JP4002715B2

JP4002715B2 - 多結晶シリコン及び太陽電池用シリコンウエーハ

Info

Publication number: JP4002715B2
Application number: JP2000256592A
Authority: JP
Inventors: 透山田; 勝志徳永
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: JP2002068724A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶シリコンに関し、さらに詳しくは太陽電池セルの材料として有用な太陽電池用多結晶シリコンウエーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池の材料にはアモルファスシリコン、シリコン結晶、化合物半導体結晶などが用いられるが、変換効率、安定性、安全性、資源の存在量などの観点からシリコン結晶が最も多く用いられる。シリコン結晶太陽電池には単結晶シリコンを用いるものと多結晶シリコンを用いるものがあるが、多結晶シリコンの方が量産性に優れ、低コストにできると言われている。
【０００３】
太陽電池セルは光によって発生するキャリアを内部電界で分離して起電力を発生させるので、発生するキャリアの寿命が長いことが望ましい。しかしながら従来のボロンをドーピング剤として添加した多結晶シリコンを基板とする太陽電池セルは、光を照射することによりキャリア寿命が低下し、その結果変換効率が低下するという問題があった。
【０００４】
このような問題点を解決するため本出願人は先の出願において、ｐ型のドーピング剤としてボロン（Ｂ）の代わりにガリウム（Ｇａ）を使用することを提案した（特願２０００−０６１４３５）。この提案では、ガリウムをドーピング剤とした多結晶シリコンは光照射によるライフタイムの低下が無く、光照射による変換効率の低下も無い事が分かっている。
【０００５】
しかしながら、ガリウムの偏析係数は０．００８であり、ボロンの偏析係数０．８に比べて著しく小さいため多結晶インゴットを育成した場合、ガリウム原子が結晶粒子内よりも結晶粒界に集まりやすく、所望の抵抗率を得るべくガリウムの添加量を計算して添加しても、実際に太陽電池セルとして機能する個々の結晶粒子の内部では所望の抵抗率よりも高くなってしまうため、予定した変換効率を得ることが難しいという問題が生じた。また、粒界に奪われるガリウムの量をあらかじめ予想して添加しても、結晶の平均粒径がわずかに異なっただけで粒界に奪われるガリウムの量は大幅に変わるので、固化（原料シリコンを溶解した状態から凝固させること）条件等のばらつきにより結晶粒子内の抵抗は変動し、最終的に生産される太陽電池セルの変換効率のばらつきを押さえることが難しかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ガリウムをドープした多結晶シリコンにおいて、固化条件等のばらつきにより結晶粒子内の抵抗が変動し、最終的に生産される太陽電池セルの変換効率を高くし、さらにばらつきが発生することを防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための本発明は、ドーピング剤としてガリウムを含む多結晶シリコンであって、結晶の平均粒径が２ｍｍ以上であることを特徴とする多結晶シリコンである。
【０００８】
このように、原料シリコンを溶解し凝固させる際、固液界面付近の温度勾配を小さくすること等により平均粒径を２ｍｍより大きくする。これにより全インゴット体積に対する粒界領域の体積の割合が小さくなり、粒界に捕獲されるガリウム原子の量が少なくなるので結晶粒子内部の抵抗率を正確に制御できるようになる。これにより太陽電池セルの変換効率のばらつきを小さくすることができる。なお、本発明で言う平均粒径とは結晶から直方体のブロックを切り出して、このブロックの面に現れた結晶粒子の数を計数し、ブロック面の面積をこの数で割ったものの平方根を言う。
【０００９】
そして、本発明の多結晶シリコンから作製された太陽電池用多結晶シリコンウエーハは、結晶粒子内の抵抗率のバラツキが少ない上にボロンドープウエーハのような光照射による変換効率の劣化が生じないため、太陽電池セル製作用のウエーハとして最適なものとなる。
