CN101859811A - 集成型薄膜太阳电池的制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳电池的制造装置，其可以以固定的槽宽、在成品率良好、且加工质量优异的状态下制造集成型薄膜太阳电池。所述制造装置包括：支撑机构，其支撑薄膜太阳电池基板W；刻划头7，其经由加压机构而保持槽加工工具8；及移动机构，使基板W与刻划头7相对地移动；加压机构是由音圈马达30形成，而通过控制部S来控制向电动机供应的电流量。

Description

集成型薄膜太阳电池的制造装置
技术领域
本发明涉及一种黄铜矿化合物系集成型薄膜太阳电池的制造装置。
此处，所谓黄铜矿化合物，除了包含CIGS(Cu(In，Ga)Se2)之外，还包含CIGSS(Cu(In，Ga)(Se，S)2)、CIS(CuInS2)等。
背景技术
于使用黄铜矿化合物半导体作为光吸收层的薄膜太阳电池中，通常是在基板上串联连接有多个单元电池(unit cell)的集成型构造。
对以往的黄铜矿化合物系集成型薄膜太阳电池的制造方法进行说明。图6是表示CIGS薄膜太阳电池的制造步骤的示意图。首先，如图6(a)所示，在包含钠钙玻璃(SLG，soda lime glass)等的绝缘基板1上，利用溅镀法形成作为正侧下部电极的Mo电极层2，之后通过刻划加工对形成光吸收层前的薄膜太阳电池基板形成下部电极分离用的槽S。
之后，如图6(b)所示，在Mo电极层2上，利用蒸镀法、溅镀法等方法形成包含化合物半导体(CIGS)薄膜的光吸收层3，在所述光吸收层3上利用CBD法(chemicalbath deposition，化学水浴沉积)，形成用于异质连接的包含ZnS薄膜等的缓冲层4，并在所述缓冲层4上形成包含ZnO薄膜的绝缘层5。接着，对形成透明电极层前的薄膜太阳电池基板，在从下部电极分离用的槽S起横向离开特定距离的位置上，利用刻划加工而形成到达Mo电极层2为止的电极间接触用的槽M1。
然后，如图6(c)所示，在绝缘层5上形成包含ZnO:Al薄膜的透明电极层6来作为上部电极，从而形成具备利用光电转换进行发电所必需的各功能层的太阳电池基板，且利用刻划加工而形成到达下部的Mo电极层2为止的电极分离用的槽M2。
在所述的制造集成型薄膜太阳电池的步骤中，作为利用刻划而槽加工出电极分离用的槽M1和槽M2的技术，可以使用激光刻划法和机械刻划法。
例如专利文献1所揭示，激光刻划法是通过照射利用电弧灯等连续放电灯激发Nd:YAG结晶而发出的激光光束来形成电极分离用的槽。所述方法在对形成光吸收层后的薄膜太阳电池基板形成槽的情况下，有可能在刻划时因激光光束的热而导致光吸收层3的光电转换特性劣化。
例如专利文献2及3所揭示，机械刻划法是如下技术：一面施加特定压力将前端尖细状的金属针(针(needle))等槽加工工具的刃尖按压在基板上一面使其移动，借此加工出电极分离用的槽。当前，大多情况下是使用所述机械刻划法。
[以往技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开平11-312815号公报
[专利文献2]日本专利特开2002-94089号公报
[专利文献3]日本专利特开2004-115356号公报
发明内容
当利用槽加工工具来加工电极分离用的槽时，作为将槽加工工具按压在基板表面的加压机构，以往使用的是空气弹簧伺服电动机或线性电动机。但是，所要加工的薄膜太阳电池的厚度及槽的深度非常薄，在加工槽时将槽加工工具按压在基板上的压力也非常低，且在槽加工时必须进行微细的按压力控制。加工途中微小的条件变动也会对加工品质产生较大影响，例如当工具的按压负重变大时，于所加工的槽产生不规则的薄膜剥离，或者反之当按压负重变小时，受阻于所除去的膜屑而回弹从而导致槽产生断绝，难以实现设计上预定的品质(光电转换效率等)、及品质的均匀性(再现性)。
