CN101821860A - 薄膜太阳电池制造装置 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜太阳电池制造装置，其通过防止由搬送薄膜基板的驱动辊引起的搬送皱褶的发生而能够增强作业性。在该薄膜太阳电池制造装置中，将卷绕在送出辊上的带状可挠性薄膜基板输送到大致维持在真空状态的成膜室中，在成膜室中在相对布置的接地电极和具有靶材料的加压电极之间进行放电，以在恒定的加热下使成为电极的金属薄膜沉积在薄膜基板的表面上，然后通过设置在卷取室中的卷取辊卷取其上形成有金属薄膜的薄膜基板，在卷取室(5)中，设置有在恒定的张力下搬送其上形成有金属薄膜(22)的薄膜基板(1)的一对驱动辊(14、15)，并且在与薄膜基板的宽度方向的两端部相对应的至少一个驱动辊(15)的两个端部周面上形成有弹性部件层(21)。

Description

薄膜太阳电池制造装置
技术领域
本发明涉及用于制造薄膜太阳电池的装置，在该装置中成为电极的金属薄膜形成在带状可挠性薄膜基板的表面上，更具体地，本发明涉及用于制造薄膜太阳电池的装置，在该装置中用于搬送薄膜基板的单元得到了改善，并且防止了由于辊而在薄膜基板中引起的搬送皱褶的发生。
背景技术
目前，为了环境保护，正在进行对清洁能源的研究和开发。其中，太阳电池由于涉及到无限的资源(太阳光)以及太阳电池无污染的事实而吸引关注。
薄膜太阳电池是薄型、重量轻的，具有低制造成本，并且可以容易地得到大面积制造，因此被看作是未来的太阳电池的主流。
常规薄膜太阳电池已经使用玻璃基板，但是正在进行对使用重量轻、施工性、量产性的塑料薄膜或金属薄膜的可挠性型太阳电池的研究和开发。利用这种可挠性，使用辊对辊或步进辊制造方式的大量生产成为可能。
在上述薄膜太阳电池中，在可挠性电绝缘薄膜上形成多个光电变换元件(或单元)，其中金属电极层、包括薄膜半导体层的光电变换层和透明电极层被层叠在光电变换元件中。通过反复进行某个光电变换元件的金属电极和相邻光电变换元件的透明电极之间的电连接，可以使所需的电压在第一个光电变换元件的金属电极和最后一个光电变换元件的透明电极之间输出。
这样的光电变换元件及其串联连接是利用电极层和光电变换层的成膜以及各层的图案化(patterning)以及它们的组合工序而形成的。例如在专利文献1和2中描述了上述太阳电池的配置和制造方法。
图3是专利文献2中描述的薄膜太阳电池的配置的概念图。图3示出采用塑料薄膜作为基板的可挠性薄膜太阳电池的透视图。形成在基板61的表面上的光电变换元件62和形成在基板61的背面上的连接电极层63各自被完全分离成多个单元，并且分离位置分别错开。
因此两个元件被串联连接，使得在作为元件62的非晶半导体部的光电变换层65中生成的电流首先汇集在透明电极层66中，接下来，经由在透明电极层区域中形成的集电孔67，通往背面的连接电极层63，然后经由连接电极层区域中的形成在元件的透明电极层区域外侧的串联连接用连接孔68，到达延伸到与该元件相邻的元件的透明电极层区域外侧的下电极层64。
用于上述薄膜太阳电池的简化制造工序在图4的(a)至(g)中示出。使用塑料薄膜71作为基板(工序(a))，在其中形成连接孔78(工序(b))，然后在基板的两面上形成第一电极层(下电极)74和第三电极层(连接电极的一部分)73(工序(c))，此后，在距离连接孔78指定距离的位置处形成集电孔77(工序(d))。在上述工序(c)中第一电极层74和第三电极层73的形成是在下述的成膜装置中反转基板71、分两个阶段进行的，并且连接孔78的部分是通过使两个电极层74和73生长而形成的。通过这种方式，获得两个电极层的电连接。
接着，在第一电极层74上按顺序形成成为光电变换层的半导体层75和作为第二电极层的透明电极层76(工序(e)和工序(f))，并且另外在第三电极层73上形成第四电极层(连接电极层)79(工序(g))。然后，使用激光束来对基板71两侧的薄膜进行分离加工并形成串联连接结构，如图3所示。
