(57)【要約】【課題】  太陽電池用のシリコンリボンを得る工程で材料損失を低減する。【解決手段】  円形シリコンインゴット１を角形に切削加工することで、表面の面方位が（110）面であり、かつ厚さが１〜５mmの角形肉厚シリコンウエハー７を製造する。角形肉厚シリコンウエハー７の表面に櫛状のレジストパターン71及び72を形成する。その表面に垂直な方向に異方性エッチングを行うことで、表面の面方位が（110）面であり、かつ厚さが１〜５mmの櫛状シリコン基板73及び74を製造する。櫛状シリコン基板73及び74の櫛歯73b及び74bからなる単結晶シリコンリボンをセル化して太陽電池を製造する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコン。
【請求項２】
請求項１記載の櫛状結晶シリコンにおいて、上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面である単結晶からなることを特徴とする櫛状結晶シリコン。
【請求項３】
請求項１又は２記載の櫛状結晶シリコンの櫛歯からなる結晶シリコンリボン。
【請求項４】
請求項３記載の結晶シリコンリボンをセル化して得られる太陽電池。
【請求項５】
上面の面方位が（110）面、側面の面方位が（111）面であり、かつ厚さが1〜5mmの角形単結晶シリコンの上面に櫛状のレジストパターンを形成するパターン形成工程と、前記レジストパターンが形成された角形単結晶シリコンの上面に垂直な方向に異方性エッチングを行うエッチング工程とからなる櫛状単結晶シリコンの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の櫛状単結晶シリコンの製造方法において、前記パターン形成工程は、角形の対向する辺を基部とする一対の櫛の櫛歯列が互い違いに配列されるようにレジストパターンを形成することを特徴とする櫛状単結晶シリコンの製造方法。
【請求項７】
厚さが1〜5mmの単結晶又は多結晶の角形結晶シリコンを加工することで、厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンを製造する方法であって、前記の角形結晶シリコンから櫛状の櫛の隣り合う歯と歯の間となる部分を放電加工又はレーザー加工等の方法により切除する工程を有することを特徴とする櫛状結晶シリコンの製造方法。
【請求項８】
厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンの櫛歯からなる結晶シリコンリボンをセル化する工程を有する太陽電池の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の太陽電池の製造方法において、前記櫛状結晶シリコンは上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面である単結晶シリコンからなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコン、結晶シリコンリボン及び太陽電池、並びにそれらの製造方法に関し、されに詳しくは、シリコン原料の効率的な利用を図り、太陽電池のコスト低減を可能にする結晶シリコン、結晶シリコンリボン及び太陽電池、並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電による電気エネルギーの確保は、化石資源の枯渇、環境の悪化、各国のエネルギー不足などの深刻な諸問題の解決に重要な課題である。現在商業生産が始まっているにもかかわらず、太陽光発電のコストダウンの障害となっている技術的問題が残されており、コストダウンの見通しが得られないままで量産化が進んでいる。
【０００３】
単結晶シリコン基板を用いた太陽電池の現状製法の概略について、図３を用いて説明する。同図Ａで、引き上げ法による円形シリコンインゴット1（直径150mm、長さ500mm程度の単結晶シリコン）をマルチワイヤーソー６により切断し、直径150mm、厚さ200μ程度の円形シリコン基板11を多数枚得る。同図Ｂで円形シリコン基板11の外縁12が切除されて同図Ｃの角型シリコン基板13になり、その後セル化工程を経て、同図Ｄに示すような100mm×100mm×200μ程度の太陽電池14となる。
【０００４】
問題はＡの切断工程にある。マルチワイヤーソー６のワイヤーの太さ約200μと、円形シリコン基板11の枚数を掛けた量、即ち円形シリコンインゴット1の約半分は切断汚泥となる。このような製法のためにシリコン基板の製造コストが全体の約50%を占めており、コストダウンが困難である。
【０００５】