因此，为了使簿膜的剥离程度固定，必须结合于薄膜的性状等来调整按压刃尖的负重，但使用空气弹簧伺服电动机的按压力的控制机构存在如下缺点：低压区域的控制较为困难，即便组装有高级的控制系统，控制也不稳定。另外，使用线性伺服电动机的控制机构存在如下问题：在如槽加工般的微小行程中使用时，仅流通单相电流而容易产生热，且无法获得推力变动时的快速响应性，按压力控制较为困难。
另外，在专利文献2及3所揭示的机械刻划法中，使槽加工工具的刃尖的形状为前端尖细的针状，但严格来说，为了扩大压接于薄膜太阳电池的部分的接触面积，而以变得平坦的方式将前端切割为大致水平。通过水平切割，与薄膜的接触面积变大，所以能够比较稳定地进行槽加工，但另一方面，存在如下问题：因较大接触面引起的摩擦阻力等，导致薄膜不规则地大量剥离，有时连无需除去的部分也被除去，从而使得太阳电池的特性及成品率降低。
此外，所述的槽加工工具的刃尖是具有前端尖细的锥形面的圆锥台形状。因此当刃尖磨损、或者刃损坏时，如果对刃尖进行研磨，则刃尖的直径会变大，其结果导致刻划的槽宽与研磨前相比变大。因此，也存在如下的浪费问题，即同一刃尖无法长期连续使用，且无法研磨后重复使用。
因此，本发明的目的在于提供一种集成型薄膜太阳电池的制造装置，其在加工黄铜矿化合物系集成型薄膜太阳电池基板(例如形成透明电极前的前驱物)中的电极分离用的槽、及在形成于上下电极间的光吸收层等各种功能层上加工上下电极接触用的槽时，槽宽固定、成品率良好，且可以使光电转换效率等的产品品质的均匀性良好地进行加工。
旨在解决所述问题而完成的本发明的集成型薄膜太阳电池的制造装置包括：支撑机构，其支撑薄膜太阳电池基板；刻划头，其经由加压机构而保持槽加工工具；及移动机构，其使基板与刻划头相对地移动；且加压机构由音圈马达1形成。
[发明效果]
根据本发明，利用音圈马达作为槽加工工具的压力源，借此可通过控制施加给音圈马达的电流量，而简单地控制槽加工工具的相对于基板的低压区域的按压力。另外，利用音圈马达的快速响应特性，能够以快速且准确的动作进行加工。由此，可以加工出直线性优异、宽度固定且美观的电极分离用的槽。
槽加工工具包含棒状本体、及形成在本体前端的刃尖区域，刃尖区域包含：细长延伸的长方形底面；从底面的短方向的端边起立起的前面和后面；及从底面的长方向端边起垂直立起且形成彼此平行的一对面的左右侧面，优选形成为由至少前后面中的任一单面和底面所形成的角部成为刃尖。
由此，当刃尖磨损时，可以通过研磨底面、如果需要也研磨前后面来修补刃尖。特别是即便研磨底面，由于刃尖部分的左右侧面为平行面，因此刃的左右宽度尺寸不会发生变化。由此，即便在研磨之后也可以将刻划的槽宽与研磨前保持一致。
除此之外，当槽加工工具的刃尖在前后角部形成有两处时，如果其中一者磨损或破损，可以通过改变工具的安装方向，将另一刃尖作为新品使用。
附图说明
图1是表示本发明的集成型薄膜太阳电池的制造装置的一实施形态的透视图。
图2是保持槽加工工具的刻划头部分的侧视图。
图3是作为加压机构的音圈马达的截面图。
图4是从下方观察所述槽加工工具的透视图。
图5是所述槽加工工具的底面放大图。
图6(a)～(c)是表示通常的CIGS系薄膜太阳电池的制造步骤的示意图。
[符号的说明]
W     太阳电池基板
S     控制部
7     刻划头
8     槽加工工具
