多結晶型太陽電池パネルおよびその製造方法
【課題】ドーパント含有シリコンインゴットを材料効率よく提供することで、より低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供する。
【解決手段】Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、工程Ｃで形成されたＰ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または工程Ｃで形成されたＮ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄとを含む多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【解決手段】Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、工程Ｃで形成されたＰ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または工程Ｃで形成されたＮ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄとを含む多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶型太陽電池パネルおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン結晶型太陽電池は、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得る。一般的に結晶型太陽電池は、図８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たりして、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（特許文献１などを参照）。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であってもよい。
【０００３】
また、多結晶型太陽電池の多結晶シリコン膜の製造方法として、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９には、多結晶シリコン膜の成膜装置が示される。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と多結晶シリコン膜４９とを分離する。
【０００４】
更に、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）法でガラス基板上に堆積させたアモルファスシリコンを、高エネルギービーム（フラッシュランプ）で結晶化する方法も検討されている（特許文献３および非特許文献１を参照）。当該文献によれば、２０ｍｍ角の石英基板上に電極となるＣｒを成膜した後、Ｃａｔ−ＣＶＤ法でアモルファスシリコンを３μｍ堆積させ、フラッシュランプにて５ｍｓの処理を行い結晶化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６３５４５号公報
【特許文献２】特開平６−２６８２４２号公報
【特許文献３】特開２００８−５３４０７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大平圭介ら「フラッシュランプアニールによるアモルファスシリコン薄膜の面内均一結晶化」第５４回応用物理学会学術講演会（２００７春季）〔光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ.２９（２００７年８月発行）〕
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多結晶型シリコン太陽電池は、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を含む。多結晶シリコン膜にＰＮ接合を形成するには、１）多結晶シリコン膜にドーパント含有物質（一般的にはガラス）を堆積させて、ドーパントを熱拡散させたり（ドーパント含有物質はウェット処理により除去する）、２）ドーパント含有ガス雰囲気下に多結晶シリコン膜をおいてドーパントを注入したりする。
【０００８】
これらのＰＮ接合形成手法では、工程数が増えて処理時間が増大したり、危険性の高いガスの使用が必要であったり、ドーピング量の制御やドーパントの注入深さの制御が困難であったりする。そこで、本発明の第一は、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を簡便に形成することで、低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、ドーパント含有シリコンインゴットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜をプラズマで多結晶化し、それにＰＮ接合を形成することでＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を形成する。それにより、低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供する。好ましくは、ドーパント含有シリコンインゴットを材料効率よく提供することで、より低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下に示す多結晶型太陽電池パネルの製造方法に関する。
［１］Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、
前記Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、
前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｃで形成された前記Ｐ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または前記工程Ｃで形成された前記Ｎ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄと、を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【００１１】
［２］基板は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｆｅのいずれかを含む、［１］に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
［３］プラズマは、大気圧プラズマである、［１］または［２］に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
［４］走査速度は、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。
【００１２】
［５］前記Ｃ工程において、プラズマ照射によって前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を溶融した後、不活性ガスを供給して溶融した前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を急冷して多結晶化させる、［１］〜［４］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Ｃ工程において、不活性ガスに水素ガスを混合させた混合ガスにより、発生したプラズマを押出しながらプラズマ照射を行う、［１］〜［４］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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、多結晶型シリコン膜を含む太陽電池パネルを提供する。本発明の太陽電池パネルにおける多結晶型シリコン膜は、不純物含有シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜を、プラズマを利用して多結晶化させて形成されている。この手法により、簡便にＰＮ接合を有する多結晶化シリコン膜が形成できる。よって本発明は、多結晶型太陽電池パネルの低コスト化に寄与する。
【００１４】
しかも本発明の好ましい態様によれば、不純物含有シリコンターゲットを、材料効率よく製造することができる。よって本発明の好ましい態様によれば、多結晶型太陽電池パネルの低コスト化にさらに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】シリコンインゴットから、シリコン粉末を得て、シリコンターゲットを得るフローを示す図である。
【図２】シリコン粉末にプラズマを照射する様子を示す図である。
【図３】基板にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜するフローを示す。
【図４】マグネトロンスパッタリング装置の概要を示す。
【図５】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図６】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図７】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図８】シリコンインゴットをスライスする様子を示す図である。
【図９】従来の多結晶シリコン膜の製造装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の多結晶型太陽電池パネルの製造方法は、ドーパントを含有するシリコンターゲットを用意するステップと、シリコンターゲットを用いて基板表面にドーパント含有アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程と、アモルファスシリコン膜にプラズマを照射してドーパント含有多結晶シリコン膜とする工程と、を含む。
【００１７】
また、本発明の多結晶型太陽電池パネルの製造方法は、１）アモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化してから、ドーパントをドーピングしてＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする第１の態様（図５参照）と、２）アモルファスシリコン膜２ｄに、さらにアモルファスシリコン膜２ｅを成膜してアモルファス積層膜として、アモルファス積層膜を多結晶化して、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする態様（図６参照）とに大別されうる。
【００１８】
ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットから得られる。ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットをスライスして得ることもできるが；シリコンインゴットをスライスすると、大量の切削くずが発生するため、材料効率がよくない。よって、ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットの粉砕物を溶融および再結晶化させて得ることが好ましい。
【００１９】
ドーパント含有シリコンインゴットの粉砕物からシリコンターゲットを製造する概要が、図１に示される。
【００２０】
