JP3636993B2 - 球状半導体粒子の大量生産装置、光電変換素子、球状半導体粒子の大量生産方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば光発電装置などのために好適に実施することができる球状半導体粒子の大量生産装置、光電変換素子、球状半導体粒子の大量生産方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような球状半導体粒子は、たとえば特公平７−５４８５５におけるソーラ・アレーを製造するために必要になる。金属箔マトリクスに、シリコン半導体の球を電気的に接続し、光の照射によって光起電力を取出すことができる。
【０００３】
このような球状粒子を生産するには、たとえばアメリカ特許５，０１２，６１９に開示されているように、固体状物質を粉砕して不規則な外形を有する粒子を得、その後、研磨用ライニングが施された円筒体内に収納し、その円筒体内でガスの渦巻き流を形成して、粒子を研磨ライニングに衝突させ、または粒子相互に衝突させ、これによって球状粒子を得る。
【０００４】
この先行技術では、球状半導体粒子を生産するために多くの労力と時間を必要とし、原価の低減に劣る。
【０００５】
他の先行技術は、特開平８−２３９２９８に開示される。この先行技術では、細線状シリコン棒を製造するために、鉛直に保持したシリコン棒の先端部分を高周波加熱によって融解した後、種となるシリコン結晶を、この融解したシリコンに融着させ、種結晶とシリコン棒を相対的に鉛直方向に引き離して、太さが１ｍｍ以下の細線状シリコン棒を得る。この先行技術では、得られる細線状シリコン棒は、たとえば５〜１０ｍｍ／ｍｉｎである。したがってもっと高い速度で、大量の球状半導体粒子を製造することが望まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、球状半導体粒子を簡単な操作で容易に大量生産することができるようにした装置、光電変換素子、球状半導体粒子の大量生産方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体を、貯留する坩堝と、
坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った粒子にする加振手段と、
ノズルから落下する溶融半導体に、ローレンツ力を作用させ、断面積を絞るピンチ効果を発揮して粒子を形成するローレンツ力発生手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
【０００８】
本発明に従えば、坩堝内に半導体を貯留して加熱手段によって溶融し、この溶融半導体を、ノズルから落下し、この溶融半導体に振動を加振手段によって加え、これによってノズルから落下する溶融半導体が、気相中で球状粒子となり、その球状粒子の粒径がほぼ一定の値に揃う。これによって簡単な操作で容易に球状半導体粒子を大量生産することができるようになる。気相というのは、空気、ＡｒまたはＮ₂などの不活性ガスなどであってもよく、さらにまた真空中も含む。
【０００９】
本発明に従えば、ノズルから落下する溶融半導体は、線状ではなく、液体状であり、したがって高速度で短時間に大量の球状半導体粒子を製造することが容易に可能である。たとえば本発明によれば、溶融半導体をノズルから、１ｃｍ／ｓｅｃ〜１ｍ／ｓｅｃで落下して、球状半導体粒子を製造することができ、この生産速度は、前述の先行技術に比べて格段に大きい。
またノズルから落下する溶融半導体は導電性であり、この溶融半導体に電流を作用するとともに、溶融半導体の周囲に交流磁界を発生し、溶融半導体の液柱にローレンツ力を作用して断面積を絞るピンチ効果を発揮する。これによってノズルから落下する溶融半導体を、粒径が揃った球状粒子とすることが正確に可能になる。
また本発明は、半導体を、貯留する坩堝と、
坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、
ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
また本発明は、液体または固体の粒子を、その粒子が気相中に存在している状態で加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段を含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
本発明に従えば、ノズルから落下する液体または固体の粒子を、結晶化加熱手段によって加熱して再溶融して、その粒子が気相中に存在している状態で、粒子を単結晶または多結晶にする。
加熱される粒子は、溶融半導体であって液体であってもよいけれども、ノズルから落下された溶融半導体が冷却されて固体となった状態であってもよく、さらにまたこの粒子は、半導体が粉砕、破砕された構成を有していてもよい。
また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子にレーザ光を照射するレーザ源であることを特徴とする。
また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子の通路に設けられ、輻射熱で粒子を加熱する輻射熱源であることを特徴とする。
また本発明は、結晶化加熱手段は、粒子の加熱を、
粒子の冷却速度のプロファイルを、ゆるやかにし、
粒子にクラックが生じないように、かつアモルファス化しないように、行うことを特徴とする。
本発明に従えば、結晶化加熱手段は、レーザ源であってもよく、あるいはまた輻射熱を発生する輻射熱源であってもよい。このような結晶化加熱手段によって、粒子が冷却する際における温度低下の時間変化率を小さくし、粒子にクラックが生じないように、かつアモルファス化しないようにし、球状粒子を、単結晶または多結晶に確実に形成する。
また本発明は、半導体を、貯留する坩堝と、
坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、
ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段と、
結晶化加熱手段からの単結晶または多結晶の一方導電形式の粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その単結晶または多結晶の粒子に他方導電形式の表面層を形成する拡散手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
また本発明は、一方導電形式の結晶半導体粒子を、
その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その粒子に他方導電形式の表面層を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
本発明に従えば、ガス拡散法または固相拡散法によって、一方導電形式、たとえばｐ形の結晶半導体粒子の表面層に、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を容易な操作で形成することができる。ガス拡散法は、拡散したい不純物を、高温に保ったシリコン表面にガス状で送る手法であり、固相拡散法は、シリコン表面に不純物を含む拡散剤を堆積し、その後、高温度でシリコンを熱処理する手法である。
また本発明は、前記通路は、上下に延びて形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の形成が行われることを特徴とする。
本発明では、ガス拡散法により球状シリコンの表面に拡散層を形成する。事例として、たとえばｐ形球状シリコンの表面に浅いｎ形拡散層を形成する。拡散源としては、Ｐ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ₃あるいはＰＨ₃等を用いる。まず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガスにより、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲気的に分離された拡散層形成領域に導入し、同領域内を同ガスにより充満させる。ｐ形シリコン球は、レーザ光の照射により高品質再結晶化された後、高温度に保たれたまま、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過する。同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に太陽電池として機能するに必要な深さのｎ形拡散層が形成される。この工程は前記ガスを連続して導入し、拡散層形成領域のガス雰囲気をコントロールすることにより、大量にかつ連続して行うことが可能となる。
また本発明は、前記通路を通過して拡散剤が表面に堆積した粒子を、加熱して所望の厚みを有する表面層を形成することを特徴とする。
本発明に従えば、たとえばｐ形シリコン球を、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過させ、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に浅いｎ形拡散層を形成しておき、しかる後、これらのシリコン球を多数石英等の容器にのせ、再度熱処理することにより所望のｎ形拡散層を得ることもできる。
また本発明は、半導体は、Ｓｉであることを特徴とする。
本発明に従えば、半導体はＳｉであってもよいけれども、そのほかの半導体に関連して本発明が実施されてもよい。
【００１０】
また本発明は、坩堝内の溶融半導体を加圧する手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、加圧手段は、坩堝内の半導体の上部空間に、大気圧を超える不活性ガスを供給するガス源を含むことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、坩堝内の半導体の上部空間の圧力よりも、ノズル孔が臨む空間の圧力が、低くされることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、ノズルの長さが５〜１０ｍｍであることを特徴とする。
本発明に従えば、坩堝内の溶融半導体を、気体、液体によって加圧するようにしてもよく、またはピストンなどによって加圧するようにしてもよく、これによってノズルから溶融半導体を落下する。たとえば気体で溶融半導体を加圧するには、坩堝内の半導体の上部空間に、大気圧を超える圧力を有するＡｒ、Ｎ₂などの不活性ガスをガス源から供給する。あるいはまた坩堝内の半導体の上部空間の圧力よりも、ノズル孔が臨む下方の空間の圧力を低くし、これによって坩堝内の溶融半導体がノズルから落下するように構成してもよい。このノズルの長さを５〜１０ｍｍに選ぶことによって、坩堝内の溶融半導体が、その自重でノズルを落下して流過してしまうおそれはなく、加圧手段による圧力によって、たとえば一定の流量でノズルから溶融半導体を落下することができるようになる。これによって粒径が揃った球状粒子を、正確に得ることができるようになる。
【００１５】
また本発明は、加熱手段は、
坩堝の付近に設けられる誘導加熱コイルと、
誘導加熱コイルを励磁する高周波電源とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、加熱手段は、坩堝を加熱する抵抗加熱手段であることを特徴とする。
【００１７】
坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段は、誘導加熱コイルと高周波電源とを含む誘導加熱のための構成であってもよく、あるいはまた坩堝ジュール熱で加熱する電気ヒータなどの抵抗加熱手段によって実現されてもよい。
【００１８】
