CN103270605A - 太阳能电池集电极形成装置及其方法和涂布头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用涂布头直接在电池单元基板上形成指状电极的形成装置及形成方法；以及在其它领域中也能开展的生产性优异、价格低廉且可靠性高的涂布头，其中，该涂布头以太阳能电池的指状电极材料作为涂布溶液来进行喷出，并具有多个喷嘴孔。本发明涉及在利用太阳光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上收集光生载流子的集电极、特别是指状电极的形成装置，利用对作为电极材料的涂布溶液进行喷出且具有多个喷嘴孔的涂布头，并利用液体输送用泵压来进行电极图案的绘制。为了出于增加光入射开口面和降低电极布线电阻的目的而使电极宽度降低并使电极截面高宽比增大，使用长孔的喷嘴形状的涂布头，并使喷出通路相对于电池单元基板向涂布方向倾斜，由此来缓解喷出时的冲击能量从而获得所期望的电极图案，能够实现光电转换效率得到了提高的太阳能电池系统。

Description

太阳能电池集电极形成装置及其方法和涂布头

技术领域

本发明涉及利用包括具有长孔截面的多个喷出喷嘴在内的涂布头在光入射面上形成集电极的太阳能电池集电极的形成装置及太阳能电池集电极、特别是指状电极的形成方法，此外，还涉及考虑了制造方法、组装性的涂布头的结构及制造方法。

背景技术

太阳能电池由于是绿色能源，而且出于防止全球气候变暖的观点，受到了各国的关注，其实际的导入也正在积极进行。太阳能电池涉及硅类、化合物类、有机物类、染料敏化型等多个方面，当前以及近期的中心将围绕结晶类的硅类太阳能电池。本发明涉及该太阳能电池的集电极的形成。

通常，太阳能电池通过在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面及背面形成一对获取输出用的电极而制成。在该情况下，为了尽可能减小入射光被遮挡的面积，将设置在光入射面上的电极形成为梳形形状，其具有多个线宽较小的指状电极以及线宽相对较大的母线电极。

然而，若为了尽可能减小入射光被遮挡的面积，而缩小指状电极的宽度，则电流效率会由于电极电阻的增加而下降，其结果，会导致太阳能电池的转换效率的下降。因此，为了确保更多的电流、以及使更多的入射光到达光电转换部，希望开发一种能尽可能地减小指状电极的宽度、且能增大电极厚度的形成方法。

即，将指状电极截面上的电极厚度与电极宽度的比称为电极高宽比，对于太阳能电池的高效率化而言，形成高电极截面高宽比的电极的装置的开发成为了重要的课题。

迄今为止，太阳能电池的指状电极的形成是通过丝网印刷法来进行的。丝网印刷法可以利用粘度较高的材料来形成电极，因而在现阶段是主流的工艺。

然而，采用丝网印刷法会存在被认为是消耗品的丝网印版的损耗、强行印版脱离所引起的电极材料对于电池单元基板的附着力的下降、图案的紊乱等问题，而且由于印刷时产生的“渗洇”，对线宽的减小造成了限制，从而无法期待电极高宽比的提高。

此外，如专利文献1和专利文献2所示那样，对于最近备受瞩目的利用喷墨法进行的电极形成，由于应用了粘度非常低的电极材料，因此滴落在太阳能电池单元基板上的液滴会在基板上广泛扩散，因而难以确保线宽，而且由于也无法积累足够的厚度，因此只能得到非常低的电极高宽比。

在这种状态下，利用喷墨法时必须进行十几次的重复涂布来应对，在工艺节奏上留下了较大的课题。此外，由于金属粒子的聚集，喷墨头的喷嘴可能会堵塞，而且为了便于喷出，会含有大量的粘接剂等，因此干燥后的薄层电阻会变大，留下了双重困难的技术课题。

此外，如专利文献3所示那样，存在着应用凹版的胶印的方法，但其本质不过是丝网印刷的改进，仍然具有需要消耗品、无法保证转印性能等致命的缺陷，因而尚未实用化。

在上述背景下，进行了以下尝试：即，利用高压将涂布材料从非常狭小的长孔截面的喷出喷嘴列中挤出，并直接涂布到电池单元基板上。存在着以下两种类型：如分配器(dispenser)涂布那样通过空气来间接地对涂布材料进行加压并喷出的方式、和如狭缝涂布机那样直接对涂布材料进行加压并喷出的方式。这些方法的当前水平仅限于开口部面积相对于加压面积比较大的情况，而对于太阳能电池的集电极所期待的线宽较小、厚度比较大的图案的形成，现在是无法实现的。

此外，虽然具有喷出喷嘴孔的涂布头是利用激光等最新的加工技术来制造的，但在当前的加工精度下，偏差也较多，而且由于设备也尚未普及，故价格较高，因此期望开发一种能兼顾精度和价格的新的涂布头的结构和制造方法。

然而，对于狭缝涂布机、分配器那样、直接或间接地对涂布溶液进行加压来从狭窄的空间中喷出的方法，会存在下述问题。

当前，利用丝网印刷所形成的指状电极的线宽大约在100微米左右，为了达到电池单元的大型化、聚光能力的提高所期待的50微米以下的电极宽度，需要使丝网掩模应对高刚性和高精度，使得制造时的运行成本上升，故不理想。作为其替代，存在应用多喷嘴分配器、狭缝涂布机的倾向。分配器、狭缝涂布机通过在被称为喷嘴、喷头的绘制单元中充填涂布溶液，并经由空气等来间接进行加压，或者利用泵等直接对涂布溶液进行加压，从而将其喷出，并在电池单元上形成电极。

对于分配器的情况，涂布溶液在通过狭小的喷嘴时被加压，并在从喷嘴喷出的瞬间释放压力，因此线宽会在电池单元上扩大为喷嘴直径的5～6倍，相比于丝网印刷法，绘制能力较低。

