JP2013118392A - 多結晶型太陽電池パネルの製造方法 - Google Patents

多結晶型太陽電池パネルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】短時間かつ容易にPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成する技術、及び、それにより低コストで製造可能な太陽電池パネルを提供する。
【解決手段】粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末2を、基板3上に塗布し、シリコン粉末2層を形成する工程と、シリコン粉末2層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてP型多結晶シリコン膜4を形成する工程と、多結晶シリコン膜4を形成された基板3を、プラズマ反応室に配置する工程と、前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含むガスを導入してプラズマ化し、P型多結晶シリコン膜4の表層をN型化4bしてPN接合を形成する工程と、N型化4bされたP型多結晶シリコン膜4の表層を活性化する加熱工程とを有する多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【選択図】図5

Description

本発明は多結晶型太陽電池パネルの製造方法に関する。
結晶型太陽電池は、主に単結晶型太陽電池と多結晶型太陽電池とに大別されうる。一般的に結晶型太陽電池は、図1に示されるように、N型またはP型にドーピングされたシリコンインゴット30を、ワイヤ31で切断したり、ダイシング技術を利用して、厚さ200μm程度にスライスし;スライスしたインゴットを、太陽電池の本体となるシリコンウェハとして用いている。シリコンインゴット30は、チョクラルスキー法などで作製した単結晶シリコンインゴットであっても、キャスト法と称される融解したシリコン鋳型を使って凝固させる多結晶シリコンインゴットあってもよい。
シリコンインゴットをワイヤで切断するには、インゴット30に研磨砥粒をかけながら、ワイヤ31で切断することが多いが、切り出すウェハの厚さを薄くするために、さらなる工夫が改善されている(特許文献1などを参照)。例えば特許文献1には、電気絶縁性の液体に浸したシリコンインゴット30を、直径0.2mm程度の黄銅線であるワイヤ31で、放電加工により切断する技術が報告されている。ここで、ワイヤを多条平行に走行させて複数箇所を同時切断すること、などの工夫も提案されている。しかしながら、特許文献1に記載の技術を用いても、得られるウェハの厚さを100μm以下とすることはやはり困難である。さらにワイヤによる切断によって、ウェハ表面付近に折損が発生することがあり、それを修復するために化学薬品を利用しウエット処理すると、太陽電池の発電効率に悪影響がでることがある。
また、多結晶型太陽電池用のシリコン基板の製造方法として、支持基板に堆積したシリコン粒子を溶融して多結晶化する方法も知られている(特許文献2を参照)。図2には、シリコン多結晶膜の製膜装置が示される。シリコン陽極40にアーク放電41をあてて生成したシリコン粒子42(20nm以下)を、アルゴンガス43にのせて、輸送管44を通して支持基板45に堆積させ;支持基板45に堆積したシリコン粒子42に、高温プラズマ46を照射して溶融し;ハロゲンランプ47でアニールを行い多結晶シリコン板として;分離室48で、支持基板45と多結晶シリコン板49とを分離する。
また、多結晶型太陽電池用のシリコン基板の製造方法として、平均粒径10μmのシリコン粉末を、プラズマ溶射法によってカーボン基板上に堆積し、その後ハロゲンランプの集後部を堆積されたシリコン膜の表面に照射することで、溶融固体結晶化させる方法が知られている(例えば特許文献3参照)。特許文献3では、超音波破壊法などでシリコンインゴットを機械的に粉砕、粉末化することで、シリコン粉末を得ている。
また、ローラーでシリコンインゴットを粉砕することで、純度の高いシリコン粉末を形成する方法も知られている(例えば特許文献4参照)。
また、アモルファスシリコン層をプラズマでアニールすることで、多結晶化する方法が知られている(例えば特許文献5参照)。
特開2000−263545号公報 特開平6−268242号公報 特開2000−279841号公報 特開昭57−067019号公報 特開平06−333953号公報
このように、多結晶型太陽電池を製造するための、結晶シリコン膜や結晶シリコン板を作製する技術が種々検討されているが、結晶型太陽電池の生産コストを低減させるには、シリコン基板またはシリコン膜の製造コストをさらに低下させることが重要である。
また、一般的なシリコンインゴットは、単結晶シリコンであれば直径300mm、多結晶シリコンでも形状は異なるがほぼ同様のサイズであり、大面積のシリコン基板またはシリコン膜を作製することが困難である。
そこで本発明では、シリコンインゴットを粉砕することでシリコン粉末を得て、それを結晶型太陽電池のシリコン原料として用いることを検討した。太陽電池のシリコン基板またはシリコン膜の純度は、ソーラーグレードシリコン(SOG−Si、通常99.999%以上)の基準を満たす必要がある。ところが、ソーラーグレードシリコンの基準を満たすシリコンインゴットを、その純度を低下させることなく、かつ低コストで粉末化するのは困難であった。
つまり、シリコンインゴットを粉砕するには、一般的に粉砕機やローラーを使用して粉砕する。ところが、粉砕するときに、粉砕機やロールを構成する材料、特に金属材料からの不純物汚染が、シリコンインゴットの粉砕物に混入する。そのため、ソーラーグレードシリコンの基準を満たすシリコンインゴットを粉砕しても、ソーラーグレードシリコンの基準を満たすシリコン粉末は得られなかった。
