JP2012516572A - シード層及びシード層の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層及びシード層の製造方法に関する。本方法は、好適な表面上において、タイルを端部を整列させて配置して継ぎ目を形成する工程、及び継ぎ目においてタイルを結合させてシード層を形成する工程を含む。結合工程は、タイルを加熱してタイルの少なくとも一部を溶融させること、タイルを少なくとも１つの継ぎ目の両端において電極と接触させること、アモルファスシリコンのプラズマ堆積を用いること、光子を照射してタイルの少なくとも一部を溶融させること、及び／又は層堆積を行うことを含む。本発明のシード層は、幅及び長さが少なくとも約５００ｍｍの直線形状を有する。
【選択図】図２

Description

本出願は、２００９年１月３０日出願の米国仮特許出願６１／１４８，４６９（その全部を参照として本明細書中に明白に包含する）からの優先権の利益を主張する。
本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層及びシード層の製造方法に関する。

シリコン鋳造用のシード材料を製造するための公知の工程は、チョクラルスキー（ＣＺ）法又は浮遊帯域（ＦＺ）法によって製造されるシリコンの単結晶ブールを用いる。ＣＺ法およびＦＺ法は両方とも、材料の円形又は丸いブールを生成する。円形のブールを正方形又は長方形の断面に切断し、次にシード材料のための片にスライスする。通常のＣＺ及びＦＺ法では、数百ミリメートルまでのブールが製造され、非常に大きなブールは直径が約３００〜４５０ｍｍである。ブールを正方形に切断してシード材料をスライスすると、３００ｍｍの直径のブールから一辺が約２１０ｍｍの正方形が得られる。得られるシード材料は、方向性凝固において用いるるつぼの底部の５０％未満を覆う。

過剰の注意を払わないと、緩く当接しているシードタイルが上記の融着したシード層及び成長したインゴットの両方において大きな欠陥を有する結晶領域を形成する傾向がある。これらの大きな欠陥を有する領域が成長し、この材料から製造される太陽電池セルに関して問題を引き起こすようになり、通常はより低い太陽電池セルの効率がもたらされる。

方向性凝固のために用いるより大きなるつぼに寸法が対応するシード層を製造する必要性及び要望が存在する。通常の取扱い中に破砕せず、複数回の鋳造サイクルにおいて用いることができるモノリシックのシード層を製造する必要性及び要望が存在する。実質的に欠陥を有しないシード層を非常に大きなスケールで形成する必要性及び要望が存在する。また、製造される鋳造シリコンの体積を増加させることによって鋳造結晶質シリコンの単位体積あたりのコストを低下させる必要性及び要望も存在する。

本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層及びシード層の製造方法を記載し且つこれに関する。望ましくは、本方法は、シリコン鋳造プロセスにおいて用いるための強固な高品質シードプレートを形成する高純度結晶構造を生成させる。本発明は、方向性凝固のために用いるより大きなるつぼに寸法が対応するシード層を製造する方法を包含する。本発明はまた、通常の取扱い中に破砕せず、複数回の鋳造サイクルにおいて用いることができるモノリシックのシード層を製造する方法も包含する。本発明はまた、製造される鋳造シリコンの体積を増加させることによって鋳造結晶質シリコンの単位体積あたりのコストを低下させる方法も包含する。ここで開示する方法を最適に適用することによって、大面積シーディングのための欠陥を有しないか又は欠陥をほぼ有しないシード結晶が得られるであろう。

一態様によれば、本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層の製造方法に関する。本方法は、好適な表面上において、タイルを端部を整列させて配置して継ぎ目を形成する工程、及び継ぎ目においてタイルを結合させてシード層を形成する工程を含む。

結合工程としては、タイルを加熱してタイルの少なくとも一部を溶融させるか、又はタイルを少なくとも１つの継ぎ目の両端において電極と接触させるなどの幾つかの態様を挙げることができる。結合工程にはまた、アモルファスシリコンをプラズマ堆積するか、又は光子を照射することを含ませることもできる。結合工程にはまた、酸化、化学蒸着、液相溶液堆積、プラズマ援用堆積、分子線エピタキシーなどのような層体積を含ませることもできる。

第２の態様によれば、本発明は、本発明の任意の方法又は技術の工程によって製造されるシード層を包含する。
第３の態様によれば、本発明は太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層を包含する。シード層は、幅及び長さが少なくとも約５００ｍｍの直線形状を有する。

本明細書中に包含されその一部を構成する添付の図面は、本発明の幾つかの態様を示し、明細書と共に本発明の特徴、有利性、及び原理を説明するように働く。

図１は、一態様によるシードタイルを製造するためのブロック片を示す。 図２は、一態様によるシードタイルのマトリクスを示す。 図３は、一態様による堆積プロセスを示す。 図４は、一態様によるタイルの間隙を示す。 図５は、一態様によるシード層を示す。 図６Ａは、一態様による４つ角継ぎ目結合を示す。図６Ｂは、一態様によるずらした継ぎ目結合部を示す。 図７Ａは、一態様によるタイルの層状配置を示す。図７Ｂは、一態様による図７Ａの配置の上面図を示す。図７Ｃは、一態様による図７Ａの配置から形成されるシード層を示す。

本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層及びシード層の製造方法を記載し且つこれに関する。シリコンの方向性凝固によって、公知のチョクラルスキー又は浮遊帯域法よりも大きなるつぼの使用及び大きな規模の製造を可能にすることができる。方向性凝固には、シード結晶又はシード層を用いて、シード層をるつぼ又は容器の１以上の表面上に配置するなどのようにして結晶成長を配向させることを含ませることができる。したがって、方向性凝固は非常に大きな単結晶シード層を使用する利益を享受することができる。シード層は、少なくとも約５００ｍｍ平方、少なくとも約６３０ｍｍ平方、少なくとも約７５０ｍｍ平方、少なくとも約９５０ｍｍ平方などのような任意の好適な寸法であってよい。望ましくは、シード結晶は、インゴットの底部からシード層を切り出し、シード層を次のバッチのためのるつぼの底部上に配置することなどによって、複数回のバッチのために複数回再使用することができる。

