WO2011105538A1 - シリコン粉末を用いた太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

シリコン粉末を用いた太陽電池セルの製造方法 Download PDF

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岡　浩章
斉彰 岡
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a silicon solar battery cell using silicon powder as a raw material.
  • a single crystal silicon type, a polycrystalline silicon type, a microcrystalline silicon type, an amorphous silicon type, and the like are known as types of silicon solar cells.
  • a high-purity silicon wafer is used as a semiconductor substrate, or a silicon film is formed on an insulating or conductive substrate using a CVD method or a vapor deposition method to form a PN junction or a PIN junction.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a solar battery cell capable of mass-producing solar battery cells by a simple process and at a low cost.
  • the method for producing a solar battery cell of the present invention provides a silicon powder of a first conductivity type, arranges the powder in a layer form to form a silicon powder layer, and heats the powder layer above the melting point of silicon.
  • the first conductivity type silicon layer is formed by melting and cooling, a second conductivity type silicon powder is prepared, and the powder is arranged in layers on the first conductivity type silicon layer.
  • a two-conductivity type silicon powder layer is formed and heated to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon, whereby the powder layer is melted and cooled to form a second-conductivity type silicon layer.
  • the method for manufacturing a photovoltaic cell prepares a first silicon powder, arranges the powder in layers, forms a silicon powder layer, and compresses the powder layer by applying heat and pressure. Then, firing is performed to form a first conductivity type silicon layer, a second silicon powder is prepared, and the powder is arranged on the first conductivity type silicon layer to form a second silicon powder layer. Then, by applying heat and pressure, the powder layer is fired while being compressed to form a second conductivity type silicon layer.
  • solar cells can be manufactured from silicon powder.
  • a first conductive type silicon powder layer is formed, and heat is applied to melt and cool the powder layer, thereby forming a first conductive type silicon layer, and a second conductive type silicon layer is formed on the silicon layer.
  • the powder layer is melted and cooled to form a second conductivity type silicon layer. Therefore, solar cells with a PN junction can be easily and continuously formed.
  • the powder layer may be fired while being compressed by applying heat and pressure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a solar cell manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a solar cell manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • P-type silicon powder 11 and N-type silicon powder 12 are prepared.
  • the silicon particles of these powders 11 and 12 are substantially spherical, have a particle size of about 0.1-10 ⁇ m, and have a solar cell grade (7 nine level) purity.
  • These powders 11 and 12 can be mass-produced by a method for producing high-purity silicon using a rotating crucible of the present inventors (Japanese Patent Application No. 2010-35714).
  • the P-type silicon powder 11 is accommodated in the storage unit 21, and the N-type silicon powder 12 is stored in the storage unit 22.
  • a transparent insulating foil 13 and a transparent electrode foil 14 bonded thereto are fixed on the plate 35 by rollers 23, 24, 25, 26 and a heat-resistant metal belt 27 at a constant speed below the reservoirs 21 and 22. Sent in the direction. Openings 21 a and 22 a are provided below the storage portions 21 and 22, and the layers are disposed in layers on the transparent electrode foil 14 in which the P-type silicon powder 11 is bonded onto the transparent insulating foil 13 from the opening 21 a.
  • the P-type silicon powder layer 11a arranged in layers on the transparent electrode foil 14 is sent in the direction of the arrow in the figure, and heat is applied directly under the heater 28, which is lower than the melting point of silicon (1412 ° C.) 600-1350. Heated to ° C. Then, pressure is applied by the rolling roller 29, and the P-type silicon powder layer 11a in a heated state is fired while being pressed. Thus, by applying heat and pressure, the P-type silicon powder layer 11a is baked while being compressed, and the P-type silicon powder layer 11a becomes a P-type silicon layer 11b which is pressure-sintered.
  • silicon particles having a particle size of about 0.1-10 ⁇ m are bonded to each other by diffusion bonding, and a strong bonded state is formed both electrically and mechanically.
