(57)【要約】【課題】信頼性及び効率の高い太陽電池を低コストにて得ることができる太陽電池用基板、この基板を用いた太陽電池及びこれらの製造方法を提供することにある。【解決手段】表面に少なくとも高純度シリコンからなる活性層が積層されて太陽電池が形成される太陽電池用基板であって、シリコン粒子２１と、炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の焼成により生成されたシリコン粒子２１間のカーボン２２と、シリコン粒子２１とカーボン２２との界面でそれらの焼成により生成され、シリコン粒子２１同士を結合する炭化珪素２３とを含んでなる太陽電池用基板が提供される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン粒子と炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の混合物を基板状に成形し、次いでシリコンの溶融温度以下で焼成して太陽電池用基板を得ることを特徴とする太陽電池用基板の製造方法。
【請求項２】
原料としてのシリコン粒子が、比較的低純度のシリコン粒子である請求項１に記載の太陽電池用基板の製造方法。
【請求項３】
結着樹脂が、フェノール系合成樹脂である請求項１又は２に記載の太陽電池用基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１つに記載の太陽電池用基板の製造方法にて形成された基板上に、少なくとも高純度シリコンからなる活性層を形成して太陽電池を得ることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項５】
表面に少なくとも高純度シリコンからなる活性層が積層されて太陽電池が形成される太陽電池用基板であって、
シリコン粒子と、炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の焼成により生成されたシリコン粒子間のカーボンと、シリコン粒子とカーボンとの界面でそれらの焼成により生成され、シリコン粒子同士を結合する炭化珪素とを含んでなることを特徴とする太陽電池用基板。
【請求項６】
請求項５に記載の太陽電池用基板と、この基板上に形成された高純度シリコンからなる活性層とを備えてなることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池用基板、これを用いた太陽電池及びそれらの製造方法に関する。特に、薄膜太陽電池に適した基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽電池の多くはコストの面から多結晶シリコンのキャスト基板で形成されてきた。このキャスト基板は通常、高純度のシリコンを溶融、凝固後、板状にスライス加工して形成されており、コストダウンを図るには、できるだけ薄く加工して、高価な高純度シリコンの使用量を削減することが望まれる。現在、基板の厚さは３００ミクロン程度にまで薄くなってきており、さらに薄くすることは、加工上の困難さが増すとともに、取り扱いが困難となる。そこで、別の安価な基板上に高純度シリコンの薄い膜を形成して太陽電池とする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
たとえば、安価なガラス基板上にシリコン薄膜を形成して太陽電池を製造する方法が、多くの機関で開発され、一部は実用化されている。ガラス基板は耐熱性に劣ることから、シリコン薄膜の形成にはＰ−ＣＶＤ等の低温成膜が可能な真空装置が使用されている。しかしながら、ガラス基板は耐熱性に劣ることから、太陽電池の特性が不十分であり、また、シリコン薄膜の形成にＰ−ＣＶＤ等の高価な装置を必要とし、成膜速度も遅いことから、キャスト基板を用いた場合に比して、高価になるという欠点があった。