そこで、シリコンインゴットの利用率を高める対策として、水酸化カリウム（KOH）液を用いた異方性エッチング法（化学腐食）で、肉厚単結晶シリコンから厚さ50μ以下のシリコンリボン（リボン状シリコン基板）を得る方法がある。単結晶シリコンのKOH液でのエッチング速度は、（110）面は（111）面より100倍以上早く、切断幅と深さの比率であるアスペクト比で100以上が得られる。これは（110）面が1000μ（1mm）エッチングされる間に（111）面は10μしかエッチングされないことになり、本手法で単結晶シリコンの深堀切断ができることを意味している。
【０００６】
このような異方性エッチングを利用して単結晶シリコンリボンを得、太陽電池にするアイデアが2000年ころから提案され、2007年９月現在、オーストラリアのオリジンエネルギー社で製品化しスリバーセル(Sliver Cell)の商品名で販売されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００７】
このスリバーセルの製法の概略を、図４を用いて説明する。
同図Ａの斜視図に示すように、円形シリコンインゴット1（直径150mm、長さ500mm程度の単結晶シリコン）はその円形面の面方位が（110）であり、この円形面に平行にマルチワイヤーソー６で厚さ1000μ（1mm）の円形肉厚シリコンウエハー21に切断される。同図Ｂに示されている円形肉厚シリコンウエハー21は、その側面Ｚ−Ｚ’面は（111）面方位となるようにし、これとストリップ22が平行になるようにレジストパターン23が作られる。
【０００８】
円形肉厚シリコンウエハー21の表面には、窒化珪素、二酸化珪素、有機物などのレジストとマスクを用いて所定の形状のレジストパターン23（図の斜線部）が形成される。ここでは、レジストのない部分（シリコンが露出している部分）として、円形面の中央部に長さ100mm、幅20μのストリップ22が互いに平行、かつ等間隔（80μ間隔）で複数（図示は6個）配列されている。
【０００９】
このレジストパターン23を形成した円形肉厚シリコンウエハー21に対し、前述の異方性エッチング法を適用することで、ストリップ22の部分を腐食させて除去する。これにより、同図Ｃに示すように、円形肉厚シリコンウエハー21の中央部には、長さ100mm、幅50μ、高さ２mmの隙間25に挟まれた、隙間25と同じサイズのシリコンリボン26が等間隔に多数形成される。シリコンリボン26の長手方向の両端はウエハー縁24がフレームとなって固定されており、このままガスや液体を用いた燐拡散などの各種セル化工程を経ることで、太陽電池として機能する状態になる。
【００１０】
次に、長手方向の両端が固定されたまま太陽電池となったシリコンリボンは、その両端（図４ＢのＸ−Ｘ’、及びＹ−Ｙ’の位置）が切断されてウエハー縁24から分離され、バラバラにされる。同図Ｄはリボン状太陽電池27を横倒しにして並べた様子を示している。
【００１１】
この方法と図３に示す方法とにより同量の円形シリコンインゴット１から得られる基板の面積を比べる。図３に示す方法では、マルチワイヤーソー６の切断幅200μ、シリコンウエハー厚さ200μであるため、1枚のシリコンウエハーを得るのに400ミクロンの厚さ分が必要となる。つまり、円形シリコンインゴット１の厚さ1mmの部分からは、2.5枚の角形シリコン基板13が得られる。従って、それらの合計面積は、100mm×100mm×2.5＝10cm×10cm×5＝250cm2となる。これに対し、スリバーセルの製法の場合、厚さ1mmの円形シリコンウエハー21から、長さ100mm、幅50μ、高さ1mmのシリコンリボン26が1000（100mm÷50μ÷2）本得られるため、その面積は、100mm×1mm×1000＝10cm×100cm＝1000cm2となる。つまり、スリバーセルの製法は、同量の円形シリコンインゴット１から4倍程度の面積の基板が得られる。このため、現状の太陽電池に比べてコストダウンが可能と予測されている。
【００１２】
【特許文献１】特表2004-526298号公報
【非特許文献１】Proceeding of the 19thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conference. 2004: Volume 1, p431
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