【００１０】
また、本発明の太陽電池用多結晶シリコンウエーハから作製された太陽電池セルは、変換効率にバラツキが生じることがなく、加えて光照射による変換効率の低下もない優れた品質の太陽電池セルとなる。
【００１１】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明者らは、ドーピング剤としてガリウムを含む多結晶シリコンについて、その欠点である抵抗率のバラツキを解決すべく、鋭意研究した結果本発明に想到したものである。
【００１２】
前述したように、ガリウムはボロンに比べて偏析係数が非常に小さいため、多結晶インゴットを育成した場合、ガリウム原子が結晶粒子内よりも結晶粒界に集まりやすく、僅かな平均結晶粒径の変化により結晶粒子内の抵抗率が変化しやすいため、太陽電池セルを形成した場合に変換効率のバラツキが生じ易かった。
【００１３】
ここで、粒界とは「結晶粒の境界」の意味である。粒界は格子が乱れているので、ガリウムの溶解度が結晶粒子内に比べて高く、ガリウム原子が集中する。
特に多結晶の粒径が小さいときには粒界の総面積が大きいので、粒径が少しでも変化すると粒界面積が大きく変動し、ここに捕われるガリウム原子の量が大きく変わり、結果的に結晶粒子内のガリウム濃度が大きく変動する。しかし、ある程度粒径が大きければ粒界の総面積が小さくなるので、同じ割合で粒子径が変動したとしても影響が小さいと考えられる。
【００１４】
そこで、本発明者らは結晶粒径を大きくすることにより、ガリウム濃度の変動を抑えることを発想した。例えば、一辺が１０ｃｍで高さが１０ｃｍの多結晶インゴットがあって、これを一辺が０．１ｃｍで高さが１０ｃｍの細長い柱状晶が１００００本集合したものと考えると、この時の粒界面積はおおよそ１０×１０×（１０／０．１）×２＝２００００ｃｍ^２となる。仮に柱状晶の一辺の長さが一割減少したとすると１０×１０×（１０／０．０９）×２＝２２２２２ｃｍ^２となり、その差は２２２２ｃｍ^２となる。ところが、もとの柱状晶の一辺が０．５ｃｍとより大きいのであれば、もとの粒界面積はおおよそ１０×１０×（１０／０．５）×２＝４０００ｃｍ^２であり、柱状晶の一辺の長さが一割減少したとしても１０×１０×（１０／０．４５）×２＝４４４４ｃｍ^２となり、その差は４４４ｃｍ^２とはるかに小さなものとなる。
【００１５】
このように粒径変化が同じ割合で起っても粒界面積の変化の絶対量は粒径が大きい方が小さいことがわかる。このことから、粒径を大きくした多結晶の方が、粒界にとらわれるガリウムの量の変化が小さく、言い換えれば粒径が変動しても抵抗率変化も小さく、その結果、変換効率のバラツキを小さくできると言える。さらに、ガリウムドープ多結晶は、結晶の粒径が異なっても、太陽電池セルの光照射による変換効率の劣化がないというガリウムドープ多結晶の本来の性質は変わらない。従って、従来よりも結晶の平均粒径が大きいガリウムドープ多結晶シリコンであれば、光照射による変換効率の劣化がなく、かつ変換効率のバラツキが少ない理想的な多結晶シリコンとなる。
本発明はこのような基本思想に基づき、諸条件を検討の結果、完成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
多結晶シリコンの製造について述べる。図１（ａ）は、多結晶シリコンを成長させるための装置の概略を示す図である。例えば、原料シリコンとガリウムを含むドーピング剤を石英ルツボ３に入れておく。電気炉１の炉体２内壁にヒーター４があり、ルツボ３が下から上に上がって来て炉内に入ると、原料シリコンが溶解し、全て溶解した後、今度はルツボを引き下げる。温度が下がるに従い溶解したシリコンが凝固してルツボの底から多結晶が成長する。ここで、本発明の結晶の平均粒径が２ｍｍ以上という多結晶シリコンを製造するためには、原料シリコンを溶解させてから凝固させる際、結晶の温度がシリコンの融点を通過することになるが、その融点を含む近傍の温度領域において、冷却速度を遅くすればよい。簡単にはルツボの引き下げ速度を遅くすればよいが、生産性が悪化するので、以下の方法を用いればよい。
【００１７】