前述の特許文献2に記載のように、シリコン陽極にアークをあてて高純度のシリコン粒子を発生させることは可能かもしれないが、シリコン粉末の大きさをコントロールすることが困難であるため、太陽電池の特性を高めにくく;かつ、シリコン粉末を基板表面に均一かつ均質に堆積させるには、製造設備が大掛かりなものとなる。
また、特許文献3に示されるように、超音波破壊などの方法で、シリコンインゴットを粉末化する方法では、所望の粒径(0.1〜10μm)のシリコン粒子を得るには、膨大な時間を要する。
そこで本発明は、シリコンインゴットから、純度を低下させることなくシリコン粉末を迅速に得る技術を提供する。
さらには、シリコン結晶膜にドーパントを導入してPN接合を形成するには、ドーパントを含む物質(一般的にはガラス)をシリコン結晶膜に堆積させて熱拡散させた後に、前記物質を除去するか、または、ドーパントを含むガス雰囲気下にシリコン結晶膜を置き、ドーパントを導入する必要がある。これらの手法では、製造工程が増えて長時間が必要であったり、危険性の高いガスの使用が必要であったり、シリコン膜に導入するドーパントの濃度や、ドーパントの導入深さの制御が困難であったりする。
そこで本発明は、短時間かつ容易にPN接合を有する多結晶シリコン膜形成する技術を提供する。また、それにより低コストで製造可能な太陽電池パネルを提供する。
本発明は、以下に示すシリコン粉末を用いて多結晶型太陽電池パネルを製造する方法に関する。
[1]粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてP型多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含むガスを導入してプラズマ化し、前記P型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
を有する多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[2]粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含む固体を載置し、かつ不活性ガスを導入して発生させたプラズマに前記固体をさらして、前記ホウ素を含むP型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[3]粒径10μm以下の、リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記基板上に塗布したN型シリコン粉末層の表面に、ホウ素の粒子を導入したプラズマを走査させることで、その表層がP型化されたN型多結晶シリコン膜であるPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成する工程と、
を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[4]前記シリコン粉末を基板上に塗布する工程は、スキージ、ダイコート、インクジェット塗布、ディスペンサ塗布の少なくとも1つの方法で行う、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[5]前記基板がAl、Ag、Cu、Sn、Zn、In、Feのいずれかを含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[6]前記シリコン粉末層の表面に走査するプラズマが大気圧プラズマである、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[7]前記走査が、100mm/秒以上2000mm/秒以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[8]粒径10μm以下の、リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、N型シリコン粉末の層を形成する工程と、
粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を前記N型シリコン粉末の層上に塗布し、P型シリコン粉末の層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成する工程と、
を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[9]前記シリコン粉末の粒径は、0.03μm以上3μm以下である、[1]〜[8]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
本発明により、高純度のシリコンインゴットから、純度を低下させることなく、安価で効率よくシリコン粉末を作製することができる。また、塗布技術と溶融・結晶化技術とを組み合わせることで、大面積の基板上に塗布したシリコン粉末を、多結晶シリコン膜とすることができる。
また、本発明により、短時間かつ容易にPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成することができ、大面積のPN接合型太陽電池パネルを製造することができる。
シリコンインゴットをワイヤで切断する状態を示す図である。 多結晶シリコン板の製造装置の概略を示す図である。 シリコンインゴットから、所望のシリコン粉末を製造するフローを示す図である。 シリコン粉末の塗布膜をシリコン多結晶膜にするために用いられる大気圧プラズマ装置の概略図である。 実施の形態1の太陽電池パネルを製造するフローを示す図である。 実施の形態2の太陽電池パネルを製造するフローを示す図である。 実施の形態2で用いるプラズマ装置の概略図である。 実施の形態3の太陽電池パネルを製造するフローを示す図である。
1.シリコン粉末の製造方法について
本発明の第1は、シリコンインゴットを粉砕して、シリコン粉末を製造する方法である。図3には、シリコンインゴット1をシリコン粉末2とするフローが示される。