一態様によれば、シード層は、通常はチョクラルスキー又は浮遊帯域法を用いて成長したより小さな単結晶片から作成することができる。これらの片は、直線形状にサイジングし、エッチングして損傷又は不純物を除去し、可能な限り密に当接させて、最初の鋳造用のシード層を形成することができる。当接部は、製造中に引き起こされた表面粗さを有していてよい。他の態様においては、シードの薄層を第２のより厚い層に頂部上で当接させ、上側のシードを、片の間に十分に制御された間隙を有して当接させずに整列させることができる。研磨プロセスによって、表面粗さを減少させ、当接の密接さを向上させるのを促進することができる。シード片の間の小さい間隙は、最初の鋳造によってギザギザしているか及び／又は欠陥を有する境界を形成する傾向を有する可能性がある。境界はその後の鋳造によって向上させることはできない。

更に、離れて配置された片から製造されるシード層は、一般にシード層の深さを横切って約２ｍｍ〜約２ｃｍのような最大溶融深さまでしか融着しない。シード片の元々の端部の非溶融部分は、その後の通常の取扱い中にシード層の亀裂を引き起こす可能性がある脆弱点又は切れ込み線を形成する可能性がある。

一態様によれば、本発明は、鋳造インゴットにおいてシード層として用いるための単一の強固なシリコン片（単結晶質又は幾何的多結晶質のいずれか）の製造方法を包含する。本方法には、チョクラルスキー法、浮遊帯域法、又は他の好適な鋳造法によって成長させた単結晶シリコンのより小さい片を融着させることを含ませることができる。このプロセスにおける第１の工程は、シードを製造することか又はシードタイルを製造することを含む。望ましくは、チョクラルスキーブール又は浮遊帯域ブールを正方形の断面に切断して、例えばタイルを形成することができる。タイル又はブロックの側部は、シード間の間隔を最小にするために高精度仕上げ状態に研磨又は精密研磨することができる。

結合工程又はプロセスは幾つかの形態の１つをとることができる。結合方法の第１のオプションには、シード層の一部を溶融することを含ませることができる。シードタイルを注意深く当接させて、片の間に継ぎ目を形成する最小の間隔を有するシリコンの単一の層を形成することができる。シードタイルは、融着シリカプレートの上、るつぼの内部、溶融シリカビーズの層の頂部上、溶融シリカ粉末の層の頂部上、シリコンシード層上などのような好適な表面上に配置することができる。場合によっては、好適な表面には、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのような剥離被覆をそれに施して含ませることができる。当接させたシードタイルを有する好適な表面を、加熱又は焼成のために炉又はオーブン内に配置することができる。望ましくは、加熱はアルゴン雰囲気又は他の好適な不活性雰囲気下で行う。シリコンタイルをシリコンの融点（約１，４１４℃）に加熱することができる。望ましくは、シードタイルの少なくとも頂部、及び場合によってはシードタイルの底部を溶融させてタイルを融着させてシード層を形成する。シード層を冷却又は徐冷して、例えば結晶成長を行うことができる。場合によっては、シード層を反転させるか又はひっくり返すことができる。加熱プロセス及び冷却プロセスを、反転させたシード層について繰り返すことができる。

結合方法の第２のオプションには直接電気溶融を含ませることができる。シードタイルを密に当接させて継ぎ目を形成することができる。高電流電極（好ましくは高ドープシリコン末端部を有する）を継ぎ目の両方の端部に接続し、シリコンタイルの両方の片を継ぎ目のいずれかの側部上で接触させることができる。例えば継ぎ目の一部が溶融するまで、電極及びシリコンタイルを通して継ぎ目に沿って電流を流すことができる。望ましくは、シリコンの導電度は温度と共に増加するので、溶融区域は電流路に沿って狭く集中する。場合によっては、タイルは、アルゴン雰囲気中又は他の好適な不活性若しくは制御雰囲気下に配置することができる。電流を停止し、全ての継ぎ目の継ぎ合わせが完了するまで他の継ぎ目を同じ方法で融着させることができる。直接電気溶融によって、シード層全体を溶融させることなくシードタイルを溶接又は融着させることができる。シード層を冷却又は徐冷して、例えば制御された結晶成長を可能にするか及び／又は欠陥のない冷却を可能にすることができる。

結合方法の第３のオプションにはアモルファスシリコン堆積を含ませることができる。タイル又は片に切断する前に、シード材料のブロックの側部にアモルファスシリコンを堆積させることができる。タイルを密に当接させて継ぎ目を形成することができる。場合によっては、本方法には、シードタイルを切断するか及び／又は一緒に載置した後に、アモルファスシリコンをコンフォーマルプラズマ堆積することを含ませることができる。僅かな圧力及び／又は好適な圧力を加えて、異なるタイル又は片の間の接触を与えることができる。シード層全体を約５５０℃〜約６００℃の温度に加熱してアモルファス層を融着させ、固相エピタキシーなどによってアモルファス層を結晶化させることができる。更なる熱処理工程には、例えば界面における酸素を除去するためにより高い温度でのアニーリングを含ませるか或いは熱処理を与えることができる。シード層を冷却又は徐冷して、例えば応力誘導欠陥の形成を抑止又は減少させることができる。応力誘導欠陥としては、転位及び／又は滑り線を挙げることができる。

結合方法の第４のオプションには、光子を照射することによって溶融させることを含ませることができる。シードタイル又は片を当接させて継ぎ目を形成することができる。シードタイルを、レーザー溶融、標的（局在化）フラッシュランプ溶融などによって継ぎ目において融着させることができる。必要な場合にはシード層を冷却又は徐冷して、例えば応力誘導欠陥の形成を抑止することができる。

