专利名称：晶体薄板的制造方法及包含晶体薄板的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及由含有金属材料或半导体材料的熔融液制造晶体薄板的方法，以及含有该晶体薄板的太阳能电池。
另一种制造硅晶体薄板但不使用任何切片步骤的方法是在未审日本专利公开昭61(1986)-275119中公开的制造晶体薄板的方法。该方法为将内部具有水冷、空冷或其他冷却手段的圆筒形旋转冷却体的一部分浸渍在硅熔融液中，然后将在其圆筒面上生成的硅凝固核拉出，从而产生硅带的方法。
旋转冷却体的结构是这样的一种结构用由陶瓷制成的耐火材料覆盖由热传导性好的铜等制得的水冷金属体的外侧。根据该方法，通过基于平衡分配系数小于1的杂质元素在熔融硅一侧排出的精制效果，可以拉出纯度提高的硅带。
日本未审专利公开平10(1998)-29895也记载了一种制造硅带的装置。该硅带制造装置主要由硅加热/熔融区和由耐热材料制成的旋转冷却体构成。将已预先卷绕了碳网一端的旋转冷却体与硅熔融液直接接触，从而在旋转冷却体的表面上形成硅带。旋转冷却体的同时，拉出卷绕的碳网，从而可以连续取出与固定在碳网上的硅连续的硅带。
根据这些方法，加工成本和原料料成本都可以比用钢丝锯等切铸块得到晶片的传统硅片制造方法更低。由于旋转冷却体将硅带强制冷却，拉出硅带及支撑硅带，因此拉出速度可以大大提高。通过旋转冷却体的大小和旋转数可以控制拉出速度。但是，一般可以10厘米/分钟或更高速度拉出硅带。
但是，上述的制造硅板或硅薄板的传统方法或装置存在下面的问题。
在日本未审专利公开平6(1994)-64913公开的铸造硅等的多晶物质的方法中，将多晶硅铸块切片的步骤是必需的；因此，因钢丝或内周刃的厚度产生切片损耗。因此，总体的成品率降低。因此，难以提供低成本晶片。
在未审专利公开昭61(1986)-275119中公开的硅带制造方法中，旋转冷却体内部具有通过水冷或空冷的冷却机构；因此，旋转冷却体具有双层结构，其中由热导率高的铜等制成的水冷金属体的外侧覆盖了陶瓷制耐火材料。根据冷却方式、为满足凝固硅所必需的冷却效率的热导率及其他因素，可用于金属体的材料受到限制。特别是使用水冷方式时，由于在冷却体内部导通冷却水，因此需要耐水性和气密性。因此，如上所述，可用的材料限于不易被氧化的高强度金属。由于耐火材料直接浸渍在熔融硅中，并且在其表面上生长硅带，因此生长硅的耐火材料也需要具有高的高温下强度。也必须防止杂质扩散进入熔融硅和硅带中。因此，可用的材料受到限制。如前所述，旋转冷却体的材料受到限制；因此，为对生长薄板必需的生长面进行温度控制，需要改变冷却能力。
但是，例如利用使用水冷的冷却方式时，为防止冷却水沸腾或因高压引起的部件损伤，难以大幅度改变冷却水的流量。由于冷却水的冷却效率高，因此旋转冷却体的温度变得比必须的温度低。因此难以控制生长面的温度。
使用空冷时，可以大大改变冷却气的流量。因此，可以相对容易地控制温度。但是，为满足熔点为1400℃或更高的熔融硅凝固所需的冷却能力，需要大的冷却气流量。因此，冷却气及与此相关的设施如管子和供给手段的成本上升。设施的规模变大。
不改变冷却能力对旋转冷却体的温度控制可以通过改变旋转冷却体的厚度实现。但是，例如使温度变低时，需要使厚度变得相当小。因此，旋转冷却体的强度受到损失。相反地，使温度变高时，需要使厚度相当大。因此，装置规模变大。
在日本未审专利公开平10(1998)-29895中公开的硅薄板制造方法中，旋转冷却体具有双层结构，其中由石墨制成的旋转冷却体表面上覆盖有氮化硅，该物质具有高耐热性和高强度，防止杂质扩散进入熔融硅和硅带中，并且对硅的润湿性不好。由于作为两层之一的表面层与旋转冷却体完全结合，因此其厚度很小也足够了。因此，旋转冷却体的温度基本上是由石墨的热传导引起的。通过改变旋转冷却体的材料，可改变旋转冷却体的热导率。但是，与上述同样，从强度、防止杂质扩散和耐热性的角度考虑，可用的材料有限。因此，为对生长薄板必需的薄板的生长面进行温度控制，需要改变冷却能力。但是，与上述同样，水冷时难以改变冷却水。空冷时，当大大改变冷却气时，装置的规模变大，成本上升。
因此，根据本发明，提供一种制造晶体薄板的方法，其中将由至少两层构成的多层结构基体(其中的一层由与另一层的材料具有不同热导率的材料构成)与可以形成含有金属材料或半导体材料的至少一种的晶体的物质的熔融液接触，并进一步控制基体温度，从而在基体表面上生长可以形成晶体的物质的晶体，从而得到晶体薄板。