スリバーセルの製法において、同量の結晶シリコンからより多くのシリコン基板面積を得ることと、シリコンの損失を低減するために隙間25の幅を狭くしてより薄いシリコンリボンを得ることが考えられる。ところが、スリバーセルでは、シリコンリボン26がウエハー縁24のフレームに固定されたまま、隙間25にガスや液体が浸入して太陽電池が作りこまれるため、隙間25の幅を50μから20μや10μへと狭くしていくと、ガスや液体の浸入が阻害され、良好な太陽電池ができなくなる。従って、スリバーセルの場合はシリコンリボン26の幅と隙間25の幅が約50μと同じ程度にならざるを得ない。つまり隙間25を狭くできないために材料損失を減らせないしシリコンリボンの数も増やせない。このことは従来の太陽電池と同様に、シリコンリボン26を得るのにリボン作成面積で材料損失の割合が約50％もあるという問題点を抱えているため、将来の大規模な量産化には適していないと言える。
【００１４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、太陽電池用のシリコンリボンを得る工程で、同量の結晶シリコンからより多くのシリコン基板面積を得ることと、材料損失をできるだけ低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンである。
請求項２の発明は、請求項１記載の櫛状結晶シリコンにおいて、上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面である単結晶からなることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の櫛状結晶シリコンの櫛歯からなる結晶シリコンリボンである。
請求項４の発明は、請求項３記載の結晶シリコンリボンをセル化して得られる太陽電池である。
請求項５の発明は、上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面であり、かつ厚さが1〜5mmの角形単結晶シリコンの上面に櫛状のレジストパターンを形成するパターン形成工程と、前記レジストパターンが形成された角形単結晶シリコンの上面に垂直な方向に異方性エッチングを行うエッチング工程とからなる櫛状単結晶シリコンの製造方法である。
請求項６の発明は、請求項５記載の櫛状単結晶シリコンの製造方法において、前記パターン形成工程は、角形の対向する辺を基部とする一対の櫛の櫛歯列が互い違いに配列されるようにレジストパターンを形成することを特徴とする。
請求項７の発明は、厚さが1〜5mmの単結晶又は多結晶の角形結晶シリコンを加工することで、厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンを製造する方法であって、前記の角形結晶シリコンから櫛状の櫛の隣り合う歯と歯の間となる部分を放電加工又はレーザー加工等の方法により切除する工程を有することを特徴とする。
請求項８の発明は、厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンの櫛歯からなる結晶シリコンリボンをセル化する工程を有する太陽電池の製造方法である。
請求項９の発明は、請求項８記載の太陽電池の製造方法において、前記櫛状結晶シリコンは上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面である単結晶シリコンからなることを特徴とする。
【００１６】
［作用］
本発明によれば、上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面であり、かつ厚さが1〜5mmの角形単結晶シリコンの上面に櫛状のレジストパターンを形成し、その角形単結晶シリコンを上面に垂直な方向に異方性エッチングを行うことで、上面の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面であり、かつ厚さが1〜5mmの櫛状単結晶シリコンを製造し、その櫛状単結晶シリコンの櫛歯からなる単結晶シリコンリボンをセル化して太陽電池を製造する。
また、厚さが1〜5mmの単結晶又は多結晶の角形結晶シリコンから、櫛状の櫛の歯と歯の間となる部分を放電加工やレーザー加工等の方法により切除して、厚さが1〜5mmの櫛状結晶シリコンを製造し、その櫛状結晶シリコンの櫛歯からなる結晶シリコンリボンをセル化して太陽電池を製造する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スリバーセルの製造方法と比べて、太陽電池用のシリコンリボンを得る工程の材料損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１及び図２は本発明の実施形態の、太陽電池の製造方法の概要を示す図である。