まず、ドーパント含有シリコンインゴット１を用意する（図１Ａ）。ドーパント含有シリコンインゴットは、Ｐ型ドーパントを含有していてもよいし、Ｎ型ドーパントを含有していてもよい。Ｐ型ドーパントの例にはホウ素が含まれ、Ｎ型ドーパントの例にはリンや砒素が含まれる。シリコンインゴットにおけるドーパント濃度は、その用途に応じて適宜設定される。
【００２１】
ドーパント含有シリコンインゴットは、ソーラーグレートシリコンの基準を満たしていればよい。ソーラーグレートシリコンの基準を満たすシリコンインゴットにおけるシリコン純度は、９９．９９ｗｔ％であり、好ましくは９９．９９９ｗｔ％であり、より好ましくは９９．９９９９ｗｔ％である。
【００２２】
ドーパント含有シリコンインゴット１は、粉砕されてシリコン粉末２ｂとされる（図１Ｂ）。シリコン粉末への粉砕は、ドーパント含有シリコンインゴットのシリコン純度を低下させることなく行われることが好ましい。そのため、ドーパント含有シリコンインゴット１の粉砕は、以下の２つの工程を含む多数の工程に分けて行われることが好ましい。粉砕を多数の工程を組み合わせて行うことで、インゴット１を１つの工程で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。
【００２３】
粉砕の第１工程では、ドーパント含有シリコンインゴット１を、超高圧水切断でシリコン粗粉末２ａとする。シリコン粗粉末２ａの粒径は、約３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下である。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得る。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。
【００２４】
粉砕の第２工程では、得られたシリコン粗粉末２ａ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、シリコン粉末２ｂとする。シリコン粉末２ｂの粒径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは粒径０．３μｍ以上７０μｍ以下である。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。
【００２５】
シリコン粉末２ｂの粒子径は、粉砕設備の能力、量産における生産時間とともに、シリコン粉末２ｂ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２ｂの粒径が１００μｍ以下であると、比較的低温でシリコン粉末２ｂを溶融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１００μｍ以下となると、その溶融温度が低下する。
【００２６】
シリコン粉末２ｂには、粉砕工程（図１Ｂ）において太陽電池の特性を劣化させる不純物、例えばＡｌ,Ｆｅ,Ｃｒ,Ｃａ,Ｋなどが混入しない。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。
【００２７】
一方、シリコンインゴット１を、粉砕機やローラーなどを使用して粉砕しようとすると、粉砕物に不純物が混入するため、シリコンインゴット１の純度を維持したまま、粉末化することはできない。
【００２８】
次に、得られたシリコン粉末２ｂを基体１０に載置する（図１Ｃ）。シリコン粉末２ｂを、基体１０に載置する代わりに、容器に収容してもよい。基体１０の材質は特に制限されないが、銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ），ステンレス（ＳＵＳ）などであればよい。
【００２９】
シリコン粉末２ｂを基体１０に載置するには、乾燥したシリコン粉末をスキージにて塗布することが好ましい。基体１０に載置されるシリコン粉末の量は、約１．５ｇ/ｃｍ２であることが好ましい。また、基体１０に載置されるシリコン粉末の量は、得られるシリコンターゲット２ｃの厚みが５〜１５ｍｍとなるような量とすることが好ましい。
【００３０】
次に、基体１０に載置したシリコン粉末２ｂにプラズマを照射して、シリコン粉末２ｂを溶融させ、さらに冷却して多結晶化させて、シリコンターゲット２ｃとする（図１Ｃ）。プラズマは、真空プラズマであってもよいが、処理の簡便さ、装置構成の便利さから、大気圧プラズマであることが好ましい。
【００３１】
ここで用いることができる大気圧プラズマ装置の概略が、図２に示される。図２に示されるように、大気圧プラズマ装置５０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。
【００３２】
大気圧プラズマ装置５０のＸＹＺ軸に移動可能なステージ（不図示）に、シリコン粉末２ｂを載置した基体１０を搭載して、大気圧プラズマで基体１０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ことが好ましい。プラズマ噴射口２２は、基体１０のシリコン粉末２ｂ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を不活性ガスで押出して基体１０に噴射する。噴射口２２からのプラズマ２３は、基体１０の表面の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２ｂは溶融する。
【００３３】
大気圧プラズマ２３の基体１０の表面での温度は、大気圧電源のパワーや、噴射口２２と基体１０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の基体１０の表面での温度を適切に制御して、シリコン粉末２ｂの溶融条件を調整する。
【００３４】
シリコン粉末２ｂが溶融した後、さらに不活性ガス（窒素ガスなど）をあてて冷却して多結晶化する。それにより、基体１０にシリコンターゲット２ｃが形成される。このとき、溶融したシリコン粉末２ｂを急冷すると、結晶粒径の小さい多結晶シリコンとなる。
【００３５】
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２ｂの表面に形成された酸化膜を除去することが可能となり、かつ結晶欠陥の少ないシリコンターゲット２ｃを得ることができる。
【００３６】
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以下であると、下地となる基体１０が溶融して、得られるシリコンターゲット２ｃ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２ｂ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、装置システムが複雑になる。
【００３７】
基体１０に形成されたシリコンターゲット２ｃは、基体１０から剥離されて、スパッタ成膜用のシリコンターゲットとして用いられる。シリコンターゲット２ｃは、原料としたシリコンインゴット１と同様に、ドーパントを含有している。つまり、シリコンターゲット２ｃは、Ｐ型またはＮ型にドープされている。シリコンターゲット２ｃにおけるドーパント濃度は、用途に応じて適宜設定される。
【００３８】
また、得られるシリコンターゲットの厚みは、５〜１５ｍｍであることが好ましい。スパッタ成膜用のターゲットとして用いるためである。
【００３９】
２．多結晶型太陽電池パネルについて
本発明の多結晶型太陽電池パネルは、ドーパント含有シリコンターゲットを用いて、基板上にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜し、成膜されたアモルファスシリコン膜にプラズマを照射して加熱溶融させて、さらに冷却して再結晶化させて多結晶シリコン膜とすることを特徴とする。そのフローが図３、ならびに図５〜図７に示される。
【００４０】
まず、基板３を用意する（図３Ａ）。基板３は、太陽電池の電極となる。具体的に、基板３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、特に限定されるものではない。また、基板３は、高導電性透明基板であってもよく、例えば、Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉｎを含む無機基板である。高導電性透明基板を用いれば、複数の太陽電池セルを積層することができる。
【００４１】
次に、基板３の表面に、ドーパント含有シリコンターゲットを用いてアモルファスシリコン膜２ｄを成膜する（図３Ｂ）。ドーパント含有シリコンターゲットを用いて形成されるスパッタ膜は、ターゲットと同様にドーパントを含有するアモルファスシリコン膜２ｄとなる。つまり、Ｐ型シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜２ｄは、Ｐ型ドーパントを含有し；Ｎ型シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜２ｄは、Ｎ型ドーパントを含有する。
【００４２】
ここで用いるドーパント含有シリコンターゲットは、前述のシリコンインゴットの粉砕物から得たシリコンターゲットとすることができる。
【００４３】
スパッタ成膜は、通常のスパッタリング装置、例えばマグネトロンスパッタリング装置を用いて行えばよい。図４には、マグネトロンスパッタリング装置１００の概要が示される。マグネトロンスパッタリング装置１００は、真空チャンバ５１；シリコンターゲット２ｃと水冷ジャケット６１と磁気回路６０とを含むマグネトロン電極；基板３を有する。
【００４４】
真空チャンバ５１には、ガス導入装置５５、排気装置５６、排気口５７、バルブ５８が設けられる。排気装置５６は、真空チャンバ５１の内部を負圧することができる。ガス導入装置５５は、真空チャンバ５１の内部にスパッタリングガスを導入することができる。スパッタリングガスは、一般的にＡｒガスなどの不活性ガスである。
【００４５】
マグネトロン電極は、シリコンターゲット２ｃ、シリコンターゲット２ｃに接続された高電圧印加電源６２、シリコンターゲット２ｃの裏面（基板３が配置された面とは反対側の面）側に配置された磁気回路６０を有する。磁気回路６０とシリコンターゲット２ｃとの間には、水冷ジャケット６１が配置されている。また、シリコンターゲット２ｃは、パッキングプレート６３に貼り付けられている。そして、マグネトロン電極の周囲には、アースシールド５９が配置されている。
【００４６】
また、スパッタ膜が形成される基板３は基板保持具５４に保持されており、シリコンターゲット２ｃに対向して設置されている。
【００４７】
マグネトロンスパッタリング装置１００にドーパント含有シリコンターゲット２ｃを配置し、基板保持具５４に基板３を保持させる。具体的なスパッタ成膜条件は、特に限定されないが、真空チャンバ５１の内部圧力を０．５Ｐａとし、ＤＣ電源のパワーを１ｋＷとし、電極間隔（シリコンターゲット２ｃと基板３との間隔）を約１００ｍｍとすることができる。
【００４８】
基板３に成膜するアモルファスシリコン膜２ｄの厚みｔ（図３Ｂ参照）は、テクスチャの構造などを鑑みて目的に応じて変化させればよい。通常のアモルファスシリコン膜２ｄの厚みｔは０．１〜０．５μｍである。基板３の表面には、均等にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜するべきである。
【００４９】
アモルファスシリコン膜２ｄを、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜に変換して、太陽電池パネルのシリコン基板とする。そのためのフローは、以下の２つの態様に大別されうる。