另外，根据本发明，提供由上述晶体薄板的方法制造的晶体薄板。
根据本发明，提供一种使用上述晶体薄板制造的太阳能电池。
图2是表示根据本发明的作用例的硅薄板制造方法的图。
图3是表示根据本发明的作用例的硅薄板制造方法的图。
图4是表示根据本发明的第4实施例的硅薄板制造方法的图。
图5是表示根据本发明的第5实施例的硅薄板制造方法的图。
图6是表示当中间层厚度改变时基体表面温度的图。
图7是表示在表面层中使用碳、在背面层中使用不锈钢的情况下，改变中间层温度时基体表面温度的图。
图8是表示在表面层中使用碳、在背面层中使用铜的情况下，改变中间层温度时基体表面的温度的图。
发明的实施方式在本发明中，基体与可以形成含有金属材料或半导体材料的至少一种的晶体的物质(以下称晶体形成物质)的熔融液接触，在基体表面上生长晶体，从而得到薄板。此时，通过在接触晶体形成物质的熔融液之前控制基体表面的温度，可以控制在基体表面上产生的晶核密度和生成速度、由晶核生长成晶体的生长速度。结果，可以控制结晶性(晶体粒径)和板厚。
作为将基体与熔融液接触的方法，可以考虑下面这些将基体表面(生长面)直接浸入晶体形成物质的熔融液中的方法，将晶体形成物质的熔融液供给基体表面的方法，和其他方法。作为例子，将说明最简单的方法的作用，该方法是使基体表面沿重力向下，使基体表面沿基体表面朝向的方向(向下)移动，从而将基体表面浸入刚好位于基体表面下面的晶体形成物质的熔融液中，然后将其向上移动，从而从晶体形成物质的熔融液中取出基体的方法。
首先，将说明基体为单层结构时的作用。如图2所示，基体1的结构是长方体3’，内部具有冷却介质7通过的通路。冷却介质7带走基体1的背面33的热，从而冷却基体整体。所述基体材料是单一材料。改变基体表面22温度的方法之一是增减冷却介质去热能力的方法。但是，如所述的，在使用基于水冷的冷却方式时，难以大幅度改变冷却水的流量。另一方面，使用空冷时，可以大幅度改变冷却气流量。但是，特别是为将基体表面22冷却至低温，需要大量冷却气。因此，冷却气及与其相关的设施如管道和供给手段的成本上升，规模变大。
在通过改变基体厚度(由基体表面22至背面33间的距离)大幅改变表面温度的方法中，基体表面22的温度基本上与厚度成比例。因此需要大幅改变基体厚度。但是，在很多情况下，从与装置或强度有关的问题的角度考虑，基体的厚度不能大幅改变。因此，难以通过改变基体厚度控制温度。在通过改变基体1的材料从而改变热传导性来控制基体表面的温度的方法中，基体的热传导性不能微细地变化。另外，所述材料必须满足下列两项要求的限制要求浸入晶体形成物质的熔融液中的基体表面22具有优良的耐热性、能够耐得住使用的压力，并且不污染晶体薄板，及要求基于使用的冷却方式，特别是在水冷方式的情况下基体材料必须耐得住使用的水压并具有耐水性。因此，难以控制表面温度。在该图中，参考数字6表示坩锅。
下面将说明基体为双层结构时的作用。如图3所示，基体1的结构是这样一种结构其中由构成基体表面22(生长面)的材料制成的表面层2被配置在内部具有冷却介质通过的通路的长方体形背面层3上。如上所述，背面层3的材料受到冷却方式等的限制。从耐热性和防止杂质污染的角度考虑，表面层2的材料也受到限制。但是，在这种情况下，可以使用具有两种热导率的基体1，这与上述的单层结构的情况不同。在表面层2和背面层3的热导率中，较高热导率和较低热导率分别由ka和kb表示。如果对表面层2和背面层3的厚度没有限制，则表面层2的厚度可以从0mm变化至基体厚度。如果此时不变化基体厚度，则背面层3的厚度从基体厚度变化至0mm。当各层i的热导率由ki(热导率随温度的变化忽略)表示，其厚度由Li表示时，具有多层结构的基体整体的表观热导率可以粗略地由下面的方程式计算1/K＝∑(Li/ki)，其中ΣLi＝基体厚度(数字方程式1)如该方程式所示，双层基体的表观热导率在kb至ka的范围内。实际上，基于各层的强度和制法，表面层2的厚度和背面层3的厚度都受限制(最小厚度和最大厚度已确定)。结果，基体的表观热导率落在比kb～ka更狭窄的范围内。但是，通过这样改变表面层厚度与背面层厚度的比，不改变基体厚度就可以微细地和大幅地控制热导率。图中，参考数字23表示表面层2与背面层3的界面。
以下将说明基体具有多层结构，即三层或更多层结构的情况。如