  • the N-type silicon powder 12 When the P-type silicon layer 11b moves below the reservoir 22, the N-type silicon powder 12 is disposed on the P-type silicon layer 11b, and when the P-type silicon layer 11b passes through the opening 22a, the N-type silicon powder layer 12a becomes the P-type silicon layer 11b. Formed in layers on top. Then, heat is applied directly under the heater 30, heated to 600 to 1350 ° C., and pressure is applied by the rolling roller 31. As a result, the N-type silicon powder layer 12a is baked while being compressed to become a pressure-sintered N-type silicon layer 12b, and the silicon particles are bonded to each other by diffusion bonding. At the same time, the silicon particles of the P-type silicon layer 11b are also bonded by diffusion bonding, and a PN junction is formed at the interface between both layers.
  • An electrode foil (aluminum foil or copper foil or the like) 15 is disposed on the upper surface side of the N-type silicon layer 12b, and is joined to the upper surface of the N-type silicon layer 12b by heating with a heater 32. As a result, a PN junction is formed between the P-type silicon layer 11b and the N-type silicon layer 12b, and both the layers 11b and 12b are sandwiched between the two electrode foils 13 and 15, and are formed on the transparent insulating foil 13. Fixed solar cells are continuously formed.
  • the manufacturing process of the solar cell is preferably performed in an inert gas atmosphere such as vacuum or Ar.
  • the said Example uses the P-type silicon powder 11 and the N-type silicon powder 12 which were doped beforehand as a raw material.
  • non-doped silicon powder may be used as a raw material
  • a dopant may be added from the dopant inlets 33 and 34
  • the P-type or N-type may be doped in the process of pressure firing.
  • an I-type silicon layer obtained by pressure-sintering non-doped silicon powder may be provided between the P-type silicon layer 11b and the N-type silicon layer 12b to form a PIN-type junction.
  • a P-type silicon powder 11 and an N-type silicon powder 12 are prepared, and a transparent insulating foil 13 and a transparent electrode foil 14 bonded to the rollers 23 and 22 are stored at a constant speed below the storage portions 21 and 22 containing these. It is the same as in the first embodiment that 24, 25, 26 and the belt 27 are sent on the plate 35 in the direction of the arrow in the figure. Accordingly, the P-type silicon powder layer 11a is formed in layers on the transparent electrode foil 14 bonded on the transparent insulating foil 13 from the opening 21a, and the N-type silicon powder layer 12a is formed in layers on the P-type silicon layer 11b from the opening 22a. It is formed.
  • the powder layer 11a When the P-type silicon powder layer 11a enters under the heater 41, the powder layer 11a is preheated to 1300 to 1400 ° C., and is heated to 1500 ° C., which is equal to or higher than the melting point (1420 ° C.) of silicon. It is heated above. As a result, the temperature of the powder layer 11a gradually rises due to preheating, bubbles and the like are removed, and the powder layer 11a is melted to exceed the melting point by laser irradiation to be in a liquid state. And it cools with the liquid nitrogen or the water cooling roll 43, and becomes the solid-phase P-type silicon layer 11b. In the P-type silicon layer 11b, silicon is monocrystalline, polycrystalline, or amorphous.
  • an N-type silicon powder layer 12a is formed in a layered manner on the P-type silicon layer 11b in the reservoir 22 of the N-type silicon powder 12. Then, in the same manner as described above, preheating is performed by the heater 44, melting is performed by laser irradiation of the laser irradiation device 45, and the liquid phase state is obtained. The cooling roll 46 cools the solid phase N-type silicon layer 12b. At the same time, a PN junction is formed at the interface between the P-type silicon layer 12a and the N-type silicon layer 12b.
  • the plate 35 includes a water cooling pipe 35a and a vacuum suction pipe 35b.
  • the insulating foil 13 and the electrode foil 14 are cooled by cooling water in the water cooling pipe 35a while adsorbing the insulating foil 13 and the electrode foil 14 by the vacuum suction pipe 35b. Cool down. Therefore, even if the silicon powder layers 11a and 12a are formed on the electrode foil 14 bonded to the insulating foil 13, and the silicon powder layers 11a and 12a are heated at a temperature of 1500 ° C. or more by laser irradiation, the insulating foil 13 and the electrode The temperature of the foil 14 is kept at the temperature of the cooling water and they are not damaged.
  • the electrode foil 15 can be tightly fixed to the N-type silicon layer 12b by placing the electrode foil 15 on the upper portion after the formation of the N-type silicon layer 12b and heating it with the heater 32.
  • a solar battery cell having P-type and N-type silicon layers 11b and 12b between 15 can be formed by a simple process.
  • the present invention enables the production of solar cells from silicon powder. Thereby, a photovoltaic cell can be mass-produced with a simple process and low cost.