また本発明は、加振手段の振動周波数は、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚにされることを特徴とする。
【００１９】
加振手段によって溶融半導体を振動する周波数は、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚに選ばれ、これによって溶融半導体は、粒径が揃った球状粒子とされて、球状半導体粒子の大量生産が容易に可能になる。
【００２２】
また本発明は、ノズルは、振動可能に構成され、
加振手段は、ノズルを、往復変位して振動することを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、ノズルを、少なくともそのノズル孔付近で往復変位して振動し、このことによってもまた粒径が揃った球状半導体粒子を正確に得ることができるようになる。ノズル孔が、ノズルの軸線に垂直な方向に振動するにあたって、たとえば振動の振幅Ａを、粒径が揃って形成されるべき球状粒子の外径Ｄ１の１／２未満（すなわちＡ＜Ｄ１／２）に選ぶことによって、前述の外径Ｄ１を有する球状粒子を正確に得ることができる。本発明の実施の他の形態では、ノズルを、そのノズルの軸線方向、たとえば上下方向に、振動するようにしてもよく、このような構成によってもまた、粒径Ｄ１が揃った球状粒子を得ることができる。
【００２６】
また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間の圧力を変動する圧力変動手段であることを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、加振手段は、
坩堝内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラムと、
ダイヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、加振手段は、坩堝を振動することを特徴とする。
さらに本発明に従えば、溶融半導体を振動させるために、その溶融半導体が貯留されている坩堝を、駆動源によって振動するようにしてもよい。
【００４９】
また本発明は、前述の生産装置によって生産された複数の半導体層から成ることを特徴とする光電変換素子である。
【００５０】
また本発明は、前記光電変換素子を複数個配列して構成されることを特徴とする光発電装置である。
【００５２】
また本発明は、落下する半導体を、気相中で加熱して再溶融して単結晶または多結晶とすることを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法である。
【００５３】
また本発明は、単結晶または多結晶の粒子を落下させつつ、ドープすべき組成を有するガス中で、その粒子に、前記ガスのドープすべき組成が拡散した表面層を形成することを特徴とする。
【００５４】
本発明に従えば、球状半導体粒子を、光電変換素子とし、この光電変換素子を用いて光発電装置を容易に実現することができるようになる。このような球状光電変換素子を用いた光発電装置は、できるだけ少ない単結晶または多結晶の半導体を用いて、光電変換素子の光源に臨む単位面積あたりの発電電力を大きくすることが初めて可能になる。光電変換素子は、単結晶、多結晶だけでなく、アモルファス材料から成ってもよい。
また本発明は、半導体を、坩堝に貯留し、
坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱して溶融し、
坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った粒子にし、
ノズルから落下する溶融半導体に、ローレンツ力を作用し、断面積を絞るピンチ効果を発揮して粒子を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法である。
また本発明は、半導体を、坩堝に貯留し、
坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱し、
坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にし、
ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にすることを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法である。
また本発明は、半導体を、坩堝に貯留し、
坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱し、
坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にし、
ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にし、
単結晶または多結晶の一方導電形式の粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その単結晶または多結晶の粒子に他方導電形式の表面層を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法である。
【００５５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態の球状半導体粒子の大量生産装置の全体の構成を簡略化して示す図であり、図２は図１に示される装置の操作を示すフローチャートである。光発電装置などにおいて用いられるＳｉから成る球状半導体粒子を大量生産するために先ず、上部ホッパ２０１に、Ｓｉ半導体の原料が供給される。ホッパ２０１内は常時、常圧である。上部ホッパ２０１からの原料は、開閉弁２０２を経て中間ホッパ２０３に供給される。中間ホッパ２０３は、原料受け入れ時は常圧であり、原料供給時に運転圧力になる。この中間ホッパ２０３からの原料は、開閉弁２０４を経て下部ホッパ２０５に供給される。下部ホッパ２０５は、常に運転圧力であり、固体状態の原料を滞留する。こうして図２のステップｓ１では、Ｓｉ半導体の果粒状の原料が上部ホッパ２０１から中間ホッパ２０３を経て供給され、開閉弁２０２，２０４の働きによってステップｓ２では、下部ホッパ２０５への定量供給が、外部の圧力が遮断された状態で、達成される。
【００５６】
下部ホッパ２０５からの原料は、固体予熱部２０６において図２のステップｓ３では原料が予熱される。この固体予熱部２０６は、高周波誘導加熱方式で予熱が行われ、本発明の実施の他の形態では、高周波誘導加熱方式に代えて、反射炉または電気炉などによって輻射加熱するように構成されてもよい。
【００５７】
固体予熱部２０６で予熱された原料は、次の溶融部２０７において、図２のステップｓ４に示されるように加熱されて溶融される。溶融部２０７の溶融は、前述の固体溶融部２０６と同様に、高周波誘導加熱方式で達成されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、反射炉または電気炉などによる輻射加熱方式によって加熱溶融されてもよい。溶融部２０７は、坩堝２０８を含み、溶融半導体が坩堝２０８に貯留される。この坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間には、運転圧力が与えられて加圧されるとともに、図２のステップｓ４ａに示されるように溶融半導体が加振されて振動される。坩堝２０８の底部には複数本のノズル２０９が設けられ、このノズル２０９から、坩堝２０８の溶融半導体の上部空間に与えられる圧力に対応した予め定める一定の流量で溶融半導体が落下される。ノズル２０９は、単一本でもよい。
【００５８】
図３は、坩堝２０８からノズル２０９を経て溶融半導体を落下する構成を簡略化して示す図である。溶融部２０７において坩堝２０８には、加圧手段２１１によって溶融半導体の上部空間に不活性ガス、たとえばＡｒまたはＮ₂などのガスによって圧力が与えられる。坩堝２０８内の半導体は、加熱手段２１２によって加熱され、前述のように溶融される。さらにノズル２０９から落下する溶融半導体は、加振手段２１３によって振動される。
【００５９】
図４は、溶融部２０７の簡略化した断面図である。加圧手段２１１は、ガス源２１４を含み、不活性ガスを坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間に供給する。坩堝２０８内の半導体を加熱溶融するために、誘導加熱方式では、たとえば２００〜５００ｋＨｚの高周波電源２１５からの高周波電力が坩堝２０８を囲む誘導加熱コイル２１６に供給される。これによって坩堝２０８内の半導体が誘導加熱される。坩堝２０８は、たとえば炭素、黒鉛などの高融点導電性材料から成る。ノズル２０９は、内径１±０．５ｍｍφを有し、その長さ１〜１００ｍｍであり、好ましくは５〜１０ｍｍである。これによってガス源２１４による溶融半導体の上部空間に与えられるガス圧に対応した流量で、たとえば一定の予め定める値の流量で、ノズル２０９から溶融半導体を落下することができる。ノズル２０９のノズル孔２１８が臨む空間２１７の圧力は、大気圧である。
【００６０】
本発明の実施の他の形態では、ガス源２１４によるガス圧が溶融半導体の上部空間に供給される代わりに、この坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間の圧力を大気圧とし、ノズル２０９のノズル孔が臨む空間２１７の圧力を、坩堝内の溶融半導体の上部空間の圧力よりも低く選ぶようにしてもよい。坩堝２０８内の半導体を加熱溶融するために、坩堝２０８またはその付近に設けられた電気ヒータを有する抵抗加熱手段によって行うようにしてもよい。
【００６１】
ノズル２０９から落下する溶融半導体には、加振手段２１３によって、たとえば１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの音波が与えられ、落下する溶融半導体が振動される。この振動周波数は、超音波の帯域であってもよい。
【００６２】
図５は、ノズル２０９のノズル孔２１８から落下される溶融半導体が球状粒子に形成される状態を示す図である。ノズル孔２１８から落下する溶融半導体は、上下に連なっているが、さらに落下することによって、加振手段２１３の振動の作用によって、上下に分断され、粒子となる。
【００６３】
図６は、落下される立方体状の溶融半導体の粒子が球状になる経過を示す本件発明者のシミュレーション結果を示す図である。図６（１）に示されるように、ノズル２０９から落下して分断した溶融半導体の粒子は、図６（２）および図６（３）に示されるように、その外形が次第に丸みを帯び、図６（４）に示されるようにほぼ真球状となる。
【００６４】
本発明の実施の他の形態では、ノズル２０９を、そのノズル孔２１８が、そのノズル２０９の軸線に垂直な方向（図３〜図５の左右方向）に振動するように駆動し、そのノズル孔２１８における振動の左右方向の振幅Ａを、形成されるべき粒子の径Ｄ１の１／２未満に選ぶ。このことによってもまた正確な径Ｄ１を有する粒子を得ることができる。本発明の実施のさらに他の形態では、ノズル２０９をそのノズル２０９の軸線方向に図３〜図５の上下方向に振動するように構成してもよい。ノズル２０９は、剛性であってもよいが、弾性を有していてもよい。
【００６５】