第１の態様）アモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化してから、その表層にドーパントをドーピングしてＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする（図５）。
第２の態様）アモルファスシリコン膜２ｄに、さらにアモルファスシリコン膜２ｅを成膜してアモルファス積層膜として、さらにアモルファス積層膜を多結晶化して、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする（図６）。
【００５０】
第１の態様について
第１の態様を、図５を参照して説明する。基板３に成膜したアモルファスシリコン膜２ｄ（図５Ａ）にプラズマを照射して、アモルファスシリコン膜２ｄを溶融し、さらに冷却して多結晶化させて多結晶シリコン膜４とする（図５Ｂ）。照射するプラズマは、大気圧プラズマであることが好ましい。大気圧プラズマの照射は、図２と同様の大気圧プラズマ装置５０を用いて行うことができる。
【００５１】
大気圧プラズマ装置５０のＸＹＺ軸に移動可能なステージに、アモルファスシリコン膜２ｄを成膜した基板３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３のシリコン粉末２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３の表面の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アモルファスシリコン２ｄは溶融する。
【００５２】
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、アモルファスシリコン２ｄの溶融条件を調整する。
【００５３】
プラズマ照射によってアモルファスシリコン２ｄが溶融した後、更に不活性ガス（窒素ガスなど）をあてて冷却して、溶融シリコンを多結晶化する。それにより、基板３の表面に多結晶シリコン膜４が形成される。このとき、溶融したアモルファスシリコン２ｄ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。
【００５４】
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、アモルファスシリコン２ｄ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４を得ることができる。
【００５５】
プラズマ照射の走査スピードは、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へ悪影響を及ぼすことがある。また、走査スピードが２０００ｍｍ／秒以上であると、アモルファスシリコン２ｄ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、装置システムが複雑になる。
【００５６】
このように、基板３に成膜したシリコン膜をアモルファスシリコン膜２ｄとしたことで、大気圧プラズマでシリコン膜を溶融させることができる。大気圧プラズマを用いることで、効率よく大面積の基板３に配置されたアモルファスシリコン２ｄを、溶融・再結晶化させることができる。一方、バルクシリコンを、大気圧プラズマで溶融させることは、通常困難である。
【００５７】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図５Ｃ）。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。多結晶シリコン膜４の表面の加工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（ＣｌＦ３）または六フッ化硫黄（ＳＦ６）などによるガスプラズマで加工したりしてもよい。なお、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。
【００５８】
テクスチャ構造５を有する多結晶シリコン膜４の表層６に、ドーパントを注入する（図５Ｄ）。具体的には、多結晶シリコン膜４がＰ型ドーパントを含有している場合には、多結晶シリコン膜４の表層６にＮ型ドーパントを注入し；多結晶シリコン膜４がＮ型ドーパントを含有している場合には、多結晶シリコン膜４の表層６にＰ型ドーパントを注入する。
【００５９】
ドーパントの注入は、プラズマを用いて行うことが好ましい。Ｎ型ドーパントであるリンや砒素をプラズマ注入するには、リン元素含有ガス（ＰＨ-３など）または砒素元素含有ガス（ＡｓＨ３）の存在下で、多結晶シリコン膜４にプラズマを照射すればよい。Ｐ型ドーパントであるホウ素をプラズマ注入するには、ホウ素元素含有ガス（ＢＨ３）のガス存在下で、多結晶シリコン膜４にプラズマを照射すればよい。
【００６０】
ドーパントの注入後、多結晶シリコン膜４の表層６にランプを照射するなどして、ドーパントを活性化させる。それにより、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜４が形成される。
【００６１】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を積層する（図５Ｅ）。絶縁膜７は、窒化ケイ素膜などであればよい。絶縁膜７を積層することで、入射光の反射を抑制し、電気特性の劣化を防ぐ。また、絶縁膜７の一部をエッチングして、ライン状のエッチング部に電極８を形成する（図５Ｅ）。電極８の材質は、例えば銀である。
【００６２】
第２の態様について
第２の態様を、図６を参照して説明する。基板３に成膜したアモルファスシリコン膜２ｄ（図６Ａ）に、他のアモルファスシリコン膜２ｅを積層する。アモルファスシリコン膜２ｅはドーパントを含有している。具体的には、アモルファスシリコン膜２ｄがＰ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｅはＮ型ドーパントを含有し；アモルファスシリコン膜２ｄがＮ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｅはＰ型ドーパントを含有する。
【００６３】
アモルファスシリコン膜２ｅは、アモルファスシリコン膜２ｄと同様に、ドーパント含有シリコンターゲットを用いて、スパッタ成膜により形成されることが好ましい。Ｐ型シリコンターゲットを用いれば、Ｐ型ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｅが形成され；Ｎ型シリコンターゲットを用いれば、Ｎ型ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｅが形成される。アモルファスシリコン膜２ｅをスパッタ成膜するための、ドーパント含有シリコンターゲットも、前述の通りシリコンインゴットの粉砕物から得ることが好ましい。
【００６４】
アモルファスシリコン膜２ｅの厚みは、０．５〜５０μｍであることが好ましい。また、アモルファスシリコン膜２ｅの厚みの目安は、アモルファスシリコン膜２ｄの厚みに対して、２〜１０％であることが好ましい。両者の厚みを最適化することで、発電効率を高めることができる。
【００６５】
アモルファスシリコン膜２ｄとアモルファスシリコン膜２ｅとの積層膜に、プラズマを照射して溶融し、さらに冷却して多結晶化させて多結晶シリコン膜４とする（図６Ｃ）。照射するプラズマは、大気圧プラズマであることが好ましい。
【００６６】
大気圧プラズマを照射するための装置や手法は、図５Ｂにおいて多結晶シリコン膜４を得る場合と同様にすればよい。
【００６７】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図６Ｄ）。テクスチャ構造５の形成は、図５Ｃにおいてテクスチャ構造５を形成する場合と同様にすればよい。
【００６８】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を形成し、電極８を形成する（図６Ｅ）。絶縁膜７や電極８は、図５Ｅのそれらと同様である。
【００６９】
他の形態について
第１の態様および第２の態様では、基板３にアモルファスシリコン膜２ｄを形成した。本形態（他の形態）においては、基板３にドーパントを含有するシリコン粉末２ｂを配置し；シリコン粉末２ｂの上に、ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｄを成膜し；その後、プラズマを照射してシリコン粉末２ｂとアモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化することで、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜４を得る（図７参照）。
【００７０】
本形態（他の形態）を、図７を参照して説明する。まず、基板３にシリコン粉末２ｂを塗布する（図７Ａ）。基板３は、図３Ａにおける基板３と同様である。シリコン粉末２ｂは、ドーパント含有シリコンインゴットを粉砕して得られるシリコン粉末２ｂであり（図１Ｂ参照）、Ｐ型ドーパントまたはＮ型ドーパントを含有している。
【００７１】
シリコン粉末２ｂの塗布は、ａ）乾燥したシリコン粉末をスキージにて塗布するか、ｂ）シリコン粉末２ｂ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。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。
【００７２】
シリコン粉末２ｂの基板３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/ｃｍ２に設定することが好ましい。ただし、基板３に塗布されたシリコン粉末２ｂの塗布膜表面は、多少の凹凸を有していても構わない。後述のように、塗布されたシリコン粉末２ｂはプラズマで溶融されるので、塗布膜は平滑化されるためである。
【００７３】
次に、塗布したシリコン粉末２ｂ上にアモルファスシリコン膜２ｄを成膜して積層する（図７Ｂ）。アモルファスシリコン膜２ｄはドーパントを含有する。シリコン粉末２ｂがＰ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｄはＮ型ドーパントを含有し；シリコン粉末２ｂがＮ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｄはＰ型ドーパントを含有する。
【００７４】
シリコンアモルファス膜２ｄは、スパッタ装置またはＣＶＤ装置を利用して成膜されるが；好ましくは、前述のドーパント含有シリコンターゲット２ｃを用いて、スパッタ成膜されることが好ましい。シリコンアモルファス膜２ｄを成膜することで、シリコン粉末２ｂの一部（アモルファスシリコン膜２ｄ側）は、アモルファスとなってもよい。
【００７５】
シリコン粉末２ｂに積層されるアモルファスシリコン膜２ｄの厚みは、特に限定されないが、０．１〜０．５μｍとするとすればよい。
【００７６】
次に、基板３上のシリコン粉末２ｂおよびシリコンアモルファス膜２ｄを、大気圧プラズマで溶融させ、さらに冷却することで多結晶シリコン膜４とする（図７Ｃ参照）。大気圧プラズマの照射は、図２に示される装置で行えばよい。その手法も、実施の形態２において、アモルファスシリコン膜２ｄとアモルファスシリコン膜２ｅとの積層膜を、多結晶シリコン膜とする場合（図６Ｃ参照）と同様である。
【００７７】
多結晶シリコン膜４にはＰＮ接合が形成されており、多結晶シリコン膜４の厚みは０．５〜５０μｍとすることが好ましい。