上記の課題を解決するために、アルミナのようなセラミックス基板、耐熱ステンレス鋼のような金属基板、カーボンあるいは低純度シリコン等の高耐熱性基板上に、プラズマ溶射あるいは熱ＣＶＤ等の方法でシリコン薄膜を形成する方法も提案されており（例えば、特許文献２参照）、太陽電池に必要とされる数１０ミクロンの厚さのシリコン膜を高速に形成することができる。しかしながら、低純度シリコン等を用いた高耐熱性基板を従来のキャスト基板と同様の方法で形成すると、原料費は安くなるものの、加工費が高くなり、コストメリットが無くなる。
そこで、基板の鋳型にシリコン粉末を充填し、溶解凝固して形成する方法（例えば、特許文献３参照）、あるいは、別の高耐熱性担体上に低純度シリコンをプラズマ溶射法で吹き付けて形成する方法（例えば、特許文献４参照）、カーボンと熱硬化性樹脂とを混合し、成型後に高温で焼成して安価な基板を形成する方法（例えば、特許文献５参照）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５５−３４４７０号公報
【特許文献２】
特開平５−３１５２５７号公報
【特許文献３】
特開平１０−９８２０５号公報
【特許文献４】
特開平６−９００１３号公報
【特許文献５】
特開２００１−８５７１７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低純度のシリコン粉末を鋳型に入れ、溶解、凝固する方法（特許文献３）は、シリコンの融点が約１４１０℃と非常に高いことから、鋳型の材料が限定され、耐久性も乏しくなることから、加工費が高くなる問題があった。
また、高耐熱性基板上に低純度シリコンをプラズマ溶射する方法（特許文献４）は、別個に高耐熱性基板を必要とするため、コストアップとなり、さらに、プラズマ溶射法で形成した基板は緻密性に劣るという問題があった。
また、カーボンで高耐熱性基板を形成した場合（特許文献５）には、基板上に形成するシリコン薄膜と、カーボンからなる高耐熱性基板の熱膨張係数が異なるため、シリコン薄膜が基板から剥離する問題があった。あるいは剥離にまでいたらなくても、基板全体が大きく反って取り扱いが困難となったり、シリコン薄膜に大きな歪が形成されて特性が劣化する等の問題があった。
【０００５】
本発明の主要な目的の一つは、信頼性及び効率の高い太陽電池を低コストにて得ることができる基板、この基板を用いた太陽電池及びこれらの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、シリコン粒子と炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の混合物を基板状に成形し、次いでシリコンの溶融温度以下で焼成して太陽電池用基板を得る太陽電池用基板の製造方法が提供される。
ここで、本発明において、太陽電池用基板とは、その表面に少なくとも高純度シリコン（純度：９９．９９０％超）からなる多結晶の薄膜シリコン活性層が積層されて太陽電池が形成されるための支持基板を意味する。つまり、本発明の基板は、太陽電池の主要部であるシリコン活性層を少なくとも形成可能とするものであるが、シリコン活性層の上面側にｐｎ接合、反射防止膜、受光面電極等の構成要素が形成可能であるのは無論のこと、基板とシリコン活性層との間にバッファ層等の構成要素を形成することも可能であり、詳しくは実施の形態において説明する。
【０００７】
本発明によれば、シリコン粒子に炭素原子を構成原子として有する結着樹脂を混合した混合物を基板の原料としたことにより、この混合物を基板状（シート状）に成型した成型物をシリコンの溶融温度（約１４１０℃）以下で焼成して、高耐熱性を有する太陽電池用基板を形成することができる。つまり、焼成に際して、結着樹脂は燃焼してシリコン粒子間でカーボンとなり、このカーボンはシリコン粒子との界面では一部シリコンと反応して炭化珪素（ＳｉＣ）となり、上述したようにシリコン粒間が炭化珪素で結合されて、緻密なシリコンとカーボンの混合物からなるシート状基板が形成される。したがって、鋳型に入れたシリコン粉末を高温（約１４１０℃）で溶融し、凝固させて基板を形成する従来製法では、鋳型の材料が限定され、高熱による耐久性も乏しくことから、製造コストが高くなる問題があったが、本発明ではこのような問題が解消され、容易かつ低コストにて太陽電池用基板を製造することができる。