再び図１および図２を参照して、ノズル２０９から落下された溶融半導体が粒子状となり、冷却筒２１１を通過し、粒子の真球度を向上し、表面状態を滑らかにされる。この冷却筒２１１では、図２のステップｓ６における冷却制御が行われる。ステップｓ７では、冷却された粒子が分級され、たとえばその粒径Ｄ１が１±０．５ｍｍφ内の粒子だけが分級されてレーザ源２２２によるレーザ光２２３が照射される。こうしてステップｓ８では、ノズル２０９からの固体の粒子が、気相中に存在している状態で、レーザ光２２３の照射によって加熱されて再溶融し、これによって粒子が、単結晶または多結晶になり、その表面にクラックが生じたり、また粒子がアモルファス化することを防ぐ。このレーザ源２２２は、粒子を結晶化するための働きを果たし、結晶化手段２２４を構成する。こうして結晶化された粒子は、図２のステップｓ９において再び分級され、その粒径Ｄ１が前述のように１±０．５ｍｍφの粒子だけが分級されて、次の表面層形成手段２２５に導かれ、ステップｓ１０におけるコーティング工程が行われる。表面層形成手段２２５では、一方導電形式、たとえばｐ形の単結晶または多結晶の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む拡散源の気相中の通路に通過して、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を形成する。この通路は、上下に延びて形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の拡散が行われる。拡散源は、たとえばＰ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ₃またはＰＨ₃などであってもよい。こうして気相拡散方式で、表面層が形成される。本発明の実施の他の形態では、この通路を通過して拡散剤が表面に堆積した粒子を、さらに加熱して、所望の厚みを有する表面層を形成し、固体拡散方式によって表面層を形成するようにしてもよい。表面層は、真空蒸着によって形成されてもよい。
【００６６】
こうして表面層が形成された粒子は、冷却筒２２７において、図２のステップｓ１１において冷却制御が行われる。こうして真球度が向上され、表面状態が希望する表面層の状態に保たれて制御され、クラックなどが生じることなく、結晶性、真球度および表面形状が優れた光電変換素子がステップｓ１２において得られる。
【００６７】
図７は、本発明の実施の他の形態の断面図である。Ｓｉ半導体の破砕された図７（１）に示される粒子に、気相中を落下している状態で、レーザ源２２２からＹＡＧレーザ光２２３を２０Ｗ×１０ｍｓｅｃ、照射して加熱溶融することによって、図７（２）に示される球状の粒子が得られることが確認された。このような粒子は、結晶性に優れている。
【００６８】
図８は、本発明の実施の他の形態の加振手段２２８を示す簡略化した断面図である。この加振手段２２８は、坩堝２０８内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラム２２９と、このダイヤフラム２２９を図８の上下に往復駆動する駆動源２３１とを含む。駆動源２３１は、たとえばモータと、そのモータによって駆動されるクランク機構とを含んでもよい。ダイヤフラム２２９の図８における上下動によって、溶融半導体２３２の上部空間２３３に作用する圧力が周期的に変動して加振されることになる。
【００６９】
図９は、本発明のさらに他の実施の形態の加振手段２３４の簡略化した断面図である。坩堝２０８内の半導体２３２の上部空間２３３には、管路２３５を経て駆動室２３６が接続される。この駆動室２３６の圧力を、駆動源２３７によって駆動し、駆動室２３６内の容積を大小に周期的に変化する。これによって空間２３３、したがって溶融半導体２３２を振動することができる。
【００７０】
図１０は、表面層形成手段２２５の具体的な構成を示す断面図である。結晶化手段２２４によって結晶化されて固化された粒子は、表面層形成手段２２５において前述のように表面層が形成される。本発明では、ガス拡散法により球状シリコンの表面に拡散層を形成する。事例として、ｐ形球状シリコンの表面に浅いｎ形拡散層を形成する方法について説明する。拡散源としては、Ｐ₂Ｏ₅、ＰＯＣｌ₃あるいはＰＨ₃等を用いる。まず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガスにより、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲気的に分離された拡散層形成領域２３９に導入し、同領域２３９内を同ガスにより充満させる。また、同拡散層形成領域２３９は上下方向の長さが約５メートルであり、上端部２４１の温度が約１４００℃、下端部２４２の温度が約１３５０℃になるよう設定されている。ｐ形シリコン球は、レーザ光の照射により高品質再結晶化された後、高温度に保たれたまま、上記拡散層形成領域２３９の上端部２４１より下端部２４２に向け通過する。通過時間は約１秒である。そして、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に太陽電池として機能するに必要な深さ約０．５μｍのｎ形拡散層が形成される。この工程は前記ガスを連続して導入し、拡散層形成領域２３９のガス雰囲気をコントロールすることにより、大量にかつ連続して行うことが可能となる。
【００７１】
図１１は、本発明の実施のさらに他の形態の表面層形成手段２３８の構成を簡略化して示す図である。本発明に従えば、前述と同様な拡散層形成領域２４３の温度を約１２００℃になるように設定しておき、前述同様ｐ形シリコン球を、拡散層形成領域２４３の上端部２４４より下端部２４５に向け約１秒で通過させ、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に深さ約０．１μｍの浅いｎ形拡散層を形成しておき、しかる後、これらのシリコン球を多数石英等の容器２４６にのせ、９００〜１０００℃の温度で再度数十分間熱処理することにより所望のｎ形拡散層を得ることもできる。
【００７２】
ノズル付坩堝溶融造粒の本件発明者による実験結果を述べる。

【００７３】
実施例１
一端に内径１ｍｍで長さ５ｍｍのノズルを有する、セラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ３５ｍｍの内容積のカーボン製坩堝に、約１．５ミリリッタの原料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に４．６ｋｗｈの高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒条件を安定させた後、約３００ｐａの窒素ガスの圧力を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍφの球状シリコンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないため流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を低減するための約１０ｍｍの温度保持部を通過して取得した。
【００７４】
実施例２
一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの内容積のカーボン製坩堝に、約１．５ミリリッタの原料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に４．６ｋｗｈの高周波誘導電力を約１５分間保持して温度等の造粒条件を安定させた後、約５００ｋｐａの窒素ガスの圧力を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリコンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないため流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を低減するための約１０ｍｍの温度保持部を通過して取得した。
【００７５】
実施例３
一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍの内容積のカーボン製坩堝に、約１．２ミリリッタの原料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に３．６ｋｗｈの高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒条件を安定させた後、約３００ｋｐａの窒素ガスの圧力を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリコンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないため流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を低減するための約２０ｍｍの温度保持部を通過して取得した。実施例２より高周波誘導電力投入量が小さい理由は、内径１０ｍｍで長さ２５ｍｍのカーボン製坩堝のノズルと反対側にガス加圧のための内径１ｍｍの孔を有するカーボンキャップを追加して放熱を低減した効果である。
【００７６】
実施例４
一端に内径１ｍｍで長さ１０ｍｍのノズルを有する、セラミック製の断熱機能を有する気密性容器内部の、外径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍで内径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍの内容積のカーボン製坩堝に、約１．２ミリリッタの原料となるシリコンを仕込み、造粒開始直前に３．６ｋｗｈの高周波誘導電力を約２０分間保持して温度等の造粒条件を安定させた後、約２００ｋｐａの窒素ガスの圧力を加えて造粒を開始し、平均球径が約１ｍｍの球状シリコンを取得した。なお、シリコンとカーボンとの反応等を低減しカーボンの酸素による焼損を低減するため、高周波誘導電力の投入開始時から冷却現象を起こさないため流量が０となるシステムで約１００ｐａの窒素ガスの圧力を保持した。サンプルは、ノズルの放熱温度低下を低減するための約２０ｍｍの温度保持部を通過して取得した。実施例３より窒素ガス圧力が低い理由は、ノズル部の射出方向にストローク約０．１ｍｍ、振動数３０回／秒の振動を付加した効果である。振動付加の目的は粒径分布をシャープにすることである。なお、粒径１ｍｍの射出条件で振動を付加すると流出球径は１ｍｍ以下となる。
【００７７】
レーザ光による溶融結晶化の本件発明者による実験結果を述べる。
実験使用機器
大出力高速パルスＹＡＧレーザ溶接機（ミヤチテクノス株式会社製）型番ＭＬ−２６５０Ａ
最大定格出力 ；５００Ｗ
最大出力エネルギ；７０Ｊ／Ｐ（パルス幅１０ｍ／ｓ）
パルス幅 ；０．５〜３０．０ｍｓ（０．１ｍｓステップ）
パルス繰返し速度；１〜５００ｐｐｓ
発振波長 ；１．０６４μｍ
【００７８】
実施例５
１ｍｍ径の球相当の容積を有する破砕鉱石原料シリコンを、石英ガラス板のすり鉢状の孔に保持し、５０ワットのレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結晶性球状シリコンを取得した。
【００７９】
実施例６
１ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコンを、石英ガラス板のすり鉢状の孔に保持し、５０ワットのレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結晶性球状シリコンを取得した。
【００８０】
実施例７
１ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコンを、内径２．５ｍｍの石英ガラス管の内部に保持し、５０ワットのレーザ光を３０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結晶性球状シリコンを取得した。
【００８１】
実施例８
１ｍｍ径の球相当の容積を有する非晶質球状原料シリコンを、細い糸に接着剤で保持し、３６ワットのレーザ光を１０ミリ秒照射して、球径が約１ｍｍの結晶性球状シリコンを取得した。
【００８２】
なお、全てのレーザ照射はモニタで被照射体の重心点を中心に約０．６ｍｍの円形状にレーザ光を照射した。また、サンプルは冷却筒を通過して取得した。
