JP2006054255A - 太陽電池製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池製造装置を改良し、ＸＹテーブル、レーザー発生装置及び光学系部材が高精度であり、正確なレーザースクライブが可能である太陽電池製造装置を提供する。
【解決手段】 太陽電池製造装置１は、ＸＹテーブル２と、４基のレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、光学系部材５及び空調室６によって構成されている。レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄＣ、いずれもファイバーレーザー装置である。レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれと、光学系部材５はユニット化されている。ＸＹテーブル２の上部に設けられた架台２０にユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが取付けられており、レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、光学系部材５の全てが、ＸＹテーブル２の上方にある。空調室６内にＸＹテーブル２と、レーザー発生装置３と、光学系部材５の全てが設置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池を製造するための装置に関するものであり、より詳細には、集積型薄膜太陽電池の製造に使用する装置であって、薄膜をレーザースクライブする装置に関するものである。

無尽蔵に降り注ぐ太陽エネルギーを利用して発電することができ、且つ排気ガスを排出することなくクリーンであり、さらに放射能を放出するといった危険もなく安全であることから、太陽電池が注目を集めている。
ところで太陽電池を製造する工程で、レーザースクライブと称される工程がある。レーザースクライブ工程は、基板に形成された薄膜にレーザー加工機で溝を設ける工程である。以下、レーザースクライブ工程について簡単に説明する。

図６は、太陽電池の層構成を簡単に説明する太陽電池の概念図の一例である。太陽電池１００は、図６に示すように、ガラス基板１０１に透明電極膜１０２と半導体膜（太陽電池膜 実際にはｐ膜、ｉ膜、ｎ膜の三層構造からなる）１０３及び裏面電極膜１０４が順次積層されたものであり、矢印の様に透明電極膜１０２側から裏面電極膜１０４側に向かって電流が流れる。
しかしながら、一個の太陽電池が発生させる電圧は極めて低いものであり、一つの太陽電池だけでは実用的な電圧に達しない。そこで太陽電池の薄膜に複数の溝を設けて多数の単体電池（セル）に分割し、この多数の太陽電池のセルを電気的に直列接続し、実用的な電圧にまで高める工夫がなされている。この様な太陽電池は集積型太陽電池と称されている。

図７は、集積型太陽電池の層構成を簡単に説明する太陽電池の概念図である。
集積型太陽電池１０５の層構成は、前記した基本構成の太陽電池１００と同一であり、ガラス基板１０１に透明電極膜１０２と半導体膜１０３及び裏面電極膜１０４が順次積層されたものであるが、各層に溝１１０，１１１，１１２，１１３が形成されている。
すなわち透明電極膜１０２に第一溝１１０が形成され、透明電極膜１０２が複数に分割されている。また半導体膜１０３には第二溝１１１が形成され、半導体膜１０３が複数に分割され、さらに当該第二溝１１１の中に裏面電極膜１０４の一部が進入して溝底部で透明電極膜１０２と接している。
さらに半導体膜１０３の第三溝１１２と裏面電極膜１０４に設けられた第四溝１１３が連通し、全体として深い共通溝１１５が形成されている。

集積型太陽電池１０５は、透明電極膜１０２に設けられた第一溝１１０と、半導体膜１０３及び裏面電極膜１０４に設けられた共通溝１１５によって各薄膜が区画され、独立したセルが形成されている。そして前記した様に、第二溝１１１の中に裏面電極膜１０４の一部が進入し、裏面電極膜１０４の一部が透明電極膜１０２と接しており、一つのセルは隣接するセルと電気的に直列に接続されている。
すなわち前記した様に、半導体膜（太陽電池膜）１０３で発生した電流は、透明電極膜１０２側から裏面電極膜１０４側に向かって流れるが、裏面電極膜１０４の一部が第二溝１１１を介して透明電極膜１０２と接しており、最初のセルで発生した電流が隣のセルの透明電極膜１０２に流れる。そのため電圧が順次加算されてゆく。

