供給した。このサイクルにより、従来は融液保持部１に投入した結晶材料を融液４とするのに１時間かかっていたものを20分に短縮することができた。

次に、このようにして製造した粒状シリコン結晶を石英ガラス製の台板上に一層に多数個載置し、雰囲気加熱炉内で室温から酸素ガスと窒素ガスとから成る反応性ガスをアルゴンガス雰囲気中に導入して、粒状シリコン結晶の表面に酸窒化被膜を形成しながら昇温し、シリコンの融点以上の1450℃まで加熱し５分間保持して、表面のシリコン酸窒化膜の内側のシリコンを溶融させた後、降温して冷却し固化させて、単結晶からなる粒状シリコン結晶21を作製した。

この粒状シリコン結晶21を石英ボートに乗せて、900℃に制御された石英管の中に導入し、ＰＯＣｌ_３を窒素でバブリングさせて石英管に送り込み、30分で粒状シリコン結晶の表面におよそ１μｍの厚さのｎ型の半導体層25を形成した。

この粒状シリコン結晶21を、50ｍｍ×50ｍｍ×500μｍ厚の純アルミニウムから成る導電性基板22上に最密六方状に多数個配置し、600℃の窒素あるいは窒素水素の還元雰囲気炉で接合させた。このとき、アルミニウムから成る導電性基板22と粒状シリコン結晶21との界面には、Ａｌ−Ｓｉ共晶から成る接合層23が形成されており、強い接合強度を呈していた。

次に、多数個の粒状シリコン結晶21が接合されて配設された導電性基板22上にポリイミド樹脂から成る絶縁物質24を塗布し、窒素雰囲気中で熱乾燥させた。このとき、絶縁物質24の粘度を制御することで、粒状シリコン結晶21の隣接するもの同士の隙間を毛管現象で隙間無く充填するように塗布することができた。

この上に上部電極として透光性導体層26を、スズドープ酸化インジウム膜のスパッタリング法によって全面に85ｎｍの厚みで形成した。

最後に、銀ペーストをディスペンサーでグリッド状にパターン形成して、フィンガー電極およびバスバー電極からなる電極27を形成した。そして、大気中500℃で焼成を行ない、最後にハンダディップして電極27上にハンダ層を形成した。

このようにして作製した本発明の光電変換装置の電気特性をＡＭ1.5のソーラーシミュレーターで評価した結果、13％の変換効率を得ることができた。

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、融液供給部10と融液保持部１とを距離をおいて分離した構成としてもよく、その場合には、融液保持部１に融液供給部10とは別系統で安定したガス供給を行なえるガス供給系統を形成できるので、融液供給部10とは分離した状態で、融液保持部１からの粒状の融液８の排出にあたって融液保持部１のガス圧の制御を容易に行なうことができる。

本発明の粒状結晶の製造装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・融液保持部
２・・・坩堝
２ａ・・・内壁部材
２ｂ・・・外壁部材
４・・・融液
５・・・ノズル部
６・・・ノズル孔
７・・・液柱
８・・・粒状の融液
９・・・抵抗加熱ヒータ
10・・・融液供給部
11・・・坩堝部材
12・・・結晶材料
13・・・阻止部材
14・・・高周波コイル
21・・・粒状シリコン結晶
22・・・導電性基板
23・・・接合層
24・・・絶縁物質
25・・・半導体層（シリコン層）
26・・・透光性導体層
27・・・電極

Claims (6)

1. 坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒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において、前記坩堝は、前記融液を保持して前記ノズル部から排出する前記ノズル部側の融液保持部と、該融液保持部上に位置し、前記結晶材料を溶融して前記融液保持部に前記融液を供給する融液供給部とを有することを特徴とする粒状結晶の製造装置。
2. 前記融液保持部の前記融液は抵抗加熱により加熱され、前記融液供給部の前記結晶材料は高周波加熱により加熱されることを特徴とする請求項１記載の粒状結晶の製造装置。
3. 前記融液保持部と前記融液供給部との間に、前記結晶材料と同種の結晶材料から成り、前記融液供給部から溶融前の前記結晶材料が供給されるのを阻止する阻止部材を設けることを特徴とする請求項１または請求項２記載の粒状結晶の製造装置。
4. 前記結晶材料がシリコンであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の粒状結晶の製造装置。
5. 導電性基板の一主面に、第１の導電型の粒状シリコン結晶が多数個、下部を前記導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置されて、これら粒状シリコン結晶に第２の導電型の半導体層および透光性導体層が順次設けられた光電変換装置であって、前記粒状シリコン結晶は、請求項４記載の粒状結晶の製造装置を用いて製造されたものであることを特徴とする光電変換装置。
6. 請求項５記載の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成した光発電装置。

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