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Abstract

　簡素なプロセスで且つ低コストで太陽電池セルを量産可能な、太陽電池セルの製造方法を提供する。第1導電型のシリコン粉末（１１）を準備し、前記粉末を層状に配置してシリコン粉末層（１１ａ）を形成し、シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第１導電型のシリコン層（１１ｂ）を形成し、第２導電型のシリコン粉末（１２）を準備し、前記粉末を前記第１導電型のシリコン層（１１ｂ）上に層状に配置して第２導電型のシリコン粉末層（１２ａ）を形成し、シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第２導電型のシリコン層（１２ｂ）を形成する。

Description

シリコン粉末を用いた太陽電池セルの製造方法
　本発明は、シリコン粉末を原料とするシリコン太陽電池セルの製造方法に関する。
　従来からシリコン太陽電池の形式として、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型等が知られている。これらは、高純度シリコンウエハを半導体基板として利用し、或いは絶縁性または導電性基板上にＣＶＤ法或いは蒸着法等を用いてシリコン膜を形成し、ＰＮ接合或いはＰＩＮ接合を形成するものである。
　現在、地球温暖化防止の観点等から、太陽電池の普及が要請されているが、そのコスト低減が課題であることは周知のとおりである。
　本発明は、簡素なプロセスで且つ低コストで太陽電池セルを量産可能な、太陽電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の太陽電池セルの製造方法は、第1導電型のシリコン粉末を準備し、前記粉末を層状に配置してシリコン粉末層を形成し、シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第１導電型のシリコン層を形成し、第２導電型のシリコン粉末を準備し、前記粉末を前記第１導電型のシリコン層上に層状に配置して第２導電型のシリコン粉末層を形成し、シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第２導電型のシリコン層を形成する、ことを特徴とする。
　また、本発明の太陽電池セルの製造方法は、第1のシリコン粉末を準備し、前記粉末を層状に配置してシリコン粉末層を形成し、熱と圧力を加えることで、前記粉末層を圧縮しつつ焼成し、第１導電型のシリコン層となし、第２のシリコン粉末を準備し、前記粉末を前記第１導電型のシリコン層上に層状に配置して第２のシリコン粉末層を形成し、熱と圧力を加えることで、前記粉末層を圧縮しつつ焼成し、第２導電型のシリコン層となす、ことを特徴とする。
　本発明によれば、シリコン粉末から太陽電池セルを製造可能である。第１導電型のシリコン粉末層を形成し、熱を加えることで、粉末層を溶融し、冷却することで、第１導電型のシリコン層を形成し、該シリコン層上に第２導電型のシリコン粉末層を形成し、熱を加えることで、該粉末層を溶融し、冷却することで、第２導電型のシリコン層を形成するので、PN接合を備えた太陽電池セルを連続的に簡易なプロセスで製造できる。また、熱と圧力を加えることで、前記粉末層を圧縮しつつ焼成するようにしてもよい。
本発明の第1実施例の太陽電池の製造装置の断面図である。 本発明の第2実施例の太陽電池の製造装置の断面図である。
　以下、本発明の第1実施例について、図１を参照して説明する。まず、Ｐ型シリコン粉末１１およびＮ型シリコン粉末１２を準備する。これら粉末１１，１２のシリコン粒子は略球形であり、０．１－１０μｍ程度の粒径を有し、太陽電池級（７ナインレベル）の純度を有する。これら粉末１１，１２は、本発明者等の回転ルツボを用いた高純度シリコンの製造方法（特願２０１０－３５７１４）等により量産が可能である。
　Ｐ型シリコン粉末１１は貯留部２１に収容され、Ｎ型シリコン粉末１２は貯留部２２に収容される。貯留部２１，２２の下側には透明絶縁箔１３とこれに接合した透明電極箔１４とが一定速度でローラ２３，２４，２５，２６および耐熱金属ベルト２７によりプレート３５上を図中の矢印方向に送られる。貯留部２１，２２の下側には開口２１ａ，２２ａを備え、開口２１ａからＰ型シリコン粉末１１を透明絶縁箔１３上に接合した透明電極箔１４上に層状に配置する。
　透明電極箔１４上に層状に配置したＰ型シリコン粉末層１１ａは、図中の矢印方向に送られ、ヒータ２８の直下で熱が加えられ、シリコンの融点（１４１２℃）よりも低い６００－１３５０℃に加熱される。そして、圧延ローラ２９により圧力が加えられ、熱を加えた状態のＰ型シリコン粉末層１１ａを加圧しつつ焼成する。このように、熱と圧力を加えることで、Ｐ型シリコン粉末層１１ａを圧縮しつつ焼成し、Ｐ型シリコン粉末層１１ａは加圧燒結したＰ型シリコン層１１ｂとなる。Ｐ型シリコン層１１ｂでは、０．１－１０μｍ程度の粒径を有するシリコン粒子が相互に拡散接合で接合され、電気的にも機械的にも強固な接合状態が形成される。
