JP2002009320A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンの単結晶または多結晶を加工する際
に発生するシリコン粉などの廃棄物から太陽電池を製造
すること。 【解決手段】 シリコン結晶のインゴットを切削する際
に生じる廃スラリーからシリコンを主成分とする粉体を
取り出し、これを圧縮してプレート化する。そしてこの
プレートを先ずフッ酸溶液に浸漬し、次に純水に浸漬し
てプレートを構成するシリコン粒の表面を覆う酸化シリ
コンから酸素原子を取り除き、しかる後乾燥を行う。こ
の乾燥によりプレート中の水分が蒸発し、接近したシリ
コン粒同士が隙間を介して結合して多孔体を形成する。
そしてプレートを基板の導電層に圧着した後、多孔体を
なすシリコンにＰＮ接合を形成する。このＰＮ接合を前
記導電層と挟むように金属電極を設けることで太陽電池
が完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばシリコンの
単結晶や多結晶からなるインゴットを加工する際に生じ
る廃棄物からシリコンを主成分とする粉体を回収し、当
該粉体から太陽電池を作る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、太陽電池は例えばシリコン単結
晶またはシリコン多結晶のインゴットを例えばワイヤソ
ーにより切断（スライス）して得られるウエーハにＰＮ
接合を形成し、このＰＮ接合を挟むようにウエーハの表
裏に電極を設けて製造される。前記ウエーハの切削には
例えばワイヤソーと呼ばれる装置が用いられている。こ
の装置は、例えば１本のワイヤを複数のローラ間に所定
ピッチで巻き付けてなるワイヤ群を構成し、ローラの回
転によりワイヤを高速走行させながらインゴットをワイ
ヤに押しつけると共に砥粒を含むスラリをインゴットと
ワイヤとの接触部に供給して、多数枚のウエーハを同時
に得るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】太陽電池は省エネルギ
ー化を図る上で有効なものではあるが、原料であるシリ
コン結晶が高価であることからコストが高いことが最大
の難点であった。また太陽電池の生産量増大に伴い原料
シリコンが不足してきていることがこれに拍車をかけて
いる。

【０００４】一方ワイヤソーでは、砥粒を含むスラリを
循環させているが、スラリ中にシリコンの切り粉が増え
ると切断機能が低下するので所定回数循環させた後、廃
スラリとして捨てている。即ち、この廃スラリ中には不
足しつつある貴重なシリコンが含まれているにもかかわ
らず無駄に捨てられているのが現状である。

【０００５】本発明はこのような事情に基づいてなされ
たものであり、その目的は、切断、研磨といったシリコ
ン結晶の加工にて発生する含シリコン廃棄物を用い、低
コストで太陽電池を製造する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】本発明に係る太陽電池の
製造方法は、Ｐ形（Ｎ形）のシリコンを加工あるいは破
砕するときに生じる廃棄物からシリコンを主成分とする
粉体を回収する回収工程と、回収された粉体から酸化シ
リコンを除去する工程と、この工程の前または後に、回
収された粉体の層を一方の電極をなす導電体の表面に付
着させる工程と、酸化シリコンが除去された粉体の層の
表面部に、Ｎ形（Ｐ形）のシリコン層を形成してＰＮ接
合を形成する工程と、前記Ｎ形（Ｐ形）のシリコン層の
上に他方の電極を設ける工程と、を含むことを特徴とす
る。

【０００７】このような方法によれば、従来は廃棄され
ていたシリコンを主成分とする粉体から酸化シリコンを
取り除いているのでシリコンウエーハに代わり得る太陽
電池用材料を作り出すことができ、資源の有効活用を図
ることができる。

【０００８】また、上述した酸化シリコンを除去する工
程の前または後に、回収された粉体を圧縮してプレ−ト
化を行う工程と、この工程で得られたプレ−トを一方の
電極をなす導電体の表面に付着させる工程と、を行うよ
うにしてもよく、前記プレートを一方の電極に付着させ
る工程は、例えば圧着によることができる。

【０００９】これらの方法において、回収された粉体ま
たは粉体をプレ−ト化したものから酸化シリコンを除去
する工程については、例えばフッ酸と反応させ、次いで
水と反応させた後、乾燥させる方法によることができ、
また電極は透明電極を含むようにしてもよい。