【００７８】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図７Ｄ）。テクスチャ構造５の形成は、図５Ｃにおいてテクスチャ構造５を形成する場合と同様にすればよい。多結晶シリコン膜４の表層６は、活性化されている。
【００７９】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を形成し、電極８を形成する（図７Ｅ）。絶縁膜７や電極８は、図５Ｅのそれらと同様である（図７Ｅ）。
【００８０】
［実験例１］
基板（材質：アルミニウム，サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、ホウ素含有シリコンターゲットを用いて、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄをスパッタ成膜した（図５Ａ）。アモルファスシリコン膜２ｄの厚みは５０μｍであった。
【００８１】
次に、図２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、アモルファスシリコン２ｄを溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図５Ｂ）。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アモルファスシリコン２ｄ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４の厚みは、約５０μｍであった。
【００８２】
次に、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（図５Ｃ）。多結晶シリコン膜４の表面の加工は、酸またはアルカリ（ＫＯＨなど）溶液でウェットエッチングして行ってもよく、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ3）または六フッ化硫黄（ＳＦ6）などによるガスプラズマでエッチングして行ってもよい。
【００８３】
次に、多結晶シリコン膜４の表面に、プラズマを利用してリンをドーピングした（図５Ｄ）。ドーピングは、１０Ｐａの圧力環境下の２０ＳＣＣＭチャンバに、ＰＨ３ガス（０．５％Ｈｅ希釈）を導入し；１３．５６ＭＨｚの高周波放電を利用して、２００Ｗの電力で３０秒間ドーピング処理することで行った。ドーピング処理された多結晶シリコン膜４にランプを照射し、不純物を活性化させた。
【００８４】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図５Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した。
【００８５】
このようにして、開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色ないデータである。
【００８６】
実験例１では、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄを成膜して、それを多結晶化して、リンをドーピングしてＰＮ接合を形成した。他方、砒素または燐含有アモルファスシリコン膜を成膜して、それを多結晶化し、ホウ素などのＰ型ドーパントをドーピングしてＰＮ接合を形成しても、同様の成果が得られる。
【００８７】
［参考例１］
基板（材質：アルミニウム,サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、ホウ素含有シリコンターゲットを用いて、ホウ素含有アモルファスシリコン２ｄをスパッタ成膜した（図６Ａ）。アモルファスシリコン２ｄの厚みは５０μｍであった。
【００８８】
ホウ素含有アモルファスシリコン２ｄに、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅをスパッタ成膜して、積層膜とした（図６Ｂ）。砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅの厚みは２μｍであった。
【００８９】
次に、図２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、アモルファスシリコン２ｄおよび２ｅを溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図６Ｃ）。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アモルファスシリコン２ｄおよび２ｅ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。
【００９０】
次に、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（図６Ｄ）。
【００９１】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図６Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した（図６Ｅ）。
【００９２】
このようにして，開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色の無いデータである。
【００９３】
参考例１では、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄを形成したのち、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅを積層して、ガスプラズマでＰＮ接合を形成した。他方、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｄを形成したのち、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｅを積層して、ガスプラズマでＰＮ接合を形成しても同様の成果が得られる。
【００９４】
［参考例２］
基板（材質：アルミニウム，サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、約１μｍの粒径のシリコン粉末２ｂを塗布した（図７Ａ）。シリコン粉末２ｂは、ホウ素含有シリコンインゴットを粉砕して得たため、Ｐ型ドープされている。シリコン粉末２ｂの塗布はスキージで行い、約３０μｍの厚みの塗布膜とした。
【００９５】
その後、リン含有シリコンターゲットを用いて、シリコン粉末２ｂにシリコンアモスファス膜２ｄを成膜した（図７Ｂ）。シリコンアモスファス膜２ｄの厚みは２μｍであった。
【００９６】
図２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、シリコン粉末およびシリコンアモルファス膜を溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図７Ｃ）。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およびシリコンアモルファス膜の全てを、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。
【００９７】
次に、形成した多結晶シリコン膜４の表層６を凹凸状に加工（テクスチャー化）した。（図７Ｄ）。多結晶シリコン膜４の表面の加工は、酸またはアルカリ（ＫＯＨなど）溶液でウェットエッチングして行ってもよく、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ3）または六フッ化硫黄（ＳＦ6）などによるガスプラズマでエッチングして行ってもよい。
【００９８】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図７Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した（図７Ｅ）。
【００９９】
このようにして，開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色ないデータである。
【０１００】
参考例２では、基板３にホウ素含有シリコン粉末２ｂを塗布し、さらにリン含有シリコンアモルファス膜２ｄを成膜し、それらを多結晶シリコン膜４とした。他方、基板３に、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）含有シリコン粉末を塗布し、ホウ素含有シリコンアモルファス膜２ｄを成膜して、それらを多結晶シリコン膜４としても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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。本発明により提供されるシリコンスパッタターゲットは、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。
【符号の説明】
【０１０２】
１ シリコンインゴット
２ａ シリコン粗粉末
２ｂ シリコン粉末
２ｃ シリコンターゲット
２ｄ アモルファスシリコン膜
２ｅ アモルファスシリコン膜
３ 基板
４ 多結晶シリコン膜
５ テクスチャ構造
６ 多結晶シリコン膜の表層
７ 絶縁膜
８ 電極
１０ 基体
２０ 陰極
２１ 陽極
２２ プラズマ噴射口
２３ プラズマ
３０ シリコンインゴット
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 多結晶シリコン膜
５０ 大気圧プラズマ装置
５１ 真空チャンバ
５４ 基板保持具
５５ ガス導入装置
５６ 排気装置
５７ 排気口
５８ バルブ
５９ アースシールド
６０ 磁気回路
６１ 水冷ジャケット
６２ 高電圧印加電源
６３ パッキングプレート
１００ マグネトロンスパッタリング装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶型太陽電池パネルおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン結晶型太陽電池は、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得る。一般的に結晶型太陽電池は、図８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たりして、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（特許文献１などを参照）。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であってもよい。
【０００３】
また、多結晶型太陽電池の多結晶シリコン膜の製造方法として、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９には、多結晶シリコン膜の成膜装置が示される。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と多結晶シリコン膜４９とを分離する。
【０００４】
更に、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）法でガラス基板上に堆積させたアモルファスシリコンを、高エネルギービーム（フラッシュランプ）で結晶化する方法も検討されている（特許文献３および非特許文献１を参照）。当該文献によれば、２０ｍｍ角の石英基板上に電極となるＣｒを成膜した後、Ｃａｔ−ＣＶＤ法でアモルファスシリコンを３μｍ堆積させ、フラッシュランプにて５ｍｓの処理を行い結晶化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６３５４５号公報