【００８３】
本件明細書中、ｐｉｎ接合というのは、ほぼ球状の光電変換素子２の内から外に、または外から内に、順次的にｎ形、ｉ形およびｐ形の各半導体層が形成された構成を含むものと解釈されなければならない。
【００８４】
本発明によって生産された球状半導体粒子は、光電変換素子であり、このような光電変換素子２を用いて、後述の光発電装置１を構成することができる。
【００８５】
図１２は本発明の実施の一形態の光発電装置１の一部の拡大断面図であり、図１３は光発電装置１の全体の構成を示す断面図であり、図１４は図１３に示される光発電装置１の分解斜視図である。光発電装置１は基本的に、ほぼ球状の形状を有する複数の光電変換素子２と、その光電変換素子２が搭載される支持体３とから成る組合せ体４が、透光性合成樹脂材料、たとえばＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）などから成る充填層５内に埋設され、この充填層５には、太陽光などの光源側にポリカーボネートなどの透光性保護シート６が配置されて固定される。充填層５の保護シート６と反対側（図１２の下方）の表面には、合成樹脂材料などから成る防水性裏面シート１２が固定される。こうして光発電装置１の全体の形状は、偏平な板状である。
【００８６】
光電変換素子２は、第１半導体層７、およびそれよりも外方の第２半導体層８を有する。第２半導体層８には開口部９が形成される。第１半導体層７の一部分１０は、開口部９から図１２の下方に露出する。図１２の上方から光１１が照射されることによって、光電変換素子２の第１および第２半導体層７，８間から光起電力が出力される。
【００８７】
支持体３は、第１導体１３と第２導体１４との間に電気絶縁体１５がサンドイッチされ、こうして第１および第２導体１３，１４が、電気絶縁体１５を介して電気的に絶縁されて構成される。第１および第２導体１３，１４は、たとえばアルミニウム箔であってもよく、そのほかの金属製シートであってもよい。電気絶縁体１５は、たとえばポリイミドなどの合成樹脂材料であってもよく、そのほかの電気絶縁性材料から成ってもよい。複数の各凹部１７は、隣接して形成され、この凹部１７の内面は、第１導体１３によって形成される。各凹部１７内の底には、光電変換素子２がそれぞれ配置される。
【００８８】
図１５は、支持体３の一部の平面図である。凹部１７の開口端１８は多角形であり、たとえばこの実施の形態では蜂の巣状の正６角形であり、本発明の実施の他の形態では、たとえば３角形以上の他の多角形であってもよい。図１５において開口端１８の長さＷ１は、たとえば２ｍｍであってもよい。相互に隣接する各開口端１８は、連続し、すなわち凹部１７は、図１２における逆Ｕ字状の屈曲部１９によって連なる。これによって光１１に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部１７を形成することができ、したがって凹部１７の内面の第１導体１３による反射光を、光電変換素子２に反射して導くことができ、集光比を大きくすることができる。
【００８９】
凹部１７は、底になるにつれて、たとえば放物線状に先細状に形成される。凹部１７の底で、光電変換素子２の第１半導体層７が支持体３の第２導体１４に接続部２１で電気的に接続される。光電変換素子２の第２半導体層８は、凹部の底もしくはその周辺で、支持体３の第１導体１３に電気的に接続される。
【００９０】
図１６は、光電変換素子２の支持体３に搭載される前の状態における光電変換素子３１を示す断面図である。図１６の光電変換素子３１は、前述の図１２に類似する断面構造を有する。第１半導体層７は、球状であり、ｎ形Ｓｉから成る。第１半導体層７は、アモルファス、単結晶または多結晶であってもよい。この第１半導体層７の外方に形成される第２半導体層８は、ｐ形Ｓｉである。この第２半導体層８は、アモルファス、単結晶または多結晶であってもよい。この第２半導体層８は、第１半導体層７よりも光学的バンドギャップを広くとれば、たとえばｐ形ａ−ＳｉＣとすれば、ワイドギャップ窓作用が達成される。
【００９１】
本発明の実施の他の形態では、図１６に示される第１半導体層７は、直接遷移形半導体層によって実現され、たとえばｎ形導電形式を有するＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ₂、ＣｕＩｎＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＴｅから成るグループから選ばれた１種類であってもよい。この直接遷移形半導体層によって形成された第１半導体層７の上に、第２半導体層８が形成され、この第２半導体層８は、ｐ形導電形式を有する半導体ＡｌＧａＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ₂、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＣｄＴｅまたはそれに類似する化合物半導体のグループから選ばれた１種類である。こうしてｐｎ接合構造が形成される。
【００９２】
第１および第２半導体層７，８にアモルファス半導体を用いる工程では、後述の図１７のように、第１半導体層６８および第２半導体層７０の間に、ｉ半導体層６９を形成し、これによってｐｉｎ接合構造が形成されてもよい。
【００９３】
図１６に示される光電変換素子３１を用いて、図１２に示される支持体３とともに組合せ体４を製造する方法を、次に説明する。
【００９４】
図１７は、光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ体４を製造する方法を説明するための断面図である。前述の図１６に示される球状の光電変換素子２が製造された後、図１７に示されるように、光電変換素子２が切削加工される。図１７に示される光電変換素子２では、第２半導体層８の開口部９から第１半導体層７の一部分１０が露出している。この開口部９は、中心角θ１が１８０°未満の範囲で平面状に形成される。中心角θ１は、たとえば４５〜９０°であってもよく、好ましくは６０〜９０°であってもよい。光電変換素子３１の外径Ｄ１は、たとえば０．５〜２ｍｍφ未満であってもよく、さらに好ましくは０．８〜１．２ｍｍφである。開口部９の内径は、参照符Ｄ２で示される。集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２は、２〜８倍であり、好ましくは４〜６倍である。
【００９５】
図１８は、球状の光電変換素子３１を切削加工して開口部９を形成する工程を説明するための断面図である。複数の球状光電変換素子３１は、その上部が吸引パッド３４によってそれぞれ真空吸引され、無端ベルト状研磨材３５によって研磨される。研磨材３５は、ローラ３６，３７にわたって巻掛けられて回転駆動される。
【００９６】
再び図１７を参照して、支持体３の製造にあたって、アルミニウム箔の第１導体１３が準備され、この第１導体１３には接続孔３９が形成される。接続孔３９の内径Ｄ３は、光電変換素子２の外径Ｄ１未満であって、第２半導体層８の開口部９の内径Ｄ２を超える値に選ばれる（Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２）。薄板状の電気絶縁体１５が準備され、この電気絶縁体１５には接続孔４０が形成される。接続孔４０の内径Ｄ４は、光電変換素子２の開口部９の内径Ｄ２未満である（Ｄ２＞Ｄ４）。こうして接続孔３９を有する第１導体１３と接続孔４０を有する電気絶縁体１５とが重ねられて接着されて一体化され、これらの接続孔３９，４０の各軸線は一直線上に存在する。さらに第２導体１４が重ねられて接着されて一体化され、偏平な支持体３ａが形成される。本発明の実施の他の形態では、接続孔３９を有する第１導体１３と、接続孔４０を有する電気絶縁体１５と、第２導体１４とが、同時に重ねられて接着されて一体化されてもよい。第１および第２導体１３，１４ならびに電気絶縁体１５の厚みは、たとえば６０μｍであってもよい。光電変換素子２の開口部９付近は、接続孔３９に嵌まり込み、電気絶縁体１５の接続孔４０に臨む。前記開口部９付近は、接続孔３９に臨んで第１導体１３上に置かれてもよい。
【００９７】
図１２も併せて参照して、光電変換素子２の開口部９よりも図１２の上方で第２半導体層８の開口部９を囲む外周面と、支持体３ａまたは３の第１導体１３の第１接続孔３９付近の部分、すなわち第１接続孔３９の内周面またはその第１接続孔３９付近で第１接続孔３９を囲む部分とが、電気的に接続される。第２半導体層８の外周面と第１導体１３との接続部分４４（図１２参照）は、開口部９を含む仮想平面の周縁部４５よりも第１導体１３とは反対側（図１２の上方）に位置し、これによって第１導体１３が第１導体７と電気的に導通することを確実に防ぎ、またこの接続部分４４は、開口部９を含む仮想平面に平行であってかつ光電変換素子２の中心４６を通る仮想平面４７よりも開口部９側（図１２の下方）に存在する。
【００９８】
その後、偏平な支持体３ａがプレスによって塑性変形加工され、複数の凹部１７が隣接して形成される。第２導体１４は、電気絶縁体１５の接続孔４０から図１７の上方に突出し、すなわち接続孔４０を挿通して隆起するように変形されて接続部２１が形成される。こうして形成された支持体３の高さＨ１は、たとえば約１ｍｍであってもよい。
【００９９】
第１半導体層７と第２導体１４との電気的接続工程、および第２半導体層８と第１導体１３との電気的接続工程との両工程は、いずれが先に順次的に行われてもよく、あるいはまた同時に行われてもよい。
【０１００】
こうして形成された凹部１７内に、開口部９を有する光電変換素子２が配置される。
【０１０１】
本発明の実施の他の形態では、導体１３／絶縁体１５／導体１４の３層構造を、凹部１７が形成されるように塑性変形加工した後、上述の各開口部３９，４０を、２種類の各レーザ光を用いて、導体１３と絶縁体１５とにそれぞれ形成して、支持体３を製造してもよい。
【０１０２】
図１９は、支持体３の凹部１７内に光電変換素子２を配置する工程を示す簡略化した斜視図である。前述の図１８において吸引パッド３４で真空吸引された状態で切削加工された光電変換素子２は、その開口部９が下方に臨んだ姿勢のままで、支持体３の凹部１７内に搬送されて配置される。吸引パッド３４は、複数個、たとえば１００個、列を成して設けられる。吸引パッド３４によって光電変換素子２が凹部１７内に配置された後、支持体３が進行方向４２に凹部１７の１ピッチだけ移動され、前述と同様にして吸引パッド３４を用いて光電変換素子２を、新たな凹部１７に配置する。このような動作が繰返されて全ての凹部１７に光電変換素子２が配置される。その後、光電変換素子２は支持体３に凹部１７の底で電気的に接続される。
【０１０３】
光電変換素子２の第１半導体層７は、開口部３２で露出し、第２導体１４の接続孔４０で接続部２１に電気的に接続される。また光電変換素子２の第２半導体層８は、開口部９の上部の外周部が第１導体１３の接続孔３９付近の部分と電気的に接続される。これらの第１および第２導体１３，１４と光電変換素子２の第２および第１半導体層８，７との電気的な各接続は、たとえばレーザ光を用いて共晶によって、または導電性ペーストを用いて、もしくは金属バンプを用いて電気的に接続されてもよい。こうして鉛を含むはんだを用いることなく、電気的接続を行うことができ、環境の保護の観点から好ましい。
【０１０４】
図２０は、光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ体４，４ｂが接続された状態を示す斜視図である。組合せ体４，４ｂの外方に延びる平面状の周辺部６１，６１ｂで、電気的な接続が行われる。
【０１０５】
図２１は、図２０に示される組合せ体４，４ｂの周辺部６１，６１ｂ付近の分解断面図である。一方の組合せ体４の支持体３の第１導体１３の上に、他方の支持体３ｂの第２導体１４が、重ねられて電気的に接続され、固定される。こうして複数の支持体３，３ｂ毎の光電変換素子２による光起電力を直列接続し、したがって希望する高い電圧を取り出すことができる。