上記した各溝の形成は、レーザー加工機を使用して行われ、前記した様にレーザースクライブ工程と称されている。

特許文献１には、集積型太陽電池を製造する際のレーザースクライブ工程に関する技術が開示されている。
特開２００２−２４１９８６号公報

図８は、本出願人が保有する太陽電池製造装置のレイアウトを概念的に表した斜視図である。図８に示す太陽電池製造装置１２０は、レーザースクライブ工程に使用するものである。
太陽電池製造装置１２０は、ＸＹテーブル１２１と、レーザー発生装置１２２と、光学系部材１２３及び空調室１２５によって構成されている。なお空調室１２５を設ける構成は、本出願人独自の技術であり、新規である。
太陽電池製造装置１２０では、ＸＹテーブル１２１だけが空調室１２５の中にあり、レーザー発生装置１２２は、空調室１２５の外にある。またレーザー発生装置１２２とＸＹテーブル１２１の位置関係に注目すると、レーザー発生装置１２２は、ＸＹテーブル１２１の横に併置されている。
光学系部材１２３は、ミラーやレンズの組み合わせであり、レーザー発生装置１２２で発生したレーザー光をＸＹテーブル１２１上の基板に導くものである。なお光学系部材１２３は、実際には、非常に複雑であるが、説明を簡単にするために図示を簡略化している。

上記した様に集積型太陽電池では、薄膜に設けられる溝が必須であるが、溝自体や溝間の部位は、発電に寄与しない。従ってこれらはできるだけ狭いことが望ましい。
その一方、太陽電池はますます大型化する傾向にあり、１ｍやそれ以上の幅を持つ基板に成膜し、この薄膜をレーザースクライブする必要が生じつつある。
この様な大型の基板に対して、多数の溝を、狭い間隔で形成させるためには、ＸＹテーブルと、レーザー発生装置及び光学系部材のより一層の精度向上が望まれる。
そこで本発明は、太陽電池製造装置を改良し、ＸＹテーブル、レーザー発生装置及び光学系部材の精度が高く、正確なレーザースクライブが可能である太陽電池製造装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、レーザースクライブの精度を向上させる為の、あらゆる要因を検討した。そしてレーザースクライブの精度を向上させる為には、雰囲気温度の管理が必須であるという結論に至った。すなわち現行におけるレーザースクライブの溝幅は、約５０μｍであり、溝間の間隔が、５０〜１００μｍ程度と極めて小さい。しかしその一方で、基材の幅は１ｍ程度と甚だしく大きい。そのため溝幅や溝同士の間隔を正確に制御するためには、基板、ＸＹテーブル及び光学系部材の温度による伸長や微妙な位置ずれを無視することはできない。またレーザー発生装置についても雰囲気温度によってレーザー光線の励起状態が変化し、光束の断面におけるエネルギー分布に変動を来す懸念がある。
そのため、前記した基板、ＸＹテーブル、光学系部材及びレーザー発生装置を常に同一の温度に保つことが理想であるが、前記した様に基板やＸＹテーブルは大型であり、さらに光学系部材も複雑であるから、これらを常に同一の温度に保つことは事実上できない。
そこで本発明者らは、光学系部材とレーザー発生装置をできるだけ基板に近づけ、光学系部材とレーザー発生装置の雰囲気温度を基板のそれに合わせることを考えた。

この様な経緯から完成された請求項１に記載の発明は、太陽電池の半製品たる基板であって、電極膜又は半導体膜の少なくともいずれかの薄膜が成膜された前記基板が載置されるＸＹテーブルと、レーザー発生装置と、前記基板にレーザーを導くための光学系部材を備え、レーザー発生装置が発生させるレーザーを前記光学系部材によって基板に照射すると共にＸＹテーブルを動作させ、基板表面の薄膜に溝を形成させる太陽電池製造装置において、ＸＹテーブルは、基板を上面に載置して基板を水平移動させるものであり、前記レーザー発生装置と光学系部材が、前記ＸＹテーブルの上方に設置されていることを特徴とする太陽電池製造装置である。

本発明の太陽電池製造装置では、基板がＸＹテーブルの上面に載置される。一方、レーザー発生装置と光学系部材は、ＸＹテーブルの上方に設置されているから、レーザー発生装置と光学系部材は基板の真上に位置し、基板が置かれた温度雰囲気と光学系部材等が置かれた温度雰囲気が一致する。そのため光学系部材及びレーザー発生装置を取り巻く雰囲気温度の管理が容易である。その結果、光学系部材とレーザー発生装置の精度が向上し、レーザースクライブの加工精度が向上する。

また請求項２に記載の発明は、ＸＹテーブルと、レーザー発生装置と、全ての光学系部材の三者を囲む空調室を備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池製造装置である。

本発明の太陽電池製造装置では、ＸＹテーブルと、レーザー発生装置と、光学系部材の全てが、単一の空調室内に設置されているから、基板及び各基材の温度雰囲気が近似し、レーザースクライブの加工精度が向上する。