【特許文献２】特開平６−２６８２４２号公報
【特許文献３】特開２００８−５３４０７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大平圭介ら「フラッシュランプアニールによるアモルファスシリコン薄膜の面内均一結晶化」第５４回応用物理学会学術講演会（２００７春季）〔光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ.２９（２００７年８月発行）〕
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多結晶型シリコン太陽電池は、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を含む。多結晶シリコン膜にＰＮ接合を形成するには、１）多結晶シリコン膜にドーパント含有物質（一般的にはガラス）を堆積させて、ドーパントを熱拡散させたり（ドーパント含有物質はウェット処理により除去する）、２）ドーパント含有ガス雰囲気下に多結晶シリコン膜をおいてドーパントを注入したりする。
【０００８】
これらのＰＮ接合形成手法では、工程数が増えて処理時間が増大したり、危険性の高いガスの使用が必要であったり、ドーピング量の制御やドーパントの注入深さの制御が困難であったりする。そこで、本発明の第一は、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を簡便に形成することで、低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、ドーパント含有シリコンインゴットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜をプラズマで多結晶化し、それにＰＮ接合を形成することでＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜を形成する。それにより、低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供する。好ましくは、ドーパント含有シリコンインゴットを材料効率よく提供することで、より低コストな多結晶型シリコン太陽電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下に示す多結晶型太陽電池パネルの製造方法に関する。
［１］Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、
前記Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、
前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｃで形成された前記Ｐ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または前記工程Ｃで形成された前記Ｎ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄと、を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【００１１】
［２］基板は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｆｅのいずれかを含む、［１］に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
［３］プラズマは、大気圧プラズマである、［１］または［２］に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
［４］走査速度は、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。
【００１２】
［５］前記Ｃ工程において、プラズマ照射によって前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を溶融した後、不活性ガスを供給して溶融した前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を急冷して多結晶化させる、［１］〜［４］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Ｃ工程において、不活性ガスに水素ガスを混合させた混合ガスにより、発生したプラズマを押出しながらプラズマ照射を行う、［１］〜［４］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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、多結晶型シリコン膜を含む太陽電池パネルを提供する。本発明の太陽電池パネルにおける多結晶型シリコン膜は、不純物含有シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜を、プラズマを利用して多結晶化させて形成されている。この手法により、簡便にＰＮ接合を有する多結晶化シリコン膜が形成できる。よって本発明は、多結晶型太陽電池パネルの低コスト化に寄与する。
【００１４】
しかも本発明の好ましい態様によれば、不純物含有シリコンターゲットを、材料効率よく製造することができる。よって本発明の好ましい態様によれば、多結晶型太陽電池パネルの低コスト化にさらに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】シリコンインゴットから、シリコン粉末を得て、シリコンターゲットを得るフローを示す図である。
【図２】シリコン粉末にプラズマを照射する様子を示す図である。
【図３】基板にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜するフローを示す。
【図４】マグネトロンスパッタリング装置の概要を示す。
【図５】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図６】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図７】太陽電池パネルを製造するフローを示す。
【図８】シリコンインゴットをスライスする様子を示す図である。
【図９】従来の多結晶シリコン膜の製造装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の多結晶型太陽電池パネルの製造方法は、ドーパントを含有するシリコンターゲットを用意するステップと、シリコンターゲットを用いて基板表面にドーパント含有アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程と、アモルファスシリコン膜にプラズマを照射してドーパント含有多結晶シリコン膜とする工程と、を含む。
【００１７】
また、本発明の多結晶型太陽電池パネルの製造方法は、１）アモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化してから、ドーパントをドーピングしてＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする第１の態様（図５参照）と、２）アモルファスシリコン膜２ｄに、さらにアモルファスシリコン膜２ｅを成膜してアモルファス積層膜として、アモルファス積層膜を多結晶化して、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする態様（図６参照）とに大別されうる。
【００１８】
ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットから得られる。ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットをスライスして得ることもできるが；シリコンインゴットをスライスすると、大量の切削くずが発生するため、材料効率がよくない。よって、ドーパント含有シリコンターゲットは、ドーパント含有シリコンインゴットの粉砕物を溶融および再結晶化させて得ることが好ましい。
【００１９】
ドーパント含有シリコンインゴットの粉砕物からシリコンターゲットを製造する概要が、図１に示される。
【００２０】
まず、ドーパント含有シリコンインゴット１を用意する（図１Ａ）。ドーパント含有シリコンインゴットは、Ｐ型ドーパントを含有していてもよいし、Ｎ型ドーパントを含有していてもよい。Ｐ型ドーパントの例にはホウ素が含まれ、Ｎ型ドーパントの例にはリンや砒素が含まれる。シリコンインゴットにおけるドーパント濃度は、その用途に応じて適宜設定される。
【００２１】
ドーパント含有シリコンインゴットは、ソーラーグレートシリコンの基準を満たしていればよい。ソーラーグレートシリコンの基準を満たすシリコンインゴットにおけるシリコン純度は、９９．９９ｗｔ％であり、好ましくは９９．９９９ｗｔ％であり、より好ましくは９９．９９９９ｗｔ％である。
【００２２】
ドーパント含有シリコンインゴット１は、粉砕されてシリコン粉末２ｂとされる（図１Ｂ）。シリコン粉末への粉砕は、ドーパント含有シリコンインゴットのシリコン純度を低下させることなく行われることが好ましい。そのため、ドーパント含有シリコンインゴット１の粉砕は、以下の２つの工程を含む多数の工程に分けて行われることが好ましい。粉砕を多数の工程を組み合わせて行うことで、インゴット１を１つの工程で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。
【００２３】
粉砕の第１工程では、ドーパント含有シリコンインゴット１を、超高圧水切断でシリコン粗粉末２ａとする。シリコン粗粉末２ａの粒径は、約３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下である。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得る。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。
【００２４】
粉砕の第２工程では、得られたシリコン粗粉末２ａ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、シリコン粉末２ｂとする。シリコン粉末２ｂの粒径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは粒径０．３μｍ以上７０μｍ以下である。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。
【００２５】
シリコン粉末２ｂの粒子径は、粉砕設備の能力、量産における生産時間とともに、シリコン粉末２ｂ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２ｂの粒径が１００μｍ以下であると、比較的低温でシリコン粉末２ｂを溶融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１００μｍ以下となると、その溶融温度が低下する。
【００２６】
シリコン粉末２ｂには、粉砕工程（図１Ｂ）において太陽電池の特性を劣化させる不純物、例えばＡｌ,Ｆｅ,Ｃｒ,Ｃａ,Ｋなどが混入しない。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。