图1所示，基体1的结构是在内部设置有冷却介质7通过路径的长方体形背面层3与由构成基体表面22(生长面)的材料制成的表面层2之间，设置了中间层4。如上所述，背面层3的材料受冷却方式等的限制。从耐热性和防止杂质污染的角度，表面层2的材料也受限制。中间层4不受杂质污染、耐水性等的限制；因此，其材料可以相对自由地变化，以改变热导率。图中，参考数字24和34分别指表面层2与中间层4的界面，及中间层4与背面层3的界面。
在将中间层4制成具有一层或多层的多层结构的情况下，从热导率的角度考虑，其整体可看作成一体的单一中间层。因此，关于具有多层结构的基体，将说明具有表面层2、中间层4和背面层3的三层结构的作用。与前述一样，在表面层2和背面层3的热导率中，较高热导率和较低热导率分别由ka和kb表示。由于多层中间层4整体的热导率可以粗略地从数字方程式1计算，因此不管中间层4的层数，用kc表示中间层的热导率。在多层中间层4中至少一层的热导率值不低于表面层2和背面层3两者的热导率时，通过适当地确定各层厚度，中间层4整体的热导率kc可设定为ka或更高，如可以从方程式1计算。同样地，在多层中间层4的至少一层的热导率值不高于表面层2和背面层3两者的热导率时，kc可设定为kb或更低，如可以从方程式1计算。在含有表面层2的中间层3中配置热导率高的材料产生减少基体表面22的面内温度分布的效果，面内温度分布在表面层2的热导率低的情况下容易产生。
当中间层4的热导率kc值在表面层2的热导率和背面层3的热导率之间时(kb＜kc＜ka)，即使不改变各层厚度，仅通过在kb～ka范围内改变中间层(即，中间层材料)的热导率kc，就可以将基体整体的热导率准确调至上述范围内。
中间层4的热导率kc值不低于表面层2的热导率和背面层3的热导率两者时(ka＜kc)，各层的厚度变化时基体整体的热导率在kb～kc范围内。因此，通过使用任何双层结构不可能实现的范围(kb或更低及kb或更高)的热导率，可以通过使用三层结构实现。
中间层4的热导率kc值不高于表面层2背面层3两者的热导率时(kb＞kc)，各层厚度变化时基体整体的热导率在kc～ka范围内。因此，通过使用任何双层结构不可能实现的范围(kb或更低及ka或更高)的热导率，可以通过使用三层结构实现。
晶体形成物质的熔融液5与基体表面22接触以生长晶体薄板时，通过在与晶体形成物质的熔融液接触之前控制基体表面22的温度，可以控制在基体表面22上生成的晶核密度，即其生成速度，以及从该晶核生长晶体的生长速度。基体表面的温度被设定为远低于晶体形成物质的熔点时，在基体表面上生成的晶核密度、及晶体的生长速度上升。因此，随基体表面温度变低，晶体薄板的板厚增大。基体表面的温度被设定为与晶体形成物质的熔点接近的高温时，在基体表面上生成的晶核密度、及晶体生长速度减小。因此，随基体表面温度变高，晶体薄板的板厚变小。但是，不易引起全表面生长，并且容易引起基体1与熔融液5的化学反应。根据基体材料、其与熔融液的吸湿性以及晶体形成物质的种类，温度条件不同，但是根据晶核的生成速度、及从晶核生长成晶体的速度两者哪一个更大，可以控制晶粒的粒径。换句话说，通过将基体制成多层结构，改变各层厚度，以及改变各层材料来控制基体表面温度，从而可以控制结晶性(晶粒粒径)、板厚。因此，可以容易获得符合要求的薄板。
具体地，使用上述方法制得硅薄板，制造多晶太阳能电池时，随着硅薄板的板厚越小、晶粒粒径越大，太阳能电池的光电转换效率越高，这是有利的。此时，即使不改变基体厚度或表面层材料，通过改变背面层材料，也可以获得目标硅薄板。因此，可以提高太阳能电池的转换效率。
在本实施例中，为控制基体温度，使用水冷方式，其中循环冷却水(冷却介质)，以带走基体背面的热，从而进行冷却。但是，气体也可以用作冷却介质。
基体1的结构被制成具有三层结构，但是，通过使中间层4与表面层2或背面层3成为一体，并使其材料等同，可以考查双层结构。
在本实施例中，在下列4个条件下制作基体1(1)具有热导率比表面层和背面层的热导率均低的中间层的三层基体，(2)表面层与背面层中热导率较小的一层与中间层成为一体的双层基体，(3)表面层与背面层中热导率较大的一层与中间层成为一体的双层基体，和(4)具有热导率比表面层和背面层两者均高的中间层的三层基体。然后使硅薄板(晶体薄板)生长。关于基体1整体的热导率，(1)最低，(4)最高。表面层2、中间层4和背面层3的厚度分别为10mm、5mm和10mm。