また請求項３に記載の発明は、レーザー装置は空冷方式によって冷却されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池製造装置である。

本発明の太陽電池製造装置では、レーザー装置が空冷方式であるから、雰囲気温度の影響を受けやすく、基板が置かれた温度雰囲気とレーザー装置の温度雰囲気が一致し易い。そのためレーザー発生装置の励起状態が安定し、レーザースクライブの加工精度が向上する。

本発明の太陽電池製造装置は、前記した様に光学系部材とレーザー発生装置の精度が高く、溝同士の間隔を狭く設定することができる。そのため溝幅自体についても狭い方が望ましい。
そのため基板に照射されるレーザー光は、光束の断面直径が２５μｍ未満であることが推奨される（請求項４）。

レーザー発生装置には、ファイバーレーザー装置を採用することが望ましい（請求項５）。

ファイバーレーザー装置は、他の公知のレーザー装置に比べて小型であるから、狭い場所への設置が可能であり、本発明の様にＸＹテーブルの上方に置く様なレイアウトに適する。またファイバーレーザー装置では、外部の光学系部材も簡略化可能であるから、この点についても、本発明の様にＸＹテーブルの上方に置く様なレイアウトに適する。

また請求項６に記載の発明は、複数のレーザー発生装置を備え、その内の一以上のレーザー発生装置は、光学系部材とユニット化されており、レーザー発生装置と光学系部材の位置又は姿勢を一体的に調節可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池製造装置である。

太陽電池製造装置においては、レーザーの照射位置を微調整する必要があり、従来技術においては、多数のレンズやミラーをその度に微調整していた。この作業は手間であるばかりでなく、レンズやミラーの位置が変わることによってレンズ間の距離等が変わり、予期せぬ不具合が生じることがあった。
これに対して本発明では、レーザー発生装置と光学系部材をユニット化し、レーザー発生装置と光学系部材の位置又は姿勢を一体的に調節可能としたので、レーザーの照射位置を微調整する際に、ユニット内の光学系部材の調節が不要である。またユニット内におけるレンズ等の位置が変わらないから、予期せぬ不具合も少ない。

本発明の太陽電池製造装置によると、正確なレーザースクライブが可能であり、レーザースクライブによって形成される溝の溝幅や、溝同士の間隔を正確に制御することができる。そのため薄膜に形成される溝の間隔をより狭くすることが可能となり、従来に増して高集積された集積型薄膜太陽電池を製造することができる。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の太陽電池製造装置のレイアウトを概念的に表した斜視図である。図２は、図１の太陽電池製造装置の正面断面図である。図３は、図１の太陽電池製造装置の側面断面図である。図４は、レーザー発生装置と光学系部材のユニットを並べた状態を示す斜視図である。図５は、図１の太陽電池製造装置の光学系部材の説明図である。

図１乃至３において、１は、本発明の実施形態の太陽電池製造装置を示す。本実施形態の太陽電池製造装置１は、レーザースクライブ工程で使用されるものである。

本実施形態の太陽電池製造装置１は、ＸＹテーブル２と、４基のレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、光学系部材５及び空調室６によって構成されている。
レーザー発生装置の台数は、レーザースクライブ工程の処理時間に応じて決まり、台数が多いほど処理時間は短くなるが、設備コストは上昇する。通常は２台〜８台程度が処理時間とコストを両立させる点から望ましい。
ＸＹテーブル２は、公知のそれと同一であり、ベース１０に二列一組のＸ方向ガイド１１と、これに直交する二列一組のＹ方向ガイド１２を持ち、移動テーブル１５を平面的に移動させることができるものである。
本実施形態では、ＸＹテーブル２では移動テーブル１５が水平に設置され、移動テーブル１５上に基板１７を載置することができる。基板１７は、移動テーブル１５と共に水平移動する。

レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、本実施形態では、いずれもファイバーレーザー装置が採用されている。ここでファイバーレーザー装置とは、光ファイバー内に有するレーザー活性物質に励起光を供給することによってレーザー発振を行わしめる装置である。
さらに具体的には、本実施形態で採用するレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、２重クラッド型ファイバーレーザー装置である。２重クラッド型ファイバーレーザー装置で使用する光ファイバーは、コア部の周囲に当該コア部よりも屈折率の低い第一クラッド部があり、その外側にさらに屈折率が低い第二クラッド部を備える。
そして２重クラッド型ファイバーレーザー装置では、例えば半導体レーザーが励起光として光ファイバー内に導入される。
光ファイバー内に導入された励起光は、第一クラッド部と第二クラッド部の屈折率差による全反射により第一クラッド部に閉じ込められた状態を保ちながら伝搬する。そしてこの伝搬の際に励起光はコア部を繰り返し通過し、コア部のレーザー活性物質を励起する。