【００２７】
一方、シリコンインゴット１を、粉砕機やローラーなどを使用して粉砕しようとすると、粉砕物に不純物が混入するため、シリコンインゴット１の純度を維持したまま、粉末化することはできない。
【００２８】
次に、得られたシリコン粉末２ｂを基体１０に載置する（図１Ｃ）。シリコン粉末２ｂを、基体１０に載置する代わりに、容器に収容してもよい。基体１０の材質は特に制限されないが、銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ），ステンレス（ＳＵＳ）などであればよい。
【００２９】
シリコン粉末２ｂを基体１０に載置するには、乾燥したシリコン粉末をスキージにて塗布することが好ましい。基体１０に載置されるシリコン粉末の量は、約１．５ｇ/ｃｍ２であることが好ましい。また、基体１０に載置されるシリコン粉末の量は、得られるシリコンターゲット２ｃの厚みが５〜１５ｍｍとなるような量とすることが好ましい。
【００３０】
次に、基体１０に載置したシリコン粉末２ｂにプラズマを照射して、シリコン粉末２ｂを溶融させ、さらに冷却して多結晶化させて、シリコンターゲット２ｃとする（図１Ｃ）。プラズマは、真空プラズマであってもよいが、処理の簡便さ、装置構成の便利さから、大気圧プラズマであることが好ましい。
【００３１】
ここで用いることができる大気圧プラズマ装置の概略が、図２に示される。図２に示されるように、大気圧プラズマ装置５０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。
【００３２】
大気圧プラズマ装置５０のＸＹＺ軸に移動可能なステージ（不図示）に、シリコン粉末２ｂを載置した基体１０を搭載して、大気圧プラズマで基体１０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ことが好ましい。プラズマ噴射口２２は、基体１０のシリコン粉末２ｂ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を不活性ガスで押出して基体１０に噴射する。噴射口２２からのプラズマ２３は、基体１０の表面の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２ｂは溶融する。
【００３３】
大気圧プラズマ２３の基体１０の表面での温度は、大気圧電源のパワーや、噴射口２２と基体１０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の基体１０の表面での温度を適切に制御して、シリコン粉末２ｂの溶融条件を調整する。
【００３４】
シリコン粉末２ｂが溶融した後、さらに不活性ガス（窒素ガスなど）をあてて冷却して多結晶化する。それにより、基体１０にシリコンターゲット２ｃが形成される。このとき、溶融したシリコン粉末２ｂを急冷すると、結晶粒径の小さい多結晶シリコンとなる。
【００３５】
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２ｂの表面に形成された酸化膜を除去することが可能となり、かつ結晶欠陥の少ないシリコンターゲット２ｃを得ることができる。
【００３６】
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以下であると、下地となる基体１０が溶融して、得られるシリコンターゲット２ｃ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２ｂ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、装置システムが複雑になる。
【００３７】
基体１０に形成されたシリコンターゲット２ｃは、基体１０から剥離されて、スパッタ成膜用のシリコンターゲットとして用いられる。シリコンターゲット２ｃは、原料としたシリコンインゴット１と同様に、ドーパントを含有している。つまり、シリコンターゲット２ｃは、Ｐ型またはＮ型にドープされている。シリコンターゲット２ｃにおけるドーパント濃度は、用途に応じて適宜設定される。
【００３８】
また、得られるシリコンターゲットの厚みは、５〜１５ｍｍであることが好ましい。スパッタ成膜用のターゲットとして用いるためである。
【００３９】
２．多結晶型太陽電池パネルについて
本発明の多結晶型太陽電池パネルは、ドーパント含有シリコンターゲットを用いて、基板上にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜し、成膜されたアモルファスシリコン膜にプラズマを照射して加熱溶融させて、さらに冷却して再結晶化させて多結晶シリコン膜とすることを特徴とする。そのフローが図３、ならびに図５〜図７に示される。
【００４０】
まず、基板３を用意する（図３Ａ）。基板３は、太陽電池の電極となる。具体的に、基板３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、特に限定されるものではない。また、基板３は、高導電性透明基板であってもよく、例えば、Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉｎを含む無機基板である。高導電性透明基板を用いれば、複数の太陽電池セルを積層することができる。
【００４１】
次に、基板３の表面に、ドーパント含有シリコンターゲットを用いてアモルファスシリコン膜２ｄを成膜する（図３Ｂ）。ドーパント含有シリコンターゲットを用いて形成されるスパッタ膜は、ターゲットと同様にドーパントを含有するアモルファスシリコン膜２ｄとなる。つまり、Ｐ型シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜２ｄは、Ｐ型ドーパントを含有し；Ｎ型シリコンターゲットを用いてスパッタ成膜したアモルファスシリコン膜２ｄは、Ｎ型ドーパントを含有する。
【００４２】
ここで用いるドーパント含有シリコンターゲットは、前述のシリコンインゴットの粉砕物から得たシリコンターゲットとすることができる。
【００４３】
スパッタ成膜は、通常のスパッタリング装置、例えばマグネトロンスパッタリング装置を用いて行えばよい。図４には、マグネトロンスパッタリング装置１００の概要が示される。マグネトロンスパッタリング装置１００は、真空チャンバ５１；シリコンターゲット２ｃと水冷ジャケット６１と磁気回路６０とを含むマグネトロン電極；基板３を有する。
【００４４】
真空チャンバ５１には、ガス導入装置５５、排気装置５６、排気口５７、バルブ５８が設けられる。排気装置５６は、真空チャンバ５１の内部を負圧することができる。ガス導入装置５５は、真空チャンバ５１の内部にスパッタリングガスを導入することができる。スパッタリングガスは、一般的にＡｒガスなどの不活性ガスである。
【００４５】
マグネトロン電極は、シリコンターゲット２ｃ、シリコンターゲット２ｃに接続された高電圧印加電源６２、シリコンターゲット２ｃの裏面（基板３が配置された面とは反対側の面）側に配置された磁気回路６０を有する。磁気回路６０とシリコンターゲット２ｃとの間には、水冷ジャケット６１が配置されている。また、シリコンターゲット２ｃは、パッキングプレート６３に貼り付けられている。そして、マグネトロン電極の周囲には、アースシールド５９が配置されている。
【００４６】
また、スパッタ膜が形成される基板３は基板保持具５４に保持されており、シリコンターゲット２ｃに対向して設置されている。
【００４７】
マグネトロンスパッタリング装置１００にドーパント含有シリコンターゲット２ｃを配置し、基板保持具５４に基板３を保持させる。具体的なスパッタ成膜条件は、特に限定されないが、真空チャンバ５１の内部圧力を０．５Ｐａとし、ＤＣ電源のパワーを１ｋＷとし、電極間隔（シリコンターゲット２ｃと基板３との間隔）を約１００ｍｍとすることができる。
【００４８】
基板３に成膜するアモルファスシリコン膜２ｄの厚みｔ（図３Ｂ参照）は、テクスチャの構造などを鑑みて目的に応じて変化させればよい。通常のアモルファスシリコン膜２ｄの厚みｔは０．１〜０．５μｍである。基板３の表面には、均等にアモルファスシリコン膜をスパッタ成膜するべきである。
【００４９】
アモルファスシリコン膜２ｄを、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜に変換して、太陽電池パネルのシリコン基板とする。そのためのフローは、以下の２つの態様に大別されうる。
第１の態様）アモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化してから、その表層にドーパントをドーピングしてＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする（図５）。
第２の態様）アモルファスシリコン膜２ｄに、さらにアモルファスシリコン膜２ｅを成膜してアモルファス積層膜として、さらにアモルファス積層膜を多結晶化して、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜とする（図６）。
【００５０】
第１の態様について
第１の態様を、図５を参照して説明する。基板３に成膜したアモルファスシリコン膜２ｄ（図５Ａ）にプラズマを照射して、アモルファスシリコン膜２ｄを溶融し、さらに冷却して多結晶化させて多結晶シリコン膜４とする（図５Ｂ）。照射するプラズマは、大気圧プラズマであることが好ましい。大気圧プラズマの照射は、図２と同様の大気圧プラズマ装置５０を用いて行うことができる。
【００５１】
大気圧プラズマ装置５０のＸＹＺ軸に移動可能なステージに、アモルファスシリコン膜２ｄを成膜した基板３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３のシリコン粉末２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３の表面の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アモルファスシリコン２ｄは溶融する。
【００５２】
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、アモルファスシリコン２ｄの溶融条件を調整する。
【００５３】
プラズマ照射によってアモルファスシリコン２ｄが溶融した後、更に不活性ガス（窒素ガスなど）をあてて冷却して、溶融シリコンを多結晶化する。それにより、基板３の表面に多結晶シリコン膜４が形成される。このとき、溶融したアモルファスシリコン２ｄ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。
【００５４】
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、アモルファスシリコン２ｄ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４を得ることができる。
【００５５】
プラズマ照射の走査スピードは、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へ悪影響を及ぼすことがある。また、走査スピードが２０００ｍｍ／秒以上であると、アモルファスシリコン２ｄ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、装置システムが複雑になる。
【００５６】
このように、基板３に成膜したシリコン膜をアモルファスシリコン膜２ｄとしたことで、大気圧プラズマでシリコン膜を溶融させることができる。大気圧プラズマを用いることで、効率よく大面積の基板３に配置されたアモルファスシリコン２ｄを、溶融・再結晶化させることができる。一方、バルクシリコンを、大気圧プラズマで溶融させることは、通常困難である。