【００１０】更に本発明における原料として用いられる
廃棄物には、例えばシリコンインゴットをワイヤソ−に
より切断したときの切り粉、ウエハの研磨屑及びウエハ
の破砕屑を挙げることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る太陽電池の製
造方法の実施の形態を、ワイヤソーから排出される廃ス
ラリから得た粉体を原料とする場合を例にとって説明す
る。本実施の形態は図１に示す工程により進行するが、
先ず原料である、シリコン（Ｓｉ）を主成分とする粉体
を回収するまでの回収工程１について図２に示すワイヤ
ソーを用いた場合を例にとって説明を行う。

【００１２】ワイヤソーは、切断手段である１本のワイ
ヤを例えば３本の加工ローラ１１間に所定ピッチで巻回
し張設してなり、ローラ１１の回転により走行するワイ
ヤ群１２に、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）からなる砥粒を
水溶性あるいは油性の分散剤に分散させてスラリ化した
ものを、スラリ槽１３から供給管１４とスラリ供給手段
１５とを介して循環供給し、ワイヤ群１１の上方側から
被切削体であるＮ形あるいはＰ形の単結晶シリコンや多
結晶シリコンのインゴット１６をワイヤ群１２を通過す
るように下降させることにより、該インゴット１６を切
断（スライス）し、多数のウエーハを同時に得るように
構成されている。ここで水溶性の分散剤とは例えば水を
ベースとしてグリコール、界面活性剤、高級脂肪酸等が
添加されたものを挙げることができ、また油性の分散剤
とは例えば鉱物油などのオイルに潤滑剤等が添加された
ものを挙げることができる。

【００１３】この切削処理の際には、スラリ供給手段１
５からワイヤ群１１に供給されたスラリは、受槽１７を
介してスラリ槽１３に貯溜されるが、インゴット１６を
スライスするとスラリ中にインゴット１６の切り粉、破
砕砥粒が混入し、これらが多くなるとスライス精度が悪
くなるため、適宜スラリの一部を廃スラリとして排出管
１８を介して廃スラリ槽１９に排出すると共に供給口１
３ａを介してスラリ槽１３へ新しいスラリを補給してい
る。

【００１４】ここで生じる廃スラリは主成分として例え
ば５０重量％前後の分散剤を含むため、分離工程１９ａ
にて分散剤の除去を行う。この分離工程１９ａの一例を
示すと、先ず例えば遠心分離機にて濾過を行って大部分
の分散剤と粘土状の固形分とを分離し、この固形分を有
機溶剤好ましくはアセトンで洗浄して固形分に付着した
残りの分散剤を取り除き、濾過・乾燥等の工程を経てシ
リコンを主成分とする粉体（シリコン粉）が得られる。

【００１５】本実施の形態において原料となる粉体に
は、上述したようなワイヤソーで得られるものの他、ウ
エーハ製造、ＩＣ製造工程中の研削工程例えばバックグ
ラインダーやＳＯＩウエーハ作製時等の片面研削、ウエ
ーハ作成中の両頭研削等においてに発生する廃棄物より
回収したシリコン粉や、シリコンウエーハを研磨した
際、あるいは端材（インゴットの端部に相当するウエー
ハ）を破砕した際に生じるシリコン粉を用いることもで
きる。これらの粉体には、例えば上述したワイヤソーに
て回収された粉体では、シリコンの切り粉以外にも例え
ば破砕砥粒やワイヤーの磨耗片である微量の金属粉等が
混入し得るし、例えばシリコン結晶の加工手段例えば切
断手段としてダイヤモンドを用いた場合にはダイヤモン
ド屑が混入することもあり得るが、これらの混入物は太
陽電池の製造には影響が少ないため通常は分離せずに原
料として利用し、必要に応じて分離を行う。

【００１６】ここで図１の工程図に戻ると、以上のよう
に回収工程１で回収されたシリコン粉は、次に圧縮工程
２へと送られて、例えばプレス成型機により例えばプレ
ート状にプレスされる。プレートは全体が固形分として
一体化するように粉（粒）同士が密着して固められてい
るが、その内部には図３に示すように後述する酸浸漬工
程３１にて酸溶液が入り込める程度の間隙２１を残すよ
うに圧縮されている。この間隙２１は粉体を構成する各
シリコン（Ｓｉ）粒２２の表面に形成された薄い酸化シ
リコン（ＳｉＯ2）の層（表面層２３）を除去するため
に必要な空間であり、この表面層２３に形成された酸化
シリコンはシリコン結晶が前述した加工または破砕処理
された際に摩擦による高温に晒されて、表面が酸化され
ることにより生成したものである。