关于(1)～(4)，希望表面层2的材料是碳、陶瓷(碳化物、氧化物、氮化物或硼化物如碳化硅、氮化硼、氮化硅、硼化硅、石英或氧化铝)、或高熔点金属(至少一种选自镍、铂、钼等的金属)作为耐热性优良、耐得住使用的压力并且不污染硅薄板的材料。也可以使用在上述物质上覆盖高熔点材料薄膜的表面层。由于薄膜的膜厚度比表面层的厚度足够小，因此其热导率可以忽略。在本实施例中使用碳。为防止冷却水蒸发并且必需进行将基体浸入硅熔融液中并取出的操作等，因此希望背面层由不锈钢、铜或其他材料作为具有高强度和耐水性(因为冷却水在压力下循环)的材料制成。在本实施例中，关于表1的(1)～(4)，考查了两种情况，一种情况是将热导率低但强度高的不锈钢用在背面层3中，另一种情况是在其中使用了热导率高的铜。
关于中间层4，通过改变其材料可以选择各种热导率。在本实施例中，(2)的情况下，当表面层由碳制成、中间层由不锈钢制成时，中间层与背面层(不锈钢)成为一体；当背面层由铜制成、中间层由碳制成时，中间层与表面层(碳)成为一体。在(3)的情况下，当背面层由不锈钢制成、中间层由碳制成时，中间层与表面层(碳)成为一体；当表面层由碳制成、中间层由铜制成时，中间层与背面层(铜)成为一体。在(1)的情况下，作为中间层材料，使用热导率比碳、不锈钢和铜更低的石英。在(4)的情况下，当背面层由不锈钢制成、表面层由碳制成时，作为中间层材料使用热导率比碳和不锈钢更高的铝；当背面层由铜制成、表面层由碳制成时，作为中间层材料使用热导率比碳和铜更高的银。通过以这种方式设定各层材料，基体整体的热导率按从(1)至(4)的顺序变高。
表1
表1显示了在本发明中根据实施例1的硅薄板制造方法中的基体表面层、中间层和背面层的材料。除上述的组合以外，还可以使用不是上述组合的表面层材料、背面层材料和中间层材料的各种组合。
作为连接多层结构的基体的各层并将其一体化的方法，可以考虑将其机械连接的方法，如通过螺钉固定。在打算降低基体整体的热导率时，优选通过对各层间的界面进行凹凸加工或沟加工减少各层间的接触面积。此时，在各层间的界面上形成空隙，从而减少了各层间的热传导。结果，可以降低基体整体的热导率。在打算提高基体整体的热导率时，优选通过使各层间的界面尽可能的平坦而增大各层间的接触面积。另外，作为增加各层间的热传导的方法，优选的方法是将各层化学连接，如将基体层叠在多层结构上，然后加热结构的方法。在本实施例中，在基体的侧面上形成用于一体化的连接部，并通过螺钉(未图示)将各层连接。
基体表面22的形状可以作成成目的相应的形状，如平面、曲面或具有点、线或平面状顶点的经沟加工的面等。在本实施例中，将形状作成平面。
在基体表面正下方设置坩锅6，并在坩锅6的周围设置用于熔融硅的加热器。它们被放入一个长方体形的装置外壁和绝热材料(未图示)中。装置的内部由绝热材料包围，并以内部可以保持在氩气氛下这样的方式密封该装置。
用加热器加热坩锅6，将坩锅6中的硅熔融。然后，将基体1保持和稳定在硅熔融液5正上方，然后在基体表面22上设置热电偶(未图示)，以测定基体表面温度。
表2
表2显示了在本发明中根据实施例1制造硅薄板时基体表面的温度、制造的硅薄板的板厚和晶体粒径。基体表面的温度是用热电偶测定的结果。其中在背面层中使用不锈钢和铜的(2)和(3)中表面温度的差分别为约85℃和约65℃。在双层结构中，也可以改变热导率，而且，通过改变表面层的厚度与背面层厚度之比可以控制表面温度。关于本实施例中的双层结构，表面层与背面层厚度的变化幅度为10mm。但是，通过更大地改变厚度，可以将表面温度控制至更大范围中。再者，在背面层中使用了不锈钢和铜的(1)和(4)中的表面温度差分别为约180℃和约515℃。通过作成三层结构，可以更大地改变热导率。因此，表面温度可控制到更大范围内。在本实施例中，表面层、中间层和背面层的厚度被固定。但是，通过改变这些，即使不改变基体的厚度，也可以比双层结构将表面温度控制到更大范围内。
然后，将没有设置热电偶的基体1保持在硅熔融液5正上方并稳定后，将基体浸入硅熔融液中20mm。浸入后立即上拉基体，以生长硅薄板。气氛温度降至室温后，取出硅薄板。然后，测定了薄板的板厚。随后，通过碱蚀将薄板的晶体晶界成像。测定了薄板的晶粒的平均粒径。