結合方法の第５のオプションにはエピタキシャル堆積を含ませることができる。シードタイル又は片を当接させて継ぎ目を形成することができる。高温（約８００℃〜約９００℃）におけるシリコンのエピタキシャル堆積を用いてシードタイルの継ぎ目を融着させることができる。場合によっては、高圧プラズマ援用堆積を用いて堆積のコンフォーマリティ又は均一性を増加させることができる。シード層を冷却又は徐冷して、例えば応力誘導欠陥の形成を抑止することができる。

一態様によれば、本発明は、例えば結晶成長用のシード層のために、シリコン又は他の半導体材料の別々の複数のタイル又は片を単一の片に融着させる種々の方法を包含する。本発明の範囲には、シリコンの複数の片を融着させるために標的溶融及び材料堆積法を用いることを含ませることができる。

図１は、一態様によるシードタイル１２用のブロック１４を示す。ブロック１４をシードタイル１２に切断することができる。シードタイル１２は端部１６を有し、直線形状６２を有していてよい。端部１６は、研磨するか、テーパー加工するか、及び／又はアモルファスシリコンを堆積することができる。

図２は、一態様によるシード層１０を形成するシードタイル１２のマトリクス２６を示す。タイル１２は端部１６を有し、これを当接させるか又は一緒に配置して継ぎ目１８を形成することができる。シード層１０は頂部２２及び底部２４を有する。電極２８によって、タイル１２を継ぎ目１８において結合又は融着させることができる。電極２８は、継ぎ目１８の下方へ、継ぎ目を横切って、及び／又は継ぎ目に沿って電流３０を流す。電極２８は、固定電極３２、及びその近傍の矢印によって示される方向に移動する電極３４を含んでいてよい。別の態様においては、光子４４によってタイル１２を継ぎ目１８において結合又は融着させることができる。光子４４は、レーザー４６又はフラッシュランプ４８によって照射することができる。

図３は、一態様による堆積プロセス３６を示す。シード層１０は、継ぎ目１８を形成する端部１６を有するタイル１２を含む。堆積プロセス３６には、例えば化学蒸着のための雲状体３８を含ませることができる。

図４は、一態様によるタイルの間隙４２を示す。タイル１２にテーパー部を含ませて間隙４２を形成することができる。
図５は、一態様によるシード層１０を示す。シード層１０又はタイル１２を好適な表面２０上に配置することができる。シード層には、厚いタイル５０を薄いタイル５２と交互に含ませることができる。場合によっては及び／又は別の態様においては、シード層１０には、第１の結晶配向５８及び第２の結晶配向６０を有するタイル１２を例えば交互に含ませることができる。

図６Ａは、一態様による４つ角継ぎ目結合５４を示す。タイル１２は、４つのタイル１２が全て単一の接点で結合する角部を有する４つ角継ぎ目結合５４を形成していてよい。
図６Ｂは、一態様によるずれ継ぎ目結合５６を示す。タイル１２は、２つのタイル１２が第１の接点を形成し、２つの他のタイル１２が第２の接点を形成するずれ継ぎ目結合５６を形成していてよい。２つより多い接点を有する結合は本発明の範囲内である。

図７Ａは、一態様によるタイルの層状配列の側断面図を示す。この配列は、より厚いブロック６６が薄いブロック６４の頂部上に配置されてずれた継ぎ目６６（それぞれの層の間隙が整列していない）を形成している薄いブロック６４の底部を含む。シード層に加工又は加熱する前に、多結晶シリコンのような供給材料７０の片を配列の頂部上に配置することができる。望ましくは、薄いブロック６４によって、ずれた継ぎ目６８中に充填する材料のための表面及び／又は結晶化パターンを与えることができる。図７Ｂは、一態様による図７Ａの配列の上面図を示す。この配列は、薄いブロック６４、厚いブロック６６、ずれた継ぎ目６８、及び供給材料７０を含む。

図７Ｃは、一態様による図７Ａの配列から製造されるシード層１０を示す。シード層１０は、溶融した供給材料７０（図示せず）を処理してずれた継ぎ目６８の間隙に充填して低欠陥の単結晶を形成した後に形成することができる。シード層１０は、薄いブロック６４をインゴット用の材料と共に溶融することができる場合などにシードとして最初か又は初期に使用するために反転又はひっくり返すことができる。

更に、ここではシリコンのシード層を記載したが、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく他の半導体材料及び非金属結晶質材料を製造することができる。例えば、本発明者らは、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、シリコンゲルマニウム、酸化アルミニウム（そのサファイアの単結晶形態を含む）、窒化ガリウム、酸化亜鉛、硫化亜鉛、ヒ化ガリウムインジウム、アンチモン化インジウム、ゲルマニウム、酸化イットリウムバリウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及び他の半導体、酸化物、並びに液相を有する金属間化合物のような、本発明の幾つかの態様と合致する他の材料のシード層を意図している。更に、多数の他のＩＩＩ〜Ｖ族又はＩＩ〜ＶＩ族の材料、並びに金属及び合金を、本発明の幾つかの態様にしたがって製造することができる。

シード層には、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、近多結晶シリコン、幾何的多結晶シリコン、及び／又は単結晶シリコンを含ませることができる。多結晶シリコンとは、ほぼセンチメートルスケールの粒径分布を有し、複数のランダムに配向した結晶が多結晶シリコン体内に配置されている結晶質シリコンを指す。

幾何的多結晶シリコン又は幾何的配列多結晶シリコンとは、非ランダムに配列したセンチメートルスケールの粒径分布を有し、多重配列した結晶が多結晶シリコン体内に配置されている結晶質シリコンを指す。幾何的多結晶シリコンは、通常は約０．５ｃｍ〜約５ｃｍの平均寸法を有する粒子を含んでいてよく、幾何的多結晶シリコン体内の粒子配向は、好適なシード結晶の組合せを用いるなどによって所定の配向にしたがって制御することができる。