一方、このようにして製造された太陽電池用基板は、上述のように、シリコン粒子と、炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の焼成により生成されたシリコン粒子間のカーボンと、シリコン粒子とカーボンとの界面でそれらの焼成により生成され、シリコン粒子同士を結合する炭化珪素とを含んだ高耐熱性の基板となる。
したがって、この基板の熱膨張係数は、基板上に形成される太陽電池の主要部であるシリコン活性層の熱膨張係数と略同じとなるので、太陽電池の製造に際して熱膨張差によって基板上に積層したシリコン活性層が剥離する、基板が反って取扱いが困難となる、あるいはシリコン活性層に大きな歪が形成されて特性が劣化するといった問題を回避することができる。また、この基板は高耐熱性を有するので、シリコン活性層の形成方法の選択肢が拡大し、結晶粒径が大きい良好な結晶品質のシリコン活性層を高速で形成することが可能となる。したがって、効率の高い太陽電池を低コストで製造することが可能となる。
【０００８】
本発明の太陽電池用基板の製造方法において、原料としてのシリコン粒子として、純度は特に限定されるものではないが、経済性の面から比較的低純度のシリコン粒子でもよい。ここで、比較的低純度のシリコン粒子とは、純度が９８〜９９．９９０％の低純度シリコン粉末を意味する。また、シリコン粒子の粒径は、１０〜１００μｍが好ましい。
このようにすれば、基板の原料コストを低減することができ、より一層製造コストを低減することができる。
【０００９】
本発明において、炭素原子を構成原子として有する結着樹脂としては、特に限定されるものではないが、焼成時の形状保持性が良好な熱硬化性樹脂が好ましく、例えばプリント基板等で一般的に使用されているフェノール系合成樹脂（フェノール樹脂）を代表的なものとして挙げることができる。
ここで、具体的に基板原料となる混合物は、シリコン粉末（好ましくは低純度シリコン粉末）６０〜９０体積％と、フェノール系合成樹脂４０〜１０体積％とを混合したものが好ましい。なお、混合物において、シリコン粉末が６０体積％よりも少なく、かつフェノール系合成樹脂が４０体積％よりも多いと、焼成により生成されるカーボンの割合が多くなり、基板と基板上に形成するシリコン活性層との熱膨張率係数の差が大きくなって、基板上に形成したシリコン活性層の剥離や、基板の反り、シリコン活性層に歪が生じて特性が劣化する等の問題が生じ易くなることや、シリコン粒子間が大きくなって緻密性に欠けるといった問題が生じる。一方、シリコン粉末が９０体積％よりも多く、かつフェノール系合成樹脂が１０体積％よりも少ないと、焼成によって得られるカーボンの割合が減少し、シリコン粒間を結合する炭化珪素の割合も減少して基板が脆くなるという問題を生じる。
【００１０】
本発明は別の観点によれば、上述の製造方法により製造した太陽電池用基板上に、少なくとも高純度シリコンからなる活性層を形成して太陽電池を得る太陽電池の製造方法を提供することができる。
上述の製造方法により製造された太陽電池用基板は、高耐熱性を有するので、この基板上には各種の方法、例えば熱ＣＶＤ法、Ｐ−ＣＶＤ法、プラズマ溶射法、液相成長法（ＬＰＥ）等により薄膜（１０〜５０μｍ程度）のシリコン活性層を形成することができ、高効率な太陽電池を低コストにて得ることができる。また、基板の熱膨張係数がシリコン活性層と略等しくなっているので、上述したような活性層の剥離、基板が反って取扱い難くなる、活性層の歪による特性劣化等の不良原因がなくなり、太陽電池の製造不良を大幅に低減することができる。なお、高純度シリコンとしては、純度が９９．９９０％を越えるものが、高性能な太陽電池を得ることができる点で好ましい。