如表2所示，随表面温度变低，薄板的板厚变厚。因为晶体粒径取决于晶核的生成速度和晶体生长速度的均衡，所以存在得到最大晶体粒径的最佳表面温度值。但是，在背面层中使用不锈钢时，通过将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更大的值，可以得到具有大晶体粒径的硅薄板。在背面层中使用铜时，通过将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更小的值，可以得到具有大晶体粒径的硅薄板。在本实施例中，用于连续制造的复杂的基体移动机构和薄板面积的扩大没有考虑。但是，考查大量生产时，根据基体而需要大强度的必要性产生的可能性大。因此，可以考虑使用热导率小的不锈钢的必要性。
在本实施例中，制造了硅薄板。但是，制造由硅以外的晶体形成物质制成的薄板时，根据物质，熔融液的熔点、气氛的温度、表面温度、以及表面温度与板厚和薄板的晶体粒径的关系不同。因此，象本实施例这样，表面温度的控制范围变大，从而对于各种晶体形成物质的薄板，可以得到与目的对应的板厚和晶体粒径。(实施例2)与实施例1一样，如图1所示，在实施例2中将说明将基体表面22沿重力方向向下，沿基体表面22朝向的方向(向下)移动基体1，从而将基体表面22浸入位于基体表面22正下方的硅熔融液5中，随后向上移动，从硅熔融液中取出在基体表面22上形成晶体薄板的基体表面22的方法。
在实施例1中，说明的情况是表面层、中间层和背面层的厚度分别为10mm、5mm和10mm。在本实施例中，将说明的情况是基体整体的厚度固定为25mm，变化中间层厚度。为控制基体温度，使用通过循环冷却水(冷却介质)以带走基体背面的热，从而进行冷却的水冷方式。但是，也可以使用气体作为冷却介质。
本实施例中与实施例1一样，在下面4个条件下制作了基体1(参照表1)(1)具有热导率比表面层和背面层低的中间层的三层基体；(2)表面层和背面层中热导率较小的一层与中间层成为一体的双层基体；(3)表面层和背面层中热导率较大的一层与中间层成为一体的双层基体；(4)具有热导率比表面层和背面层均较高的中间层的三层基体。然后生长硅薄板。中间层4的厚度在1mm至15mm范围内每次变化2mm。表面层和背面层各层的厚度设定为从25mm中减去中间层厚度所得值的一半。基体整体的厚度(表面层、中间层和背面层的厚度之和)固定为25mm。在(1)至(4)中，用碳作为表面层2的材料。不锈钢用作背面层3的材料。中间层4在(2)的情况下与背面层成为一体，在(3)的情况下与表面层成为一体。作为中间层材料，在(1)的情况下使用石英，在(4)的情况下使用铝。基体表面的形状被作成平面22。在本实施例中，各层通过螺钉连接。
坩锅6设置在基体表面22的正下方，围绕坩锅设置用于熔融硅的加热器。将这些物品放入长方体形装置的外壁和绝热材料中(未图示)。该装置内部由绝热材料围绕，并以可将内部保持在氩气氛的方式密封装置。
用加热器加热坩锅6，在坩锅6内熔融硅。然后，旋转基体1的同时稳定基体1。然后，在基体表面22上设置热电偶(未图示)，用来测定基体表面22的温度。
图6显示了(1)至(4)中中间层厚度变化时基体表面的温度。(2)和(3)的情况是双层结构基体的表面层/背面层厚度变化的情况。象情况(2)(双层结构中表面层比率高于背面层比率的情况)在中间层中使用碳时，厚度15mm的中间层的表面温度为约725℃。当中间层厚度为1mm时，表面温度为约885℃。象(3)的情况(双层结构中表面层比率低于背面层比率的情况)，在中间层中使用不锈钢时，厚度1mm的中间层的表面温度为约900℃。当中间层厚度为15mm时，表面温度为约1000℃。即，在双层结构中表面层和背面层的最小厚度设定为5mm时，通过改变表面层与背面层的厚度比，表面温度可在约725℃至约1000℃的范围内调节。
象(1)的情况，在中间层中使用热导率低的材料时，改变中间层厚度时，基体表面温度可以在约925℃至约1165℃的范围内调节。象(4)的情况，在中间层中使用热导率高的材料时，改变中间层厚度时，基体表面温度可以在约675℃至约885℃的范围内调节。即，通过形成具有三层或更多层的多层结构，基体表面温度可以在比双层结构更宽的约675℃至约1165℃的范围内调节。(实施例3)与实施例1同样地，如图1所示，在实施例3中描述了将基体表面22沿重力方向向下，沿基体表面22朝向的方向(向下)移动基体1，从而将基体表面22浸入位于基体表面22正下方的硅熔融液5中，随后向上移动，从硅熔融液中取出在该基体表面上形成晶体薄板的基体表面22的方法。
在实施例1中，说明的情况是中间层4的热导率不高于/不低于表面层2和背面层3的热导率的情况。但是，在本实施例中，将说明的情况是中间层4的热导率不高于表面层2和背面层3的热导率中较高的那一个热导率(ka)，并且不低于其中较小的热导率(kb)的情况，即，kb≤中间层热导率≤ka的情况。为控制基体温度，使用循环冷却水(冷却介质)带走基体背面的热，从而进行冷却的水冷却方式。但是，也可以使用气体作为冷却介质。