【００１７】次に、このプレートを構成するシリコン粉
に形成された酸化シリコンを取り除く酸化シリコン除去
工程３について説明すると酸化シリコン除去工程３は、
酸浸漬工程３１、純水浸漬工程３２及び乾燥工程４から
なる。酸浸漬工程３１は、プレートを例えば濃フッ酸
（５０％）溶液に浸漬してプレート中の酸化シリコンを
構成しているシリコンと酸素の結合を切り離そうとする
ものであり、このＨＦ溶液にプレートを浸漬すると、Ｈ
Ｆ溶液は前述の間隙２１を通ってプレート中に入り込
み、（１）式に示す反応によりシリコン原子と結合する
酸素原子を切り離し、酸素原子の切り離された部位に水
素（Ｈ）原子またはフッ素（Ｆ）原子が結合する。 ＳｉＯ2＋４ＨＦ → ＳｉＦ4＋２Ｈ2Ｏ …（１） 図４及び図５は夫々ＨＦ溶液と反応させる前及び後のシ
リコン粉２２の表面層２３の状態を模式的に示す図であ
る。

【００１８】そしてＨＦ溶液への浸漬（酸浸漬工程３
１）の終了したプレートを今度は純水に浸漬する（純水
浸漬工程３２）。プレートを純水中に浸漬すると、酸素
原子を切り離してシリコン原子に結合したフッ素原子が
図６に示すように水酸基によって置換される。このとき
シリコン原子に水素原子が結合した部位はそのまま変化
しない。

【００１９】このようにして表面層２３内には、同様の
構造をなすシリコン原子の列が複数形成されるが、フッ
素原子と置換された水酸基は、例えば図７中のＡ１に示
すように、他の列の置換されずに残った水素原子と引き
寄せ合い、結果として鎖状に形成された原子の列同士が
接近することとなる。このような状態でプレートを乾燥
する（乾燥工程４）ことで、互いに接近する水素原子と
酸素原子とは水蒸気（Ｈ2Ｏ）となって蒸発し、シリコ
ン原子から切り離される。酸浸漬工程３１でフッ素原子
に置換されず僅かに残ったＳｉ−Ｏ結合の部位は、この
乾燥工程４により外方拡散する。

【００２０】こうして乾燥工程４が終了したとき、上述
したようにシリコン原子の列は接近しているため、各シ
リコン原子（またはシリコン原子の列）は図８に示すよ
うに、各々に結合した水素原子及び水酸基が取り除かれ
ることで結合し、結果として表面層２３から絶縁物であ
る酸化シリコンが取り除かれる。

【００２１】酸化シリコン除去工程３におけるプレート
の搬送は、例えば窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲
気、または減圧雰囲気中で行うことが好ましい。その理
由は、シリコン粒が結合して電気が流れるようにするた
めには、シリコン粒同士の粒界面に酸化シリコンが介在
しないことが必要だからである。

【００２２】図９はこのような処理装置の一例を表す概
略平面図であり、この図に基づいて処理装置の説明を行
う。圧縮工程２でプレート化されたシリコン粉はカセッ
トＣにセットされ、ロードロック室６１へと搬入され、
載置トレイ６２へと載置される。その後大気側及び処理
室側のゲートバルブＶ１，Ｖ２を閉じて室内を窒素（Ｎ
2）ガス雰囲気とし、しかる後ゲートバルブＶ２を開
き、図示しない分割された搬送ベルトによりカセットＣ
を処理室６２内へ搬入する。処理室６３内は窒素ガス雰
囲気とされており、カセットＣは、Ｘ方向に移動自在な
把持アーム６４により順に薬液槽６５、水洗槽６６及び
乾燥ユニット６７へと搬送され、既述の酸浸漬工程３
１、純水浸漬工程３２及び乾燥工程４の各工程を行う。
そしてカセットＣは上述した経路と逆の経路を経てロー
ドロック室６１から搬出される。

【００２３】次に、酸化シリコンの除去されたプレート
から太陽電池を製造する工程について説明する。先ずプ
レートと一方側の電極をなす基板との接合を行う（一方
の電極形成工程５）。この一方の電極形成工程５はプレ
ートを基板に密着させて押圧することにより両者が圧着
され、その圧力は例えば、粉体をプレート化した圧縮工
程２のときよりも大きく設定される。その結果、プレー
トは図１０に示すように圧縮されたシリコン粉の間に隙
間ａが僅かに残る形状（シリコン多孔体７１）で基板７
２に付着される。前述したように一方の電極の役割を果
たす基板７２は少なくとも表面が導電性を有する必要が
あるため、樹脂膜例えばプラスチックフィルムの表面に
金属例えばアルミニウムまたはステンレスを蒸着したも
の等が用いられ、前記金属により形成される導電体であ
る導電層７３がシリコン多孔体（プレート）７１と電気
的に接続された状態となる。