30    音圈马达
81    本体
82    刃尖区域
83    刃尖区域的底面
84    刃尖区域的前面
85    刃尖区域的后面
86    刃尖
87    刃尖
88    刃尖区域的侧面
89    刃尖区域的侧面
具体实施方式
以下，根据表示本发明的实施形态的附图来详细说明本发明的详细内容。
图1是表示本发明的集成型薄膜太阳电池的制造装置的实施形态的透视图。所述装置具备平台18，该平台18可以在水平方向(Y方向)移动，且在水平面内可旋转90度及角度θ，平台18实质上形成太阳电池基板W的支撑机构。
桥体(bridge)19是以跨越平台18上的方式而设置，所述桥体19包括夹持平台18而设置的两侧的支撑柱20、20、及于X方向延伸的导向杆(guide bar)21。支架支撑体23是沿着导向杆21上形成的导引件22呈可移动地安装，且通过电动机24的旋转而于X方向移动。
在支架支撑体23设置着刻划头7，在刻划头7上安装有：槽加工工具8，其对平台18上所载置的太阳电池基板W的薄膜表面进行刻划加工；及作为加压机构的音圈马达30，其对太阳电池基板W加压该加工工具8。
另外，在可于X方向及Y方向移动的基座12、13上分别设置有相机10、11。基座12、13在支撑台14上沿着在X方向延伸设置的导引件15而移动。相机10、11可通过手动操作而上下移动，从而可以调整拍摄焦点。由相机10、11拍摄的图像在监视器16、17上显示。
在载置于平台18的太阳电池基板W的表面上，设置有用以指定位置的对准标记，利用相机10、11拍摄对准标记，借此调整太阳电池基板W的位置。具体来说，利用相机10、11拍摄由平台18支撑的太阳电池基板W表面的对准标记，而指定对准标记的位置。根据所指定的对准标记的位置，检测太阳电池基板W表面在载置时的方向偏差，并通过使平台18旋转特定角度来修正偏差。
接着，每当平台18在Y方向上移动特定间距时，使刻划头7下降并在槽加工工具8的刃尖按压在太阳电池基板W的表面上的状态下于X方向移动，从而沿着X方向对太阳电池基板W的表面进行刻划加工。当沿着Y方向对太阳电池基板W的表面进行刻划加工时，使平台18旋转90度而进行与所述相同的动作。
图2～图5表示对太阳电池基板W加压槽加工工具8的音圈马达30及槽加工工具。图2是侧视图，图3是音圈马达的概略截面图，图4是从下方仅观察槽加工工具8的透视图，图5是所述槽加工工具8的底面的放大图。
音圈马达30包括：筒状的固定盒体31，其固定在刻划头7上；及动子32，上下可移动地设置在固定盒体31的轴芯部。在固定盒体31的内周面安装有用以形成磁力的永久磁石33。在动子32的外表面卷绕有线圈34，所述线圈34与永久磁石33相互作用而形成产生向下推力的磁力。从外部的控制部S对线圈34施加电流而形成磁力，根据所施加的电流量的不同，施加于动子12的向下推力、即按压力会发生变化。此外，控制部S可以采用使用有微型计算机的通用的电流控制电路。
此外，在动子32的下端设置有保持槽加工工具8的支架(holder)9。
槽加工工具8包括：实质上作为向支架9的安装部的圆柱状本体81；及通过放电加工等而在所述本体81的前端部一体形成的刃尖区域82；该槽加工工具8由超硬合金或金刚石等硬质材料而制造成。刃尖区域82包括：长方形的底面83；从底面83的短方向端边起垂直立起的前面84和后面85；及从底面83的长方向端边起垂直立起且彼此平行的左、右侧面88、89。由底面83和前、后面84、85所形成的角部分别成为刃尖86、87。