多結晶シリコンとは、マイクロメートル乃至ミリメートルスケールの粒径を有し、所定の結晶質シリコン体内に複数の粒子配向が配置されている結晶質シリコンを指す。多結晶シリコンは、通常はほぼサブミクロン乃至ほぼミクロンの平均寸法（例えば、個々の粒子は裸眼で視認できない）、及び全体にわたってランダムに分布している粒子配向を有する粒子を含んでいてよい。

単結晶シリコンとは、材料が一般的及び／又は実質的に同じ結晶配向を有しているので非常に少ない粒界を有する結晶質シリコンを指す。単結晶質材料は、結晶成長を固定するための固化中に液体シリコンと接触させる結晶質材料の片のような１以上のシード結晶を用いて形成することができる。近単結晶シリコンとは、一般に、単結晶シリコンよりも多いが多結晶シリコンよりも概して実質的に少ない粒界を有する結晶質シリコンを指す。

一態様によれば、本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層の製造方法を包含する。本方法は、好適な表面上において、タイルを端部を整列させて配置して継ぎ目を形成する工程、及び継ぎ目においてタイルを結合させてシード層を形成する工程を含む。

シリコンの鋳造とは、広範には、供給材料の少なくとも一部を溶融及び固化する任意の好適なプロセスを指す。鋳造には、上記に記載の１以上の材料への結晶成長及び／又は配向を含ませることができる。場合によっては、鋳造には精練又は精製工程を含ませることができる。

シード層とは、広範には、例えば結晶成長を配向するために鋳造プロセスにおいて用いるのに好適な材料の物体又は片を指す。シード層は、るつぼの底部上、るつぼの側部上、上記からの溶融表面と接触させるなどのように任意の好適な位置に配置することができる。シード層は任意の好適な寸法及び／又は形状を有していてよい。望ましくは、シード層によって、それをその上に配置する表面を少なくとも実質的に被覆するか又は充填することができる。別の態様においては、シード層は、それをその上に配置する表面の好適な部分のみ、例えば少なくとも約２０％、少なくとも約４０％、少なくとも約６０％、少なくとも約８０％などを被覆する。

シード層は、少なくとも約３００ｃｍ、少なくとも約４００ｃｍ、少なくとも約５００ｃｍ、少なくとも約６００ｃｍ、少なくとも約７００ｃｍ、少なくとも約７５０ｃｍ、少なくとも約８００ｃｍ、少なくとも約９００ｃｍ、少なくとも約１，０００ｃｍ、少なくとも約１，２００ｃｍなどの幅、長さ、又は半径を有していてよい。

シード層は、約１ｍｍ〜約１００ｍｍの間、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの間、約１０ｍｍなどのような任意の好適な厚さを有していてよい。
シード層は、円形、三角形、長方形、正方形、五角形、六角形、八角形、多角形、直線形状、弓形形状、対称形状、不規則形状などのような任意の好適な形状を有していてよい。望ましくは、シード層は、それを鋳造のためにその中又はそれに対して配置する形状又は表面に対応する。

配置とは、広範には、設置、位置づけ、配置、配列などを指す。タイルとは、広範には、好適なシード材料の片又は部品を指す。タイルは任意の好適な寸法及び／又は形状を有していてよい。異なるタイルは、同じか又は異なる組成及び／又は結晶配向を有していてよい。例えば継ぎ目又は結合部をずらすために、異なるタイル寸法及び／又は形状の組合せが可能である。一態様によれば、タイル寸法及び／又は形状の配列は、所定の表面積に関してタイル間の継ぎ目又は結合部の長さを最小化するように定められる。シードタイルは、円形、三角形、長方形、正方形、五角形、六角形、八角形、多角形、直線形状、弓形形状、対称形状、不規則形状などのような任意の好適な形状を有していてよい。

タイルを配置することによってマトリクス又はアレーを形成することができる。マトリクスは、２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１５×１５、２０×２０、５０×５０、１００×１００などのような任意の好適な数の行及び／又は列を有していてよい。長方形及び正方形のマトリクスは本発明の範囲内である。例えば好ましい配向の中心部分の周りに異なる結晶配向の環状部又は縁部を形成するために同じか又は異なる結晶配向を有するタイルを組み合わせることは、本発明の範囲内である。例えば通常的に形成される粒界を生成させるためにチェッカー盤状にタイルを配列することは、本発明の範囲内である。水平設置するためのシード層は、垂直設置するためのシード層のためのタイルに対して概して垂直にスライスしたタイルから製造することができる。

望ましくは、配置によって１以上のタイルの間の間隙又は間隔を最小にする。整列又は当接させた端部によって継ぎ目を形成することができる。継ぎ目とは、広範には、端部の当接によって形成される線、細長い面、溝、及び／又はリッジのような隣接するタイル又は端部の間の空間を指す。

好適な表面とは、広範には、シード層を製造するための装置の少なくとも概して平面上の外部部分を指す。好適な表面は、概して水平であってよく、及び／又は任意の他の好適な角度で配置することができる。望ましくは、外部表面は少なくとも比較的平滑で平坦な仕上げ面を含む。好適な表面は、シリカ、溶融シリカ、炭素−炭素複合体、セラミック、アルミナなどのような任意の好適な材料を含んでいてよい。好適な表面は、るつぼの内側、溶融シリカビーズの層の頂部上、溶融シリカ粉末の層の頂部上などの溶融シリカプレートのような任意の好適な形態を含んでいてよい。場合によっては、好適な表面は、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのようなそれに施された剥離被覆を含んでいてよい。

結合とは、広範には、２以上の片又はタイルを結合、融着、溶接、焼結、固定などするための任意の好適なプロセス又は工程を指す。結合は、機械的原理、化学的原理、材料科学的原理、熱力学的原理などに基づくものであってよい。望ましくは、結合によって継ぎ目を融着させて連続シード層を形成する。結合によって、継ぎ目をもはや視認又は検出できなくすることができる。結合によって、個々のタイルを単一のシード層及び／又はモノリシックのシード層にすることができる。結合によって、単一の片として鋳造したような強度及び／又は機械的完全性を有するシード層を製造することができる。結合によって、通常の使用中に破砕することなく鋳造中において取り扱うことができるシード層を得ることができる。結合によって、複数の鋳造サイクル又はバッチにおいて再使用することができるシード層を得ることができる。