図１（ｂ）は、電気炉１内部の温度分布を示す図である。図１（ｂ）の右側の温度分布▲１▼は、ヒーター４のパワーを上げて融点よりも大きく高い温度とした場合を示し、左側の温度分布▲２▼は、ヒーター４のパワーを調整して融点よりも少しだけ高い温度とした場合を示す。この図１（ｂ）から、左側の温度分布▲２▼の方が、右側の温度分布▲１▼に比べて、固液界面（融点）付近における温度勾配が小さいことがわかる。つまり、温度勾配を小さく、即ち冷却速度を遅くするためには、ヒーター４のパワーを調整して融点よりも少しだけ高い温度とすれば良い。このようにすれば、多結晶シリコンの生産効率に影響を与えることなく、平均粒径が２ｍｍ以上の多結晶シリコンを製造することができる。
【００１８】
ここで、平均粒径を２ｍｍ以上としたのは、平均粒径が２ｍｍ以上であれば、太陽電池セルを形成した場合にその変換効率のバラツキを±０．１〜０．３％前後に抑えることができるからである。また、この程度のバラツキであれば実用に耐え得る。
【００１９】
この場合、結晶の平均粒径が大きければ大きいほど、粒界面積は小さくなるため変換効率のバラツキは小さいものとなるが、通常、多結晶シリコンは石英ルツボか黒鉛ルツボの中で製造されるため、ルツボの底や壁と接触している部分のいたるところから結晶が成長し始め、結晶粒子はあまり大きくはできない。また、ある程度結晶粒径が大きくなると、それ以上大きくしても粒界の面積はそれほど減らなくなるため、実質的には結晶粒径は２０ｍｍ以下とすることが好ましい。これ以上大きくしようとすると結晶育成時間が長くなる等、コストがかさむ。
【００２０】
また、ルツボ内の融液へのガリウムの添加は、例えば予め高濃度のガリウムを添加したシリコン結晶を育成し、この高濃度ガリウムドープシリコン結晶を砕いて作製したドーピング剤を、計算により適切な量だけシリコン融液に添加するようにすれば、正確な量のガリウムをドープすることができる。
【００２１】
このようにして製造された柱状の多結晶シリコンをスライスして、エッチング、洗浄等の所定の工程を経て多結晶シリコンウエーハを製造する。そして、このような多結晶シリコンウエーハに、一般的な太陽電池セルの作製プロセスとして、ｐｎ接合形成工程、電極形成工程、反射防止膜形成工程等を施して太陽電池セルが形成される。
このようにして得られた本発明の太陽電池セルは、光照射による変換効率の劣化が少なく、変換効率のバラツキも少ないものとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
初めに半導体級シリコン５ｋｇとガリウム５０ｇを直径１５ｃｍ、深さ２５ｃｍの石英ルツボに入れ、清浄な電気炉中で溶解後急冷してガリウムが高濃度にドープされたシリコン結晶を作製した。以後これを砕いたものをドーピング剤として用いた。
【００２３】
次に半導体級シリコン５ｋｇと上記のドーピング剤２５ｇを離型剤を塗布した直径１５ｃｍ、深さ２５ｃｍの石英ルツボに入れ清浄な電気炉中で溶解した後、ルツボを加熱領域から引き下げて冷却し、柱状の結晶を成長させながら多結晶シリコンを作製した。なお、本実施例１では冷却する際に冷却速度を２０℃／ｍｉｎとした。このようにして作製された結晶の中心部から５ｃｍ角、厚さ２ｃｍの直方体を５ｃｍ角の面が水平になるように切り出し、厚さ方向の抵抗率を測定したところ１．１Ω・ｃｍであった。また、このブロックの５ｃｍ角の面に現れた結晶粒子の数を計数し、面積をこの数で割ったものの平方根を平均粒径として求めたところ２．１ｍｍであった。さらに、この直方体の結晶を柱状に成長した結晶の向きに垂直にスライスして多結晶シリコンウエーハを作製した。
【００２４】
この５ｃｍ角のウエハを水酸化ナトリウム溶液に浸して加工ひずみ層を除き、次にＰＯＣｌ_３による拡散法でシート抵抗７８Ω／□の０．２μｍの浅い接合を形成した。その後、表面安定化のためのＳｉＯ_２パッシベーション膜とＴｉＯ_２膜を順次積層した。続いて裏面拡散層をエッチングで除去した後、Ａｌペーストの印刷、焼成により少数キャリアの再結合損を低減するためのＢＳＦ（Back surface field）層を形成し、ＴｉＯ_２膜の上からＡｇペーストの印刷、焼成により受光面電極を形成し、さらに裏面にＡｇペーストの印刷、焼成により裏面電極を形成して、最後に反射防止膜としてＭｇＦ_２膜を蒸着して太陽電池セルとした。