まず、粉砕されるシリコンインゴット1は、ソーラーグレードシリコンの基準を満たすインゴットであることが好ましい。ソーラーグレードシリコンの基準を満たすインゴットとは、シリコン純度が99.99wt%以上、好ましくは99.999wt%以上、より好ましくは99.9999wt%以上のインゴットをいう。
粉砕されるシリコンインゴット1は、N型またはP型にドーピングされている。シリコンインゴット1をN型にドーピングするには、砒素またはリンをインゴットに拡散させればよい。一方、シリコンインゴット1をP型にドーピングするには、ホウ素(B)をインゴットに拡散させればよい。
本発明は、シリコンインゴットの純度を低下させることなく、かつ迅速に粉末化することを特徴とする。具体的には、本発明では、シリコンインゴット1の粉砕は、以下の二つの工程に分けて行われることを特徴とする。二つ以上の工程で行うことで、インゴットを直接、所望の粒径に粉末化するよりも、短時間で粉末化することができる。
粉砕の第一工程は、シリコンインゴット1を、超高圧水切断で粒径約3mm以下、好ましくは1mm以下のシリコン粗粉末2’とする(図3B参照)。超高圧水切断とは、超高圧水の衝突エネルギーを利用して物質を切断する手法である。超高圧水とは、約300MPaの水圧を有する水でありうる。超高圧水切断は、例えばスギノマシン製の超高圧水切断装置を用いて行うことができる。また、このとき使用される水は、半導体プロセスで使用されるレベルの比抵抗18MΩ・cmの超純水であることが好ましい。
粉砕の第二工程は、得られたシリコン粗粉末2’を、湿式微粒化方法、例えばスギノマシン製スターバースト装置、または、ジェットミル、超音波破壊または衝撃波破壊で、粒径0.01μm以上10μm以下、好ましくは粒径0.03μm以上3μm以下のシリコン粉末2とする。
湿式微粒化とは、流路中の被粉砕物が分散した液体に、245MPaという超高圧の圧力エネルギーを与えて、一旦、2つの流路に分岐させ、再度合流する部分で被粉砕物同士を衝突させて、粉砕を行う湿式微粒化システムである。湿式微粒化は、ジェットミル、超音波破壊、衝撃波破壊と同様に、粉砕媒体を使用しない粉砕手段であるため、不純物の混入を抑制することができる。
本発明のシリコン粉末2の粒子径は、粉砕設備の能力、量産における生産時間に加えて、粒子を溶融するための時間などを考慮して設定される。シリコン粉末2の粒径が10μm以下であると、シリコンの溶融温度を低下させることができる。一般的なシリコンの溶融温度は1410℃であるので、シリコンを溶融させるには大規模な炉が必要である。ところが、シリコン粉末の粒径が10μm以下となると、その融点が低下する。例えば、粒径を10μm以下とすると、シリコンの融点は、約800℃となりうる。一方、シリコン粉末の粒径が10μmを超えると、粒子間の接触面積が十分でないため、熱伝達が高まらず、融点が十分に下がらない。
後述する通り、本発明のシリコン粉末2は、基板上に塗布されて、大気圧プラズマによって溶融され、さらに冷却されて再結晶化される。大気圧プラズマによる溶融時間と、シリコン再結晶時間と、生産に適した時間とを全体で短縮するには、粒子径を10μm以下とすることが好ましいことを実験的に見いだした。
シリコン粉末2の下限は特に限定されないが、粉砕設備の能力、および溶融させるメカニカルな能力を踏まえると、0.01μm以上であればよい。
本発明によれば、太陽電池の特性を劣化させる不純物、例えばAl,Fe,Cr,Ca,Kなどを混入させることなくシリコン粉末を得ることができる。つまり、シリコンインゴット1の純度を維持したまま、粉末化することができる。よって、シリコンインゴット1の純度が99.99%以上(好ましくは99.9999%以上)であれば、得られるシリコン粉末の純度も99.99%以上(好ましくは99.9999%以上)とすることができる。
2.太陽電池パネルの製造方法について
本発明の第2は、上述した方法で製造されたシリコン粉末を用いて、太陽電池パネルを製造することである。以下、本発明のシリコン粉末を用いた本発明の太陽電池パネルの製造方法について説明する。
本発明の太陽電池パネルの製造方法は、1)シリコン粉末を、太陽電池の電極となる基板の表面に塗布し、シリコン粉末層を形成する第1工程と、2)基板に塗布したシリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて、多結晶シリコン膜を形成する第2工程とを有する。以下それぞれの工程について説明する。
1)第1工程では、本発明のシリコン粉末を、太陽電池の電極となる基板の表面に均等に塗布し、シリコン粉末層を形成する。
基板は、Al、Ag、Cu、Feなどの太陽電池の裏面電極として用いられる金属基板またはロールであればよく、特に限定されない。また基板3は、Sn、Zn、Inを含む透明性があり、かつ導電性の高い基板であってもよい。透明性を有する基板を用いれば、複数の太陽電池セルを積層させることができる。
シリコン粉末の塗布は、乾燥したシリコン粉末をスキージにて塗布してもよく、シリコン粉末を溶媒に分散させて得たインクを、スピンコート、ダイコート、インクジェットまたはディスペンサなどにより塗布してもよい。前記インクは、シリコン粉末をアルコールなどに分散させて得ることができる。シリコン粉末を含むインクは、例えば特開2004−318165号を参照して得ることができる。
シリコン粉末の基板への塗布量は、正確に調整される必要があり、具体的には約2〜112g/cmに設定することが好ましい。ただし、基板に形成されたシリコン粉末層の表面は、多少の凹凸を有していても構わない。後述のように、シリコン粉末は溶融されるので、シリコン粉末層は平滑化されるためである。
2)第2工程では、基板に塗布したシリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する。