【０１０６】
図２２は、組合せ体４，４ｂ，４ｃを電気的に接続した状態を示す簡略化した側面図である。隣接する一方の組合せ体４の周辺部６１の上または下に他方の組合せ体４ｂの周辺部６１ｂを重ねて、電気的に前述のように接続する。さらに組合せ体４ｂの前述の周辺部６１ｂと反対側の周辺部６１ｂ１は、隣接する組合せ体４ｃの周辺部６１ｃに上下に重ねられて電気的に接続される。組合せ体４ｂの一方の周辺部６１ｂが、組合せ体４の周辺部６１ｂの下方に図２２に示されるように配置される構成では、他方の周辺部６１ｂ１は、組合せ体４ｃの周辺部６１ｃの上方に配置され、こうしていわば２段状に交互に上下に組合されて、接続される。周辺部６１，６１ｂ；６１ｂ１，６１ｃの図２２における左右方向の重なった長さＬ６１は、たとえば１ｍｍであってもよい。
【０１０７】
図２３は、隣接する組合せ体４，４ｂの電気的な接続構造を示す断面図である。一方の組合せ体４の周辺部６１は、立上っており、他方の組合せ体４ｂの周辺部６１ｂは立下って形成される。周辺部６１における導体１４と、周辺部６１ｂの導体１３とが電気的に接続される。
【０１０８】
図２４は、本発明の実施の他の形態における組合せ体４，４ｂの電気的接続状態を示す断面図である。この実施の形態は、図２３の実施の形態に類似するけれども、特にこの実施の形態では、組合せ体４の立上った周辺部６１の導体１３が、組合せ体４ｂの立下った周辺部６１ｂの導体１４に電気的に接続される。このような図２３および図２４の接続構造によれば、支持体３，３ｂの凹部を近接し、限られた面積にできるだけ多くの凹部および光電変換素子を配置することができるようになる。
【０１０９】
図２５は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の一部の断面図である。図２５および後述の図２６〜図３１では、各半導体層は、周方向に展開した偏平な形状で示されているけれども、実際には、円弧状に半径方向内方から外方にすなわち各図面の下方から上方に向かって順次的に、積層して球面を有して形成されている。
【０１１０】
図２５では、光電変換素子の半径方向内方から外方に向かって順次的に、ｎ形微結晶（μｃ）Ｓｉ層６３、ｎ形多結晶（ｐｏｌｙ）Ｓｉ層６４／ｐ形ａ−ＳｉＣ層６５／ｐ形微結晶ＳｉＣ層６６のダブルヘテロ接合層を有する構成を有する。このようなｐｎ接合を有する光電変換素子の構成は、表１に示す。
【０１１１】
【表１】

【０１１２】
図２６は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。各半導体層６８，６９，７０は、前述の表１の構成を有する。本発明の実施の他の形態では、図２６の光電変換素子２において、半導体層６８として、ｎ形の単結晶または多結晶のＳｉが用いられてもよい。
【０１１３】
図２７は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。各半導体層の具体的な構成は、前述の表１に示されるとおりである。本発明の実施の他の形態では、この図２７における半導体層７３，７４は、ｎ形結晶Ｓｉであってもよい。また半導体層７４は、ｉ形微結晶Ｓｉであってもよい。
【０１１４】
図２８は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。図２８〜図３１の光電変換素子２は、２接合のスタック構造を有する。本発明の実施の他の形態では、３接合以上のスタック構造を有する光電変換素子２が用いられてもよい。図２８〜図３１の各光電変換素子２の具体的な構成は、表２に示されるとおりである。
【０１１５】
【表２】

【０１１６】
図２８において、内部セル８１の外方に外部セル８２が形成される。半導体層８４は、ｎ形アモルファスＳｉであってもよく、半導体層８５はｐ形微結晶Ｓｉであってもよく、さらに半導体層８７は微結晶ＳｉＣであってもよい。半導体層８６のｐｉｎ接合層は、光電変換素子２の半径方向内方から外方に順次的にｐ形、ｉ形およびｎ形の各半導体層が積層されて構成されてもよいが、本発明の実施の他の形態では、内部セル８１の半導体層８４，８５の導電形式を図２８とは逆にし、外部セル８２の半導体層８６，８７の導電形式を図２８とは逆とし、この半導体層８６では、ｎ形、ｉ形およびｐ形の半導体層が順次的に形成されてもよく、このことは前述のとおりであって、そのほかの構成を有するｐｉｎ接合層を備えた光電変換素子２に関して同様である。
【０１１７】
図２９は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。内部セル１０１と外部セル１０２とには、半導体層１０３〜１０６；１０７〜１１１が積層されて構成される。
【０１１８】
図３０は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。内部セル１１２と外部セル１１３とには、半導体層１１４〜１１７；１１８〜１２２が積層されて構成される。半導体層１１７に代えて、ｐ形アモルファスＳｉＯであってもよい。半導体層１２１も同様に、ｐ形アモルファスＳｉＯであってもよい。
【０１１９】
図３１は、本発明のさらに他の実施の形態の光電変換素子２の断面図である。内部セル１２４と外部セル１２５とは、半導体層１２６〜１２９；１３０〜１３４が形成される。半導体層１２９に代えて、ｐ形アモルファスＳｉＯが用いられてもよい。
【０１２０】
本発明の光電変換素子２は、前述の構成以外の構成を有していてもよい。
本発明の実施の他の形態では、支持体３に代えて、たとえばポリカーボネートなどの電気絶縁性合成樹脂材料などの射出成形などの成形によって凹部を形成し、その表面に、Ｎｉなどの導電性材料をメッキして、第１および第２導体を形成し、支持体を製造してもよい。第１および第２導体は、たとえばアルミニウム箔であってもよいが、Ｃｒメッキによって、またはＡｇメッキによって形成されてもよく、さらにこれらの金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ等を蒸着もしくはスパッタ等により形成してもよい。第１導体の上には、被覆層が形成されてもよく、この被覆層は、たとえばメッキなどによって形成される金属製であってもよく、または合成樹脂製であってもよい。
【０１２１】
光電変換素子２を用いた光発電装置１の実施の形態は、次のとおりである。
本発明は、（ａ）ほぼ球状の形状を有し、第１半導体層およびそれよりも外方の第２半導体層を有し、第２半導体層の開口部から第１半導体層の一部分が露出し、第１および第２半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
（ｂ）支持体であって、
第１導体と第２導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第１導体または第１導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第１導体または第１導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第１導体は、光電変換素子の第２半導体層に電気的に接続され、
第２導体は、第１半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置である。
【０１２２】
本発明に従えば、ほぼ球状の複数の各光電変換素子が、支持体の複数の各凹部にそれぞれ配置され、この凹部の内面は、第１導体または第１導体上に形成された被覆層によって形成され、したがって太陽光などの外部からの光は、光電変換素子に直接に照射されるとともに、凹部内面の第１導体または第１導体上に形成された被覆層によって反射されて光電変換素子に照射される。
【０１２３】
光電変換素子は、凹部内に配置されるので、相互に間隔をあけて設けられ、すなわち光電変換素子が密に配置されることは無い。したがって光電変換素子の個数を減少して光電変換素子を構成する高純度のたとえばＳｉなどの材料の使用量を低減することができるとともに、光電変換素子と支持体の導体との接続工程を容易にすることができる。
【０１２４】
しかも複数の凹部は、相互に隣接して形成され、これによって外部からの光は、凹部内面で反射して光電変換素子に照射し、外部からの光を有効に、光電変換素子の光起電力の発生のために、利用することができる。こうして本発明の光電変換素子の光源に臨む単位面積あたりの発電電力をできるだけ大きくすることができる。
【０１２５】
本発明の光電変換素子には、単結晶、多結晶またはアモルファスの材料から成ってもよく、シリコン系、化合物半導体系、その他の材料から成ってもよく、またたとえばｐｎ形、ｐｉｎ形の各構造を有していてもよく、その他たとえば、ショットキーバリヤ形、ＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）形、ホモ接合形、ヘテロ接合形およびその他の構成を有していてもよい。
【０１２６】
中心側の第１半導体層は、外側の第２半導体層の開口部から部分的に露出しており、これらの第１および第２半導体層間から、光照射時に発生される光起電力を取出すことができる。支持体の凹部に配置された光電変換素子の第２半導体層は、支持体の第１導体に電気的に接続される。光電変換素子の内部の第１半導体層の露出部分は、第１導体とは電気絶縁体を介して設けられた第２導体に、電気的に接続される。第１導体と第２導体とが面状に形成される構造では、複数の光電変換素子は、これらの第１および第２導体によって並列接続され、大きな電流を導出することができる。
【０１２７】
光電変換素子は、真球であってもよいけれども、真球でなくても、その外表面が、真球以外のほぼ球状であればよい。第１半導体層は、中実のほぼ球状に形成されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、予め準備した芯体の外周面に第１半導体層が被覆して形成された構成であってもよく、あるいはまたほぼ球状の第１半導体層の中心付近が空胴である構成を有してもよい。
【０１２８】
また本発明は、光電変換素子の外径は、０．５〜２ｍｍφであることを特徴とする。
【０１２９】
本発明に従えば、光電変換素子の外径は、０．５〜２ｍｍφであり、好ましくは０．８〜１．２ｍｍφであり、あるいはまた約１ｍｍφであってもよい。これによって高純度のＳｉなどの材料の使用量を充分少なくし、しかも発生電力をできるだけ大きくすることができるようになるとともに、製造時の球状光電変換素子のハンドリングが容易であり、生産性が優れている。
【０１３０】
また本発明は、前記第２半導体層の開口部の中心角θ１は、４５〜９０°であることを特徴とする。
【０１３１】
本発明に従えば、前述のように中心角θ１を、４５〜９０°に選ぶことによって、さらに好ましくは６０〜９０°に選ぶことによって、第１および第２半導体層が、前記開口部の形成によって廃棄される量を低減し、無駄を抑制することができる。しかも中心角θ１を、このような値の範囲に選ぶことによって、第１半導体層と支持体の第２導体との電気的接続のために必要な開口部の面積を得ることができる。
【０１３２】
また本発明は、支持体に形成された凹部の開口端は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、相互に隣接する各開口端は、連続し、
凹部は、底になるにつれて先細状に形成され、
凹部の底もしくはその周辺で、光電変換素子の第１および第２半導体層が、相互に電気的に絶縁されている第２および第１導体に、それぞれ電気的に接続されることを特徴とする。
【０１３３】
また本発明は、支持体の凹部の底もしくはその周辺で、第１導体には、円形の第１接続孔３９が形成されるとともに、電気絶縁体には、第１接続孔３９の軸線を含む一直線上に軸線を有する円形の第２接続孔４０が形成され、