一態様によれば、結合工程には、タイルを加熱してタイルの少なくとも一部を溶融させて継ぎ目を閉じる工程、及びシード層を冷却する工程を含ませることができる。タイルの加熱は、炉内に配置する、オーブン内に配置する、抵抗加熱器を用いる、誘導加熱器を用いる、マイクロ波を用いる、赤外エネルギーを用いる、紫外エネルギーを用いる、他の放射源を用いる、他の高周波源を用いる、加熱空気を用いる、他の対流源を用いる、直接接触を用いる、他の伝導源を用いる、プラズマトーチを用いる、他の炎源を用いるなどのような任意の好適な方法によるものであってよい。例えばタイルの残りの溶融を減少させるために継ぎ目の位置に集中するか又はこれを目標にして加熱を行うことは、本発明の範囲内である。別の態様においては、加熱は全てのタイル及び／又はシード層全体に対して行うことができる。

溶融とは、広範には、物質の内部エネルギー又は温度を物質の融点以上に上昇させることを指す。シリコンは１，４１４℃の融点を有する。溶融は、タイルの深さの少なくとも約１０％、タイルの深さの少なくとも約２０％、タイルの深さの少なくとも約３０％、タイルの深さの少なくとも約４０％、タイルの深さの少なくとも約５０％、タイルの深さの少なくとも約６０％、タイルの深さの少なくとも約７０％、タイルの深さの少なくとも約８０％、タイルの深さの少なくとも約９０％などのような任意の好適な量で実施することができる。

閉じるとは、広範には、上記で議論したような接合部の除去又は接合を指す。望ましくは、閉じた継ぎ目は、例えばナトリウムエッチングの後の裸眼又は顕微鏡による視認検査によって、もはや検出できない。

冷却とは、広範には、材料の内部エネルギー及び／又は温度を除去及び／又は低下させることを指す。冷却は、タイルの融点以下及び／又は雰囲気若しくは室温条件のような任意の十分な温度に実施することができる。冷却は、ヒートシンクに対して活性であってよく、及び／又は周辺環境に放射することによって不活性であってもよい。別の態様においては、冷却は、例えばヒーターによって調節して制御された速度で行うことができる。

シード層の冷却は、例えば結晶成長を行わせ、及び／又はシード層に対する熱応力を減少させるように好適な速度で行うことができる。冷却は、１時間あたり約２５℃、１時間あたり約５０℃、１時間あたり約７５℃、１時間あたり約１００℃、１時間あたり約２００℃などであってよい。冷却は、約８００℃より高い全ての温度に関しては１時間あたり１００℃で、約８００℃以下の全ての温度に関しては１時間あたり２００℃のように、異なる温度範囲にわたって異なる速度で行うことができる。

一態様によれば、本方法には、シード層を上面及び底面に対して再配置、反転、又はひっくり返す工程、それに続いてシード層を冷却する工程を更に含ませることができる。シード層を反転させることによって、継ぎ目の先の底面を溶融させてシード層を更に強化することを可能にするか又はこれを与えることができる。本方法にはまた、シード層を再加熱してシード層の少なくとも従前に溶融していない部分を溶融させて継ぎ目を閉じる工程、及びシード層を再冷却する工程を含ませることができる。

再加熱工程は、最初の加熱に関して上記で議論した全ての特色及び特徴を含む。望ましくは、シード層の非溶融部分は、最初の加熱において溶融しなかったシード層の残りの厚さの少なくとも一部を含む。例えば継ぎ目の結合及び／又は層内の空隙の排除を確実にするために、溶融工程（加熱及び再加熱）を重複させる場合がある。再冷却工程は、最初の加熱に関して上記で議論した全ての特色及び特徴を含む。最初の冷却によってシード層を固化し、次に未だ熱い状態の間にそれを反転させることができる。第２の冷却によってシード層を固化して、それを雰囲気条件に冷却することができる。

一態様によれば、結合工程には、少なくとも１つの継ぎ目の両方の端部においてタイルを電極と接触させる工程、及び電極の間のタイルを通して電流を流して、タイルの少なくとも一部を溶融させて継ぎ目を閉じる工程を含ませることができる。本方法には、場合によって層中のそれぞれの継ぎ目に関して接触及び電流の流動を繰り返す工程、及びシード層を冷却する工程を更に含ませることができる。例えば結晶成長を行わせるために、シード層を冷却又は徐冷することができる。

接触とは、広範には、物体の間に電気を流すために接触させるか又は十分に近接させることを指す。電極（１つのアノード及び１つのカソード）とは、広範には、タイル及び／又はシード層に電流を供給するための器具を指す。電流としては、直流電流及び／又は交流電流を挙げることができる。電流は、任意の好適な電圧、アンペア数、出力、及び／又は周波数を有していてよい。電極は、概して円筒形状などの任意の好適な形状を有していてよい。１以上の電極は例えば溶接棒のように消耗しうるものであってよい。別の態様においては、電極は好適な耐久性物質製である。一態様によれば、電極は高ドープシリコンを含んでいてよい。

電極は、継ぎ目のそれぞれの端部において縦方向のような任意の好適な位置で配置することができる。別の態様においては、電極は継ぎ目に対して横方向に配置することができる。電流を流す工程の間に両方の電極を静止して（固定位置に）保持することができる。別の態様においては、電流を流す工程の間に少なくとも１つの電極をタイルに対して移動させることができる。

一態様によれば、結合工程には、アモルファスシリコンを堆積させて継ぎ目を閉じることを含ませることができる。アモルファスとは、広範には、概して結晶質の構造を有しないものを指す。アモルファスシリコンは、ブロック、ブリック、ブールなどからスライスする前にシードタイルに施すことができる。アモルファスシリコンによって、タイルの端部又は側部を被覆又はカバーすることができるが、一般に頂部又は底部は被覆しない。ソーなどを用いてブロックをタイルにスライスすることができる。別の態様においては、アモルファスシリコンをタイル上に堆積させて、頂部及び／又は底部上の過剰の層をプラズマエッチングなどによって除去することができる。