シリコン粉末層の表面に走査するプラズマの種類は特に限定されないが、例えば大気圧プラズマである。大気圧プラズマ装置の概略が、図4に示される。図4に示されるように、大気圧プラズマ装置は、陰極20と陽極21を有する。陽極21には、プラズマ噴射口22が設けられている。陰極20と陽極21との間にDC電圧を印加するとアーク放電が発生するので、不活性ガス(窒素ガスなど)を流すことによって、プラズマ噴射口22からプラズマ23が噴出する。このような大気圧プラズマ装置は、例えば特開2008−53632号公報などに記載されている。
上記の装置のXYZ軸に移動可能なステージに、シリコン粉末を塗布した基板を搭載して、大気圧プラズマ源で基板3の表面を一端から他端まで走査して熱処理を行う。大気圧プラズマの温度は一般的には10000℃以上であるが、プラズマ噴射口22の先端の温度は約2000℃となるように調整する。プラズマ噴射口22は、基板のシリコン粉末から約5mm離間して配置される。投入パワーは20kwとして、プラズマ23を窒素ガスで押出して基板表面に噴射する。噴射口22からのプラズマ23は、基板面の40mm径の領域に照射される。プラズマ23が照射された領域のシリコン粉末は溶融する。
走査スピードは、100mm/秒〜2000mm/秒とすることが好ましく、例えば約1000mm/秒とする。走査スピードが100mm/秒以下であると、下地となる基板3が溶融して、得られる多結晶シリコン膜4(図5参照)へ悪影響を及ぼすことがある。また、走査スピードが2000mm以上であると、シリコン粒子2の上部しか溶融されない。また、2000mm/秒以上の速度で走査するには、装置システムが大掛かりになる。
プラズマを押出す不活性ガスに、微量の水素ガスを混合してもよい。微量の水素を混合することで、シリコン粒子表面の酸化膜を除去することが可能であり、かつ結晶欠陥の少ない多結晶シリコン膜を得ることができる。
大気圧プラズマ23の基板表面での温度は、大気圧電源のパワーや、噴射口22と基板との間隔などによって、任意に制御することができる。大気圧プラズマ23の基板表面での温度を適切に制御して、シリコン粉末の溶融条件を調整する。
シリコン粉末が溶融した後、さらに不活性ガス(窒素ガスなど)をあてて冷却することでシリコンを多結晶化することができる。それにより、基板の表面に多結晶シリコン膜が形成される。このとき、溶融したシリコン粉末を急冷すると、結晶粒径の小さい多結晶シリコンとなる。そこで、結晶粒径が0.05μm以下となるように、できるだけ急速に冷却することが好ましい。
このように、本発明は基板に配置するシリコンをシリコン粉末としているため、通常のバルクシリコンを溶融させる手段とは異なり、大気圧プラズマ23で溶融させることができる。そのため、大面積の基板に配置されたシリコン粉末を、溶融・再結晶化させることができる。
上述のように、本発明は、短時間かつ容易に多結晶シリコン膜にPN接合を形成することを特徴とする。PN接合を形成する方法は、以下の実施の形態において詳細に説明する。
[実施の形態1]
実施の形態1では、多結晶シリコン膜の形成後にプラズマドーピングすることによってPN接合を形成する形態について説明する。
図5A〜Eは実施の形態1の太陽電池パネルの製造方法のフローを示す図である。図5A〜Eに示されるように、実施の形態1の太陽電池パネルの製造方法は、1)シリコン粉末層2を形成する第1工程(図5A)と、2)シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜4を形成する第2工程(図5B)と、3)多結晶シリコン膜4の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)する第3工程(図5C参照)と、4)多結晶シリコン膜の表層をドーピングして多結晶シリコン膜4にPN接合を形成する第4工程(図5D参照)と、5)多結晶シリコン膜4の表層の表面に、絶縁膜7を形成する第5工程(図5E参照)と、を有する。
第3工程で、多結晶シリコン膜4の表面を凹凸状に加工する手段は特に限定されず、酸またはアルカリ(KOHなど)で処理したり、三フッ化塩素ガス(ClF)または六フッ化硫黄(SF)等によるガスプラズマで加工したりしてもよい。具体的なテクスチャ構造5は、特に限定されず、公知の構造とすればよい。一般的に、太陽電池のシリコン膜の入射面をテクスチャ構造5として、入射面での反射を抑制する。
第4工程では、多結晶シリコン膜の表層4bをドーピングする。ドーパントの種類は、多結晶シリコン膜がN型またはP型にドーピングされているかによって選択すればよい。例えば多結晶シリコン膜がN型にドーピングされている場合、ドーパントとしてホウ素を用いれば、PN接合を形成することができる。一方、多結晶シリコン膜がP型にドーピングされている場合、ドーパントとしてリンまたは砒素を用いれば、PN接合を形成することができる。
本実施の形態では、プラズマ照射によってドーピングを行うことを特徴とする。プラズマを用いてドーピング行うには、ドーパントを含むガスをプラズマ化し、多結晶シリコン膜4の表層4bに照射したり;ドーパントを含む固体の存在下にて、不活性ガスをプラズマ化し、多結晶シリコン膜4の表層4bに照射したりすることで、ドーパントを多結晶シリコン膜4の表層4bに導入すればよい。
ドーパントを含むガスをプラズマ化して多結晶シリコン膜4の表層4bに導入する方法は、例えば、特開2000−174287および米国特許出願公開第2004/0219723に開示されている。また、ドーパントを含む固体の存在下にて、不活性ガスをプラズマ化して多結晶シリコン膜4の表層4bに導入する方法は、例えば、例えば特開平9−115851に開示されている。
多結晶シリコン膜の表層をプラズマでドーピングする工程は、第2工程後、第3工程前であってもよく、第3工程後であってもよい。
このように、多結晶シリコン膜の表層4bをプラズマでドーピングすることで、下層4aがN型で、表層4bがP型の多結晶シリコン膜4、または下層4aがP型で、表層4bがN型の多結晶シリコン膜4を形成することができる。これにより、P型の領域とN型の領域が接しているPN接合を形成することができる。