光電変換素子の前記開口部付近は、第１接続孔３９に嵌まり込み、第２半導体層の開口部の上部の外周面と第１導体の第１接続孔３９の端面もしくは端面付近の部分とが、電気的に接続され、
前記開口部から露出した第１半導体層の前記部分が、第２接続孔４０を介して第２導体に電気的に接続されることを特徴とする。
【０１３４】
また本発明は、光電変換素子の外径をＤ１とし、
前記第２半導体層の開口部の内径をＤ２とし、
第１接続孔３９の内径をＤ３とし、
第２接続孔４０の内径をＤ４とするとき、
Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２＞Ｄ４
に選ぶことを特徴とする。
【０１３５】
本発明に従えば、第１導体の第１接続孔３９に、光電変換素子の前記開口部付近が嵌まり込み、その開口部から露出した第１半導体層の前記一部分が、支持体の電気絶縁体に形成された第２接続孔４０を介して第２導体に、電気的に接続される。これによって第１導体、電気絶縁体および第２導体を有する支持体の第１および第２導体を、光電変換素子の第２および第１半導体層と電気的に容易にそれぞれ接続することができるようになる。
【０１３６】
第２半導体層と第１導体との電気的接続に関して、図１２の開口部９よりも上方で第２半導体層の開口部９の上部の外周面と、第１導体の第１接続孔３９の端面もしくは端面付近の部分、すなわち第１接続孔３９の内周面および／またはその第１接続孔３９付近で第１接続孔３９を囲む部分とが、電気的に接続される。
【０１３７】
第１半導体層７の開口部９から露出した部分１０には、第２導体１４が第２接続孔４０を挿通して、たとえば隆起して塑性変形されて電気的に接続されてもよく、または第２接続孔４０に設けられた導電性ペーストによって、もしくは金属などの導電性バンプなどによって、第２導体１４に電気的に接続されてもよい。
【０１３８】
またこれらの外径Ｄ１および内径Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を、前述の不等式のとおりに選ぶことによって、不所望な電気的短絡を防いで、確実な電気的接続が可能になる。
【０１３９】
また本発明は、支持体の凹部の開口端の面積をＳ１とし、光電変換素子の中心を含む断面積をＳ２とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、２〜８に選ぶことを特徴とする。
【０１４０】
また本発明は、（ａ）ほぼ球状の形状を有し、第１半導体層およびそれよりも外方の第２半導体層を有し、第２半導体層の開口部から第１半導体層の一部分が露出し、第１および第２半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
（ｂ）支持体であって、
第１導体と第２導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第１導体または第１導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第１導体または第１導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第１導体は、光電変換素子の第２半導体層に電気的に接続され、
第２導体は、第１半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含み、
光電変換素子の外径は、０．５〜２ｍｍφであり、
支持体の凹部の開口端の面積をＳ１とし、光電変換素子の中心を含む断面積をＳ２とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、２〜８に選ぶ支持体とを含むことを特徴とする光発電装置である。
【０１４１】
また本発明は、（ａ）ほぼ球状の形状を有し、第１半導体層およびそれよりも外方の第２半導体層を有し、第２半導体層の開口部から第１半導体層の一部分が露出し、第１および第２半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
（ｂ）支持体であって、
第１導体と第２導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第１導体または第１導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第１導体または第１導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第１導体は、光電変換素子の第２半導体層に電気的に接続され、
第２導体は、第１半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含み、
光電変換素子の外径は、０．８〜１．２ｍｍφであり、
支持体の凹部の開口端の面積をＳ１とし、光電変換素子の中心を含む断面積をＳ２とするとき、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、４〜６に選ぶ支持体とを含むことを特徴とする光発電装置である。
【０１４２】
本発明に従えば、支持体の凹部の開口端は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、たとえば六角形であってもよく、この凹部は底になるにつれて先細状に形成され、その底に、光電変換素子が配置され、その光電変換素子が、凹部の底もしくはその周辺で、支持体の各導体に接続される。凹部の開口端が多角形であって、各開口端が連続することによって、太陽光などの光源に臨む支持体における光電変換素子の位置以外の全面で受けた光の全てを、光電変換素子に照射することができるようになる。したがって集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、たとえば２〜８倍として、また好ましくは４〜６倍として、いわば集光形光電変換素子を実現することができる。これによって光電変換素子の相互の間隔を大きくし、光電変換素子の個数を減少することができ、かつ支持体との電気的な接続作業工程を簡素化することができる。したがって光電変換素子の材料となる高純度半導体の使用量を減少し、安価に本発明を実施することができるようになる。支持体の構成は、比較的簡単であり、生産性に優れており、製造が容易である。
【０１４３】
たとえば本件発明者の実験によれば、ほぼ球状のＳｉから成る光電変換素子を、その外径が８００〜１０００μｍφとなるように形成した本件光発電装置では、集光比ｘを４〜６倍とすれば、光発電装置で使用される全ての光電変換素子を構成するＳｉと同一重量のＳｉを、仮想上、光発電装置への光源からの光線に垂直な仮想平面への投影面積と等しい面積を有する平板に換算したときの厚みは、約９０〜１２０μｍになり、したがって発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量は、２ｇ未満の値で済むという画期的な結果を得られることになった。前述の結晶シリコン半導体ウエハから成る光電変換素子の第１先行技術では、結晶シリコンの厚みは、３５０〜５００μｍであり、スライスロスを含めると、約１ｍｍとなる。そのため、第１先行技術では、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量は、約１５〜２０ｇ程度である。したがって本発明では、Ｓｉの使用量を、前述の第１先行技術に比べて大幅に軽減することができる。
【０１４４】
集光比ｘが８を超える値とすれば、光電変換素子の必要な数を減少することができ、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量をさらに軽減することができるが、その反面、実際には集光比ｘの増加とともに、凹部に入射された光エネルギの光電変換素子に吸収される光エネルギに対する比率である集光効率が悪くなり、その結果、性能の低下を招いてしまう。
【０１４５】
さらに本発明に従えば、前述のとおり、光電変換素子の外径を０．５〜２ｍｍφに選び、好ましくは０．８〜１．２ｍｍφに選ぶとともに、集光比ｘを、２〜８に選び、好ましくは４〜６に選ぶことによって、光電変換素子の数を減少し、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量を軽減することができるとともに、光電変換素子と支持体との電気的な接続作業工程をさらに簡素化することができるようになる。このようにして光電変換素子の外径の数値選択との組合せは、光電変換素子の数を減少し、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量を低減するために重要である。
【０１４６】
光電変換素子の外径が０．５ｍｍφ未満では、Ｓｉの使用量は低減するが、光電変換素子の必要な数が増加してしまい、またその外径が２ｍｍφを超える構成では、光電変換素子の必要な数は減少するが、Ｓｉの使用量は多くなってしまう。
【０１４７】
集光比ｘが２未満では、Ｓｉの使用量を充分低減することはできず、また８を超えると、集光効率がたとえば８０％未満に悪化し、性能の低下を招く結果になる。本発明では、集光比ｘを前述の値の範囲に選ぶことによって、集光効率を８０％以上とし、さらに９０％以上とすることができるようになる。
【０１４８】
こうして本発明に従えば、光電変換素子の外径と集光比ｘとを前述の数値の範囲に選び、これによって先行技術に比べて、光電変換素子の必要な数と、発生電力１ＷあたりのＳｉの使用量とをいずれも、１／５〜１／１０に激減することができるという卓越した効果が達成される。
【０１４９】
また本発明に従ってアモルファスＳｉ（略称ａ−Ｓｉ）光電変換素子を用いて前述の集光比で集光した構成では、光電変換素子の温度を、アモルファスＳｉ薄板の光電変換素子に比べて上昇させ、たとえば４０〜８０℃とすることができる。これによってアモルファスＳｉ光電変換素子の劣化を抑制し、長寿命にすることが可能である。
【０１５０】
また本発明は、図２５のように、光電変換素子は、
一方導電形式の第１半導体層６４の外方に、
第１半導体層よりも光学的バンドギャップが広い他方導電形式の第２半導体層６５が形成されて、ｐｎ接合を有することを特徴とする。
【０１５１】
また本発明は、図２６および図２７のように、光電変換素子は、
一方導電形式の第１半導体層６８，７３の外方に、
アモルファス真性半導体層６９，７４、および
第１半導体層よりも光学的バンドギャップが広い他方導電形式のアモルファス第２半導体層７０，７６が、
この順序で形成されて、ｐｉｎ接合を有することを特徴とする。
【０１５２】
また本発明は、第１半導体層は、ｎ形Ｓｉであり、
第２半導体層は、ｐ形アモルファスＳｉＣであることを特徴とする。
【０１５３】
また本発明は、第１半導体層であるｎ形Ｓｉは、ｎ形結晶Ｓｉまたはｎ形微結晶（μｃ）Ｓｉであることを特徴とする。
【０１５４】
本発明に従えば、異種のアモルファス半導体によってｐｎまたはｐｉｎのヘテロ接合窓構造を構成する。光の入射側に存在する窓材料の第２半導体層の光学的バンドギャップを、内側の第１半導体層よりも広くし、これによって第２半導体層の光吸収係数を小さくしてこの第２半導体層で光が吸収されないようにし、表面層での電子と正孔との再結合を減らし、光吸収損失を軽減し、また短波長側の感度を増してワイドギャップ窓作用を達成し、その結果、エネルギ変換効率を向上することができる。
【０１５５】
特にｐｉｎ接合構造では、光起電力発生層である真性半導体層（ｉ層）に、光エネルギをより多く導き入れるとともに、短波長側の感度を増してワイドギャップ窓作用を達成することができる。本発明では、前述の先行技術におけるｐ形Ｓｉ球の外方にｎ形Ｓｉ表皮部を形成した粒子に比べて、きわめて優れたエネルギ変換動作が行われることになる。
【０１５６】