此外，若采用狭缝涂布机，由于应用了较薄的间隙垫片，因此可能能够实现狭小的电极宽度，但会存在下述问题。

即，第一问题：图1所示的太阳能电池单元用的指状电极以4～5mm的间隔形成为直线状，相对于狭缝涂布机的涂布宽度，用于形成电极的狭缝开口部极少，故需要施加比通常的狭缝涂布机的施加压力更大的压力。因此，与上述分配器同样，从喷出狭缝孔喷出的涂布溶液会由于压力释放而使其线宽扩大得较宽。为了缓解这一点，考虑通过降低涂布溶液的粘度来使狭小的狭缝间隙部分的流体摩擦阻力降低，但在电池单元基板上的形状维持、即高电极高宽比的达成这一方面会存在问题。总而言之，如何能在不提高压力的前提下使高粘度的涂布溶液从狭小的狭缝间隙中喷出是第一课题。

第二问题：从图1中也能得知，主流的结晶类太阳能电池单元是从硅晶片上切下来使用的。因此，为了确保有效的电池单元的取得数量，四个角为缺口的形状较多。因此，周边附近的指状电极短至端部的程度。在现有的狭缝涂布机中，由于无法控制是否在宽度方向上喷出，因此无法应对该部分的涂布。这是第二问题。

第三问题是涂布头的性能和价格的问题。为了对指状电极那样狭小的布线进行涂布，必须高精度地制作非常狭窄的喷出喷嘴孔。当前，借助激光加工、线放电加工这种高级加工设备来制作喷出喷嘴孔。然而，现状是，在能量分布、电位梯度的影响下，尤其是在深度方向上很难形成均匀的喷出喷嘴孔，直径越小，加工误差越大。而且，以上述为代表的加工设备的价格非常高，而且也不是到处都有供应的，因此涂布头的价格也很高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-281813公开公报

专利文献2：日本专利特开2009-193993公开公报

专利文献3：日本专利特开2008-159798公开公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

因此，本发明在解决上述问题的同时还以狭小的宽度来形成截面高宽比较高的指状电极，能提供可靠性较高的电极形成装置，同时也实现了具有更高光电转换效率的太阳能电池。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的第一特征在于，一种太阳能电池集电极形成装置，在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上，形成对光生载流子进行收集的多个指状电极以及母线电极，利用泵等加压单元，使作为电极材料的涂布溶液通过狭小的喷出喷嘴孔喷出，从而在电池单元上形成直线状的电极。采用如下结构：仅在电极形成的部分存在喷出喷嘴孔的开口部，涂布溶液从此处喷出，通过电池单元基板与头的相对移动来形成连续的电极图案。

然而，与现有的狭缝涂布机的全涂布宽度相比，将用于形成电极的开口部换算成开口长度后，非常短，只有3～5％，若假设狭缝间隙内的压力遵从哈根-泊肃叶定律，则内部压力会增加到20～30倍。这样，即使勉强将喷出喷嘴孔做成微细状，压力也会在喷出后释放，产生过大的电极宽度。

为了防止该现象，在不影响电极宽度的前提下，在降低压力的状态下进行涂布的方法是最佳的。如上所述，涂布溶液粘度的降低会对压力的下降有很大帮助，但由于会使实现喷出后的较高的高宽比的形状维持性能变差，因此希望尽可能不采用。

指状电极由多个直线状的布线构成，其间隔是固定的。着眼于该特征判断为：即使在涂布方向上使开口部变长，对绘制特性的影响也较少。即，如果是在涂布方向上具有长边的矩形的开口部、或者是在涂布方向上具有长轴的椭圆形的开口部，则能通过增加开口部来降低狭小的涂布溶液供给通路内的压力，而不会对电极宽度产生影响，这是本发明的基本思想。

此外，对于从涂布头喷出涂布溶液的情况，当溶液从通路到达喷出喷嘴孔、且喷出的方向与电池单元基板面垂直时，会变成喷流的状态，因而即使降低压力，也会沿着电池单元基板面产生流动，因此所形成的电极宽度必然会增加。为了缓解该状况，需要减小与基板面垂直的方向上的速度矢量分量。因此，可以通过使到达喷出喷嘴孔的涂布液的流动方向相对于涂布方向朝正方向倾斜来解决问题。即，使狭缝间隙内的通路方向相对于电池单元基板面朝正方向倾斜。该情况下的正方向是指：若将涂布溶液的喷出流动作为基准，则是指相对于基板的移动，向流动阻力较少的状态移动的情况，反方向则是指朝向其相反方向移动的情况。

本发明的第二特征在于能够对指状电极的长度进行控制。构成太阳能电池的核心即光电转换部的电池单元通常是从硅晶片上切下来的，为了提高晶片的利用效率，不是用矩形，而是将圆弧的一部分切除后来使用，因此，大多如图1所示，呈四边形的四个角被切除后的八边形。对于从具有通常的喷出喷嘴孔的狭缝涂布机中喷出涂布溶液的情况，由于一次从各个孔中进行喷出，因此所形成的指状电极的长度是固定的，无法应对太阳能电池单元的各个角部。

针对这一问题，通过设置与在横方向上排列的喷出喷嘴孔的供给方向、换言之喷出方向垂直的滑阀，从而利用对流向喷出喷嘴孔的涂布溶液进行提供及阻断的控制单元来解决该问题。

即，对于八边形电池单元的情况，在开始涂布的时刻，打开占据了大部分的中央部的指状电极的供给口，并使滑阀缓缓向外侧移动，依次进行电极涂布。在涂布的中间阶段，从所有的喷出喷嘴孔中喷出涂布溶液，当接近涂布结束时刻时，滑阀再次从外侧向内侧移动，从而对规定的八边形的指状电极图案进行涂布。

此外，第三特征在于，提出了一种使用了通常的加工技术、而非高价的加工技术的涂布头结构及制造方法。此时，喷出喷嘴孔的加工精度相比于现有方法的加工精度，水平较高，喷出也必然稳定。其结果，由于没有利用特殊的加工技术，而是利用通常的手段，因此涂布头的价格较为低廉。此外，能灵活地应对太阳能电池单元的设计变更、例如电极间隔的变更等，除此之外，当产生损伤时，在现有的涂布头中，需要对全部进行更换，与此不同的是，若采用本发明的结构，则只需更换一部分即可，因而能够提供一种在很多方面远超现有技术的涂布头。