【００５７】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図５Ｃ）。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。多結晶シリコン膜４の表面の加工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（ＣｌＦ３）または六フッ化硫黄（ＳＦ６）などによるガスプラズマで加工したりしてもよい。なお、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。
【００５８】
テクスチャ構造５を有する多結晶シリコン膜４の表層６に、ドーパントを注入する（図５Ｄ）。具体的には、多結晶シリコン膜４がＰ型ドーパントを含有している場合には、多結晶シリコン膜４の表層６にＮ型ドーパントを注入し；多結晶シリコン膜４がＮ型ドーパントを含有している場合には、多結晶シリコン膜４の表層６にＰ型ドーパントを注入する。
【００５９】
ドーパントの注入は、プラズマを用いて行うことが好ましい。Ｎ型ドーパントであるリンや砒素をプラズマ注入するには、リン元素含有ガス（ＰＨ-３など）または砒素元素含有ガス（ＡｓＨ３）の存在下で、多結晶シリコン膜４にプラズマを照射すればよい。Ｐ型ドーパントであるホウ素をプラズマ注入するには、ホウ素元素含有ガス（ＢＨ３）のガス存在下で、多結晶シリコン膜４にプラズマを照射すればよい。
【００６０】
ドーパントの注入後、多結晶シリコン膜４の表層６にランプを照射するなどして、ドーパントを活性化させる。それにより、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜４が形成される。
【００６１】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を積層する（図５Ｅ）。絶縁膜７は、窒化ケイ素膜などであればよい。絶縁膜７を積層することで、入射光の反射を抑制し、電気特性の劣化を防ぐ。また、絶縁膜７の一部をエッチングして、ライン状のエッチング部に電極８を形成する（図５Ｅ）。電極８の材質は、例えば銀である。
【００６２】
第２の態様について
第２の態様を、図６を参照して説明する。基板３に成膜したアモルファスシリコン膜２ｄ（図６Ａ）に、他のアモルファスシリコン膜２ｅを積層する。アモルファスシリコン膜２ｅはドーパントを含有している。具体的には、アモルファスシリコン膜２ｄがＰ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｅはＮ型ドーパントを含有し；アモルファスシリコン膜２ｄがＮ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｅはＰ型ドーパントを含有する。
【００６３】
アモルファスシリコン膜２ｅは、アモルファスシリコン膜２ｄと同様に、ドーパント含有シリコンターゲットを用いて、スパッタ成膜により形成されることが好ましい。Ｐ型シリコンターゲットを用いれば、Ｐ型ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｅが形成され；Ｎ型シリコンターゲットを用いれば、Ｎ型ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｅが形成される。アモルファスシリコン膜２ｅをスパッタ成膜するための、ドーパント含有シリコンターゲットも、前述の通りシリコンインゴットの粉砕物から得ることが好ましい。
【００６４】
アモルファスシリコン膜２ｅの厚みは、０．５〜５０μｍであることが好ましい。また、アモルファスシリコン膜２ｅの厚みの目安は、アモルファスシリコン膜２ｄの厚みに対して、２〜１０％であることが好ましい。両者の厚みを最適化することで、発電効率を高めることができる。
【００６５】
アモルファスシリコン膜２ｄとアモルファスシリコン膜２ｅとの積層膜に、プラズマを照射して溶融し、さらに冷却して多結晶化させて多結晶シリコン膜４とする（図６Ｃ）。照射するプラズマは、大気圧プラズマであることが好ましい。
【００６６】
大気圧プラズマを照射するための装置や手法は、図５Ｂにおいて多結晶シリコン膜４を得る場合と同様にすればよい。
【００６７】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図６Ｄ）。テクスチャ構造５の形成は、図５Ｃにおいてテクスチャ構造５を形成する場合と同様にすればよい。
【００６８】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を形成し、電極８を形成する（図６Ｅ）。絶縁膜７や電極８は、図５Ｅのそれらと同様である。
【００６９】
他の形態について
第１の態様および第２の態様では、基板３にアモルファスシリコン膜２ｄを形成した。本形態（他の形態）においては、基板３にドーパントを含有するシリコン粉末２ｂを配置し；シリコン粉末２ｂの上に、ドーパント含有アモルファスシリコン膜２ｄを成膜し；その後、プラズマを照射してシリコン粉末２ｂとアモルファスシリコン膜２ｄを多結晶化することで、ＰＮ接合を有する多結晶シリコン膜４を得る（図７参照）。
【００７０】
本形態（他の形態）を、図７を参照して説明する。まず、基板３にシリコン粉末２ｂを塗布する（図７Ａ）。基板３は、図３Ａにおける基板３と同様である。シリコン粉末２ｂは、ドーパント含有シリコンインゴットを粉砕して得られるシリコン粉末２ｂであり（図１Ｂ参照）、Ｐ型ドーパントまたはＮ型ドーパントを含有している。
【００７１】
シリコン粉末２ｂの塗布は、ａ）乾燥したシリコン粉末をスキージにて塗布するか、ｂ）シリコン粉末２ｂ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。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。
【００７２】
シリコン粉末２ｂの基板３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/ｃｍ２に設定することが好ましい。ただし、基板３に塗布されたシリコン粉末２ｂの塗布膜表面は、多少の凹凸を有していても構わない。後述のように、塗布されたシリコン粉末２ｂはプラズマで溶融されるので、塗布膜は平滑化されるためである。
【００７３】
次に、塗布したシリコン粉末２ｂ上にアモルファスシリコン膜２ｄを成膜して積層する（図７Ｂ）。アモルファスシリコン膜２ｄはドーパントを含有する。シリコン粉末２ｂがＰ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｄはＮ型ドーパントを含有し；シリコン粉末２ｂがＮ型ドーパントを含有している場合には、アモルファスシリコン膜２ｄはＰ型ドーパントを含有する。
【００７４】
シリコンアモルファス膜２ｄは、スパッタ装置またはＣＶＤ装置を利用して成膜されるが；好ましくは、前述のドーパント含有シリコンターゲット２ｃを用いて、スパッタ成膜されることが好ましい。シリコンアモルファス膜２ｄを成膜することで、シリコン粉末２ｂの一部（アモルファスシリコン膜２ｄ側）は、アモルファスとなってもよい。
【００７５】
シリコン粉末２ｂに積層されるアモルファスシリコン膜２ｄの厚みは、特に限定されないが、０．１〜０．５μｍとするとすればよい。
【００７６】
次に、基板３上のシリコン粉末２ｂおよびシリコンアモルファス膜２ｄを、大気圧プラズマで溶融させ、さらに冷却することで多結晶シリコン膜４とする（図７Ｃ参照）。大気圧プラズマの照射は、図２に示される装置で行えばよい。その手法も、実施の形態２において、アモルファスシリコン膜２ｄとアモルファスシリコン膜２ｅとの積層膜を、多結晶シリコン膜とする場合（図６Ｃ参照）と同様である。
【００７７】
多結晶シリコン膜４にはＰＮ接合が形成されており、多結晶シリコン膜４の厚みは０．５〜５０μｍとすることが好ましい。
【００７８】
次に、多結晶シリコン膜４の表面を凹凸状に加工してテクスチャ構造５を形成する（図７Ｄ）。テクスチャ構造５の形成は、図５Ｃにおいてテクスチャ構造５を形成する場合と同様にすればよい。多結晶シリコン膜４の表層６は、活性化されている。
【００７９】
さらに、多結晶シリコン膜４に絶縁膜７を形成し、電極８を形成する（図７Ｅ）。絶縁膜７や電極８は、図５Ｅのそれらと同様である（図７Ｅ）。
【００８０】
［実験例１］
基板（材質：アルミニウム，サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、ホウ素含有シリコンターゲットを用いて、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄをスパッタ成膜した（図５Ａ）。アモルファスシリコン膜２ｄの厚みは５０μｍであった。
【００８１】
次に、図２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、アモルファスシリコン２ｄを溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図５Ｂ）。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アモルファスシリコン２ｄ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４の厚みは、約５０μｍであった。
【００８２】
次に、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（図５Ｃ）。多結晶シリコン膜４の表面の加工は、酸またはアルカリ（ＫＯＨなど）溶液でウェットエッチングして行ってもよく、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ3）または六フッ化硫黄（ＳＦ6）などによるガスプラズマでエッチングして行ってもよい。
【００８３】
次に、多結晶シリコン膜４の表面に、プラズマを利用してリンをドーピングした（図５Ｄ）。ドーピングは、１０Ｐａの圧力環境下の２０ＳＣＣＭチャンバに、ＰＨ３ガス（０．５％Ｈｅ希釈）を導入し；１３．５６ＭＨｚの高周波放電を利用して、２００Ｗの電力で３０秒間ドーピング処理することで行った。ドーピング処理された多結晶シリコン膜４にランプを照射し、不純物を活性化させた。
【００８４】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図５Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した。
【００８５】
このようにして、開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色ないデータである。
【００８６】
実験例１では、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄを成膜して、それを多結晶化して、リンをドーピングしてＰＮ接合を形成した。他方、砒素または燐含有アモルファスシリコン膜を成膜して、それを多結晶化し、ホウ素などのＰ型ドーパントをドーピングしてＰＮ接合を形成しても、同様の成果が得られる。
【００８７】
［参考例１］
基板（材質：アルミニウム,サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、ホウ素含有シリコンターゲットを用いて、ホウ素含有アモルファスシリコン２ｄをスパッタ成膜した（図６Ａ）。アモルファスシリコン２ｄの厚みは５０μｍであった。