ｐｉｎ接合を有する光電変換素子のｉ層では、光が吸収されて電子・正孔対を作って光電流を生成し輸送する役目を果たし、ｐ層とｎ層とは、フェルミ準位を価電子帯と伝導帯の近くに固定して、ｉ層で発生した電子、正孔を、両電極に運ぶ内部電界を作って光生成キャリアを収集する役目を果たす。こうしてエネルギ変換効率の向上が図られる。
【０１５７】
また本発明は、図２８のように、光電変換素子は、
最内方の第１半導体層を有する内部セル８１と、
その内部セルの外方に形成され、最外方の第２半導体層を有する外部セル８２とを含み、
スタック形構造を有することを特徴とする。
【０１５８】
また本発明は、内部セル８１は、ｐｎ接合層またはｐｉｎ接合層を有し、
外部セル８２は、ｐｎ接合層またはｐｉｎ接合層を有することを特徴とする。
【０１５９】
また本発明は、内部セル８１は、内から外に順に、
一方導電形式の第１半導体層８４と、
他方導電形式のアモルファスおよび／または微結晶の半導体層８５とを有し、
外部セル８２は、内から外に順に、
アモルファスｐｉｎ接合層８６と、
このｐｉｎ接合層よりも光学的バンドギャップが広いアモルファスまたは微結晶の第２半導体層８７とを有することを特徴とする。
【０１６０】
また本発明は、図２９のように、内部セル１０１は、内から外に順に、
一方導電形式の第１半導体層１０４と、
他方導電形式のアモルファスおよび／または微結晶の半導体層１０５，１０６とを有し、
外部セル１０２は、内から外に順に、
一方導電形式の微結晶半導体層１０７と、
アモルファス真性半導体層１０８と、
他方導電形式の微結晶の第２半導体層１１１とを有することを特徴とする。
【０１６１】
また本発明は、図３０のように、内部セル１１２は、内から外に順に、
一方導電形式のアモルファスの第１半導体層１１４と、
アモルファス真性半導体層１１５と、
他方導電形式のアモルファス半導体層１１７とを有し、
外部セル１１３は、内から外に順に、
一方導電形式の微結晶半導体層１１８と、
アモルファス真性半導体層１１９と、
他方導電形式の微結晶の第２半導体層１２２とを有することを特徴とする。
【０１６２】
また本発明は、図３１のように、内部セル１２４は、内から外に順に、
一方導電形式のアモルファスの第１半導体層１２６と、
微結晶の真性半導体層１２７と、
他方導電形式であって、第１半導体層よりも光学的バンドギャップが広いアモルファス半導体層１２９とを有し、
外部セル１２５は、内から外に順に、
一方導電形式の微結晶半導体層１３０と、
アモルファス真性半導体層１３１と、
他方導電形式の微結晶の第２半導体層１３４とを有することを特徴とする。
【０１６３】
本発明に従えば、微結晶（μｃ）半導体層は、導電度が高く、このような微結晶半導体層を、第１半導体層とｐｉｎ接合層との間に導入することによって、光電変換効率を向上することができる。アモルファスｐｉｎ接合層によって、またそのアモルファスｐｉｎ接合層と第２半導体層とのヘテロ接合によって、光生成キャリアの有効な収集を行うことができるとともに、光生成キャリアの再結合の損失を軽減することができる。
【０１６４】
アモルファス半導体は、支持体の凹部の内面による反射光を受光することによって、たとえば４０〜８０℃に昇温され、これによって光電変換特性の劣化が抑制され、好都合である。この光電変換素子は、ほぼ球状に形成されているので、直接光および反射光を受光する単位面積あたりの光の入射エネルギが大きくなることが抑制され、このことによってもまた、光電変換特性の劣化が抑制されることになる。
【０１６５】
また本発明は、第１半導体層は、直接遷移形半導体層であることを特徴とする。
【０１６６】
また本発明は、直接遷移形半導体層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ₂、ＣｕＩｎＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＴｅから成るグループから選ばれた１種類であることを特徴とする。
【０１６７】
本発明に従えば、内側の第１半導体層を、光を吸収しやすい直接遷移形半導体層によって実現し、これによって電子と正孔との充分な遷移確率を得ることができ、このことによってもまた、光電変換効率を向上することができる。
【０１６８】
また本発明は、複数の支持体が隣接して配置され、各支持体の周辺部は、外方に延在して形成されており、
この周辺部で、隣接する一方の支持体の第１導体と、他方の支持体の第２導体とが、重ねられて電気的に接続されることを特徴とする。
【０１６９】
また本発明は、前記各周辺部は、立上り部分または立下り部分を有し、
立上り部分または立下り部分が重ねられて電気的に接続されることを特徴とする。
【０１７０】
本発明に従えば、光電変換素子が搭載された複数の支持体の周辺部で、一方の支持体の第１導体と、他方の支持体の第２導体とを重ねて接続し、こうして支持体毎の光電変換素子による光起電力を直列接続し、希望する高い電圧を取り出すことができる。
【０１７１】
本発明に従えば、図２３および図２４に示されるように、支持体の周辺部の立上り部分と立下り部分とを重ねて電気的に接続し、または立上り部分同士を、または立下り部分同士を電気的に接続するようにしてもよい。これによって支持体の凹部を近接し、限られた面積にできるだけ多くの凹部および光電変換素子を配置することができるようになる。
【０１７２】
本発明によれば、坩堝内に半導体を貯留して加熱手段によって溶融し、この溶融半導体を、ノズルから落下し、この溶融半導体に振動を加振手段によって加え、これによってノズルから落下する溶融半導体が、気相中で球状粒子となり、その球状粒子の粒径がほぼ一定の値に揃う。これによって簡単な操作で容易に球状半導体粒子を大量生産することができるようになる。
本発明によれば、ノズルから落下する溶融半導体は、線状ではなく、液体状であり、したがって高速度で短時間に大量の球状半導体粒子を製造することが容易に可能である。たとえば本発明によれば、溶融半導体をノズルから、１ｃｍ／ｓｅｃ〜１ｍ／ｓｅｃで落下して、球状半導体粒子を製造することができ、この生産速度は、前述の先行技術に比べて格段に大きい。
またノズルから落下する溶融半導体は導電性であり、この溶融半導体に電流を作用するとともに、溶融半導体の周囲に交流磁界を発生し、溶融半導体の液柱にローレンツ力を作用して断面積を絞るピンチ効果を発揮する。これによってノズルから落下する溶融半導体を、粒径が揃った球状粒子とすることが正確に可能になる。
【０１７３】
本発明によれば、ノズルから落下する液体または固体の粒子を、結晶化加熱手段によって加熱して再溶融して、その粒子が気相中に存在している状態で、粒子を単結晶または多結晶にする。
加熱される粒子は、溶融半導体であって液体であってもよいけれども、ノズルから落下された溶融半導体が冷却されて固体となった状態であってもよく、さらにまたこの粒子は、半導体が粉砕、破砕された構成を有していてもよい。
【０１７４】
本発明によれば、結晶化加熱手段は、レーザ源であってもよく、あるいはまた輻射熱を発生する輻射熱源であってもよい。このような結晶化加熱手段によって、粒子が冷却する際における温度低下の時間変化率を小さくし、粒子にクラックが生じないように、かつアモルファス化しないようにし、球状粒子を、単結晶または多結晶に確実に形成する。
【０１７５】
本発明によれば、ガス拡散法または固相拡散法によって、一方導電形式、たとえばｐ形の結晶半導体粒子の表面層に、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を容易な操作で形成することができる。ガス拡散法は、拡散したい不純物を、高温に保ったシリコン表面にガス状で送る手法であり、固相拡散法は、シリコン表面に不純物を含む拡散剤を堆積し、その後、高温度でシリコンを熱処理する手法である。
【０１７６】
また本発明によれば、坩堝内の溶融半導体を、気体、液体によって加圧するようにしてもよく、またはピストンなどによって加圧するようにしてもよく、これによってノズルから溶融半導体を落下する。たとえば気体で溶融半導体を加圧するには、坩堝内の半導体の上部空間に、大気圧を超える圧力を有するＡｒ、Ｎ _２ などの不活性ガスをガス源から供給する。あるいはまた坩堝内の半導体の上部空間の圧力よりも、ノズル孔が臨む下方の空間の圧力を低くし、これによって坩堝内の溶融半導体がノズルから落下するように構成してもよい。このノズルの長さを５〜１０ｍｍに選ぶことによって、坩堝内の溶融半導体が、その自重でノズルを落下して流過してしまうおそれはなく、加圧手段による圧力によって、たとえば一定の流量でノズルから溶融半導体を落下することができるようになる。これによって粒径が揃った球状粒子を、正確に得ることができるようになる。
【０１７７】
また本発明によれば、ノズルを、少なくともそのノズル孔付近で往復変位して振動し、このことによってもまた粒径が揃った球状半導体粒子を正確に得ることができるようになる。ノズル孔が、ノズルの軸線に垂直な方向に振動するにあたって、たとえば振動の振幅Ａを、粒径が揃って形成されるべき球状粒子の外径Ｄ１の１／２未満（すなわちＡ＜Ｄ１／２）に選ぶことによって、前述の外径Ｄ１を有する球状粒子を正確に得ることができる。
【０１７８】
また本発明によれば、光電変換素子の製造が容易である。
本発明によれば、坩堝内で溶融された半導体のノズルから落下し、この溶融半導体を振動することによって、簡単な操作で大量の球状半導体粒子を、粒径を揃えて、大量生産することが容易に可能になる。またこのような粒子を、単結晶または多結晶に、気相中で形成することが容易に可能であり、さらに結晶半導体粒子の表面に不純物をドープして表面層を形成することもまた、容易に可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の球状半導体粒子の大量生産装置の全体の構成を簡略化して示す図である。
【図２】図１に示される装置の操作を示すフローチャートである。
【図３】坩堝２０８からノズル２０９を経て溶融半導体を落下する構成を簡略化して示す図である。
【図４】溶融部２０７の簡略化した断面図である。
【図５】ノズル２０９のノズル孔２１８から落下される溶融半導体が球状粒子に形成される状態を示す図である。
【図６】落下される立方体状の溶融半導体の粒子が球状になる経過を示す本件発明者のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の他の形態の断面図である。
【図８】本発明の実施の他の形態の加振手段２２８を示す簡略化した断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態の加振手段２３４の簡略化した断面図である。
【図１０】表面層形成手段２２５の具体的な構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施のさらに他の形態の表面層形成手段２３８の構成を簡略化して示す図である。
【図１２】本発明の実施の一形態の光発電装置１の一部の拡大断面図である。
【図１３】光発電装置１の全体の構成を示す断面図である。
【図１４】図１３に示される光発電装置１の分解斜視図である。
【図１５】支持体３の一部の平面図である。
【図１６】光電変換素子２の支持体３に搭載される前の状態における光電変換素子３１を示す断面図である。
【図１７】光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ体４を製造する方法を説明するための断面図である。
【図１８】真球状の光電変換素子３１を切削加工して開口部３２を形成する工程を説明するための断面図である。
【図１９】支持体３の凹部１７内に光電変換素子２を配置する工程を示す簡略化した斜視図である。
【図２０】光電変換素子２と支持体３とを有する組合せ体４，４ｂが接続された状態を示す斜視図である。
【図２１】図２０に示される組合せ体４，４ｂの周辺部６１，６１ｂ付近の分解断面図である。
【図２２】組合せ体４，４ｂ，４ｃを電気的に接続した状態を示す簡略化した側面図である。