在图4的工序中，在工序(a)、(b)和(d)中在空气中执行基板的处理，但是其它工序是在真空成膜装置中执行的，如下所述。因此在上述工序的情况下，当在后面的工序(b)和(d)中在空气中处理基板之后，将基板导入真空成膜装置的真空容器中。在上述工序(c)中对第一电极层74和第三电极层73的形成是通过反转基板71、分两个阶段进行的，使得在反转之后，基板首先暴露于空气中，然后再一次导入真空容器中。
可以使用辊对辊方式和步进辊方式作为如上所述的薄膜太阳电池的薄膜制造方式。在两种方式中，包括使用多个辊的基板搬送单元；在前者中，在各成膜室内将薄膜连续沉积到连续移动的基板上，而在后者中，在各成膜室中同时执行在停止的基板上的成膜，并且在成膜结束之后，将基板部分输送到下一成膜室中。
步进辊方式的成膜装置的优越之处在于，因为可以防止相邻成膜室之间的气体相互扩散，所以可以获得各薄膜的稳定特性；例如在专利文献3和4中描述了这样的装置的配置。
图5示出在共用真空室内具有多个成膜室的步进辊成膜方式的真空成膜装置的实例。图5中所示的装置包括用于卷出可挠性基板的开卷室90；用于形成金属电极层、光电变换层、透明电极层等的多个作为独立处理空间的成膜室80；以及卷取用卷取室91。在从轴心82卷出之后并且在被轴心83卷取之前，在多个成膜室80中将薄膜沉积在基板92上。共用室81在其内部容纳多个成膜室80。
在成膜室中，通过等离子体化学汽相沉积法(下文中称为“等离子体CVD法”)等执行成膜。例如，在通过等离子体CVD法沉积薄膜的步进辊方式中，包括成膜室开放、基板框架移动、成膜室密封、原料气体引入、压力控制、放电开始、放电终止、原料气体停止、气体抽空、成膜室开放的操作被重复。
图6示出如专利文献4中所描述的成膜室的概略结构的实例。在图6中，(a)和(b)分别示出在成膜室开放时和密封时的概略截面图。箱状的下部成膜室壁体121和上部成膜室壁体122相对地布置在断续地搬送的可挠性基板100的下方和上方，使得当成膜室密封时，下部成膜室和上部成膜室形成独立的处理空间。在该实例中，下部成膜室包括连接到电源140的高压电极131，并且上部成膜室包括内置在加热器133内的接地电极132。
如图6(b)中所示，在成膜期间，上部成膜室壁体122降低，并且接地电极132压在基板100上并使电极100与安装在下部成膜室壁体121的开口侧端面上的密封部件141接触。以这种方式，与排气管142连通并且气密密封的成膜空间143由下部成膜室壁体121和基板100形成。在上述成膜室中，通过对高压电极131施加高频电压，在成膜空间143中产生等离子体，并且从未示出的导入管导入的原料气体被分解，使得可以在基板100上形成例如光电变换层的薄膜。
另一方面，因为基板在水平方向上设置的辊之间或者在铅垂方向上不同高度处设置的辊之间连续移动，并且连续执行多个成膜作业，所以辊对辊方式在生产率方面是优越的。例如在专利文献5中描述了基板在铅垂方向上不同高度处设置的辊上被连续移动的这种装置配置。
图7示出基板在水平方向上设置的辊之间连续移动的辊对辊装置的配置中的溅射成膜装置的概略配置。对作为真空室的反应室、真空排气系统、溅射气体供应系统等予以省略。
图7中所示的电极形成装置同样也是薄膜基板被水平搬送并且薄膜基板送出辊151和卷取辊152也水平布置的装置类型。在图7中所示的装置中，薄膜基板153在也充当接地电极的加热器154和具有靶的加压电极155之间搬送。薄膜基板153由加热器以非接触方式从背面侧加热，同时通过溅射来执行电极形成。
在图7中所示的电极形成装置中，示出了设置有多个(三个)靶的实例；这是将电极层形成为多个层的层叠膜的实例，并且当例如采用银或另一单一金属来形成时，仅需要一个靶。
通过图7中所示的装置，可以在单次薄膜基板搬送操作中在薄膜基板的一个表面上形成电极。当在两个表面上形成电极时，在一个表面上的电极形成结束之后，使装置暴露于空气中，反转并设置薄膜基板，再次执行真空排气，然后，在对薄膜基板进行脱气之后，执行电极形成。