【００２４】そしてシリコン多孔体７１にＰＮ接合を形
成する（ＰＮ接合工程５１）。ＰＮ接合の形成は、例え
ばシリコン多孔体７１がＰ形であるとすると、Ｎ形不純
物である例えばリン（Ｐ）の拡散等により上面側にＮ形
層を形成する方法を採ることができ、または上面にＣＶ
Ｄ等によりＮ形半導体の薄膜を堆積させる方法を採るこ
ともできる。

【００２５】こうしてシリコン多孔体７１に例えば図１
１に示すようなＰＮ接合が形成され、Ｎ形層上面側にＩ
ＴＯ（透明電極）７４を全面に形成し、その上に例えば
アルミニウムまたはステンレスからなる金属電極７５を
例えば櫛形形状に設け（他方の電極形成工程５２）、太
陽電池が完成する。この例ではＩＴＯ７４と金属電極７
５とにより他方の電極が構成される。金属電極７５には
例えば図１２に示すような、櫛型電極が用いられている
ため、例えば太陽光がシリコン多孔体７１上方側の金属
電極７５のない露出した部分を介してＰＮ接合の形成さ
れた部位に入射し、起電力を生じる。なお図１１及び図
１２では作図の都合上シリコン多孔体７１をプレート状
に表し、隙間ａを省略しており、またシリコン多孔体７
１が形成するプレート部分（Ｐ形層及びＮ形層）は実際
より厚く描いてある。

【００２６】このように本実施の形態によれば、例えば
シリコン単結晶またはシリコン多結晶から太陽電池用の
ウエーハを切り出す際に生じる廃スラリ、またはシリコ
ンウエーハの端材を破砕する際に生じる破砕屑から、シ
リコンを主成分とする粉体を回収し、かかる粉体を例え
ばプレート化すると共にシリコン表面に形成された酸化
シリコンを取り除いているので、これまで廃棄されてき
た含シリコン廃棄物から前記ウエーハに代わり得る太陽
電池用材料を作り出すことができ、資源の有効活用を図
ることができる。

【００２７】また上述プレートは、回収された粉体から
酸化シリコンを取り除く際に、酸溶液浸漬及び純水浸漬
の各工程を経るようにし、シリコン原子に結合する酸素
原子を切り離すと共にシリコン原子同士或いはシリコン
粉を形成する粒同士を結合させているので、シリコンは
多孔体を形成し、この多孔体を形成するシリコンプレー
トを太陽電池化することで、光の吸収率が高い太陽電池
を作ることができる。

【００２８】更に、含シリコン廃棄物を太陽電池に利用
するにあたり、当該廃棄物中に炭化珪素（ＳｉＣ）、ダ
イヤモンドが混入したとしても影響が少ないため、分離
するコストをかけずに済むという利点もあり、例えば切
削等のシリコン結晶の加工に炭化珪素を用いた砥粒を使
用した場合や、ダイヤモンド刃を使用した場合に生じる
含シリコン廃棄物を再利用する用途として適している。

【００２９】なお、本実施の形態における酸浸漬工程３
１で用いる酸溶液はフッ酸に限られず、例えばＫＯＨ等
アルカリであってもよい。また、酸化シリコンを除去し
た後のシリコンと表面に導電層７３が設けられた基板７
２との接合（図１における一方の電極形成工程５）は、
上述実施の形態で述べた圧着に限られず、例えば酸化シ
リコンを除去したシリコン粉を分散剤と混ぜ合わせてス
ラリー化し、このスラリーを導電層７３上に塗布した後
に分散剤を蒸発させるようにしてもよい。

【００３０】更にまた、上述の基板７２は金属板でもよ
いし、樹脂製の基板に金属膜を貼り付けたものであって
もよい。更に本発明における「プレート」はいわゆるペ
レットなども含まれるものとする。