本実施形態で採用するレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、レーザーを発生させる光ファイバーの線径が２５μｍ以下である。
また本実施形態で採用するレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、空冷方式である。

太陽電池製造装置１の光学系は、図５に示すようなテレセントリック光学系であり、第一レンズ１３と第２レンズ１４によって構成されている。第一レンズ１３は、レーザー発生装置３の、光ファイバー１６の先端部分が焦点となる位置に配される。また第２レンズ１４は、集光レンズであり、前記した第一レンズ１３と平行位置であり且つ基板１７が焦点となる位置に配されている。

レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄでは、光ファイバー１６の先端部からレーザー光線が拡散光として発せられる。そして第一レンズ１３レーザー光が平行光に変換され、さらに第２レンズ１４によって基板１７に集光される。

前記した様に光学系部材５によってレーザー光が絞られるが、基板１７に照射されるレーザー光は、その直径が２５μｍ未満であることが望ましい。

本実施形態では、前記したレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれと、光学系部材５がユニット化されている。すなわち４基のレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、図４の様にそれぞれ個別の台座２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに搭載されている。各台座２１の下部には、図５の様にレンズボックス２３が取り付けられており、当該レンズボックス２３の中に光学系部材５の全てが収納されている。またレーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの光ファイバー１６は、図５の様に台座２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに設けられた開口２５を通ってレンズボックス２３内に配置され、光学系部材５と所定の位置関係を維持している。
この様に本実施形態では、レーザー発生装置３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と、光学系部材５が一体化された４台のユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを備える。

空調室６は、具体的にはクリーンルームであり、空調機１８によって内部の温度が一定に保たれる。

そして本実施形態の太陽電池製造装置１では、空調室６内にＸＹテーブル２と、レーザー発生装置３と、光学系部材５の全てが設置されている。
より具体的には、ＸＹテーブル２の上部に架台２０が設けられ、当該架台２０に４台のユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが設置されている。各ユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは、図示しない調整治具を介して架台２０に固定されている。そのため図示しない調整治具を調整することにより、各ユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの取付け位置や姿勢、方向を微調整することができる。

本実施形態では、前記した様にＸＹテーブル２の上部に設けられた架台２０にユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが取付けられており、さらに当該ユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは、レーザー発生装置３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と、光学系部材５を一体化したものである。そのため本実施形態の太陽電池製造装置１では、レーザー発生装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、光学系部材５の全てが、ＸＹテーブル２の上方にある。

本実施形態の太陽電池製造装置１についても従来と同様にレーザー発生装置３によってレーザー光を発生させ、これを光学系部材５でＸＹテーブル２に導き、ＸＹテーブル２上の基板１７にレーザー光を照射する。そして同時にＸＹテーブル２を動作し、基板１７の表面の薄膜に溝を形成させる。
また空調機１８を動作させ、空調室６内の温度が一定に保たれる。そのため本実施形態では、ＸＹテーブル２と、レーザー発生装置３と、光学系部材５及び基板１７が同一の温度雰囲気にさらされる。特に本実施形態では、ＸＹテーブル２上に基材１７が載置され、レーザー発生装置３と、光学系部材５がＸＹテーブルの上方にあるから、レーザー発生装置３と、光学系部材５は基材１７に近接した位置にあり、三者は極めて近い雰囲気温度で動作することとなる。また本実施形態では、レーザー発生装置３が空冷であるから、雰囲気温度の影響を受けやすく、基板１７等と同一温度に空調された雰囲気で動作させることによって動作が安定する。

そのため本実施形態の太陽電池製造装置１によると、正確なレーザースクライブが可能であり、レーザースクライブによって形成される溝の溝幅や、溝同士の距離を正確に制御することができ、従来に増して高集積された集積型薄膜太陽電池を製造することができる。
また特に本実施形態では、レーザー発生装置にファイバーレーザー装置を採用し、且つレーザーを発生させるファイバーとして線径が２５μｍ以下のものを選定しているので、レーザーの断面直径が小さく、細い溝を形成することができる。
またファイバーレーザーはレーザー発振の繰り返し周波数が１００ｋＨｚ程度と通常のＱ−スイッチを用いたＹＡＧレーザーなどと比較し高いため、レーザースクライブ速度を高速化できる。スクライブ速度はレーザービームの直径と繰り返し周波数の積により規定されるため、繰り返し周波数が高いほど高速化できる。１００ｋＨｚの繰り返し周波数では最高２．５ｍ／ｓ、実用的には１．５〜２ｍ／ｓ程度までＸＹテーブルの移動速度を速めても、レーザースクライブが可能である。