然而，当搬送这样的薄膜基板时，因为薄膜基板宽度相当大，由于在搬送期间发生松弛、皱褶等情况，所以采用使薄膜基板的送出辊和卷取辊的轴纵置并且使薄膜基板在纵置状态下得到搬送的方式。在这种情况下，薄膜基板在也充当接地电极的加热器和具有靶的加压电极之间得到搬送，并且执行电极形成。
在这样的用于沉积电极层的成膜室中，在由真空泵引起的真空状态下，并且在由加热器加热到近似300℃的状态下，执行成膜(专利文献6)。
专利文献1：日本特开第H10-233517号
专利文献2：日本特开第2000-223727号
专利文献3：日本特开第H6-291349号
专利文献4：日本特开第H8-250431号
专利文献5：日本特开第H7-38378号
专利文献6：日本特开第2000-307139号
用于形成该电极层的成膜室被分割成多个成膜室，并且薄膜基板通过设置在卷取室中的输送辊和加压辊以恒定的速度和张力得到搬送并由卷取辊卷取。因为在前段成膜室中通过加热器在近似300℃的高温下将薄膜沉积到薄膜基板上，所以薄膜基板温度总是近似为177℃，并且当通过输送辊和加压辊搬送薄膜基板表面处于该加热状态下的薄膜基板时，会发生搬送皱褶。
特别地，当成为发电层侧(也称为后表面)的电极设置在薄膜基板的一个表面上时，在用于在相反侧(也称为背面)上形成电极的制膜期间，因为与薄膜表面相比，在其上设置有电极的电极表面的放射率较低，所以与后表面制膜期间相比，背面制膜期间薄膜的温度滞后有相当大的不同，并且薄膜温度不容易降低。并且，在高薄膜温度的状态下，由于输送辊和加压辊而产生的薄膜基板表面上的张力使宽度方向上的张力分布不均匀，使得存在发生搬送皱褶的问题。
特别地，在以薄膜基板宽度方向朝向铅垂方向的姿势执行搬送的纵型搬送中，还存在着由于薄膜基板自身重量而引起的变形，使得搬送皱褶变得更大。
本发明的目的是通过提供防止由于搬送薄膜的驱动辊而引起的搬送皱褶的发生，同时实现改善的作业性的薄膜太阳电池制造装置，来解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，在本发明的薄膜太阳电池制造装置中，将卷绕在送出辊上的带状可挠性薄膜基板输送到大致维持在真空状态的成膜室中，在成膜室中在彼此相对布置的接地电极和具有靶材料的加压电极之间引起放电，通过恒定的加热使成为电极的金属薄膜形成在薄膜基板的表面上，并且通过设置在卷取室中的卷取辊卷取形成有金属薄膜的薄膜基板；在卷取室中，设置有以恒定的张力搬送形成有金属薄膜的薄膜基板的一对驱动辊，并且在至少一个驱动辊的两个端部周面上形成有弹性部件层，其中所述两个端部周面与薄膜基板的宽度方向的两端部相对应。
此外，在本发明中，设置在至少一个驱动辊的两个端部周面上的弹性部件之间的距离和各弹性部件层的宽度被设置成能够保持薄膜基板的形成有金属薄膜的部分的外侧。
根据权利要求1，弹性部件层形成在一个驱动辊的两个端部周面上，使得在由所述一对驱动辊搬送期间，薄膜基板在弹性部件层与薄膜基板的两端部相接触的状态下得到搬送，并且可以防止在薄膜基板中发生搬送皱褶。
根据权利要求2，在搬送期间，薄膜基板的与驱动辊压接的部分仅限于薄膜的两端部的特定区域，使得发电层区域不会被刮伤，而且可以防止发生搬送皱褶。
附图说明
图1是示出本发明的薄膜太阳电池制造装置的一个实施例的薄膜电极层形成装置的配置图；
图2示出本发明的薄膜太阳电池制造装置的一个实施例中的加压辊结构，其中(a)是示出加压辊的截面配置的概念图，并且(b)是示出加压辊和薄膜基板的尺寸以及接触位置的概念图；
图2A是示出图2(b)中的加压辊和薄膜基板的尺寸和接触位置的关系的变形例的概念图；
图3是在概念上示出现有技术的薄膜太阳电池的配置的透视图；
图4示出现有技术的简化的薄膜太阳电池制造工序，其中(a)至(g)是示出各工序的概念截面图；
图5是示出现有技术的步进辊(stepping roll)成膜方式的真空成膜装置的配置的概念截面图；
图6示出现有技术的成膜室的概略结构的一个实例，其中(a)和(b)是当成膜室分别开放和密封时的概略截面图；并且
图7是示出现有技术的溅射成膜装置的概念图。
附图标记的说明
1薄膜基板
2送出辊
3输送室
4卷取辊
5卷取室
6成膜室
7导辊
8中间室