本发明为了解决上述问题，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成装置的结构，该太阳能电池在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上采用对所述光生载流子进行收集的多个指状电极、以及对该多个指状电极所收集到的所述光生载流子进行收集的母线电极结构，在该太阳能电池的制造中，使太阳能电池基板(电池单元)移动，同时从包括多个喷出喷嘴孔的涂布头中喷出加压后的集电极材料来一并形成太阳能电池集电极，其中该喷出喷嘴孔具有长孔截面。

此外，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成方法的结构，该太阳能电池在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上采用对所述光生载流子进行收集的多个指状电极、以及对该多个指状电极所收集到的所述光生载流子进行收集的母线电极结构，在该太阳能电池的制造中，使太阳能电池基板(电池单元)移动，同时从包括多个喷出喷嘴孔的涂布头中喷出加压后的集电极材料来一并形成太阳能电池集电极，其中该喷出喷嘴孔具有长孔截面。

此外，在权利要求1所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成装置的结构，利用具有长孔截面的喷出喷嘴孔的长轴与集电极的涂布方向相一致的涂布头，来喷出加压后的集电极材料，从而一并形成太阳能电池集电极。

此外，在权利要求1及权利要求3所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成装置的结构，包括涂布头，该涂布头的来自各个具有长孔截面的喷出喷嘴孔的喷出流动方向相对于基板的移动方向，朝相反侧倾斜。

此外，在权利要求4所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成方法的结构，使用对太阳能电池的指状电极材料进行喷出、且来自各个具有长孔截面的喷出喷嘴孔的喷出方向相对于基板的移动方向朝相反侧倾斜的涂布头。

此外，在权利要求1、权利要求3及权利要求4所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极的形成装置的结构，头中具备开关阀，该开关阀能够依次对形成各电极的各喷嘴的喷出/停止进行切换，以使得配合与所述太阳能电池基板(电池单元)的形状相对应的电极图案。

此外，在权利要求6所述的太阳能电池电极形成装置所使用的涂布头中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极形成用头的结构，所具备的开关阀能够利用机构来控制是否从各个喷出喷嘴孔中进行喷出，其中，该机构能够在与被涂布材料所填充的喷出通路的供给方向垂直的方向上滑动。

此外，在权利要求6所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用使用了权利要求7所述的涂布头的太阳能电池集电极的形成方法的结构。

在权利要求1、权利要求3、权利要求4及权利要求6所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用具有如下特征的太阳能电池集电极形成装置的结构，所装载的涂布头是将对喷出喷嘴孔的间隔进行规定的块件、和将喷出通路切削后的薄层的间隔件交替层叠后得到的涂布头。

此外，在权利要求9所述的太阳能电池集电极形成装置中，采用使用了所述层叠堆积后得到的涂布头的太阳能电池集电极的形成方法的结构。

此外，在具有多个喷出喷嘴孔、以及向该喷出喷嘴孔提供粘性涂布溶液的喷出通路，并从喷出喷嘴孔中喷出涂布溶液来形成图案的涂布装置中，采用具有如下特征的涂布头的结构，将对多个喷出喷嘴孔的间隔进行规定的块件、和具有通过切削加工形成的喷出通路的薄层的间隔件交替层叠，并用堆叠螺栓进行固定。

此外，在权利要求11所述的涂布头中，采用具有如下特征的涂布头的结构：由块件和间隔件所形成的喷出喷嘴孔的截面形状为正方形。

另外，在权利要求11及权利要求12所述的层叠型涂布头中，设有与微细的各喷出喷嘴孔列平行、且在涂布溶液的公共供给通路内滑动的阀，能够通过各喷出喷嘴孔的开关来控制是否喷出。

另外，采用权利要求11、权利要求12及权利要求13所述的层叠型涂布头的制造方法的结构。此外，在权利要求6所述的太阳能电池集电极形成装置所使用的涂布头中，所具备的开关阀具有与喷出涂布材料的喷出口列平行的旋转轴，并且呈侧面上具有切口的圆柱形，通过使该开关阀进行旋转，从而能够控制是否从各喷出喷嘴孔进行喷出。

发明效果

如上所述，通过使用本发明的太阳能电池的电池单元基板的集电极、特别是指状电极的形成装置以及形成方法，能够得到下述效果。

首先，第一，相比于利用现有的工艺方法得到的指状电极，通过应用本发明的工艺装置以及方法，从而能够获得电极宽度狭小且电极截面高宽比较大的指状电极，并能降低布线电阻，增加入射光面积，其结果，能够对制作出的太阳能电池的光电转换效率的提高提供较大的帮助。

第二，相比于现有的形成指状电极的主流方式、即丝网印刷法，由于本发明的工艺装置以及方法中没有任何消耗品，因此能大幅降低运行成本。

第三，在太阳能电池的指状电极的形成中，能够提高电极涂布材料的有效利用率。例如，若与丝网印刷法相比，则能达到1.5倍以上的有效利用率。在使用银等昂贵的涂布溶液时，较为有利。

第四，在本发明的工艺中，由于涂布溶液在到达涂布基板之前，通过完全封闭的通路，因此不会暴露在空气中，因此很少会发生材料的劣化、物性变化，而且工艺管理也较为容易。

第五，本发明的层叠型涂布头针对引起以堵塞为代表的涂布不良的问题，其洗净较为容易，恢复率也较高。

第六，本发明的层叠型涂布头也能方便地应对太阳能电池的指状电极设计的变更、例如电极宽度、电极间隔的变更。

第七，本发明的层叠型涂布头能够利用现有的加工技术来制作，因而也能将价格抑制得较低。万一形成喷嘴的薄层间隔件受到损伤，只需更换相应部分即可，总体来说，价格也较低。

第八，本发明的层叠型涂布头虽然由于形状等的制约，其应用对象受到一定限制，但对于相邻的距离取得较大、且近似于直线绘制的应用对象，可以期待以简单的结构和低廉的价格来拓展应用本发明。