図１Ａに示すように、円形シリコンインゴット1（直径150mm、長さ500mm程度の単結晶シリコン）はその円形面２の面方位が（110）である。同図Ｂに示すように、円形インゴット１の円形面２で、Ｚ−Ｚ’方向と平行な面が（111）面方位となるように方位決めをし、罫書き線を入れておく。この罫書き線にそって円形インゴット１の周囲４箇所のインゴット縁４は切断加工で切り落とし、同図Ｃに示すような角形シリコンインゴット５にする。この様な加工をすることで、角形シリコンインゴット５の上面（長手方向の先端面）の面方位が（110）面であり、側面の面方位が（111）面の形状が得られる。次いで角形シリコンインゴット５をワイヤー幅200μ程度のマルチワイヤーソー６で厚さ1000μ（1mm）程度に切断することで、側面の面方位が（111）面の角型肉厚シリコンウエハー７が得られる。
【００１９】
次に角型肉厚シリコンウエハー７を以下の工程により櫛状シリコンリボンに加工する。まず角形肉厚シリコンウエハー７の表裏面全体に窒化珪素、二酸化珪素、有機物などのレジストを塗布した後、不要な部分のレジストを除去して、それぞれが櫛状の第1の櫛状レジストパターン71及び第２の櫛状レジストパターン72（図の斜線）を表裏面に対称的に形成する。
【００２０】
第１の櫛状レジストパターン71では、図１Ｄの角形の上縁部を基部パターン71aとし、そこから下方に幅45μの櫛歯パターン71bが100μ間隔で複数（図示は６本）延びている。第２の櫛状レジストパターン72では、図１Ｄの角形の下縁部を基部パターン72aとし、そこから上方に幅45μの櫛歯パターン72bが100μ間隔で複数（図示は５本）延びている。櫛歯パターン71bと櫛歯パターン72bとは互い違いに配列されている。この第１の櫛状レジストパターン71及び第２の櫛状レジストパターン72により、レジストのない部分が、太さ5μの線により繰り返し間隔100μの方形波状のパターン８となる。
【００２１】
次にこのレジストパターンが形成された角形肉厚シリコンウエハー７を80℃前後のKOH水溶液に入れると、表裏面の（110）面でシリコンが露出している方形波状のパターン８の部分は、１分当たり10μ前後の速さのエッチングで除去される。従って、表裏面の方形波状パターン８の部分は、50分後には両側から500μずつの合計1000μが除去されて貫通して切断される。一方角形肉厚シリコンウエハー７表面の（110）面と直交する深さ方向となる側面の（111）面は、１分当たり片側0.1μ前後の速さでしか除去されない。つまり、側面片側の（111）面方向は50分後には5μ（0.1μ/分×50分）除去され、当初5μであった方形波状のパターン８の幅は両側に10μ除去され、合計15μになる。このようなエッチング速度に100倍もの大幅な相違があることを利用して単結晶を貫通させることができ、方形波状のパターン８の形状に対応する隙間が形成される。その後、レジストを除去すると、角形肉厚シリコンウエハー７の全面がシリコン露出の状態になる。図１Ｅはこの状態を示し、図１Ｄのパターン８の部分が貫通することで、そのパターンの形状に対応する溝幅15μの隙間77ができ、その隙間と隙間の間に幅35μの櫛歯が形成される。この隙間77により角形肉厚シリコンウエハー７は、第１の櫛状レジストパターン71及び第２の櫛状レジストパターン72に対応する、図１Ｆに示す第１の櫛状シリコン基板73及び第２の櫛状シリコン基板74に分割される。
【００２２】
図１Ｆに示すように、分割された第１の櫛状シリコン基板73及び第２の櫛状シリコン基板74の少なくとも一方を図の上下方向に移動させることにより、それらを互いに分離する。ここで、第１の櫛状シリコン基板73は厚さが1mmであり、幅35μ、長さ略100mmの複数（図示は６本）の櫛歯73bが幅60μの隙間73cを挟んで基部73aから延びている。また、第２の櫛状シリコン基板74は厚さが1mmであり、幅35μ、長さ略100mmの複数（図示は５本）の櫛歯74bが幅65μの隙間74cを挟んで基部74aから延びている。
【００２３】
次いで第１の櫛状シリコン基板73及び第２の櫛状シリコン基板74は図示されていない冶具の上で整列させられ、電気炉に入れられて太陽電池に作り込まれる。電気炉に入れられた第１の櫛状シリコン基板73及び第２の櫛状シリコン基板74では、燐拡散により櫛歯73b及び74bの表面にn型層が形成されることでpn接合層が形成され、更に窒化珪素薄膜からなる反射防止膜の形成、電極形成などのセル化工程を経て、櫛歯73b及び74bがリボン状太陽電池になる。
【００２４】
図２Ａに示すように、櫛歯73b及び74bから製造されたリボン状太陽電池セル75b及び76bは、櫛の基部73a及び74aに対応する部分75a及び75bに固定されたままであるため、これらをＰ−Ｑ面で機械的にまたはレーザー光を用いて切断することで基部75a及び75bより切り離される。