また、基板3の多結晶シリコン膜4の表層4bにドーパントを導入する前工程で、不活性ガスを利用して、表層4bをアモルファス化してもよい。表層4bがアモルファス化されていると、ドーパントの導入量を均一化することができる。
さらに、ドーパントを導入した多結晶シリコン膜4の表層4bに、短時間加熱して、導入したドーパントを活性化することが好ましい。一般的に半導体工程でもシリコン表面にイオン注入をさせた後、ランプ等を利用して短時間で非晶質化したシリコンを結晶状態に戻す工程を有するが、それと同様の条件で活性化させることができる。活性化は、フラッシュランプやレーザーなどの瞬間熱処理(RTA)技術を活用して行ってもよいが、本発明では生産コストや設備コストの低減を考慮して、シリコン粉末の塗布膜2を多結晶膜4に変換するときに用いた大気圧プラズマを活用して活性化を行うことが好ましい。つまり、基板を走査しながら、表層4bに大気圧プラズマを照射する。ただし、シリコン膜を完全に溶融する必要はないので、シリコン粉末を溶融させるときよりも低温の大気圧プラズマを照射して、表層4bの活性化を促進する。
ここで使用する大気圧プラズマは、例えば、窒素ガスで押出されて、投入パワー20kwで基板面の径40mmの領域に照射される。プラズマの噴射口は、基板面15mmの位置に配置される。基板の一端から他端まで、1000mm/秒の速度で走査し、その後、窒素ガスなどの不活性ガスにより冷却して、多結晶シリコン膜4の表層4bを活性する。
第5工程では、多結晶シリコン膜4の表層4bの表面に、さらに反射防止および結晶端の電気特性劣化防止を目的とした絶縁膜7を形成する(図5E)。絶縁膜7は、窒化ケイ素膜などであればよく、スパッタ法により形成されうる。さらに、絶縁膜7の表面の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の電極8を形成する。電極8は銀などであればよい。
[実施の形態2]
実施の形態1では、多結晶シリコン膜を形成した後、プラズマドーピングすることで、PN接合を形成する形態について説明した。実施の形態2では、シリコン粉末層の溶融とドーピングとを同一工程で行う形態について説明する。
図6A〜Dは実施の形態2の太陽電池パネルの製造方法のフローを示す図である。図6A〜Dに示されるように、実施の形態2の太陽電池パネルの製造方法は、1)シリコン粉末層2を形成する第1工程(図6A)と、2)シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する第2工程(図6B)と、3)多結晶シリコン膜4の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)する第3工程(図6C参照)と、4)多結晶シリコン膜4の表層4bの表面に、絶縁膜7を形成する第4工程(図6D参照)と、を有する。
上述の本実施の形態では、プラズマ照射によるシリコン粉末の溶融工程(第2工程)と、プラズマ照射によるドーピングとが同時で行われることを特徴とする。シリコン粉末の溶融とプラズマドーピングとを同時に行うには、ドーパントが導入されたプラズマで、基板に塗布したシリコン粉末層の表面を走査し、シリコン粉末を溶融すればよい。
ドーパントの種類は、第1工程で塗布したシリコン粉末がN型またはP型にドーピングされているかによって選択すればよい。例えばシリコン粉末がN型にドーピングされている場合、ドーパントとしてホウ素を用いれば、PN接合を形成することができる。一方、多結晶シリコン膜がP型にドーピングされている場合、ドーパントとしてリンまたは砒素を用いれば、PN接合を形成することができる。
プラズマにドーパントを導入するには、ドーパントの固体粒子をプラズマに導入すればよい。例えば、図7に示されるように、プラズマ装置の陰極20と陽極21との間に不活性ガスとともにドーパントの固体粒子を流入させることで、プラズマにドーパントの固体粒子を導入させることができる。図7に示された装置は、例えば特開2008−53634に開示された装置を、不活性ガスの入口からドーパントの固体粒子を導入できるように改造することで得られる。
このように、図7に示されるような大気圧プラズマ装置で、シリコン粉末層の表面を走査させることで、シリコン粉末層の溶融とドーピングとを同一工程で行うことができる。これにより、下層4aがN型で、表層4bがP型の多結晶シリコン膜4、または下層4aがP型で、表層4bがN型の多結晶シリコン膜4を1工程で形成することができる。
また、本実施の形態では、シリコン粉末が予めN型ドーピングされており、プラズマに導入するドーパントとしてホウ素を用いることが好ましい。ドーパントにホウ素を用いることで、安全かつ確実なドーピングが可能になるからである。
一方、シリコン粉末が予めP型ドーピングされている場合、ドーパントとしてリンまたは砒素の粒子を用いる必要がある。しかしリン粒子は、プラズマに導入されると燃焼してしまい、シリコン粉末層に拡散されることが出来ない。また、砒素の粒子は、安全性の観点から好ましくない。
[実施の形態3]
実施の形態1および2では、プラズマドーピングによってPN接合を形成する形態について説明した。実施の形態3では、P型ドーピングされたシリコン粉末とN型ドーピングされたシリコン粉末とを積層することでPN接合を形成する形態について説明する。
図8A〜Dは実施の形態2の製造方法のフローを示す図である。図8A〜Dに示されるように、実施の形態3の太陽電池パネルの製造方法は、1)シリコン粉末層2を形成する第1工程と(図8A参照)、2)シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜4を形成する第2工程(図8B)と、3)多結晶シリコン膜4の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)する第3工程(図8C参照)と、5)多結晶シリコン膜4の表層4bの表面に、絶縁膜7を形成する第4工程(図8D参照)と、を有する。