底面83的左右宽度L1优选50～60μm，也可以结合于所要求的刻划槽宽而设为25～80μm。另外，刃尖区域82的有效高度、即刃尖区域的左右侧面88、89及前后面84、85的高度L2优选0.5mm左右。进而，圆柱状本体81的直径为2～3mm左右即可。此外，槽加工工具8的本体81并不限定于圆柱状，也可以形成为截面四边形或多边形。
当使用所述的槽加工工具8进行加工时，是在刃尖区域82的底面83的长轴方向沿着工具移动方向的状态下、且在刃尖区域82的前面84或后面85相对于太阳电池基板W仅倾斜特定角度的状态下，将所述的槽加工工具8安装在支架9上。此时的倾斜角度优选50～80度，特别优选65度～75度的范围。
继而，经由控制部S对音圈马达30施加特定值的电流，借此在音圈马达30的线圈与永久磁石之间产生磁力，动子32下降。当槽加工工具8接触于基板W的表面时，会对槽加工工具W施加压力，因此施加给音圈马达30的电流值发生改变。在所述电流值到达预先输入到控制部S的设定值的位置上，使槽加工工具8进行刻划。此时，优选在开始槽加工作业之前，检测槽加工工具8在准确进行槽加工的位置接触于基板W的电流值(压力值)，并预先输入到控制部S中。
根据本发明，通过控制施加给音圈马达30的电流值，可以简单地准确控制槽加工工具8的相对于基板W的低压区域内的压力，且利用音圈马达30的快速响应特性还可以进行精密的控制，从而可以加工出直线且美观的电极分离用的槽。
此外，通过使槽加工工具8的前面84或后面85相对于太阳电池基板W而向行进方向侧倾斜，而由前面或后面、及底面所形成的角部、即刃尖86或刃尖87，能够以近似点接触的线接触来接触于太阳电池基板W，从而可以平顺地剥离薄膜。特别是使槽加工工具8的刃尖区域的前面84或后面85相对于基板W的上表面的角度，在50～80度、特别是65度～75度的范围内向行进方向侧倾斜，借此可以平顺地剥离薄膜。
另外，槽加工工具8的刃尖86、87在前后角部形成有两处，因此如果其中一者磨损或破损，则可以通过改变槽加工工具8的安装方向，而将另一刃尖作为新品使用。而且，无论当哪个刃尖磨损时，均可以通过研磨底面83、如果需要也研磨前后面84、85来修补刃尖。
另外，在所述实施例中，是通过使刻划头7于X方向移动而执行刻划加工，但只要能够使刻划头7、与太阳电池基板W相对地移动即可，因此可以在太阳电池基板W固定的状态下使刻划头7于X方向及Y方向移动，也可以不移动刻划头7而是仅使太阳电池基板W于X方向及Y方向移动。
以上，对本发明的代表性实施例进行了说明，但本发明并不是仅指定为所述实施例的构造。例如，由底面与前后面所形成的刃尖的角度如所述实施例所示优选呈大致直角，但略微形成为钝角也无妨。除此之外，本发明在达成其目的、且不脱离权利要求的范围内可以适当地进行修正、变更。
[工业利用可能性]
本发明可以应用于使用黄铜矿化合物系半导体膜的集成型薄膜太阳电池的制造装置中。

Claims (2)

1.一种集成型薄膜太阳电池的制造装置，其特征在于包括：
支撑机构，其支撑薄膜太阳电池基板；
刻划头，其经由加压机构而保持槽加工工具；及
移动机构，其使所述基板与刻划头相对地移动；且
所述加压机构是由音圈马达形成。
2.根据权利要求1所述的集成型薄膜太阳电池的制造装置，其特征在于：
所述槽加工工具包括棒状本体、及形成在本体前端的刃尖区域，
刃尖区域包括：细长延伸的长方形底面；从底面的短方向端边起立起的前面和后面；及从底面的长方向端边起垂直立起且形成彼此平行的一对面的左右侧面；且由至少前后面中的任一单面与底面所形成的角部成为刃尖。
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