一方、太陽電池用基板と、この基板上に形成された高純度シリコンからなる活性層とを備えてなる、上述の製造方法により製造された太陽電池は、高性能で信頼性の高いものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳説する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
［実施の形態１］
図１は本発明の太陽電池の実施の形態１を示す概略断面図であり、図２は同実施の形態１における基板の内部の状態を拡大して示す概略構成図である。
この実施の形態１の太陽電池は、基板１と、基板１の上面に積層された活性層となるシリコン活性層２と、シリコン活性層２の上面側を変質させて形成されたｐｎ接合３と、ｐｎ接合３の上面に積層された反射防止膜４と、反射防止膜４の上面に形成された受光面電極５とを備える。
【００１３】
基板１は、主成分としてシリコンとカーボンとを含む厚み：約５００μｍの複合材料基板である。この基板１の内部における表面近傍（上面近傍）を見ると、シリコン粒子２１とカーボン２２との界面には、界面部分のシリコンとカーボンとが反応して生成した炭化珪素（ＳｉＣ）の層２３が各シリコン粒子２１を覆い、かつ各シリコン粒子２１同士を炭化珪素の層２３が結合している（図２参照）。このシリコン粒子２１の結晶粒径は５０〜１００μｍである。このような本発明の基板１は、高耐熱性を有し、かつ表面及び内部が炭化珪素の層２３によって緻密に構成されている。
【００１４】
次に、本発明の基板１の製造方法並びにこの基板１を用いて太陽電池を製造する製造方法を説明する。
先ず、基板１の製造に際しては、純度：９８〜９９．９９０％、粒径：５０〜１００μｍの低純度シリコンの粉末約７０体積％と、フェノール樹脂約３０体積％とを混合し、その混合物を鋳型に充填し成型して厚さ：約６００μｍのシートを形成する。
【００１５】
次いで、このシートをアルゴン雰囲気中でシリコンの融点（約１４１０℃）よりも低い１２００℃まで加熱し、厚さ：約５００μｍの基板１を形成する。シリコンの融点以下で焼成することから、高耐熱性の坩堝等の容器が不要となり、基板の製造コストを著しく低減することができる。このようにして形成される基板１の内部は、図２に示すように、上記混合物からなるシートを焼成したことにより、フェノール樹脂がカーボン２２となり、かつシリコン粒子２１とカーボン２２との界面にはシリコンとカーボンとが反応して炭化珪素（ＳｉＣ）の層２３が形成されている。つまり、上述したように、各シリコン粒子２１が炭化珪素の層２３にて覆われており、シリコン粒子２１間が炭化珪素の層２３によって結合されて、表面及び内部が緻密な基板１が形成される。
【００１６】
次に、この基板１を用いて太陽電池を製造するに際しては、基板１上に、熱ＣＶＤ法により半導体グレードの高純度のＳｉＨ４やＳｉＨＣｌ３等の原料ガスを１０００℃程度の高温で分解して、９９．９９０％を超える高純度の活性層となるシリコン活性層２（ｐ型又はｎ型）を約３０μｍ形成する。このシリコン活性層２は多結晶となる。この際、主としてシリコンとカーボンとからなる基板１の熱膨張係数は、シリコン活性層２の熱膨張係数と略同じであるため、シリコン活性層２が剥離する、基板１が反る、あるいはシリコン活性層２に大きな歪が形成されて特性が劣化するといった問題を生じない。なお、形成したシリコン活性層２の結晶粒径が小さい場合（例えば、５０μｍ以下）には、レーザーやランプにてシリコン活性層２の表面を加熱して溶融し、再結晶化させることにより結晶粒径を大きくすることも可能である。
【００１７】
活性層となるシリコン活性層２を形成した後、シリコン活性層２の上面をドーパントの拡散やイオン注入によってドーパントを導入しｐｎ接合３（ｎ型又はｐ型）を形成する。あるいは、上述した熱ＣＶＤ法によるシリコン活性層２の形成中にガスの種類を切り替えることによって、ｐｎ接合３を形成するようにしてもよい。
【００１８】
ｐｎ接合３の形成後、スピン塗布法、熱ＣＶＤ法、Ｐ−ＣＶＤ法等の各種の方法によって、ｐｎ接合３の上面に反射防止膜４を形成する。この反射防止膜４としては、酸化チタンあるいは窒化珪素のような比較的屈折率の大きな透明膜が使用される。