【００８８】
ホウ素含有アモルファスシリコン２ｄに、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅをスパッタ成膜して、積層膜とした（図６Ｂ）。砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅの厚みは２μｍであった。
【００８９】
次に、図２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、アモルファスシリコン２ｄおよび２ｅを溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図６Ｃ）。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アモルファスシリコン２ｄおよび２ｅ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。
【００９０】
次に、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（図６Ｄ）。
【００９１】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図６Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した（図６Ｅ）。
【００９２】
このようにして，開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色の無いデータである。
【００９３】
参考例１では、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｄを形成したのち、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｅを積層して、ガスプラズマでＰＮ接合を形成した。他方、砒素含有アモルファスシリコン膜２ｄを形成したのち、ホウ素含有アモルファスシリコン膜２ｅを積層して、ガスプラズマでＰＮ接合を形成しても同様の成果が得られる。
【００９４】
［参考例２］
基板（材質：アルミニウム，サイズ：３７０ｍｍ（Ｘ軸）×４７０ｍｍ（Ｙ軸））に、約１μｍの粒径のシリコン粉末２ｂを塗布した（図７Ａ）。シリコン粉末２ｂは、ホウ素含有シリコンインゴットを粉砕して得たため、Ｐ型ドープされている。シリコン粉末２ｂの塗布はスキージで行い、約３０μｍの厚みの塗布膜とした。
【００９５】
その後、リン含有シリコンターゲットを用いて、シリコン粉末２ｂにシリコンアモスファス膜２ｄを成膜した（図７Ｂ）。シリコンアモスファス膜２ｄの厚みは２μｍであった。
【００９６】
図２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、シリコン粉末およびシリコンアモルファス膜を溶融・再結晶化して、多結晶シリコン膜４とした（図７Ｃ）。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およびシリコンアモルファス膜の全てを、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。
【００９７】
次に、形成した多結晶シリコン膜４の表層６を凹凸状に加工（テクスチャー化）した。（図７Ｄ）。多結晶シリコン膜４の表面の加工は、酸またはアルカリ（ＫＯＨなど）溶液でウェットエッチングして行ってもよく、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ3）または六フッ化硫黄（ＳＦ6）などによるガスプラズマでエッチングして行ってもよい。
【００９８】
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（窒化ケイ素膜）をスパッタ成膜した（図７Ｅ）。さらに、絶縁膜７の一部をエッチングして、エッチング部にライン状の銀電極８を形成した（図７Ｅ）。
【００９９】
このようにして，開放電圧０．６Ｖ（１０ｃｍ２換算）の太陽電池を得た。これは、現状市販されている結晶型太陽電池と比べて遜色ないデータである。
【０１００】
参考例２では、基板３にホウ素含有シリコン粉末２ｂを塗布し、さらにリン含有シリコンアモルファス膜２ｄを成膜し、それらを多結晶シリコン膜４とした。他方、基板３に、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）含有シリコン粉末を塗布し、ホウ素含有シリコンアモルファス膜２ｄを成膜して、それらを多結晶シリコン膜４としても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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。本発明により提供されるシリコンスパッタターゲットは、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。
【符号の説明】
【０１０２】
１ シリコンインゴット
２ａ シリコン粗粉末
２ｂ シリコン粉末
２ｃ シリコンターゲット
２ｄ アモルファスシリコン膜
２ｅ アモルファスシリコン膜
３ 基板
４ 多結晶シリコン膜
５ テクスチャ構造
６ 多結晶シリコン膜の表層
７ 絶縁膜
８ 電極
１０ 基体
２０ 陰極
２１ 陽極
２２ プラズマ噴射口
２３ プラズマ
３０ シリコンインゴット
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 多結晶シリコン膜
５０ 大気圧プラズマ装置
５１ 真空チャンバ
５４ 基板保持具
５５ ガス導入装置
５６ 排気装置
５７ 排気口
５８ バルブ
５９ アースシールド
６０ 磁気回路
６１ 水冷ジャケット
６２ 高電圧印加電源
６３ パッキングプレート
１００ マグネトロンスパッタリング装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、
前記Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、
前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｃで形成された前記Ｐ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または前記工程Ｃで形成された前記Ｎ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄと、
を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項２】
前記基板は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｆｅのいずれかを含む、請求項１に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項３】
前記プラズマは、大気圧プラズマである、請求項１または２に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項４】
前記走査速度は、１００ｍｍ／秒以上２０００ｍｍ／秒以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項５】
前記Ｃ工程において、プラズマ照射によって前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を溶融した後、不活性ガスを供給して溶融した前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を急冷して多結晶化させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項６】
前記Ｃ工程において、不活性ガスに水素ガスを混合させた混合ガスにより、発生したプラズマを押出しながらプラズマ照射を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１】
Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを用意する工程Ａと、
前記Ｐ型またはＮ型のドーパントを含有したシリコンターゲットを利用して、基板表面にＰ型またはＮ型アモルファスシリコン膜をスパッタ成膜する工程Ｂと、
前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜にプラズマを走査させて溶融後、再結晶化させてＰ型またはＮ型多結晶シリコン膜を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｃで形成された前記Ｐ型多結晶シリコン膜に、Ｎ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する、または前記工程Ｃで形成された前記Ｎ型多結晶シリコン膜に、Ｐ型のドーパントを含むガスによるプラズマに曝してＰＮ接合を形成する工程Ｄと、
を含む、多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項２】
前記基板は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｆｅのいずれかを含む、請求項１に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項３】
前記プラズマは、大気圧プラズマである、請求項１または２に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項４】
前記走査速度は、１００ｍｍ／秒以上２０００ｍｍ／秒以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項５】
前記Ｃ工程において、プラズマ照射によって前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を溶融した後、不活性ガスを供給して溶融した前記Ｐ型またはＮ型アモルファスシリコン膜を急冷して多結晶化させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【請求項６】
前記Ｃ工程において、不活性ガスに水素ガスを混合させた混合ガスにより、発生したプラズマを押出しながらプラズマ照射を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶型太陽電池パネルの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１９９５７１（Ｐ２０１２−１９９５７１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２０９９４（Ｐ２０１２−１２０９９４）
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２０１１−５４６４５３（Ｐ２０１１−５４６４５３）の分割
【原出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２０１１−５４６４５３（Ｐ２０１１−５４６４５３）の分割
【原出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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