附图说明

图1是表示结晶类太阳能电池单元中的集电极(指状电极和母线电极)的结构例的图。

图2是示意性表示太阳能电池中的基本结构的图。

图3是表示本发明的实施例的太阳能电池集电极形成装置的结构图。

图4是表示本发明的实施例的具备多个喷出喷嘴孔、且利用线放电加工所形成的一体型的涂布头的结构的图。

图5是表示本发明的实施例的具备多个喷出喷嘴孔、且利用激光加工所形成的一体型的涂布头的结构的图。

图6是表示本发明的实施例的涂布电极与喷出喷嘴长孔的关系的图。

图7(a)是示意性表示从分配器、现有的狭缝涂布机的喷嘴、头中将涂布溶液喷出到基板面上，发生冲击的形态的图。图7(b)是示意性表示通过使本发明的实施例的涂布头倾斜、从而使来自喷出喷嘴孔的涂布溶液的喷出方向相对于基板面倾斜、来缓解冲击的形态的图。图7(c)是示意性表示涂布头本身未倾斜、但使通向喷出喷嘴孔的通路倾斜来缓解冲击的形态的图。

图8是表示本发明的实施例的、针对电池单元基板的电极涂布长度发生变化的区域进行喷出控制的机构的图。

图9是对于针对本发明的电池单元基板的端部所需要的、电极涂布长度发生变化的区域进行喷出控制的机构说明连续动作的图。图9(a)表示涂布刚开始，图9(b)表示电极涂布范围扩大的时刻，图9(c)表示电极涂布范围逐渐变窄的时刻，图9(d)表示涂布完成时刻的设备动作。

图10表示本发明的实施例的、针对电池单元基板的电极涂布长度发生变化的区域进行喷出控制的机构，且是表示使由泵送入的涂布溶液从涂布头的端部流入时的结构的图。

图11是表示本发明的实施例的层叠型涂布头的结构的图。

图12是表示本发明的实施例的、构成层叠型涂布头的部件中、形成喷出喷嘴孔的两个组件的图。

图13是表示本发明的实施例的对指状电极的涂布长度进行改变的第二结构的图。

图14是表示本发明的实施例的对指状电极的涂布长度进行改变的第二结构中所进行的一系列具体的涂布动作的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。附图中，对相同部分标记了相同的标号。

实施例1

图2中对本发明的对象即太阳能电池的基本结构进行说明。太阳能电池包括利用太阳光的入射来产生光生载流子的光电转换部、以及用于将光电转换部所产生的光生载流子取出的一对正负电极。绝大多数情况下将一对正负电极设置在光电转换部的正面及背面，但有时也将一对正负电极设置在光电转换部的背面。对于在光电转换部的正面由入射光产生光生载流子、并将一对电极的其中一个电极设置于光电转换部的正面的情况，为了尽可能减小入射光被遮挡的面积，通常对多个狭小的指状电极和较宽的母线电极进行组合，从而将上述一个电极形成为梳形形状。指状电极是对光电转换部所产生的光生载流子进行收集的电极，几乎配置在光电转换部的整个表面上。母线电极是用于对多个指状电极中收集的光生载流子进行集电的电极，以与指状电极相交的方式形成为直线状。

此外，对于光电转换部不仅能由来自其正面的光入射、也能由来自背面的光入射生成光生载流子的情况，光电转换部的光入射面不仅包括光电转换部的正面，也包括背面。因此，在光电转换部的正面及背面上也同样形成有指状电极和母线电极。

光电转换部具有pn或者pin结等的半导体结，并由单晶硅、多晶硅等硅类半导体材料、非晶硅类材料或者CuInSe等薄膜半导体材料、或者GaAs、InP等化合物半导体材料构成。此外，最近也在研究染料敏化型等的有机半导体材料。

太阳能电池的集电极由导电性材料构成，具有代表性的有以环氧树脂为粘接剂、以导电性粒子为充填物的热固化型导电性树脂等的导电性糊料。为了获得电传导性，作为集电极的充填物的成分，可以使用从银、铜、镍、铝、锡等中选出的至少一种金属粒子或者它们的合金、混合体。此外，集电极的粘接剂以对充填物进行粘接作为主要目的，为了维持可靠性，要求具有优异的耐湿性、耐热性。作为满足这些条件的粘接剂的材料，可以举出环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、硅树脂等，可以使用至少一种或者将这些树脂混合、共聚等。

此外，对于光电转换部如结晶类半导体那样具有高耐热性的情况，可以使用能够在高温下固化、烧成的无机类材料来作为粘接剂。例如，相当于在银、铝等金属粒子中由玻璃料及有机载体等构成的物质。

太阳能电池单元的集电极、特别是指状电极所要求的项目在于光入射用的开口面积的增加和电阻损失的降低。关于开口面积的增加，其也包括消除丝网印刷制造时常见的“渗洇”，实现尽可能细的电极宽度，并在此基础上形成尽可能厚的电极厚度，即，实现较高的高宽比形状。因此，若能尽可能使用粒径较小的导电性充填物，并以相对较高的粘度来喷出，则实现的可能性变大。

参照图3，对本发明的实施方式所涉及的太阳能电池集电极形成装置进行说明。关于本装置中的机构，其包括：基板侧系统，该基板侧系统包括放置于基座1上的、对太阳能电池的电池单元基板2进行固定且带有真空吸附用的槽的台3、以及能使该台3移动到任意位置的驱动机构4；以及头侧系统，该头侧系统对带有微小孔的涂布头5进行保持，且包括对涂布头5与太阳能电池单元基板2之间的间隙进行设定并能在上下方向上移动的驱动机构6，这两个系统的相对位置关系由固定在基座1上的门型框架7来决定。即，整个头侧系统固定在门型框架7上，并与固定在基座1上的基板侧系统相对。在上述机构的基础上，结合液体供给系统来构成太阳能电池集电极形成装置，该液体供给系统包括用于将涂布溶液从涂布溶液箱体8提供给涂布头5的液体输送泵9。

下面对各个要素进行说明。固定电池单元基板2的台3通过真空泵10对基板背面进行吸附，因此表面形成有槽，产生负压来进行固定。此外，为了在形成电极后将电池单元基板2取下，内置有用于抬起基板的升降销。该动作通常利用空气压力来执行。

用于使真空吸附并固定在台3上的电池单元基板2进行移动的驱动机构4在最简单的情况下仅具有一个方向的移动机构，而为了具有最大的自由度，则可以具有平面的两个方向和面内旋转方向一共三个轴的移动机构。该移动机构通常采用对电动机驱动的滚珠丝杠机构进行伺服控制的结构，但也存在利用了直线导轨、隧道致动器的结构。同样地，使头能够在上下方向上移动的驱动机构6中也大多使用了电动机驱动的滚珠丝杠机构。根据情况不同，也会使用直线导轨。