【００２５】
同様にして５つの太陽電池セルを作製し、得られた太陽電池セルの変換効率を測定した。変換効率の測定は、２５℃に温度調節された測定台に太陽電池セルをのせ、ハロゲンランプを光源としたソーラーシミュレータでＡＭ（エアマス）１．５の条件下で定常光をセルに照射し、セルから取り出すことができた電圧と電流を測定して、太陽電池セルの変換効率を算出した。測定結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１より、本実施例１の太陽電池セルは、各々の平均変換効率が最も小さな値が１５．９％であり、最も大きな値が１６．２％とバラツキが小さいことが判る。
【００２８】
（実施例２）
冷却速度を１０℃／ｍｉｎと実施例１よりさらに小さくした以外は実施例１と同様にして多結晶シリコンを作製した。このようにして作製された結晶の抵抗率を実施例１と同様に測定したところ、実施例１と同様に１．１Ω・ｃｍであった。また、実施例１と同様に、この多結晶シリコンの平均粒径を求めたところ２．９ｍｍであった。さらに、この直方体の結晶を柱状に成長した結晶の向きに垂直にスライスして多結晶シリコンウエーハを作製した。
【００２９】
このようにして製造した多結晶シリコンウエーハから実施例１と同様に５つの太陽電池セルを作製し、その変換効率を測定した。その結果を表１に併記する。表１より、本実施例２の太陽電池セルは、各々の平均変換効率が最も小さな値が１６．０％であり、最も大きな値が１６．３％とバラツキが小さいことが判る。
【００３０】
（比較例）
冷却速度を４０℃／ｍｉｎと実施例より大きくする以外は実施例と同様にして多結晶シリコンを作製した。このようにして作製された結晶の抵抗率を実施例と同様に測定したところ、１．０Ω・ｃｍであった。また、実施例と同様に、この多結晶シリコンの平均粒径を求めたところ、固液界面の温度勾配が大きいため、１．８ｍｍと小さな粒径となった。さらに、この直方体の結晶を柱状に成長した結晶の向きに垂直にスライスして多結晶シリコンウエーハを作製した。
【００３１】
このようにして製造した多結晶シリコンウエーハから実施例と同様に５つの太陽電池セルを作製し、その変換効率を測定した。その結果を表１に併記する。表１より、比較例の太陽電池セルは、各々の平均変換効率が最も小さな値が１４．３％であり、最も大きな値が１５．９％と大きな範囲でばらついていることが判る。また、変換効率も実施例より低下傾向が見られる。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３３】
例えば、上記では、ガリウムドープ多結晶シリコンの平均粒径を２ｍｍ以上とするのに、ヒーターのパワーを調節して冷却速度を遅くすることにより行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガリウムドープ多結晶シリコンであって平均粒径が２ｍｍ以上であれば、どのような方法により作製されてもよいことは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の多結晶シリコンによれば、正確に結晶粒子内部の抵抗率を制御できるようになり、最終的に生産される太陽電池セルの変換効率のばらつきを少なくし、また変換効率も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、多結晶シリコンを成長させるための装置の概略を示す図であり、（ｂ）は、この装置の炉内の温度分布の例を示す図である。
【符号の説明】
１…電気炉、２…炉体、３…ルツボ、４…ヒーター

Claims

ドーピング剤としてガリウムを含む柱状に成長させた多結晶シリコンであって、該結晶から直方体のブロックを柱状に成長した結晶の向きに垂直になるように切り出して、このブロックの柱状に成長した結晶の向きに垂直な面に現れた結晶粒子の数を計数し、前記垂直な面の面積をこの数で割ったものの平方根を平均粒径としたとき、結晶の平均粒径が２ｍｍ以上であることを特徴とする多結晶シリコン。
請求項１に記載の多結晶シリコンから作製された太陽電池用多結晶シリコンウエーハ。
請求項２に記載の太陽電池用多結晶シリコンウエーハから作製された太陽電池セル。