アモルファスシリコンは、コンフォーマルプラズマ堆積などのような任意の好適な方法で施すか又は加えることができる。次に、タイルを配列又は整列させて上記で議論したような継ぎ目を形成することができる。圧力などを用いてタイルを圧縮又は圧搾して、アモルファスシリコン被覆を密に接触させることができる。

本方法には、約１５０℃〜約１，０００℃の間、約５００℃〜約７５０℃の間、約５５０℃〜約６００℃の間などのような適当な昇温温度における加熱工程を更に含ませることができる。加熱時間は、数分間〜２４時間の間のような任意の好適な長さであってよい。加熱により、固相エピタキシーなどによってアモルファスシリコンを結晶質シリコンに変換することができる。アモルファスシリコンは、シードタイル及び／又はシード層の結晶質部分と接触させることなどによって、シリコンの融点よりも低い温度で結晶質にすることができる。例えば結晶成長を行うためにシード層を冷却又は徐冷することができる。アモルファスシリコン被覆が２つのタイルを橋架していない場合には、加熱工程によってタイル層の間に原子スケールの結合を引き起こすことができる。例えば、表面を高度に清浄化し、適当なアニーリングサイクル（上記に記載したものと同様）を行い、必要な場合には圧力を加えることを伴う標準的なウエハー結合方法を用いることによる。結合は、表面全体を完全に横切って有効にする必要はない。

場合によっては、シード層を、固相エピタキシー及び／又は冷却工程の後などに高温アニール又は熱処理にかけることができる。高温アニールを任意の好適な温度及び／又は経過時間で行って、その後に好適な冷却を行うことができる。温度としては、少なくとも約８００℃、少なくとも約１，０００℃、少なくとも約１，２００℃、少なくとも約１，４００℃などを挙げることができる。例えば結晶成長を行うためにシード層を冷却又は徐冷することができる。或いは、表面のフラッシュランプ又はレーザーアニーリングの後に、試料又はその若干部分を非常に速い冷却速度でクエンチすることができる。冷却速度としては、少なくとも約３００°Ｋ／秒、少なくとも約５００°Ｋ／秒、少なくとも約７００°Ｋ／秒などのような任意の好適な値を挙げることができる。

本方法にはまた、タイルの１以上の側部をテーパー加工する工程を含ませることができる。テーパー加工した側部は、タイルを互いに配置又は当接させた際に一般にＶ形の間隙を形成することができる。テーパー加工は、タイルをスライスする前などにブロック全体に対して行うことができる。別の態様においては、テーパー加工は個々のタイルに対して行うことができる。テーパー加工は、約０．１°、約０．５°、約１°、約２°、約３°、約４°、約５°、約１０°、約１５°、約２０°などのような任意の好適な垂直からの角度で行うことができる。間隙は、最も広い点で約０．０１ｍｍ、最も広い点で約０．０５ｍｍ、最も広い点で約０．１ｍｍ、最も広い点で約０．５ｍｍ、最も広い点で約１ｍｍ、最も広い点で約１．５ｍｍ、最も広い点で約２．０ｍｍ、最も広い点で約３．０ｍｍなどのような任意の好適な距離であってよい。

別の態様においては、例えば間隙なしに且つ好適な角度で継ぎ目を形成するために、テーパー加工したタイルを、互いに対して上向きのタイル及び下向きのタイルを用いて配置することができる。斜めの継ぎ目は、約１°、約２°、約３°、約５°、約１０°、約２０°、約４０°、約６０°などのような任意の好適な角度を有していてよい。

一態様によれば、結合工程には光子を照射して継ぎ目を閉じる工程を含ませることができる。光子は、任意の好適な波長、振幅、強度、源などを有していてよい。光子は、継ぎ目か及び／又は継ぎ目付近でのシリコン又はタイルのレーザー溶接又はフラッシュランプ溶融などによる任意の好適な方法で照射することができる。レーザー溶接とは、広範には、放射線の誘導放出による光増幅によって生起するコヒーレント光を照射することを指す。例えば継ぎ目を閉じるために、レーザー溶接を集中又は精密適用することができる。フラッシュランプ溶融又はアニーリングには、シードタイルの選択区域又は目標区域などに光子を照射することを含ませることができる。レーザー及び／又はフラッシュランプは、光子の照射中などに継ぎ目の長さに沿ってか又はそれの下側に移動又は動かすことができる。別の態様においては、レーザー及び／又はフラッシュランプによって、継ぎ目の全長を実質的に同時に溶融又は融着させることができる。

例えばシード層の底部又は反対側に光子を照射することができるようにするためにシード層を反転又はひっくり返すことができる。照射した光子によって、上記で議論したようにタイルの深さの任意の好適な部分を溶融させることができる。

ここで開示する任意及び／又は全ての工程は、例えば材料の損失、シード層の汚染などを抑止するために、不活性雰囲気下にある状態で完了又は達成させることができる。好適な不活性雰囲気としては、真空、アルゴン、窒素、ヘリウム、キセノンなどを挙げることができる。別の態様においては、本方法の１以上の工程を、空気、酸素、他の好適な酸化性雰囲気などの下にある間に完了又は達成させることができる。

ここで開示する任意及び／又は全ての工程には、タイルの一部をシード層中に溶融又は融着させる１以上の工程の後などに、冷却、固化、及び／又は結晶化を含ませることができる。

例えば製造後に使用するためにシード層を整形するために、シード層を任意の好適な方法で切断又は成形することができる。例えば厚さを増加させるために、１つより多いシード層を他のシード層の頂部上に積層することができる。タイルを結合するためのここで記載する任意の方法を層又は皮層に適用することができる。望ましくは、例えば継ぎ目の重なりを最小にして強度を増加させるために、層をずらすか又はシフトさせることができる。望ましくは、しかしながら必須ではないが、全ての層は互いに同じ結晶構造又は配向を有していてよい。