另外，本装置中较为重要的要素部件为液体输送泵9。泵也有很多种，所要求的性能项目首先是要具备优异的定量性。在旋转型、往复运动型等多个种类中，每一次单位旋转的喷出流量、每一次单位位移的喷出量的偏差较小是较为重要的。基于同样的原因，脉动较少也是需要的。接着，如上所述，为了使电极截面形状的高宽比尽可能大，太阳能电池的电极涂布溶液的粘度通常较高。因此，在从微细的喷出喷嘴孔11中喷出涂布溶液时，会产生较大的流动摩擦阻力，必然会使涂布头5内的压力变高。因此，需要高喷出压力的泵。此外，在用于形成电极的材料中大多含有溶解、腐蚀等会使泵材料劣化的主要因素，因此也要求具有化学稳定性。通常应用波纹管泵、齿轮泵等，但旋转型、而且能进行正反旋转的螺杆泵也适用于具有涂布开始和结束的间歇涂布。

下面对本装置的指状电极形成动作进行说明。在利用液体供给系统向涂布头5提供涂布材料的状态下，将电池单元基板2与涂布头5之间的间隙设定为一定值，之后使基板侧系统移动，同时进行涂布。在该情况下，成为头侧系统被固定，基板侧系统进行移动的结构，但有时也使基板侧固定，而使头侧移动。作为电极材料的涂布溶液由液体输送泵9输送到涂布头5，并从准确定位在指状电极形成位置的微小的喷出喷嘴孔11中喷出。为了获得稳定的喷出，主要对液体输送泵9的喷出流量进行各种控制。

图4中示出了涂布头5结构的一个实施例。该涂布头是利用线放电加工制作而成的示例。首先，涂布头5由三块板构成。也就是以下三块板：即，包含多个狭小的喷出喷嘴孔11的喷嘴板12a；将喷出喷嘴孔11封住的盖板13a；以及在喷嘴板12a内、起到将空腔14封住的作用的密封板15，该空腔14起到对来自液体输送泵9的涂布溶液进行储存的箱体的作用。虽然喷嘴板12a和密封板15在结构上可以形成为一体，但在利用线放电加工对喷出喷嘴孔列11进行加工时，需要使空腔14的顶部部分打开来作为引线通路，因而必然会成为三体结构。利用一定厚度的引线来对喷嘴板12a的端面进行切削，由切削深度来决定长孔的程度。该喷出喷嘴孔11的形状为长孔，使其长轴方向与所涂布的指状电极的涂布方向一致这一点为本发明的权利要求1、权利要求2及权利要求3。

图5中示出了涂布头5的其它结构的实施例。该涂布头是利用激光加工制作而成的示例。该例中，涂布头5也由三块板构成。即，包含多个狭小的喷出喷嘴孔11的喷嘴板12b、盖板13b、以及包含上述空腔14的盖板13c。在该结构中，利用激光在喷嘴板12b的长边方向上垂直地形成长圆的孔。虽然与作为对象的喷嘴板12b的材料也有关系，但通常使用YAG激光来作为加工设备。该结构中，对于随着涂布溶液的流动而产生的内压的增加，喷嘴板12b与两块盖板13b和13c的接合面不会对其造成较大影响，与此不同的是，在图4的结构中，对于增加的内压，喷嘴板12a和盖板13a会产生开口那样的变形，因此，从涂布溶液的密封性这一点来看，图5的涂布头结构更好。这里示出的利用具有长孔截面的喷出喷嘴孔11所进行的集电极形成相当于本发明的权利要求1、权利要求2及权利要求3。

这里，说明将喷出喷嘴孔11的截面形状做成长孔的理由。分配器大多情况下为一个喷嘴，其经由空气对涂布溶液进行加压并涂布。在该情况下，空气为压缩性流体，即使施加过度的压力，施加给涂布溶液本身的力也会受到抑制。因此，从喷嘴释放的涂布溶液并不会扩散得很大，因而能涂布于基板表面。

然而，当力相对较弱、到达喷嘴为止的流动摩擦阻力较大时，则无法进行涂布。例如，在涂布溶液的粘度在10Pa·s以上这种非常高的情况下、或者在喷嘴孔的直径非常小的情况下，分配器将无法进行喷出。对于像本发明的对象即太阳能电池的指状电极形成那样、想要使电极宽度较窄且电极截面的高宽比较高的情况，不适合用分配器。

另一方面，在狭缝涂布机中，即使狭缝间隙较窄，在确保总开口面积的情况下，即使粘度为100Pa·s以上的高粘度，也能进行喷出。狭缝涂布机与分配器不同，能够直接对涂布溶液进行加压是很大的原因。然而，对于像本次的对象即太阳能电池的指状电极的情况那样、涂布的图案不涉及整个面而仅涉及局部的情况，封闭的部分较多，而开口部则极其少。因此，流动摩擦阻力会增大，涂布溶液本身会暴露在高压下。若在这种状况下进行喷出，则从狭小的喷出喷嘴孔11中喷出的涂布溶液会释放并在基板上扩散，或者无法进行喷出。

关于涂布溶液的材料物性，尤其是粘度，在考虑太阳能电池的指状电极的情况下，从对涂布后的截面形状进行维持的观点出发，需要选择粘度较高的涂布溶液。此外，由于需要减小电极宽度，因此想要尽可能地缩小喷出喷嘴孔11的短边。本发明的目的在于，在这种制约条件下，通过增加对电极宽度、截面形状的影响较小的涂布方向、即长边的长度，来增加外观上的开口面积，从而减少施加给涂布溶液的压力。明确了以下内容：通过造就这种状况，从而能利用高粘度的涂布溶液来形成电极宽度较小、且截面高宽比也较优异的指状电极。图6中示意性示出了所形成的指状电极与涂布头的喷出喷嘴孔11的位置关系。由该图可知，喷出喷嘴孔11的长边的轴与涂布方向一致。此外，根据涂布材料的物性、尤其是粘度的不同，也可以不是长孔，而是圆孔、正方形。

