JP4845015B2 - 太陽電池用シリコン基板の製造方法および太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
上述した応力を緩和する方法として、薄肉の基板を用いることを見出した。
基板の可撓性
図2に示す様に、ガラス基板の一方の面の上に薄膜を成膜したシリコン基板における薄膜材料と基材材料の間の熱膨張率差により薄膜内に発生する応力σfilm は、材料の等方的変形を仮定し湾曲等の変形を考慮しないことで、簡便に算出することができる。一般的にシリコン薄膜厚みに対しガラス基板厚みが大きい場合には、ガラス基板の変形がほとんど無視しうるので、発生応力は下式に近似され、基板(薄膜材料および基板材料)の熱膨張率により一義的に規定される。ここで薄膜に発生する応力はαfilm>αsubの条件化では引張応力となり、一般に脆性の材料は引張応力に弱いため、クラック発生の原因となる。
Efilm :薄膜材料のヤング率
αfilm :薄膜材料の平均熱膨張率
ΔTfilm :薄膜材料の温度変化量
αsub :基板材料の平均熱膨張率
ΔTsub :基板材料の温度変化量
本発明例で示す通り、薄膜材料としてシリコン、ガラス基板材料として石英ガラスを用いる場合、その熱膨張率はそれぞれ2.8×10-6K-1(シリコン)、5.9×10-7K-1(石英ガラス)となり、上述したようにαfilm>αsubでは、従来の基板構造においてシリコン側に発生する応力は引張応力となる。
ガラス基板の製作
ガラス基板の製作は、図3に示す様な線引装置により行う。10mm幅、100μm厚の断面形状を有するガラス基板を製作するためには、出発母材としては、所定ガラス基板形状の縦・横比と同一で引き落とし率20の矩形母材(200mm幅、2mm厚、長さ1000mm)を使用し、石英軟化点以上、即ち1910℃程度の温度で加熱する。所定の形状まで引き落とし、その引取速度は外形寸法を計測しフィードバック制御をかけることで調整して、厚みで100μm±2μ程度の精度のガラス基板を得ることができる。
Si成膜方法
Si成膜に関しては、図5に示すような熱CVD法により行う。ガラス基板の片面のみへの成膜及び均一な基板加熱のために、カーボンサセプターを反応管内に配置し、外部より誘導加熱により1000℃まで加熱する。この内部に原料ガスとしてSiH2Cl2、H2、Arガスを導入し、Siを成膜する。線条体を連続的に通線するために、反応管上下は一部を開放しているが、外部からのガスの混入及び内部の反応ガスの外部への漏洩を防止するガスシール機構を設ける。
結晶粒の粗大化
高速で成膜したシリコン結晶は、粒径数μm程度の微細な結晶が厚み方向に柱状に成長した形態となっており、結晶粒界の影響により光起電力により発生したキャリアのライフタイムが低下してしまい、太陽電池とした場合の変換効率が低下してしまう。従って、得られたシリコン薄膜を再加熱する方法で、シリコン結晶粒径を拡大するプロセスが必要となる。
シリコン薄膜上に太陽電池セルを形成する際には、基板として用いたガラスを除去することが、変換効率の向上に有効である。片側にガラス絶縁層が形成されている場合には、PN接合及びその電極は同一平面内に形成する必要があり、電極等非発電部が生じることで、変換効率の低下をきたす。これに対し、現在主に製造されている、単結晶もしくは多結晶太陽電池においてはシリコン基板の上下面にPN接合を構成し、入光面側には電極のみが配置される構造が一般的であり、有効発電部を効率的に確保できる。従って、本構造にて形成したシリコン薄膜に関しても、シリコン薄膜形成がなされた段階で、ガラス基板をフッ酸等のガラスのみを溶解する酸を用いてエッチング除去し、シリコン薄膜の状態とすることで、従来と同構造の太陽電池セルを形成することができる。
上記プロセスで得たシリコン基板は、所定の長さに切断することで、通常のシリコン基板と同様なプロセスにてPN接合を形成し太陽電池とすることができる。また、連続体のままの状態で保護膜を形成することで、一定の張力をかけた状態でのリールツーリール機構によるハンドリングが可能となる。特に基板厚みが通常のシリコン基板の厚みである200μm〜100μm程度であれば、ハンドリングには障害はないが、より薄い厚みになると、移動時に発生する衝撃的な荷重の影響で破損しやすくなり、ハンドリングが著しく困難となる。これに対し、リールツーリール機構を用いることで、一定の張力を付与しながら基板への局部的な応力集中をさけることができ、薄膜のシリコン基板の安定的なハンドリングが可能となる。
ここでは、薄膜シリコン基板の作成方法を示す。線引法により形成した1mm幅×100μm厚の合成石英ガラス基板を使用し、熱CVDにより片面にシリコン薄膜を形成した。本ガラス基板を内径φ15mmの石英管内に配置し、外部より定速移動機構に接続することで、高温部に対し基板を移動させる方式で成膜をおこなった。高温部の加熱源としては、ガラス基板温度を1000℃以上に加熱できる方法であれば問題ないが、本試作においては、赤外線ランプ型イメージ炉用いた。