一態様によれば、結合工程には層堆積を行って継ぎ目を閉じる工程を含ませることができる。層堆積としては、酸化、化学蒸着、液相溶液堆積、プラズマ援用堆積、分子ビームエピタキシーなどのような任意の好適なプロセス又は技術を挙げることができる。

ここで開示する任意の結合工程又は方法の組み合わせは本発明の範囲内である。組み合わせた結合技術は同時か又は順次適用することができる。
一態様によれば、層堆積としては、約５００℃〜約１，４００℃、約７００℃〜約１，１００℃などのような好適な温度におけるエピタキシャル堆積を挙げることができる。エピタキシーとは、広範には、基材の配向にしたがうか及び／又はそれを擬する結晶質基材上への結晶質物質の成長を指す。

上記で議論したように、本方法には、タイルの１以上の側部をテーパー加工することを含ませることができる。１以上の研磨された側部を有するタイルを用いて、ここで開示する任意及び／又は全ての工程を完了又は達成することができる。場合によっては、ここで記載する任意及び／又は全てのプロセスに、タイルの以上の側部を研磨する工程を更に含ませることができる。よく研磨された側部は、一般に、表面粗さを最小にして、切断プロセスからの有害な損傷及び／又は汚染を排除しながらタイル表面のマッチングの密接さを向上させるために望ましい。

タイルは、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、近多結晶シリコン、幾何的多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのように、任意の好適な形態又は結晶配向を有していてよい。タイルは、一致する結晶配向を有するように配列又は整列させることができる。別の態様においては、タイルは、例えば任意の好適な特定の粒界を与える継ぎ目を形成するために、異なる結晶配向を有するように配列又は整列させることができる。一態様によれば、特定の粒界としては、Σ３粒界、Σ５粒界、Σ９粒界、ランダム高角粒界（特定の配向関係を有しない）などのような低エネルギー粒界を挙げることができる。

シード層は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、近多結晶シリコン、幾何的多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのように、任意の好適な形態又は結晶配向を有していてよい。シード層は、一致する結晶配向を有するように配列又は整列させることができる。別の態様においては、シード層は、例えば特定の粒界を与える継ぎ目を形成するために、異なる結晶配向を有するように配列又は整列させることができる。

他の態様の溶融においては、薄いタイルの層を好適な表面上で密に当接させることができる。薄いタイルは、厚さ約１ｍｍ〜厚さ約５ｍｍ、厚さ約２ｍｍ〜厚さ約４ｍｍ、厚さ約２ｍｍなどのような任意の好適な厚さを有していてよい。底部の層は任意の厚さであってよいが、過度の厚さは初めの使用において融解する犠牲層になるので望ましくない。薄いタイル及び／又はより厚いタイルの第２の層を、例えば各タイルの間に間隙を与え、底部の層に対して上部の層を僅かに横方向にずらして第１の層の頂部上に配置することができる。より厚いタイルは、厚さ約１．０ｍｍ〜約５０ｍｍ、厚さ約５ｍｍ〜厚さ約３０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍなどのような任意の好適な厚さを有していてよい。間隙は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、約１ｍｍ〜約３ｍｍ、約２ｍｍなどのような任意の好適な寸法であってよい。ここでも、第２の層はまた任意の厚さであってよいが、最良の目標値はここで開示するものであり、プロセスを制御困難にするほどは薄くなく、単結晶シリコンを浪費し、単一の鋳造からの全生産量が減少するほどは厚くない。

望ましくは、下側の継ぎ目は上側の継ぎ目と合致させない。次に、幾つかの方法の１つによって液体シリコンを間隙中に導入することができる。固体シリコンを他の場所で溶融して間隙中に注ぎ入れたり、固体供給材料の片を上側のシード層上に配置して溶融させたり、厚いタイルの薄い上側部分を溶融して間隙中に流入させることなどを行うことができる。いずれの方法においても、次にタイルの下側層を通して熱を引き抜くことによってアセンブリを冷却してアセンブリを固化させることができる。固化の後、融着したシード層を冷却することができる。鋳造におけるシード層としてのその最初の使用のために、融着したシードを切断することができ、シード層はまた反転させて、次のサイクルにおいて薄いタイルを融解させるようにすることもできる。好ましくは、これらの溶融方法は、不純物に対する曝露を最小にしながら制御された不活性雰囲気内で行う。

一態様によれば、タイルの配列は、厚いタイル及び薄いタイルのように異なる高さを有していてよい。一定の幅の間隙で各タイルを分離して厚いタイルの層を配置し、一方で薄いタイルの層を厚い層に最密隣接させて配置することができる。薄いタイルに対する厚いタイルの高さは、少なくとも約１．２：１、少なくとも約１．５：１、少なくとも約１．７５：１、少なくとも約２：１、少なくとも約４：１などのような任意の好適な比を有していてよい。

一態様によれば、タイルの配列には、例えば４つ角継ぎ目結合の形成を抑止するために、タイルの交互の列を完全に当接させながら互いに僅かにずらしてよいものを含ませることができる。

一態様によれば、本発明は、好適な表面上においてタイルを端部を整列させて配置して継ぎ目を形成する工程、及び継ぎ目においてタイルを結合させてシード層を形成する工程のようなここで記載する任意及び／又は全てのプロセス及び工程によって製造されるシード層を包含する。

一態様によれば、シード層は、幅及び／又は長さが少なくとも５００ｍｍの直線形状を有していてよい。シード層は、単結晶シリコン及び／又は任意の他の好適な材料を含んでいてよい。

一態様によれば、本発明は、太陽電池セル又は太陽電池モジュールにおいて用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層を包含する。シード層は、幅及び長さが少なくとも約５００ｍｍの直線形状を有していてよい。シード層は、単結晶シリコン及び／又は任意の他の好適な材料を含んでいてよい。別の態様においては、シード層は、長さ及び幅が約６００ｍｍ〜約１，０００ｍｍの寸法を有していてよい。シード層は、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの間の厚さを有していてよい。