9、10驱动用辅助辊
11加热器
12接地电极
13高压电极
14输送辊(驱动辊)
15加压辊(驱动辊)
16驱动辊
18旋转体
21弹性部件层
22发电区域
23金属薄膜部
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明图示的实施例。
图1在概念上仅示出太阳电池制造装置中的用于形成薄膜电极层的基本构成部分。在说明中对反应室、溅射气体供应系统、排气系统、薄膜基板搬送单元等予以省略。
在图1中，薄膜电极层形成装置采用所谓的辊对辊(roll-to-roll)方式，包括：其中容纳有送出辊2的输送室3，带状可挠性薄膜基板1以卷状卷绕在送出辊2上；其中容纳有卷取辊4的卷取室5，卷取辊4卷取其上已经形成有成为电极层的金属薄膜的薄膜基板1；在输送室3和卷取室5之间并列布置的多个成膜室6，其在薄膜基板1上形成金属薄膜；以及大致位于多个成膜室6的中间位置的中间室8，其中设置有搬送薄膜基板1的导辊7。
送出辊2和卷取辊4布置在铅垂方向上，并且以竖立状态搬送薄膜基板1通过多个成膜室6以及中间室8，使得在各成膜室6中形成开口以使薄膜基板1能够通过。以恒定速度执行薄膜基板1的送出和卷取的驱动机构(未示出)被内置到输送室3和卷取室5中。驱动机构例如在卷取室5中内置电动机和减速器，使得可以通过使卷取辊4以恒定速度旋转来执行驱动。输送室3可以包括施加恒定制动的机构，使得薄膜基板1以保持恒定张力的状态被拉伸。分别在输送室3和卷取室5中设置多个驱动用辅助辊9、10，并且这多个驱动用辅助辊9、10受到控制使得薄膜基板1的搬送维持在最佳状态下。通过未示出的控制机构来实现对输送室3和卷取室5的控制，使得恒定速度得以维持。
未示出的真空装置连接到多个成膜室6以及中间室8，并且排气至真空以便维持至少等于或小于大气压的恒定真空度。在多个成膜室6中的每一个中，一方面布置有内置加热器11的接地电极12，另一方面布置有连接到直流电源V的高压电极13，以便夹着搬送的薄膜基板1。加热器11恒定地加热薄膜基板1至近似300℃的温度。直流电源V连接到各成膜室6中的接地电极12和高压电极13，并且在接地电极12和高压电极13之间施加高电压。
使用被成为靶(target)的诸如银、铝、氧化锌等的金属作为高压电极13；与接地电极12之间的放电伴随有金属离子的生成，并且通过被称为溅射的真空沉积法，在薄膜基板1的表面上形成成为电极的金属薄膜。
在多个成膜室6的中途布置中间室8，并且在距离前段成膜室6的出口恒定距离L处布置用于稳定地搬送薄膜基板1的导辊7。导辊7包括多个辊7a、7b、7c、7d(所示出的实例中为四个)，并且以保持张力的状态搬送薄膜基板1。辊7b对薄膜基板1施加恒定的张力。
设置在输送室3中的驱动用辅助辊9保持恒定的张力，使得薄膜基板1中没有松弛；在这种情况下，薄膜基板1通过一对辊91和92之间，使得松弛的发生得以防止。
此外，在卷取室5中设置有：多个驱动用辅助辊10；驱动辊16，包括保持恒定的张力并且搬送薄膜基板1的输送辊14，以及加压辊15；以及与导辊7类似的导辊17。输送辊14由未示出的电动机或其它驱动单元驱动旋转，并且在与加压辊15压接的状态下，搬送薄膜基板1以便保持恒定的张力。
图2是示出本发明的薄膜太阳电池制造装置的加压辊的结构的概念图，其中(a)示出加压辊15的截面配置，并且(b)示出加压辊15和薄膜基板1的尺寸和接触位置。在图2的(b)中，薄膜基板1具有由图1中所示的薄膜电极层形成装置在其表面上形成的金属箔膜23，并且在其后具有发电区域22，通过未示出的等离子体CVD装置在该发电区域22中形成有包括半导体层的光电变换层。
如图2(a)所示，加压辊15包括圆筒状旋转体18，沿轴线穿透旋转体18的轴19，以及设置在轴19和旋转体18的两端部内周面之间的轴承20；在旋转体18的两端部外周面上，设置有具有恒定宽度的弹性部件层21。弹性部件层21由橡胶等具有弹性的材料形成，并且两侧的弹性部件层21的长度M1被形成为大于成为薄膜基板1的电极的发电区域22的宽度N1(M1≥N1)，如图2(a)和(b)所示。同样，两侧的弹性部件层2的端部的长度M2被设置成≥薄膜基板1的宽度N2。因此M1小于N2，并且M1大于N1，其值被设置成使得N1≤M1≤N2。弹性部件层21的宽度(M2-M1)/2被设置成大于其上未形成有薄膜基板1的发电区域22的金属薄膜部23的宽度(N2-N1)/2。