本実施の形態では、シリコン粉末層2を形成する第1工程が、基板上にN型ドーピングされたシリコン粉末2aを塗布し、シリコン粉末2aの層を形成する工程と、その後、シリコン粉末2aの層上にP型ドーピングされたシリコン粉末2bを塗布し、シリコン粉末2bの層を形成する工程と、を含む。すなわち本実施の形態では、基板上に塗布されたシリコン粉末層が、下層のN型ドーピングされたシリコン粉末2aの層と、上層のP型ドーピングされたシリコン粉末2bの層とからなることを特徴とする。
また、N型ドーピングされたシリコン粒子2aの層と、P型ドーピングされたシリコン粉末2bの層との厚さは、同じであってもよいが、目的に応じて異なってもよい。
第2工程で、このように、下層のN型ドーピングされたシリコン粉末2aの層と、上層のP型ドーピングされたシリコン粉末2bの層とからなるシリコン粉末層に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させる。これにより、これにより、下層4aがN型で、表層4bがP型の多結晶シリコン膜4を形成することができる。
本実施の形態では、下層4aがN型で、表層4bがP型の多結晶シリコン膜4を含む太陽電池パネルの製造方法について説明したが、N型領域とP型領域との位置は逆であってもよい。すなわち、第1工程で、基板上にP型ドーピングされたシリコン粉末2bを塗布し、シリコン粉末2bの層を形成した後、シリコン粉末2bの層上にN型ドーピングされたシリコン粉末2aを塗布し、シリコン粉末2aの層を形成してもよい。
[実験例1]
基板(サイズ:370mm(X軸)×470mm(Y軸))に、約1μmの粒径のシリコン粉末を塗布した。実験例1では、ホウ素が導入されたP型のシリコン粉末を用いた。シリコン粉末の塗布はスキージで行い、約30μmの厚みの塗布膜とした。
図4に示されるような大気圧プラズマ装置で、X軸方向に走査しながら、基板の一端から他端までプラズマを照射し、シリコン粉末を溶融・再結晶化した。プラズマ照射領域は、40mm径であった。プラズマを押し出す不活性ガスは、微量の水素ガスを含む窒素ガスとした。
一端から他端までの走査が完了したら、Y軸方向に40mmずらし、再度、X軸方向に走査しながらプラズマを照射した。これを繰り返して、基板上に配置されたシリコン粉末の全てを、帯状に再結晶化させ、ほぼ均質な多結晶シリコン膜とした。多結晶シリコン膜の厚みは15μmであった。
次に、形成した多結晶シリコン膜の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)した(図5C参照)。そして、テクスチャ化されたP型多結晶シリコン膜の表層をN型ドーピングした(図5D参照)。
本実験例では、プラズマドーピングを用いて、P型多結晶シリコン膜の表層にリン(P)またはアルシン(砒素、As)を導入した。具体的には、1)リン(P)または砒素(As)を含むガスをプラズマ化して多結晶シリコン膜の表層に導入するか、または2)リン(P)または、砒素(As)を含む固体の存在下にて、不活性ガスをプラズマ化して多結晶シリコン膜の表層に導入することができるが、これらの手法に限定されるわけではない。
1)リン(P)または砒素(As)を含むガスでドーピングするには、例えば、基板を配置した1Paに保たれた真空容器に、Heで希釈したPHガス(5%)を導入し;13.56MHz2000Wの誘電結合プラズマ(ICP)放電で、導入されたPHをプラズマ分解させ;500KHzの高周波を50W下部電極に印加させ、ドーピングを行えばよい。基板3のサイズが大きい場合には、大面積でパワーを発生させる必要があるため、マルチスパイラス方式の、誘電体分割方式の誘電結合プラズマ(ICP)装置を採用することが好ましい。
もちろん、プラズマ源はICPに限定されず、並行平板電極、ECR、ヘリコン波、マイクロ波、およびDC放電を利用してもよい。下部電極も500kHzの低周波電源に限定されず、100Hz以上13.56MHzの周波数での電力印加およびDC印加をしてもよい。
2)リン(P)または砒素(As)を含む固体でドーピングするには、真空容器内に並行平板電極を配置し、一方の電極に多結晶シリコン膜を有する基板を載置し、かつもう一方の対向する電極にリン(P)または砒素(As)含む固体(たとえば、リン(P)または砒素(As)の焼結材料)を載置し;上下電極に13.56MHzの高周波を接続し;不活性ガス(例えばヘリウムガス)を導入して、20Paの圧力下で30秒放電を行う。並行平板電極のうち、基板を載置した電極に100W、リン(P)または砒素(As)含む固体(たとえば、リン(P)または砒素(As)の焼結材料)を載置した対抗電極に1000Wの電力を印加することで、多結晶シリコン膜の表層にドーパントを導入することができる。
また、2)リン(P)または砒素(As)含む固体を用いてドーピングするには、真空チャンバーに前記固体(たとえば焼結材料)と、多層シリコン膜を有する基板とを載置し;不活性ガスを導入して、ICP、ECR、ヘリコン波、マイクロ波、およびDC放電を利用してプラズマを発生させ;プラズマ中にドーパントを混入させ、多結晶シリコン膜の表層にドーパントを導入してもよい。
次に、多結晶シリコン膜の表面に、さらに反射防止および結晶端の電気特性劣化防止を目的とした絶縁膜を形成する(図5Eを参照)。さらに、絶縁膜の表面の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の電極を形成する。
このようにして得られる太陽電池は、開放電圧0.6V(10cm換算)であり、現状市販している結晶型太陽電池と比べて遜色の無いデータを得た。
[実験例2]
実験例1では、ホウ素(B)を含むシリコン粉末を使用した実験例について説明した。実験例2では、リン(P)または砒素(As)を含むシリコン粉末を使用した実験例について説明する。
基板に、約1μmの粒径のN型ドープされたシリコン粉末を塗布した。シリコン粉末の塗布はスキージで行い、約30μmの厚みの塗布膜とした。図7に示されるような大気圧プラズマ装置で、X軸方向に走査しながら、基板の一端から他端までボロン粒子をプラズマ内に導入しながらプラズマを照射し、シリコン粉末を溶融・再結晶化した。プラズマ照射領域は、40mm径であった。プラズマを押し出す不活性ガスは、微量の水素ガスを含む窒素ガスとした。