ここで用いる「有する」、「含む」、及び「包含する」という用語は、開かれた包含的な表現である。また、「から構成される」という用語は、閉じられた排他的な表現である。特許請求の範囲又は明細書における任意の用語の解釈においては不明確さが存在するが、明細書作成者の意図は開かれた包含的な表現である。

方法又はプロセス中の工程に関する順番、数、順序、及び／又は繰り返しの限界に関しては、明細書作成者は、明確に与えられていない限りにおいて、本発明の範囲に対して、工程に関する順番、数、順序、及び／又は繰り返しの限界が含まれることは意図しない。

本発明の範囲及び精神から逸脱することなく開示されている構造及び方法において種々の修正及び変更を行うことができることは当業者に明らかであろう。特に、任意の１つの態様の記載は、２以上の構成要素又は限定の組合せ及び／又は変動を与える記載又は他の態様と自由に組み合わせることができる。本発明の他の態様は、ここで開示する発明の詳細及び実施を考察することによって当業者に明らかとなるであろう。本明細書は例示のみのものと考えられ、発明の真の範囲及び精神は特許請求の範囲によって示されると意図される。

Claims (35)

1. 好適な表面上において、タイルを端部を整列させて配置して継ぎ目を形成し；そして
   継ぎ目においてタイルを結合させてシード層を形成する；
   ことを含む、太陽電池セル又は太陽電池モジュールの製造において用いるのに好適なシリコンシード層の製造方法。
2. 結合が、
   タイルを加熱してタイルの少なくとも一部を溶融させて継ぎ目を閉じ；そして
   シード層を冷却する；
   ことを含む、請求項１に記載の方法。
3. シード層を冷却した後に、シード層を上面及び底面に対して再配置し；
   シード層を再加熱して、シード層の少なくとも従前に溶融していない部分を溶融させて継ぎ目を閉じ；そして
   シード層を再冷却する；
   ことを更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 冷却を約１００℃で１時間行う、請求項２に記載の方法。
5. 結合が、
   タイルを少なくとも１つの継ぎ目の両端において電極と接触させ；
   電極の間のタイルを通して電流を流して、タイルの少なくとも一部を溶融させて継ぎ目を閉じ；
   場合によっては層中のそれぞれの継ぎ目に関して接触及び電流流動を繰り返し；そして
   シード層を冷却する；
   ことを含む、請求項１に記載の方法。
6. 電流を流している間に電極をタイルに対して固定状態で保持する、請求項５に記載の方法。
7. 電流を流している間に少なくとも１つの電極をタイルに対して移動させる、請求項５に記載の方法。
8. 電極が高ドープシリコンを含む、請求項５に記載の方法。
9. 結合がアモルファスシリコンをプラズマ堆積して継ぎ目を閉じることを含む、請求項１に記載の方法。
10. アモルファスシリコンの堆積がコンフォーマルプラズマ堆積を含む、請求項９に記載の方法。
11. シード層を約５００℃〜約７５０℃に加熱することを更に含む、請求項９に記載の方法。
12. 加熱によってアモルファスシリコンを結晶質シリコンに変換する、請求項１１に記載の方法。
13. 高温アニール又は熱処理を更に含む、請求項９に記載の方法。
14. タイルの１以上の側部をテーパー加工することを更に含む、請求項９に記載の方法。
15. 結合が光子を照射して継ぎ目を閉じることを含む、請求項１に記載の方法。
16. 光子の照射が、継ぎ目におけるシリコンのレーザー溶接又は閃光ランプ溶融を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 結合が層堆積を行って継ぎ目を閉じることを含む、請求項１に記載の方法。
18. 層堆積が、酸化、化学蒸着、液相溶液堆積、プラズマ援用堆積、分子線エピタキシー、又はこれらの組合せを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 層堆積が、約７００℃〜約１，１００℃の温度におけるエピタキシャル堆積を含む、請求項１７に記載の方法。
20. タイルの１以上の側部をテーパー加工することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
21. タイルの１以上の側部を研磨することを更に含む、請求項１に記載の方法。
22. 薄いタイルの層を厚い層に最密に隣接させて配置しながら、厚いタイルの層を一定の幅の間隙で各タイルを離して配置する、請求項１に記載の方法。
23. 溶融シリコンを導入して間隙を充填し；そして
    タイルの薄い層を通してシード層を冷却する；
    ことを更に含む、請求項２２に記載の方法。
24. タイルの交互の列を、完全に当接させながら互いに僅かにずらして四つ角継ぎ目結合の形成を阻止する、請求項１に記載の方法。
25. タイルが単結晶質材料を含む、請求項１に記載の方法。
26. 一致した結晶配向を有するようにタイルを整列させる、請求項１に記載の方法。
27. 異なる結晶配向を有するようにタイルを整列させて、特定の粒界をもたらす継ぎ目を形成する、請求項１に記載の方法。
28. 特定の粒界が安定な低エネルギー粒界を含む、請求項２７に記載の方法。
29. 請求項１に記載の方法によって製造されるシード層。
30. シード層が、幅及び長さが少なくとも５００ｍｍの直線形状を有する、請求項３０に記載のシード層。
31. シード層が単結晶シリコンを含む、請求項３０に記載のシード層。
32. 幅及び長さが少なくとも約５００ｍｍの直線形状を有する、太陽電池セル又は太陽電池モジュールの製造において用いるのに好適なシリコンを鋳造するためのシード層。
33. シード層が単結晶シリコンを含む、請求項３２に記載のシード層。
34. シード層が、長さ及び幅が約６００ｍｍ〜約１，０００ｍｍである、請求項３２に記載のシード層。
35. シード層が約２ｍｍ〜約５０ｍｍの厚さを有する、請求項３２に記載のシード層。

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