　Ｐ型シリコン層１１ｂが貯留部２２の下に移動すると、Ｎ型シリコン粉末１２がＰ型シリコン層１１ｂの上に配置され、開口２２ａを通過すると、Ｎ型シリコン粉末層１２ａがＰ型シリコン層１１ｂ上に層状に形成される。そして、ヒータ３０の直下で熱が加えられ、６００－１３５０℃に加熱され、圧延ローラ３１により圧力が加えられる。これにより、Ｎ型シリコン粉末層１２ａは圧縮しつつ焼成され、加圧燒結したＮ型シリコン層１２ｂになり、シリコン粒子が相互に拡散接合で接合される。同時に、Ｐ型シリコン層１１ｂのシリコン粒子とも拡散接合で接合し、両層の界面にＰＮ接合が形成される。
　Ｎ型シリコン層１２ｂの上面側には電極箔（アルミ箔または銅箔等）１５が配置され、ヒータ３２で加熱することで、Ｎ型シリコン層１２ｂの上面と接合する。これにより、Ｐ型シリコン層１１ｂとＮ型シリコン層１２ｂとの間にＰＮ接合が形成され、両層１１ｂ，１２ｂが２層の電極箔１３，１５の間に挟まれ、透明絶縁箔１３上に固定した太陽電池セルが連続的に形成される。
　従って、これを適当な寸法で切り出すことで、太陽電池パネルを量産することができる。この太陽電池パネルの厚みを全体で４０μｍ以下程度とすることで、軽量で且つフレキシブルな太陽電池パネルとすることができる。上記太陽電池の製造工程は真空またはＡｒ等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
　なお、上記実施例は、原料として予めドーピングしたＰ型シリコン粉末１１およびＮ型シリコン粉末１２を用いている。しかしながら、原料としてノンドープのシリコン粉末を用い、ドーパント注入口３３，３４からドーパントを加え、加圧焼成の過程でＰ型またはＮ型にドープするようにしてもよい。
　また、Ｐ型シリコン層１１ｂとＮ型シリコン層１２ｂとの間にノンドープのシリコン粉末を加圧焼結したＩ型シリコン層を設け、ＰＩＮ型の接合としてもよい。
　次に、本発明の第2実施例について、図2を参照して説明する。Ｐ型シリコン粉末１１およびＮ型シリコン粉末１２を準備し、これらを収容した貯留部２１，２２の下側には透明絶縁箔１３とこれに接合した透明電極箔１４とが一定速度でローラ２３，２４，２５，２６およびベルト２７によりプレート３５上を図中の矢印方向に送られることは第1実施例と同様である。従って、開口２１ａからＰ型シリコン粉末層１１ａが透明絶縁箔１３上に接合した透明電極箔１４上に層状に形成され、開口２２ａからＮ型シリコン粉末層１２ａがＰ型シリコン層１１ｂ上に層状に形成される。
　Ｐ型シリコン粉末層１１ａがヒータ４１の下に入ると、粉末層１１ａは１３００－１４００℃に予備加熱され、レーザ照射装置４２によるレーザ加熱によりシリコンの融点（１４２０℃）以上の温度である１５００℃以上に加熱される。これにより、粉末層１１ａは予備加熱により緩やかに温度上昇し、気泡等が取り除かれ、レーザ照射により融点を超え溶融し液相状態となる。そして、液体窒素または水冷却ロール４３により冷却され、固相のＰ型シリコン層１１ｂとなる。Ｐ型シリコン層１１ｂではシリコンは単結晶または多結晶或いは非晶質をなしている。
　次に、Ｎ型シリコン粉末１２の貯留部２２にてＮ型シリコン粉末層１２ａがＰ型シリコン層１１ｂ上に層状に形成される。そして、上述と同様に、ヒータ４４により予備加熱し、レーザ照射装置４５のレーザ照射により溶融し液相状態となり、冷却ロール４６により冷却され、固相のＮ型シリコン層１２ｂとなる。同時に、Ｐ型シリコン層１２ａとＮ型シリコン層１２ｂとの界面にはＰＮ接合が形成される。
　プレート３５は内部に水冷配管３５ａと真空吸着配管３５ｂとを備え、該真空吸着配管３５ｂにより絶縁箔１３と電極箔１４を吸着しつつ、水冷配管３５ａ中の冷却水により絶縁箔１３と電極箔１４を冷却する。従って、絶縁箔１３に接合した電極箔１４上にシリコン粉末層１１ａ，１２ａを形成し、シリコン粉末層１１ａ，１２ａの加熱をレーザ照射で１５００℃以上の温度で行っても、絶縁箔１３と電極箔１４の温度は冷却水の温度に保たれ、これらは損傷することがない。
　このため、Ｎ型シリコン層１２ｂの形成後電極箔１５をその上部に配置し、ヒータ３２で加熱することで、電極箔１５をＮ型シリコン層１２ｂに密着固定することができ、電極箔１４，１５間にＰ型とＮ型のシリコン層１１ｂ，１２ｂを備えた太陽電池セルを簡素なプロセスで形成できる。
　これまで本発明の一実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
　本発明は、シリコン粉末から太陽電池セルの製造を可能とするものである。これにより、簡素なプロセスで且つ低コストで、太陽電池セルを量産することができる。
 