【００２５】
最後に図２Ｂに示すように、切り離されたリボン状太陽電池セル75b及び76bを横倒しにすることで、幅1mm、長さ100mm、厚さ35μの横向きのリボン状太陽電池セルが多数並んだ状態になる。これらのリボン状太陽電池セルに互いに配線し、パネルに挿入などすれば太陽電池が完成する。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、第１の櫛状シリコン基板73及び第２の櫛状シリコン基板74に形成された２組の櫛歯列を得ることで、シリコンリボンの総数、即ち櫛歯の総数は櫛歯73bの総数と櫛歯74bの総数の和となり、スリバーセルの約２倍となる。さらに、隣り合う櫛歯の間隔（隙間）を65μ確保できるので、このままガスや気体を用いたセル化プロセスによる太陽電池の製造が可能となる。また、太陽電池の面積はスリバーセルで得られる面積の約２倍となり、材料損失も1〜3割少なくなる。
【００２７】
本願発明の効果を実証するため、実施例１及び２について説明する。
〔実施例１〕
櫛歯73b及び74bの幅を35μとし、隙間77の幅を15μとなるようにシリコンリボンを作成した場合に、得られるリボン面積と材料損失についてスリバーセルとの比較を行った。
【００２８】
図４Ｃに示したように、スリバーセルの場合はシリコンリボン26の幅が50μ、隙間25の幅が50μであるから、100μ当たり１本のリボンが得られ、材料損失は50％である。一方、本実施例では、100μ当たり２本のリボンが得られ、材料損失は33％である。これをスリバーセルと比較すると、リボンの得られる数、つまりウエハー面積は２倍に増加し、材料損失は約3割減となる。
【００２９】
さらに図３に示した従来の方法（ウエハー切断法）の場合と比べると、スリバーセルは４〜５倍の面積が得られ、材料損失は50％と同等である。従って、ウエハー切断法と本実施例とを比較すると、本実施例ではウエハー面積は8〜10倍に増加し、材料損失は約3割減となる。
【００３０】
〔実施例２〕
櫛歯73b及び74bの幅を25μとし、隙間77の幅を15μとしてシリコンリボンを作成した場合に、得られるリボン面積と材料損失についてスリバーセルとの比較を行った。
【００３１】
スリバーセルの場合は、実施例１にて述べたように、100μ当たり１本のリボンが得られ、材料損失は50％である。一方、本実施例では、100μ当たり25μのリボンが2.5本得られ、100μ当たりの材料損失は37.5μ、つまり37.5％である。これをスリバーセルと比較すると、リボンの得られる数、つまりウエハー面積は2.5倍に増加し、材料損失は約1.3割減となる。また、ウエハー切断法と本実施例とを比較すると、本実施例ではウエハー面積は10〜12.5倍に増加し、材料損失は約1.3割減となる。
【００３２】
なお、以上の実施形態では、単結晶シリコン基板を用いて、その特定の面方向でのエッチング速度の違いを利用した切断方法によるシリコンリボンの新たな製法を主に述べてきた。しかし切断方法は放電加工やレーザー光加工など多岐に渡る方法があり、これらの場合はシリコン結晶の面方位に依存しない切断が可能である。したがって、これらの切断加工を利用する場合は、任意方位の単結晶又は多結晶の櫛状シリコンが得られ、これを用いたシリコンリボン太陽電池が本発明の範囲に入ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の、太陽電池の製造方法の櫛形基板を製造するまでの工程の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の、太陽電池の製造方法のセル化工程の概要を示す図である。
【図３】単結晶シリコン基板を用いた太陽電池の従来の製法の概略を示す図である。
【図４】スリバーセルの製法の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・円形シリコンインゴット、５・・・角形シリコンインゴット、７・・・角形肉厚シリコンウエハー、71，72・・・レジストパターン、73，74・・・櫛状シリコン基板、73b，74b・・・櫛歯、75b，76b・・・リボン状太陽電池セル。
【図１】
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【図２】
2009105333.tif 000004
【図３】
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【図４】
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