基体1的结构被作成三层结构。在本实施例中，碳用作表面层材料，铜或不锈钢用作背面层材料。表面层2、中间层4和背面层3的厚度分别设定为10mm、5mm和10mm。
由于中间层材料除要求在使用的条件中不熔融或软化外不受任何条件限制，因此在所使用的温度范围内呈固态的任何材料均可使用。例如，可使用下面的材料固体如Ti、Zr、Sb、B、Pt、Fe、Ni、Co、Zn、Mo、Si、Mg、W、Be、Al或Au，或含有一种或多种这些元素的化合物、陶瓷、金属或树脂。
在本实施例中，背面层中使用不锈钢的情况下，作为中间层材料，使用热导率在碳和不锈钢之间的Ti、Zr、Sb、B、Pt、Fe、Ni或Co。在背面层中使用铜的情况下，作为中间层材料，使用热导率在碳和铜之间的Zn、Mo、Si、Mg、W、Be、Al或Au。在本实施例中，在基体的侧面设置用于一体化的连接部，并通过螺钉将各层连接。基体表面22的形状被作成平面。
坩锅6设置在基体表面的正下方，围绕坩锅6设置用于熔融硅的加热器。将这些物品放入长方体形装置的外壁和绝热材料中(未图示)。该装置内部由绝热材料围绕，并以可将内部保持在氩气氛的方式密封装置。
用加热器加热坩锅6，在坩锅6内熔融硅。然后，将基体1保持在硅熔融液5的正上方并稳定。然后，在基体表面22上设置热电偶(未图示)，用来测定基体表面的温度。
图7显示了在背面层中使用不锈钢的情况下用热电偶对基体表面温度的测定结果。例如，背面层厚度固定为10mm时，双层结构的情况与中间层由碳(C)制成的情况等价，表面温度为约850℃。表面层厚度固定为10mm时，双层结构的情况与中间层由不锈钢(SUS)制成的情况等价，表面温度为约940℃。当不改变基体整体的厚度，打算将基体表面温度细微地设定在850℃至940℃范围内时，表面层和背面层的厚度均需要改变。但是，许多情况下，用于生长晶体薄板的表面层的厚度，及移动部分与冷却介质通路一体化的背面层的厚度难以改变。因此，发现当变化中间层材料而不改变表面层厚度也不改变背面层厚度时，基体表面温度可以在850℃至940℃的范围内微调。
图8显示了在背面层中使用铜的情况下用热电偶对基体表面温度的测定结果。例如，背面层厚度固定为10mm时，双层结构的情况与中间层由碳(C)制成的情况等价，表面温度为约400℃。表面层厚度固定为10mm时，双层结构的情况与中间层由铜(Cu)制成的情况等价，表面温度为约330℃。与上述同样地发现，当仅变化中间层材料而不改变表面层厚度也不改变背面层厚度时，基体表面温度可以在330℃至400℃的范围内微调。(实施例4)如图4所示，实施例4的方法是使内部通过冷却介质7的中空筒型三层基体1旋转，并将硅熔融液5直接流到基体表面上，从而在基体表面22上生长硅薄板的方法。
在本实施例中，与实施例1同样地使用水冷却方式。
在本实施例中与实施例1同样，在下面4个条件(参照表1)下制作基体1(1)具有热导率比表面层和背面层的热导率均低的中间层的三层基体；(2)表面层和背面层中热导率较小的一层与中间层成为一体的双层结构；(3)表面层和背面层中热导率较大的一层与中间层成为一体的双层结构；和(4)具有热导率比表面层和背面层的热导率均高的中间层的三层基体。然后生长薄板。表面层2、中间层4和背面层3的厚度分别为10mm、5mm和10mm。在(1)至(4)中，均以碳用作表面层2的材料。不锈钢和铜用在背面层3中，并考查了两种情况。在(2)的情况下，当背面层由不锈钢制成时，中间层4与背面层成为一体，当背面层由铜制成时，与表面层成为一体。在(3)的情况下，当背面层由不锈钢制成时，中间层4与表面层成为一体，当背面层由铜制成时，与背面层成为一体。作为中间层材料，在(1)的情况下使用石英。在(4)的情况下，当背面层由不锈钢制成时使用铝，当背面层由铜制成时使用银。基体表面的形状被作成平坦的圆筒侧面22。
坩锅6设置在基体表面22的正上方，围绕坩锅6设置用于熔融硅的加热器。将这些物品放入长方体形装置的外壁和绝热材料中(未图示)。该装置内部由绝热材料围绕，并以可将内部保持在氩气氛的方式密封装置。
用加热器加热坩锅6，在坩锅6内熔融硅。然后，旋转基体1的同时将其稳定。然后，在基体表面22上设置热电偶(未图示)，用来测定基体表面22的温度。
表3