根据上述实施例，首先，使真空装置工作，并且将多个成膜室6和中间室8保持在真空状态。通过内置有加热器11的接地电极12将成膜室6加热到近似300℃的预设温度，并且保持高温真空状态。并且，通过驱动装置的运行，使送出辊2和卷取辊4旋转以便以近似1m/分钟的薄膜搬送速度搬送薄膜基板1。从送出辊2拉出的薄膜基板1通过多个成膜室6以及中间室8，并由卷取辊4卷取。通过多个成膜室6的薄膜基板1以竖立状态通过接地电极12和高压电极13之间，并且通过接地电极12和高压电极13之间的放电在薄膜基板1的一个表面上执行真空沉积以形成金属薄膜。
在成膜室6中已经在其上形成有金属薄膜的薄膜基板1由包括输送辊14和加压辊15的驱动辊16保持以便维持恒定的张力，并且被搬送到卷取室5，并由卷取辊4卷取。此时，通过两侧的弹性部件层21，加压辊15将其上未形成有发电区域22的金属薄膜部23压接在输送辊14上以搬送薄膜基板1，使得无需担心加压辊15的辊部会直接接触发电区域22。因此无需担心会在薄膜基板1中引起搬送皱褶。
特别地，即使在已经在一个表面(后表面)上形成有金属薄膜的薄膜基板1的相反表面(背面)上制膜期间，也无需担心加压辊15会与发电区域22直接接触，使得可以防止出现搬送皱褶。以这种方式，其上已经形成有金属薄膜的薄膜基板1可以继续进行到形成半导体层的下一工序。
根据上述实施例，通过加压辊15两侧的弹性部件层21，其上未形成有发电区域22的金属薄膜部23与输送辊14压接，并且薄膜基板1被搬送，使得无需担心加压辊15会与发电区域22直接接触，并且宽度方向的张力分布不会变得不均匀，使得无需担心会在薄膜基板1中引起搬送皱褶。
本发明不限于上述实施例，并且例如，在图2中，如果使图2A中所示的弹性部件层21的宽度(M2-M1)/2进入其上未形成有发电区域22的薄膜基板1的金属薄膜部23的宽度(N2-N1)/2的范围内，则还可以获得皱褶防止方面的有利结果。同样，本发明被应用于设置在卷取室5中的包括输送辊14和加压辊15的驱动辊16中的加压辊15，但是应用于其它辊部也是可能的。
此外，在上述实施例中，将本发明应用于在一个表面上形成金属薄膜的薄膜电极层形成装置；但是也可将本发明应用于在两个表面上形成金属薄膜的薄膜电极层形成装置。同样，也可将本发明应用于以水平状态搬送薄膜基板1的薄膜电极层形成装置。并且，也可将本发明应用于在其上已经形成有金属薄膜的薄膜基板上形成半导体层的光电变换层形成装置，另外，当然可以有各种适当的改型而不脱离本发明的要旨。

Claims (2)

1.一种薄膜太阳电池制造装置，其将卷绕在送出辊上的带状可挠性薄膜基板输送到大致维持在真空状态的成膜室中，在所述成膜室中在彼此相对布置的接地电极和具有靶材料的加压电极之间引起放电，通过恒定的加热使成为电极的金属薄膜形成在薄膜基板的表面上，并且通过设置在卷取室中的卷取辊卷取形成有金属薄膜的薄膜基板，
所述薄膜太阳电池制造装置的特征在于：
在所述卷取室中，设置有以恒定的张力搬送形成有金属薄膜的薄膜基板的一对驱动辊，并且在至少一个所述驱动辊的两个端部周面上形成有弹性部件层，其中所述两个端部周面与所述薄膜基板的宽度方向的两端部相对应。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳电池制造装置，其特征在于，设置在至少一个所述驱动辊的两个端部周面上的弹性部件之间的距离和各弹性部件层的宽度被设置成能够保持所述薄膜基板的形成有金属薄膜的部分的外侧。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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