さらに本実施形態では、レーザー発生装置３にファイバーレーザー装置を採用しているので、光学系部材５に要するレンズやミラーの枚数が少ない。そのため光学系部材５の調整が容易である。またさらに本実施形態では、レーザー発生装置３と光学系部材５がユニット化されていて一体的であり、両者の位置関係は固定されている。
そのため基板１７に対するレーザー発生装置３と光学系部材５の位置調整を一体的に行うことができる。すなわち本実施形態では、レーザー発生装置３と光学系部材５の位置関係が固定されているので、光学系部材５内における位置調整や、レーザー発生装置３と光学系部材５との位置調節が不要であり、単に図示しない調整治具を調整して各ユニット２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの位置や姿勢を微調整するだけで基板１７に対する全ての位置調整が完了する。

また本実施形態では、レーザー発生装置３にファイバーレーザー装置を採用しているので、光学系部材に要するレンズやミラーが少なく、レンズ等に付着した埃や、空中に浮遊する埃等による光軸の乱れが無い。そのため本実施形態の太陽電池製造装置１は、溝幅にばらつきが少ないという効果がある。

以上説明した実施形態では、レーザー発生装置３にファイバーレーザー装置を採用したが、本発明は、ファイバーレーザー装置の採用に限定されるものではなく、他の公知のレーザー装置を採用することもできる。
例えばＹＡＧレーザーや、炭酸ガスレーザーを使用することもできる。

図１乃至図５に示す太陽電池製造装置を使用し、レーザー出力１０Ｗ、繰り返し周波数４０ｋＨｚから１００ｋＨｚのファイバーレーザーを用いて透明導電膜の加工を実施した。ＸＹテーブルを４００ｍｍ／ｓおよび８００ｍｍ／ｓで移動して加工を実施したが、良好な絶縁性能を得ることができ、透明導電膜のレーザースクライブを完了できた。

本発明の実施形態の太陽電池製造装置のレイアウトを概念的に表した斜視図である。 図１の太陽電池製造装置の正面断面図である。 図１の太陽電池製造装置の側面断面図である。 レーザー発生装置と光学系部材のユニットを並べた状態を示す斜視図である。 図１の太陽電池製造装置の光学系部材の説明図である。 太陽電池の層構成を簡単に説明する太陽電池の概念図である。 集積型太陽電池の層構成を簡単に説明する太陽電池の概念図である。 本出願人が保有する太陽電池製造装置のレイアウトを概念的に表した斜視図である。

符号の説明

１ 太陽電池製造装置
２ ＸＹテーブル
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ レーザー発生装置
５ 光学系部材
６ 空調室
１７ 基板
１８ 空調機
２３ レンズボックス
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ ユニット

Claims (6)

1. 太陽電池の半製品たる基板であって、電極膜又は半導体膜の少なくともいずれかの薄膜が成膜された前記基板が載置されるＸＹテーブルと、レーザー発生装置と、前記基板にレーザーを導くための光学系部材を備え、レーザー発生装置が発生させるレーザーを前記光学系部材によって基板に照射すると共にＸＹテーブルを動作させ、基板表面の薄膜に溝を形成させる太陽電池製造装置において、ＸＹテーブルは、基板を上面に載置して基板を水平移動させるものであり、前記レーザー発生装置と光学系部材が、前記ＸＹテーブルの上方に設置されていることを特徴とする太陽電池製造装置。
2. ＸＹテーブルと、レーザー発生装置と、全ての光学系部材の三者を囲む空調室を備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池製造装置。
3. レーザー装置は空冷方式によって冷却されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池製造装置。
4. 基板に照射されるレーザー光は、光束の断面直径が２５μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池製造装置。
5. レーザー発生装置は、ファイバーレーザー装置であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池製造装置。
6. 複数のレーザー発生装置を備え、その内の一以上のレーザー発生装置は、光学系部材とユニット化されており、レーザー発生装置と光学系部材の位置又は姿勢を一体的に調節可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池製造装置。

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