施加给涂布头5内的涂布溶液的压力可以利用喷出喷嘴孔11的长孔截面形状来缓解，这显然能给所形成的电极的形状带来较好的结果，但还进一步要求狭小的电极宽度。如图7(a)中示意性所示的那样，对于通常的分配器、狭缝涂布机，从喷嘴喷出的涂布溶液的喷出方向与基板表面垂直。在该情况下，基板面对于涂布溶液的流动而言如同壁一样，会产生流体力学界中所谓的“喷流”现象。即，涂布溶液冲击到壁以后，会沿着壁的所有方向产生速度矢量，从而发生扩散展开。这一现象是与形成指状电极时的窄小化的目的相违背的。

为了稍稍缓解冲击后的涂布溶液的扩散展开，如图7(b)所示，使来自涂布头5的涂布溶液的喷出方向相对于涂布方向朝倒下的方向倾斜是有效的。这里，示出了使涂布头5相对于基板面2倾斜的状况，但也可以如图7(c)所示，使涂布头5如以往那样直立，而使涂布头5内到达喷出喷嘴孔11的喷出通路15倾斜。通过使喷出通路23相对于电池单元基板面2倾斜，能够缓解涂布溶液所具有的冲击能量，且只具有涂布方向的相反方向的速度矢量，因此，对于电极宽度的窄小化而言是极其有效的实施方式，本发明的权利要求4和权利要求5作为装置及方法，分别相当于此。

当前，占据了大部分太阳能电池的结晶太阳能电池的电池单元基板2通常由大致呈圆形的硅晶片制成，并根据安装上的关系，以图1所示那样的矩形为基础，来形成切除了四个角的形状。指状电极16具有一定间隔，同时形成为直线状。然而，对于上述切除部，越是向晶片的外侧，电极长度就越短，而中央部分的长度是固定的。接着说明针对逐渐变化的指状电极的涂布长度的应对机构。

图8中示出了对指状电极16的涂布长度进行改变的结构。涂布头的中心为喷出喷嘴孔11，以规定的间隔形成有规定根数的截面形状为长孔的喷出喷嘴孔11。采用如下结构：在向该喷出喷嘴孔11提供涂布溶液的公共通路中存在能左右移动的滑阀17，从而能使涂布材料供给口18向中心移动。即，滑阀为覆盖公共通路截面的活塞状的阀，具有封住喷出喷嘴孔11的作用，当其在喷出通路23的上方时，将无法进行喷出。

该滑阀17的结构如下：即，在经由直线导轨19的、附属于涂布头5的左右对称的精密梯形丝杠20的驱动下，通过所连接的臂21来左右移动。此外，梯形丝杠20的驱动由伺服电动机来进行。其结果，能够在太阳能电池单元基板的切除部形成图案。

利用图9(a)～(d)对一系列的具体涂布动作进行说明。该图示出了图1所示那样的、电极的涂布长度在切除部进行变化时的涂布步骤。首先，(a)表示涂布刚开始，涂布头5下降，对其与电池单元基板2的规定间隙进行设定，然后提供涂布溶液，并使装载了电池单元基板2的台3移动，开始涂布。此时，滑阀17的间隔为不会对中央部的切除产生影响的基板宽度。接着，在(b)中，使滑阀17向左右缓慢移动，依次增加电极的绘制根数。从开始绘制所有根数起，变为稳定的喷出，并持续到电池单元基板2的切除部为止。在(c)(d)中，使滑阀17逐渐返回到中央，依次增加绘制中止的电极的根数。此时，需要减少液体输送泵9的喷出流量。具体而言，对设定在供给通路23中的压力传感器32的值进行监视，并以反馈到泵的旋转数的形式来进行控制。在完成涂布的时刻，抬起涂布头5，并停止涂布溶液的提供，结束该过程。这些是与本发明的权利要求6、权利要求7及权利要求8有关的实施例。

此外，图8是使涂布溶液从涂布头5的中央进入的结构，但根据头的结构不同，也存在不从中央部进入、而必须从涂布头5的两端部或者一端部进入的情况。该情况的结构如图10所示。与使涂布溶液从中央部进入时、滑阀17为实心的活塞状的结构不同，在使涂布溶液从端面进入的情况下，从图中也可得知，特征在于使用中空的活塞状的滑阀17a，其在圆筒的外壁面上对流至喷出喷嘴孔的通路进行封堵。该结构相当于本发明的权利要求12的实施例。

另外，图9所示的喷出控制用滑阀17为圆柱形，但并不限于此，也可以是棱柱形。此外，关于喷出控制用滑阀的材料，为了能进行平滑的动作，优选使用低膨胀材料的超殷钢陶瓷(super-invar ceramic)。此外，关于喷出控制用滑阀、与该滑阀进行滑动的喷出通路的内表面，为了提高耐磨擦性，优选实施类金刚石碳涂层、电镀涂层。

图13中示出了对指状电极16的涂布长度进行改变的第二结构。该结构中，使用侧面具有倾斜切口36的旋转杆33来代替使用喷出控制用的滑阀。该旋转杆33利用电动机34在箭头方向上旋转，该电动机34利用固定夹具35固定在涂布头5上。涂布溶液与图10一样，通过位于喷嘴板12上的涂布溶液供给口18而提供给喷出喷嘴孔11。旋转杆33的侧面配置成与喷出喷嘴孔11相接触，当旋转杆的切口36位于喷出喷嘴孔11上方时，该喷出喷嘴孔打开，因此涂布溶液被喷出，当旋转杆33没有切口的部分位于喷出喷嘴孔11上方时，该喷出喷嘴孔被旋转杆33堵住，因此不会喷出涂布溶液。该切口36形成为倾斜状，通过旋转杆33的旋转，从而能够依次在被旋转杆堵住的喷出喷嘴孔和被切口打开的喷出喷嘴孔之间进行改变，因此，能够通过在使旋转杆33旋转的同时进行涂布来改变指状电极的涂布长度。