Claims (9)

  1. 　第1導電型のシリコン粉末を準備し、
    　前記粉末を層状に配置してシリコン粉末層を形成し、
    　シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第１導電型のシリコン層を形成し、
    　第２導電型のシリコン粉末を準備し、
    　前記粉末を前記第１導電型のシリコン層上に層状に配置して第２導電型のシリコン粉末層を形成し、
    　シリコンの融点以上に加熱することで、前記粉末層を溶融し、冷却することで、第２導電型のシリコン層を形成する、太陽電池セルの製造方法。
  2. 　絶縁箔に接合した電極箔上に前記シリコン粉末層を形成し、
    　プレート内部に水冷配管と真空吸着配管とを備え、該真空吸着配管により前記絶縁箔と前記電極箔を吸着しつつ、前記水冷配管中の冷却水により前記絶縁箔と前記電極箔を冷却しつつ、前記シリコン粉末層の加熱を前記プレート上で行う、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
  3. 　前記加熱はヒータを用いて前記粉末層を予備加熱し、さらにレーザ照射により溶融する、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
  4. 　第1のシリコン粉末を準備し、
    　前記粉末を層状に配置してシリコン粉末層を形成し、
    　熱と圧力を加えることで、前記粉末層を圧縮しつつ焼成し、第１導電型のシリコン層となし、
    　第２のシリコン粉末を準備し、
    　前記粉末を前記第１導電型のシリコン層上に層状に配置して第２のシリコン粉末層を形成し、
    　熱と圧力を加えることで、前記粉末層を圧縮しつつ焼成し、第２導電型のシリコン層となす、太陽電池セルの製造方法。
  5. 　前記シリコン粉末の粒子は０．１－１０μｍの粒径を有する、請求項４に記載の太陽電池セルの製造方法。
  6. 　前記熱はヒータを用いて発生し、前記粉末層を６００－１２００℃に加熱する、請求項４に記載の太陽電池セルの製造方法。
  7. 　前記圧力は圧延ローラを用いて発生し、熱を加えた状態の前記粉末層を加圧しつつ焼成する、請求項４に記載の太陽電池セルの製造方法。
  8. 　前記粉末のシリコン粒子は予めＰ型またはＮ型にドープしたものである、請求項４に記載の太陽電池セルの製造方法。
  9. 　前記粉末のシリコン粒子はノンドープであり、ドーパントを加えて加圧焼成の過程で、Ｐ型またはＮ型にドープする、請求項４に記載の太陽電池セルの製造方法。
     
     
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