実施例と同サイズの基板の両面に、同様な手法でシリコンを成膜した例を図7に示す。ガラス基板の両側にシリコン膜が配置されているので、均等な引っ張り応力が発生し、シリコン膜上に多くのクラックが発生していることが確認された。
実施例1に示すシリコン薄肉基板上に、プラズマCVD法により原料ガスとしてTEOSを使用し、SiO2膜を成膜した。本基板を図8に示す装置を用い、誘導加熱により発熱させたカーボンサセ゜プターを用いて、局所的にシリコン融点以上に加熱される基板を、反応管中を一定速度で移動させることで、シリコン膜の溶融及び再凝固を連続的におこなった。移動速度20mm/sにて、シリコン薄膜は平坦化した状態で再結晶化し、操作方向に数百ミクロンまで成長した結晶を得ることができた。
実施例2に示すシリコン基板を用いて、太陽電池の試作を行った。工程を図9に示す。ガラス基板との接触面側を光の入射側として、PN接合を形成した。シリコン基板の洗浄は硝酸とフッ酸の混合液でエッチンングを行った後、水酸化ナトリウムを用いてアルカリエッチングを行った。その後、PSG液を塗布し、POCl3拡散によりp型のシリコン基板にn層を形成した。
図5に示す装置にて、幅2mm、厚み50μmの石英ガラス基板を引取速度20mm/秒で引取を行いながら反応管中を通過させ、SiH2Cl2を200SCCM、H2を2SLM、Arを100SCCM流量を制御しながら反応管内に導入し、ランプヒーターにて1250℃に加熱することで、シリコンの薄膜を成膜し平均膜厚40μm程度のクラックの発生しないシリコン薄膜を得る事ができた。また、連続して紫外線硬化樹脂をコーティングし、紫外線照射して硬化させ、引き取ることで、胴径300Φのリールに破断することなく、巻き取ることができた。さらに本樹脂コーティングしたシリコン基板を、曲げた状態から直線上に進捗し、紫外線硬化樹脂をプラズマ処理で剥離することで、クラックの発生しないシリコン基板を得る事ができた。
Claims (8)
- 矩形ガラス母材を加熱しながら伸ばして引取り、50μm−200μmの厚みのガラス基板を製作する工程と、
熱CVD法により、前記ガラス基板の片面のみに、膜厚が前記ガラス基板厚の50%以上かつ100μm以下のシリコン膜を成膜する工程と
を含むことを特徴とする太陽電池用シリコン基板の製造方法。 - 前記ガラス基板の断面の幅/厚さの比が10以上100以下であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池用シリコン基板の製造方法。
- 前記ガラス基板を製作する工程が、
回転する引取ロールにより、加熱されて伸ばされた前記矩形ガラス母材を引取る工程と、
該矩形ガラス母材を引取る工程の前に、加熱されて伸ばされた前記矩形ガラス母材の表面をコーティングして、表面保護する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池用シリコン基板の製造方法。 - 前記シリコン膜を成膜する工程に続いて、液相成長方法により結晶粒径を拡大する工程を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の太陽電池用シリコン基板の製造方法。
- 前記シリコン膜を成膜する工程の後に、前記ガラス基板をエッチング除去してシリコン基板を生成する工程を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の太陽電池用シリコン基板の製造方法。
- 前記ガラス基板をエッチング除去して生成されたシリコン基板が、テープ状の形態であり、
前記シリコン基板を生成する工程の後に、前記テープ状のシリコン基板の表面に保護膜をコーティングする工程と、
前記保護膜がコーティングされたテープ状のシリコン基板を巻取リールにより巻き取る工程と
を含むことを特徴とする請求項5に記載の太陽電池用シリコン基板の製造方法。 - 請求項1−6のいずれかに記載された太陽電池用シリコン基板の製造方法によって製造された太陽電池用シリコン基板上に、PN接合を形成して太陽電池を製造することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 請求項6に記載された太陽電池用シリコン基板の製造方法によって製造されたテープ状のシリコン基板上に、一定の張力をかけた状態で、リールツーリール機構により、連続的にPN接合、電極、パーシベイション膜を形成すること特徴とする太陽電池の製造方法。
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