利用图14(a)～(d)对一系列的具体涂布动作进行说明。该图与图9同样，示出了改变电极的涂布长度时的涂布步骤。首先，(a)表示涂布刚开始，旋转杆33的切口36位于喷出喷嘴孔11a上方，旋转杆33的没有切口的部分位于喷出喷嘴孔11b上方，涂布溶液从喷出喷嘴孔11a中喷出，且没有涂布溶液从喷出喷嘴孔11b中喷出。接着在(b)中，使旋转杆33旋转规定的角度，旋转杆的切口部位于上方的喷出喷嘴孔11a的数量在两侧逐渐一个个增加，涂布长度变大。接着在(c)中，进一步使旋转杆33旋转规定的角度，旋转杆的切口部位于上方的喷出喷嘴孔11a的数量进一步在两侧逐渐一个个增加，涂布长度变大。以同样方式增加涂布长度，在(d)中，旋转杆33的切口36位于所有喷出喷嘴孔上方，并从所有喷出喷嘴孔中喷出涂布溶液。在缩小涂布长度时，只要进行与该动作相反的动作即可。由此，能够通过在使旋转杆33旋转的同时进行涂布来改变指状电极的涂布长度。

接着，对具有狭小微细的喷出喷嘴孔群11的涂布头5中所要求的项目进行研究。涂布头5可以说是在太阳能电池的集电极形成中的核心设备，它的性能、可靠性会直接影响到装置的性能、可靠性。当前的太阳能电池的指状电极的线宽为100微米左右，电极截面的高宽比也不高。另外，由于制造方法所引起的电极周边的“渗洇”问题也尚未解决。为了使电极宽度减半、并大幅提高电极截面高宽比从而消除“渗洇”而提出的狭缝涂布机方式的形成方法虽然可能性很高，但由于主要设备即涂布头5的稳定性不足，故其实效值与现有方式处于相同水平。

其原因主要是在于喷出涂布溶液的喷嘴孔11的加工方法的难度。具体而言，利用激光加工、线放电加工来形成微细孔被认为是常识，但两者对于材质、形状的制约都较大，例如，利用激光形成的喷嘴的厚度方向的直径分布总体而言不太好，厚度的制约也较大。若孔的形状为本发明所提出的长孔，则推测其偏差会进一步变大。此外，关于线放电加工，需要设定引线的开口面，故孔形状也不美观。而且，由于这些加工设备较为昂贵，因此并非是在哪都能进行加工的。而且，对于指状电极间隔的变更等的应对，需要在最初进行重新制作，其结果，不仅涂布头5的加工精度不好，价格也非常昂贵。

基于上述背景，将作为涂布头5所必须具备的条件列举如下。

(1)足够的喷出喷嘴孔的加工精度。

(2)喷出喷嘴孔的长孔形状中、尤其是短边的尺寸偏差要非常小。

(3)在喷出喷嘴孔的加工中不使用特殊的方法，必然导致低廉的价格。

(4)能够迅速且廉价地应对电极宽度、电极间隔的变更等。

(5)能容易地应对喷出喷嘴孔的堵塞等问题。

(6)针对部分的损伤，能够对该部分进行更换。

基于上述涂布头5的必要条件的层叠型涂布头结构如图11所示。此外，构成该涂布头的喷出喷嘴孔11的代表性部件如图12所示。首先，喷出喷嘴孔11通过对图12所示的规定指状电极间隔的块件22、以及在两枚块件22之间切削并形成了包含喷出喷嘴孔11在内的喷出通路23的薄层间隔件24进行层叠，从而完成间隙为微细长孔(长方形)的涂布头5的基本结构。当然，根据涂布溶液的物性、尤其是粘度值的不同，有时也将喷出喷嘴孔11做成正方形的形状。在这两个部件22、24的公共位置形成有用于进行层叠的堆叠螺栓孔25、以及涂布溶液供给通路孔26。交替对这两个部件层叠规定的个数后，在两侧连接用于提供涂布溶液的配管27以及用于排出涂布溶液的配管28，然后安装作为堆叠螺栓29的底座的端板30、31，最后对喷嘴面进行调整，然后拧紧堆叠螺栓29，完成层叠型涂布头的组装。将上述概念串起来后，即为本发明的权利要求11、权利要求12及权利要求13。

在该结构下，均利用切削、磨削这种现有的加工方法，且均是在与基准平面垂直的方向上进行的加工，因此只要注意平行度，任何加工设备都能应对。此外，与长孔喷嘴的短边相当的薄层间隔件24通常为不锈钢板的轧材，具有非常准确的厚度和较少的偏差，利用空间成型得到的喷出喷嘴孔11远比利用激光加工等最先进的加工技术所形成的孔要准确。另外，利用该方法制作出的涂布头比用任何加工方法作出的涂布头都要廉价，其单纯的制造价格与其它方法及结构相比，在1/10以下。本发明的权利要求14涉及利用切削及磨削的现有加工技术来制造涂布头5的方法。

此外，也能灵活地应对规格变更所带来的电极间隔、电极宽度的变更，而且也能应对同一基板内的规格值的变更，与此形成鲜明对比的是，利用激光等成孔的一体型头则完全无法应对。

太阳能电池的指状电极中所要求的各尺寸要素非常严格，因而实现该尺寸的设备所要求的精度也较为严格。作为对象的涂布头5要求与喷墨头相同水平的各尺寸要素和精度。另一方面，关于作为涂布对象的涂布溶液，喷墨涂布限定在10mPa·s左右极低的粘度，与此不同的是，本发明对象的涂布头5则需要喷出粘度在100,000mPa·s以上的涂布溶液。在该情况下，喷墨涂布时也会成为问题的喷嘴孔的堵塞问题会成为可靠性方面的大课题。利用激光成孔等制作出的一体型的涂布头5相比于微细的喷出喷嘴孔11，其堵塞恢复的手段较为困难，在无法恢复的情况下，只能更换整个涂布头5。与此不同的是，当在图11所示的层叠型涂布头5中产生堵塞时，通过立刻将其分解来对各个薄层间隔件24及各个块件22进行洗净，能容易地使其恢复。即，由于是对一块平板进行洗净，因此在方法上是极其容易的，几乎能在任何情况下消除堵塞。万一由于洗净工序等的处理失误造成薄层的间隔件24损坏时，只要更换一块即可恢复原状。