このとき、大気圧プラズマ源の中にボロン粒子を導入し、ボロン粒子を溶融させシリコン粉末2表面付近にボロン分子を拡散させた。ボロン粒子は1μm以下0.02μm以上の粒子径が理想である。
一端から他端までの走査が完了したら、Y軸方向に40mmずらし、再度、X軸方向に走査しながらプラズマを照射した。これを繰り返して、基板上に配置されたシリコン粉末の全てを、帯状に再結晶化させ、ほぼ均質な多結晶シリコン膜とした。多結晶シリコン膜の厚みは15μmであった。多結晶化したシリコンの表面付近にはボロンが約2ミクロン程度拡散している。
次に、形成した多結晶シリコン膜の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)した。そして、多結晶シリコン膜の表層に、絶縁膜を形成した。更に、絶縁膜の表面の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の電極を形成した。
このようにして得られる太陽電池は、開放電圧0.6V(10cm換算)であり、現状市販している結晶型太陽電池と比べて遜色の無いデータを得た。
[実験例3]
実験例1および2では、プラズマドーピングによって、PN接合を形成する実験例について説明した。実験例3では、P型シリコン粉末およびN型シリコン粉末を用いることで、PN接合を形成する実験例について説明する。
基板上に、約0.1μmの粒径のN型シリコン粉末を塗布し、厚み15μmのN型シリコン粉末の層を形成した。次にN型シリコン粉末の層の上に約0.1μmの粒径のP型シリコン粉末を塗布し、厚み15μmのP型シリコン粉末の層を形成した。
そして、図4に示されるような大気圧プラズマ装置で、X軸方向に走査しながら、基板の一端から他端までプラズマを照射し、P型シリコン粉末およびN型シリコン粉末を溶融・再結晶化した。プラズマ照射領域は、40mm径であった。プラズマを押し出す不活性ガスは、微量の水素ガスを含む窒素ガスとした。
一端から他端までの走査が完了したら、Y軸方向に40mmずらし、再度、X軸方向に走査しながらプラズマを照射した。これを繰り返して、基板上に配置されたシリコン粉末の全てを、帯状に再結晶化させ、ほぼ均質な多結晶シリコン膜とした。多結晶シリコン膜の厚みは約15μmであった。
次に、形成した多結晶シリコン膜4の表面を凹凸状に加工(テクスチャー化)した。そして、多結晶シリコン膜の表層の表面に、さらに反射防止および結晶端の電気特性劣化防止を目的とした絶縁膜を形成した。更に、絶縁膜の表面の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の電極を形成した。
このようにして得られる太陽電池は、開放電圧0.6V(10cm換算)であり、現状市販している結晶型太陽電池と比べて遜色の無いデータを得た。
本出願は、2009年10月23日出願の特願2009−244623、2009年12月25日出願の特願2009−294153および2009年12月25日出願の特願2009−294154に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明により提供されるシリコン粉末は、結晶型太陽電池のシリコン原料として用いることができる。また、本発明によれば、安価で効率よく、大面積の太陽電池パネルを提供することができる。
1 シリコンインゴット
2’ シリコン粗粉末
2 シリコン粉末
3 基板
4 多結晶シリコン膜
4a 多結晶シリコン膜の下層
4b 多結晶シリコン膜の表層
5 テクスチャ構造
7 絶縁膜
8 電極
20 陰極
21 陽極
22 プラズマ噴射口
23 プラズマ
30 インゴット
31 ワイヤ
40 シリコン陽極
41 アーク放電
42 シリコン粒子
43 アルゴンガス
44 輸送管
45 支持基板
46 高温プラズマ
47 ハロゲンランプ
48 分離室
49 多結晶シリコン板

本発明は、以下に示すシリコン粉末を用いて多結晶型太陽電池パネルを製造する方法に関する。
[1]ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて、結晶粒径が0.05μm以下のP型多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含むガスを導入してプラズマ化し、前記P型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
を有する多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[2]ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて、結晶粒径が0.05μm以下の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含む固体を載置し、かつ不活性ガスを導入して発生させたプラズマに前記固体をさらして、前記ホウ素を含むP型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[3]リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