表3显示了在根据本发明的实施例4的硅薄板制造方法中，基体表面温度、硅薄板的板厚及晶体粒径。基体表面温度是用热电偶测定的结果。在背面层中使用不锈钢和铜的(2)和(3)的表面温度差分别为95℃和约65℃。另一方面，在背面层中使用不锈钢和铜的(1)和(4)的表面温度差分别为约175℃和约505℃。因此，通过与实施例1同样地制作三层结构，可以使热导率变化更大。因此，表面温度可控制在更宽的范围内。
然后，旋转没有设置热电偶的基体1的同时将其保持在坩锅6正下方并稳定，然后倾斜并移动坩锅6，将硅熔融液5倒在基体表面22上。旋转基体一次后，结束倾倒硅熔融液5，从而在全部基体表面上生长硅薄板。气氛温度降至室温后取出硅薄板。然后测定了薄板的板厚和平均粒径。
如表3所示，随表面温度变低，薄板的板厚变厚。在背面层中使用不锈钢的情况下，通过与实施例1一样将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更高的值，可以得到晶体粒径大的硅薄板。在背面层中使用铜的情况下，通过将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更低的值，可以得到晶体粒径大的硅薄板。(实施例5)如图5所示，实施例5的方法是使内部通过冷却介质7的中空筒型三层基体旋转，并向着基体表面上推填充了硅熔融液5的坩锅，从而将旋转的基体浸入硅熔融液中并在基体表面上生长硅薄板。
在本实施例中，与实施例1同样地在下面4个条件(参照表1)下制作基体1(1)具有热导率比表面层和背面层的热导率均低的中间层的三层基体；(2)表面层和背面层中热导率较小的一层与中间层成为一体的双层结构；(3)表面层和背面层中热导率较大的一层与中间层成为一体的双层结构；和(4)具有热导率比表面层和背面层的热导率均高的中间层的三层基体。然后生长薄板。表面层、中间层和背面层的厚度分别为10mm、10mm和5mm。在(1)至(4)中，均以碳用作表面层材料。不锈钢和铜用在背面层中，并考查了两种情况。在(2)的情况下，当背面层由不锈钢制成时，中间层与背面层成为一体，当背面层由铜制成时，与表面层成为一体。在(3)的情况下，当背面层由不锈钢制成时，中间层与表面层成为一体，当背面层由铜制成时，与背面层成为一体。作为中间层材料，在(1)的情况下使用石英。在(4)的情况下，当背面层由不锈钢制成时使用铝，当背面层由铜制成时使用银。基体表面的形状被作成平坦的圆筒侧面22。
坩锅6设置在基体表面22的正下方，围绕坩锅6设置用于熔融硅的加热器。将这些物品放入长方体形装置的外壁和绝热材料中(未图示)。装置内部由绝热材料围绕，并以可将内部保持在氩气氛的方式密封装置。
用加热器加热坩锅6，在坩锅6内熔融硅。然后，旋转基体1的同时将其稳定。然后，在基体表面22上设置热电偶(未图示)，用来测定基体表面22的温度。
表4
表4显示了本发明实施例5的硅薄板制造方法中，基体表面温度、硅薄板的板厚及晶体粒径。基体表面温度是用热电偶测定的结果。在背面层中使用不锈钢和铜的(2)和(3)的表面温度差分别为85℃和约65℃。在背面层中使用不锈钢和铜的(1)和(4)的表面温度差分别为约180℃和约515℃。因此，通过与实施例1同样地制作三层结构，可以更大幅度地变化热导率。因此，表面温度可控制在更宽的范围内。
然后，旋转没有设置热电偶的基体1的同时将其保持在硅熔融液5的正上方并稳定，然后上升坩锅6，将基体1浸入硅熔融液5中20mm。旋转基体一次后，下拉坩锅6，生长硅薄板。气氛温度降至室温后取出硅薄板。然后，测定了薄板的板厚和平均粒径。
如表4所示，随表面温度变低，薄板的板厚变厚。在背面层中使用不锈钢的情况下，通过与实施例1一样的方法，将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更高的值，可以得到晶体粒径大的硅薄板。在背面层中使用铜的情况下，通过将中间层的热导率设定为比表面层和背面层的热导率更低的值，可以得到晶体粒径大的硅薄板。(实施例6)用实施例1、4和5制造的硅薄板制作太阳能电池。制作步骤的顺序的实例如下洗涤、结构浸蚀(texture etching)、形成扩散层、除去氧化膜、形成防反射膜、背蚀(back etching)、形成背面电极和形成受光面电极。这些步骤是按照一般的方法。
表5