通过采用上述各结构及方法，能够使形成在太阳能电池单元基板上的指状电极形成得较细，并使截面高宽比形成得较大。其结果，提高了光电转换效率，并能提供有效的太阳能电池系统。此外，通过采用本发明的头结构，能够以低廉的价格提供太阳能电池集电极的形成装置，并能提供稳定且可靠性较高的工艺。

工业上的实用性

本发明在解决上述问题的同时还以狭小的宽度来形成截面高宽比较高的指状电极，能提供可靠性较高的电极形成装置，同时也实现了具有更高光电转换效率的太阳能电池。

标号说明

1 太阳能电池集电极形成装置的机构部分的基座

2 太阳能电池的电池单元基板

3 电池单元基板吸附装载台

4 用于使台移动的驱动机构(工作台致动器)

5 涂布头

6 头～基板间间隙调整用移动机构(垂直轴致动器)

7 头固定用门型框架

8 涂布溶液箱体

9 液体输送泵

10 基板吸附用真空泵

11 喷出喷嘴孔

11a 喷出喷嘴孔

11b 喷出喷嘴孔

12 喷嘴板(a)(b)

13 盖板(a)(b)(c)

14 涂布溶液储存用空腔

15 密封板

16 指状电极

17 喷出控制用滑阀

18 涂布溶液供给口

19 直线导轨

20 精密梯形丝杠驱动机构

21 连接臂

22 规定指状电极间隔的块件

23 喷出通路

24 薄层间隔件

25 堆叠螺栓孔

26 公共涂布溶液供给通路孔

27 涂布溶液供给配管

28 涂布溶液排出配管

29 堆叠螺栓

30 紧固基座用端板(1)

31 紧固基座用端板(2)

32 压力传感器

33 旋转杆

34 电动机

35 固定夹具

36 切口

Claims (15)

1.一种太阳能电池集电极的形成装置，其特征在于，

该太阳能电池在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上采用对所述光生载流子进行收集的多个指状电极、以及对该多个指状电极所收集到的所述光生载流子进行收集的母线电极结构，在该太阳能电池的制造中，使太阳能电池基板(电池单元)移动，同时从包括多个喷出喷嘴孔的涂布头中喷出加压后的集电极材料来一并形成太阳能电池集电极，其中该喷出喷嘴孔具有长孔截面。

2.一种太阳能电池集电极的形成方法，其特征在于，

该太阳能电池在利用光入射来产生光生载流子的光电转换部的光入射面上采用对所述光生载流子进行收集的多个指状电极、以及对该多个指状电极所收集到的所述光生载流子进行收集的母线电极结构，在该太阳能电池的制造中，使太阳能电池基板(电池单元)移动，同时从包括多个喷出喷嘴孔的涂布头中喷出加压后的集电极材料来一并形成太阳能电池集电极，其中该喷出喷嘴孔具有长孔截面。

3.如权利要求1所述的太阳能电池集电极的形成装置，其特征在于，

利用具有长孔截面的喷出喷嘴孔的长轴与集电极的涂布方向相一致的涂布头，来喷出加压后的集电极材料，从而一并形成太阳能电池集电极。

4.如权利要求1或3所述的太阳能电池集电极的形成装置，其特征在于，

包括涂布头，该涂布头的来自各个具有长孔截面的喷出喷嘴孔的喷出流动方向相对于基板的移动方向，朝相反侧倾斜。

5.一种太阳能电池集电极的形成方法，其特征在于，

在权利要求4所述的太阳能电池集电极的形成装置中，使用对太阳能电池的指状电极材料进行喷出且来自各个具有长孔截面的喷出喷嘴孔的喷出方向相对于基板的移动方向朝相反侧倾斜的涂布头。

6.如权利要求1、3、4中的任一项所述的太阳能电池集电极的形成装置，其特征在于，

头中具备开关阀，该开关阀能够依次对形成各电极的各喷嘴的喷出/停止进行切换，以使得配合与所述太阳能电池基板(电池单元)的形状相对应的电极图案。

7.一种太阳能电池集电极形成用头，其特征在于，

在权利要求6所述的太阳能电池电极的形成装置所使用的涂布头中，所具备的开关阀能够利用机构来控制是否从各个喷出喷嘴孔中进行喷出，其中，该机构能够在与被涂布材料所填充的喷出通路的供给方向垂直的方向上滑动。

8.一种太阳能电池集电极的形成方法，其特征在于，

在权利要求6所述的太阳能电池集电极的形成装置中，使用权利要求7所述的涂布头。

9.如权利要求1、3、4、6中的任一项所述的太阳能电池集电极的形成装置，其特征在于，

所装载的涂布头是将对喷出喷嘴孔的间隔进行规定的块件、和将喷出通路切削后的薄层的间隔件交替层叠堆积后得到的涂布头。

10.一种太阳能电池集电极的形成方法，其特征在于，

在权利要求9所述的太阳能电池集电极的形成装置中，使用所述层叠堆积后得到的涂布头。

11.一种涂布头，其特征在于，

在具有多个喷出喷嘴孔、以及向该喷出喷嘴孔提供粘性涂布溶液的喷出通路，并从喷出喷嘴孔中喷出涂布溶液来形成图案的涂布装置中，具备以下结构：将对多个喷出喷嘴孔的间隔进行规定的块件、和具有通过切削加工形成的喷出通路的薄层的间隔件交替层叠，并用堆叠螺栓进行固定。

12.如权利要求11所述的涂布头，其特征在于，

由块件和间隔件所形成的喷出喷嘴孔的截面形状为正方形。

13.如权利要求11或12所述的涂布头，其特征在于，

该涂布头是层叠型涂布头，设有与微细的各喷出喷嘴孔列平行、且在涂布溶液的公共供给通路内滑动的阀，能够通过各喷出喷嘴孔的开关来控制是否喷出。

14.一种涂布头的制造方法，其特征在于，

所述涂布头是权利要求11、权利要求12及权利要求13所述的层叠型涂布头。

15.一种太阳能电池集电极形成用头，其特征在于，

在权利要求6所述的太阳能电池集电极的形成装置所使用的涂布头中，所具备的开关阀具有与喷出涂布材料的喷出口列平行的旋转轴，并且呈侧面上具有切口的圆柱形，通过使该开关阀进行旋转，从而能够控制是否从各喷出喷嘴孔进行喷出。

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