【図２３】隣接する組合せ体４，４ｂの電気的な接続構造を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施の他の形態における組合せ体４，４ｂの電気的接続状態を示す断面図である。
【図２５】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の一部の断面図である。
【図２６】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。
【図２７】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。
【図２８】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。
【図２９】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。
【図３０】本発明の実施の他の形態の光電変換素子２の断面図である。
【図３１】本発明のさらに他の実施の形態の光電変換素子２の断面図である。
【符号の説明】
２０１ 上部ホッパ
２０３ 中間ホッパ
２０５ 下部ホッパ
２０６ 固体予熱部
２０７ 溶融部
２０８ 坩堝
２０９ ノズル
２１１ 加圧手段
２１２ 加熱手段
２１３，２２８，２３４ 加振手段
２１４ ガス源
２１５ 高周波電源
２１６ 誘導加熱コイル
２１８ ノズル孔
２２２ レーザ源
２２３ レーザ光
２２４ 結晶化手段
２２５，２３８ 表面層形成手段
２２７ 冷却筒
２２９ ダイヤフラム
２３１，２３７ 駆動源
２３６ 駆動室

Claims (28)

1. 半導体を、貯留する坩堝と、
   坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
   坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
   溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った粒子にする加振手段と、
   ノズルから落下する溶融半導体に、ローレンツ力を作用させ、断面積を絞るピンチ効果を発揮して粒子を形成するローレンツ力発生手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
2. 半導体を、貯留する坩堝と、
   坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
   坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
   溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、
   ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
3. 半導体を、貯留する坩堝と、
   坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、
   坩堝内の溶融半導体を落下させるノズルと、
   溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、
   ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段と、
   結晶化加熱手段からの単結晶または多結晶の一方導電形式の粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その単結晶または多結晶の粒子に他方導電形式の表面層を形成する拡散手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
4. 液体または固体の粒子を、その粒子が気相中に存在している状態で加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化加熱手段を含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
5. 結晶化加熱手段は、粒子にレーザ光を照射するレーザ源であることを特徴とする請求項２〜４のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
6. 結晶化加熱手段は、粒子の通路に設けられ、輻射熱で粒子を加熱する輻射熱源であることを特徴とする請求項２〜４のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
7. 結晶化加熱手段は、粒子の加熱を、
   粒子の冷却速度のプロファイルを、ゆるやかにし、
   粒子にクラックが生じないように、かつアモルファス化しないように、行うことを特徴とする請求項５または６記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
8. 一方導電形式の結晶半導体粒子を、
   その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その粒子に他方導電形式の表面層を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
9. 前記通路は、上下に延びて形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の形成が行われることを特徴とする請求項３または８記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
10. 半導体は、Ｓｉであることを特徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
11. 坩堝内の溶融半導体を加圧する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
12. 加圧手段は、坩堝内の半導体の上部空間に、大気圧を超える不活性ガスを供給するガス源を含むことを特徴とする請求項１１記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
13. 坩堝内の半導体の上部空間の圧力よりも、ノズル孔が臨む空間の圧力が、低くされることを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
14. ノズルの長さが５〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３，１１〜１３のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
15. 加熱手段は、
    坩堝の付近に設けられる誘導加熱コイルと、
    誘導加熱コイルを励磁する高周波電源とを含むことを特徴とする請求項３，１１〜１４のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
16. 加熱手段は、坩堝を加熱する抵抗加熱手段であることを特徴とする請求項３，１１〜１４のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
17. 加振手段の振動周波数は、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚにされることを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
18. ノズルは、振動可能に構成され、
    加振手段は、ノズルを、往復変位して振動することを特徴とする請求項３，１１〜１７のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
19. 加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間の圧力を変動する圧力変動手段であることを特徴とする請求項３，１１〜１７記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
20. 加振手段は、
    坩堝内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラムと、
    ダイヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴とする請求項１９記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
21. 加振手段は、坩堝を振動することを特徴とする請求項３，１１〜１７のうちの１つに記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
22. 請求項１〜２１のうちの１つの生産装置によって生産された複数の半導体層から成ることを特徴とする光電変換素子。
23. 請求項２２の光電変換素子を複数個配列して構成されることを特徴とする光発電装置。
24. 落下する半導体を、気相中で加熱して再溶融して単結晶または多結晶とすることを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法。
25. 単結晶または多結晶の粒子を落下させつつ、ドープすべき組成を有するガス中で、その粒子に、前記ガスのドープすべき組成が拡散した表面層を形成することを特徴とする請求項２４記載の球状半導体粒子の大量生産方法。
26. 半導体を、坩堝に貯留し、
    坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱して溶融し、
    坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
    溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った粒子にし、
    ノズルから落下する溶融半導体に、ローレンツ力を作用し、断面積を絞るピンチ効果を発揮して粒子を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法。
27. 半導体を、坩堝に貯留し、
    坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱し、
    坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
    溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にし、
    ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にすることを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法。
28. 半導体を、坩堝に貯留し、
    坩堝内の半導体を加熱手段によって加熱し、
    坩堝内の溶融半導体をノズルから落下させ、
    溶融半導体を加熱手段によって振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にし、
    ノズルからの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にし、
    単結晶または多結晶の一方導電形式の粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を落下させつつ通過させて、その単結晶または多結晶の粒子に他方導電形式の表面層を形成することを特徴とする球状半導体粒子の大量生産方法。

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