【００３１】また、上述実施の形態における回収工程１
で得られる粉体（シリコン粉）から太陽電池を形成する
方法は、上述のように前記粉体からシリコン多孔体７１
を形成する方法に限られない。例えば基板７２表面の導
電層７３表面に例えば高分子の接着剤からなる接着層を
形成し、この接着層の上にＰ形のシリコン粉を単層堆積
させ、その上に順にＮ形シリコンの薄膜と、電極をなす
ＩＴＯ膜とを堆積させるようにしてもよい。このような
方法においてはシリコン粉が単結晶であることが望まし
く、またシリコン粉がＮ形であるときは、Ｐ形シリコン
の薄膜を堆積させるようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、切削、研
磨といったシリコン結晶の加工や端材の破砕にて発生す
る含シリコン廃棄物を用い、従来よりも低コストで太陽
電池を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による太陽電池の製造工程
を示す工程図である。

【図２】ワイヤソーの廃スラリから太陽電池の原料とな
るシリコンの粉体を回収するまでの回収工程を説明する
説明図である。

【図３】前記回収工程で回収され、圧縮工程にてプレー
ト化された粉体及び粉体を構成するシリコン粒の様子を
表す拡大断面図である。

【図４】前記シリコン粒の表面層内部の構造を説明する
模式図である。

【図５】前記シリコン粒の表面層内部の構造及びその変
化を説明する模式図である。

【図６】前記シリコン粒の表面層内部の構造及びその変
化を説明する模式図である。

【図７】前記シリコン粒の表面層内部の構造及びその変
化を説明する模式図である。

【図８】前記シリコン粒の表面層内部の構造及びその変
化を説明する模式図である。

【図９】プレートの処理装置を説明する概略平面図であ
る。

【図１０】一方の電極形成工程におけるシリコン多孔体
と基板（導電層）との接合の様子を示す断面図である。

【図１１】本実施の形態により製造される太陽電池の一
例を示す概略断面図である。

【図１２】本実施の形態により製造される太陽電池の一
例を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１ 回収工程 ２ 圧縮工程 ２３ 表面層 ３ 酸化シリコン除去工程 ３１ 酸浸漬工程 ３２ 純水浸漬工程 ４ 乾燥工程 ５ 一方の電極形成工程 ５１ ＰＮ接合形成工程 ５２ 他方の電極形成工程 ７２ 基板 ７３ 導電層 ７５ 金属電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐ形（Ｎ形）のシリコンを加工あるいは
   破砕するときに生じる廃棄物からシリコンを主成分とす
   る粉体を回収する回収工程と、 回収された粉体から酸化シリコンを除去する工程と、 この工程の前または後に、回収された粉体の層を一方の
   電極をなす導電体の表面に付着させる工程と、 酸化シリコンが除去された粉体の層の表面部に、Ｎ形
   （Ｐ形）のシリコン層を形成してＰＮ接合を形成する工
   程と、 前記Ｎ形（Ｐ形）のシリコン層の上に他方の電極を設け
   る工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方
   法。
2. 【請求項２】 Ｐ形（Ｎ形）のシリコンを加工あるいは
   破砕するときに生じる廃棄物からシリコンを主成分とす
   る粉体を回収する回収工程と、 回収された粉体または粉体をプレ−ト化したものから酸
   化シリコンを除去する工程と、 この工程の前または後に、回収された粉体を圧縮してプ
   レ−ト化を行う工程と、 この工程で得られたプレ−トを一方の電極をなす導電体
   の表面に付着させる工程と、 この工程の後、プレ−トの表面部に、Ｎ形（Ｐ形）のシ
   リコン層を形成してＰＮ接合を形成する工程と、 前記Ｎ形（Ｐ形）のシリコン層の上に他方の電極を設け
   る工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方
   法。
3. 【請求項３】 プレ−トを導電体の表面に付着させる工
   程は、プレ−トを導電体の表面に圧着させる工程である
   ことを特徴とする請求項２記載の太陽電池の製造方法。
4. 【請求項４】 回収された粉体または粉体をプレ−ト化
   したものから酸化シリコンを除去する工程は、フッ酸と
   反応させ、次いで水と反応させた後、乾燥させる工程で
   あることを特徴とする請求項１、２または３記載の太陽
   電池の製造方法。
5. 【請求項５】 他方の電極は透明電極を含むことを特徴
   とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の太陽
   電池の製造方法。
6. 【請求項６】 廃棄物はシリコンインゴットをワイヤソ
   −により切断したときの切り粉、ウエハの研磨屑及びウ
   エハの破砕屑の少なくとも一つであることを特徴とする
   請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池の製造方
   法。