前記基板上に塗布したN型シリコン粉末層の表面に、ホウ素の粒子を導入したプラズマを走査させることで、その表層がP型化されたN型多結晶シリコン膜であるPN接合を有する、結晶粒径が0.05μm以下の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[4]前記シリコン粉末を基板上に塗布する工程は、スキージ、ダイコート、インクジェット塗布、ディスペンサ塗布の少なくとも1つの方法で行う、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[5]前記基板がAl、Ag、Cu、Sn、Zn、In、Feのいずれかを含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[6]前記シリコン粉末層の表面に走査するプラズマが大気圧プラズマである、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[7]前記走査が、100mm/秒以上2000mm/秒以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[8]リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、N型シリコン粉末の層を形成する工程と、
ウ素を含むP型シリコン粉末を前記N型シリコン粉末の層上に塗布し、P型シリコン粉末の層を形成する工程と、
前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてPN接合を有する、結晶粒径が0.05μm以下の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[9]前記N型シリコン粉末または前記P型シリコン粉末の粒径は、10μm以下である、[1]〜[8]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
[10]前記N型シリコン粉末または前記P型シリコン粉末の粒径は、0.03μm以上3μm以下である、[1]〜[8]のいずれかに記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。

Claims (9)

  1. 粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
    前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてP型多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
    前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含むガスを導入してプラズマ化し、前記P型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
    前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
    を有する多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  2. 粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
    前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜を形成された基板を、プラズマ反応室に配置する工程と、
    前記プラズマ反応室に、リンまたは砒素を含む固体を載置し、かつ不活性ガスを導入して発生させたプラズマに前記固体をさらして、前記ホウ素を含むP型多結晶シリコン膜の表層をN型化してPN接合を形成する工程と、
    前記N型化されたP型多結晶シリコン膜の表層を活性化する加熱工程と、
    を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  3. 粒径10μm以下の、リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、シリコン粉末層を形成する工程と、
    前記基板上に塗布したN型シリコン粉末層の表面に、ホウ素の粒子を導入したプラズマを走査させることで、その表層がP型化されたN型多結晶シリコン膜であるPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    を有する、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  4. 前記シリコン粉末を基板上に塗布する工程は、スキージ、ダイコート、インクジェット塗布、ディスペンサ塗布の少なくとも1つの方法で行う、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  5. 前記基板がAl、Ag、Cu、Sn、Zn、In、Feのいずれかを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  6. 前記シリコン粉末層の表面に走査するプラズマが大気圧プラズマである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  7. 前記走査が、100mm/秒以上2000mm/秒以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  8. 粒径10μm以下の、リンまたは砒素を含むN型シリコン粉末を基板上に塗布し、N型シリコン粉末の層を形成する工程と、
    粒径10μm以下の、ホウ素を含むP型シリコン粉末を前記N型シリコン粉末の層上に塗布し、P型シリコン粉末の層を形成する工程と、
    前記シリコン粉末層の表面に、プラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてPN接合を有する多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
  9. 前記シリコン粉末の粒径は、0.03μm以上3μm以下である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
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