表5显示了通过太阳能模拟器，测定包含由硅薄板制造方法制造的硅薄板的太阳能电池的特性的结果。使用象实施例1、4和5的(2)和(3)那样的双层结构时，太阳能电池的转换效率平均为9.5％，最大14.1％。象(1)那样在背面层中使用不锈钢时，通过使中间层的材料为热导率比表面层和背面层材料均高的材料，转换效率提高到平均14.5％，最大14.7％。在背面层中使用铜时，通过使中间层的材料为热导率比表面层和背面层材料更低的材料，转换效率提高到平均14.5％，最大14.6％。如上所述，对应于背面层和表面层材料，通过将中间层的热导率设定为比表面层和背面层材料的热导率更高或更低的值，变化表面温度，从而可以控制晶体粒径。因此，可以容易地将基体表面温度设定为对太阳能电池特性最佳的温度条件。因此，可以大大改进太阳能电池的特性。
如上所明示，通过本发明的实施例1-5方法，通过将用于生长晶体形成物质的薄板的基体作成具有三层或更多层的多层结构并选择各层的材料，从而即使在背面层和表面层的材料受到晶体形成物质和装置的限制的情况下，不改变基体尺寸也不改变装置结构，就可以改变基体整体的热导率。因此，基体表面温度可以设定为与目的对应的温度。这样，可以容易地生产具有与目的对应的晶体粒径和板厚的晶体形成物质的晶体薄板。通过本发明实施例6的方法，通过实施例1-5制造的适于诸如太阳能电池的电子部件的大晶体粒径的晶体形成物质薄板，可以提高电子部件的特性。
权利要求
1.一种制造晶体薄板的方法，其特征在于，使包含至少两层、其中一层由热导率与另一层的材料不同的材料制成的多层结构基体，与可以形成含有金属材料或半导体材料的至少一种的晶体的物质的熔融液接触，并进一步控制基体温度，从而在基体表面上生长可以形成晶体的物质的晶体，由此得到晶体薄板。
2.如权利要求1所述的方法，其中基体具有包括表面层和背面层的多层结构，并且表面层和背面层的材料是碳与不锈钢的组合或碳与铜的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基体具有包括表面层和背面层及夹在其中间的至少一个中间层的多层结构，并且通过具有包括至少一层由热导率与表面层和背面层材料不同的材料制成的中间层的基体控制基体温度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，中间层包括至少一层由热导率低于表面层和背面层之一的热导率的材料制成的层。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，中间层包括至少一层由热导率高于表面层和背面层之一的热导率的材料制成的层。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，中间层整体的热导率低于表面层或背面层之一的热导率。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，中间层整体的热导率高于表面层或背面层之一的热导率。
8.如权利要求3所述的方法，其中表面层、中间层和背面层的材料选自碳、石英和不锈钢的组合；碳、铝和不锈钢的组合；碳、石英和铜的组合以及碳、银和铜的组合。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其中通过变化所述材料的层厚控制基体温度。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其中可以形成晶体的物质是硅。
11.通过至少是权利要求1-10任一项所述的制造晶体薄板的方法制造的晶体薄板。
12.使用权利要求11所述的晶体薄板制造的太阳能电池。
全文摘要
通常，晶体薄膜生长时，为控制生长面温度通常需要改变冷却能力，在水冷却的情况下难以大幅度地变化冷却水的流量。而在气冷的情况下大幅变化冷却气的流量，系统需要更大规模，制造成本高。根据本发明，彻底解决了上述问题，并且可以容易地进行生长晶体薄板的表面的温度控制，从而可以低成本生产晶体薄板。具体地，将由至少两层构成、其中一层由热导率与另一层的热导率不同的材料制成的多层结构基体与可以形成含有金属材料或半导体材料的至少一种的晶体的物质的熔融液接触，并控制基体温度，从而在基体上生长可以形成晶体的物质的晶体，由此得到晶体薄板。
文档编号H01L31/04GK1461359SQ01815940
公开日2003年12月10日 申请日期2001年8月6日 优先权日2000年9月19日
发明者胡间修二, 佃至弘, 矢野光三郎, 谷口浩 申请人:夏普株式会社