その後、反射防止膜４の上面に、受光面電極５を形成する。受光面電極５の形成方法としては、スクリーン印刷あるいは蒸着法等があるが、コストの面から、銀ペーストを反射防止膜４上にスクリーン印刷で形成し、その後焼成し、ファイアースルーでシリコン層３と接合させる方法が望ましい。一方、裏面電極については、基板１が導電性を有していることから、新たに設ける必要はないが、金属製電極を追加することも可能である。
【００１９】
［他の実施の形態］
１．上記実施の形態１においては、基板１上に直接活性層となるシリコン活性層２を形成した場合を例示したが、活性層よりドーパント濃度の高いシリコン層を薄く形成した後に活性層を形成してもよく、それによって太陽電池特性の向上が期待できる。
２．また、基板１上にバッファ層を設けてもよく、それによって基板１内の不純物が上部のシリコン活性層２に拡散することを防止することができる。
３．また、基板１を形成した後、レーザーやランプ加熱により表面のみを溶融、再結晶化させることにより、結晶粒径の大きなＳｉ層あるいはＳｉＣ層を形成してもよく、この上にシリコン活性層２をエピタキシャル的に形成することにより、太陽電池特性の向上が期待できる。
４．また、上記実施の形態１においては、シリコン活性層２を熱ＣＶＤ法により形成したが、プラズマ溶射法、液相成長法（ＬＰＥ）、Ｐ−ＣＶＤ法、その他各種の方法を用いることが可能なことは明らかである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の太陽電池用基板の製造方法によれば、シリコン粒子に炭素を含有する結着樹脂を混合した混合物を基板の原料としたことにより、この混合物を基板状（シート状）に成型した成型物をシリコンの溶融温度（約１４１０℃）以下で焼成して、高耐熱性を有する太陽電池用基板を形成することができる。つまり、焼成に際して、結着樹脂は燃焼してカーボンとなり、このカーボンはシリコン粒子との界面では一部シリコンと反応して炭化珪素（ＳｉＣ）となり、上述したようにシリコン粒間が炭化珪素で結合されて、緻密なシリコンとカーボンの混合物からなるシート状基板が形成される。したがって、鋳型に入れたシリコン粉末を高温（約１４１０℃）で溶融し、凝固させて基板を形成する従来製法では、鋳型の材料が限定され、高熱による耐久性も乏しくことから、製造コストが高くなる問題があったが、本発明ではこのような問題が解消され、容易かつ低コストにて太陽電池用基板を製造することができる。
一方、このようにして製造された本発明の太陽電池用基板は、シリコン粒子と、炭素原子を構成原子として有する結着樹脂の焼成により生成されたシリコン粒子間のカーボンと、シリコン粒子とカーボンとの界面でそれらの焼成により生成され、シリコン粒子同士を結合する炭化珪素とを含んだ高耐熱性の基板となる。したがって、この基板の熱膨張係数は、基板上に形成される太陽電池の主要部であるシリコン活性層の熱膨張係数と略同じとなるので、太陽電池の製造に際して熱膨張差によって基板上に積層したシリコン活性層が剥離する、基板が反って取扱いが困難となる、あるいはシリコン活性層に大きな歪が形成されて特性が劣化するといった問題を回避することができる。また、この基板は高耐熱性を有するので、シリコン活性層の形成方法の選択肢が拡大し、結晶粒径が大きい良好な結晶品質のシリコン活性層を高速で形成することが可能となる。したがって、効率の高い太陽電池を低コストで製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の実施の形態１を示す概略断面図である。
【図２】同実施の形態１における基板の内部の状態を拡大して示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  基板
２  シリコン層
３  ｐｎ接合層
４  反射防止膜
５  受光面電極
２１  シリコン粒子
２２  カーボン
２３  炭化珪素の層
【図１】
2004259953.tif 000003
【図２】
2004259953.tif 000004