JP2007165137A - 絶縁隔壁の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を単一の工程で行なうことができる絶縁隔壁の形成方法を提供する。
【解決手段】絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を形成する方法であって、
可動電極とディスペンサーとが一体に組み立てられた走査ヘッドを、上記可動電極と上記ディスペンサーとが走査方向に対して前後に並ぶ向きに配置し、上記導電膜に接触させた固定電極との間に電圧を印加した上記可動電極の先端と上記導電膜の表面とを通電状態に維持しつつ、上記走査ヘッドで該導電膜上を走査し、上記通電した部分の上記導電膜をジュール熱によりエッチング除去することにより該導電膜を分割する溝を形成し、該形成された溝に上記ディスペンサーから上記絶縁隔壁の材料を供給することにより該絶縁隔壁を形成することを特徴とする絶縁隔壁の形成方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を形成する方法に関し、特に複数の色素増感型太陽電池セルを直列に接続したモジュールのセル間絶縁隔壁の形成に適した方法に関する。

色素増感型太陽電池は、特許文献１、２等においてグレツェル等により初めて提案されたものが代表であり、シリコン太陽電池に比べて材料が安価で大掛かりな製造設備を必要としないため、低コストで小規模の電力供給源として注目されている。

しかし、これまでの実績では、光電変換効率がシリコン太陽電池に及ばず出力電圧が小さい。そのため、実用化に当たっては、複数のセルを直列に接続してモジュールとすることが不可欠である。

色素増感型太陽電池の一番の利点は低コストであるので、モジュール化するに当たっても、簡単で低コストの方法および構造が求められている。

図１、２に従来の色素増感型太陽電池モジュールの代表的な構造を示す。

図１に示した構造は、特許文献３、４等に開示されているものであり、図１（１）に示す個々の完成した色素増感型太陽電池セル１０同士を、図１（２）に示すように接続リードで直列接続してモジュール１００としてある。

図１（１）の色素増感型太陽電池セル１０は、入射光Ｌの受光側（図で上方）から順に、透明基板１２、透明導電膜１４、色素担持酸化物半導体層１６、電解液層１８、裏面導電膜２０（透明又は不透明）、裏面基板２２（透明又は不透明）が積層して構成されている。一般に、裏面導電膜２０の上にはＰｔ、Ｃなどの触媒層２４を設けるが、必須ではない。セル１０の周囲は、電解液１８の漏洩を防止するように封止材２６で液密封止されている。色素担持酸化物半導体層１６で発生した電子（ｅ−）を外部へ送り出す透明導電膜１４が電池１０の負極であり、これに対して外部から電子（ｅ−）を取り込む裏面導電膜２０が電池１０の正極である。

図１(２)は、図１（１）の色素増感型太陽電池セル１０を３個、平面配列して直列接続したモジュール１００を示す。隣接するセル１０の正極２０と負極１４とを電極接続線２８で電気的に接続し、透明支持基板３０と裏面支持基板３２（透明又は不透明）との間に挟んで透明絶縁充填剤３４で封止してモジュール１００とする。モジュール１００としての出力端子は正極３６および負極３８である。

このように、図１のモジュール１００を作製するには、複数個の単体セル１０を上記のように組み立てる煩雑な工程が必要になる。

特許文献５には、上記のような単体セルの組み立てに拠らず、図２に示すように複数個のセルから成るモジュールを一括して作製する方法が提案されている。

図２に示した色素増感型太陽電池モジュール２００は、複数個の色素増感型太陽電池セル２１０の領域とセル間領域２１５とが交互に平面配列された一体構造として一括作製されている。セル２１０は、図１（１）の単体セル１０と同じ基本構造であり、入射光Ｌの受光側（図で上方）から順に、透明基板２１２、透明導電膜２１４、色素担持酸化物半導体層２１６、電解液層２１８、裏面導電膜２２０（透明又は不透明）、裏面基板２２２（透明又は不透明）が積層して構成されている。この例でも、裏面導電膜２２０の上にはＰｔ、Ｃなどの触媒層２２４が設けてあるが、必須ではない。

図示したとおり、透明基板２１２および裏面基板２２２はそれぞれ、複数個のセル２１０の全てについて共通の連続した単一の基板である。透明導電膜２１４および裏面導電膜２２０はそれぞれ、セル２１０内にある電極部２１４Ｅ、２２０Ｅと、電極部の一端からセル間領域２１５内に至る延在部２１４Ｔ、２２０Ｔとから成る。

色素担持酸化物半導体層２１６で発生した電子（ｅ−）を外部へ送り出す透明導電膜２１４がセル２１０の負極であり、これに対して外部から電子（ｅ−）を取り込む裏面導電膜２２０がセル２１０の正極である。

セル２１０同士を直列接続するために、セル間領域２１５において、その左側のセル２１０の負極２１４の延在部２１４Ｔと、右側のセル２１０の正極２２０の延在部２２０Ｔとが、別体の電極接続部２２８によって電気的に接続されている。この電極接続部２２８の高さが電解液層２１８の厚さｄを規定している。電極接続部２２８の両側に一対のセル間絶縁隔壁２２６が密着して液密封止し、これにより電解液２１８がセル２１０内に封入され、個々のセル２１０の領域が確定される。

このようにして単一の基板上に複数のセルを直列接続した形で一括作製してモジュールを得ることができるが、電極接続部２２８の両側をセル間絶縁隔壁２２６で液密封止する必要がある。それには、図３に示した工程を行なう。

まず図３（１）に示すように、受光側・裏面側の絶縁基板２１２・２２２上の各電極２１４・２２０用の導電膜を複数のセル領域２１０（図２）に分割する溝２２５を形成する。この溝形成は、例えば特許文献６に開示されているレーザ・スクライブ法や、特許文献７に開示されている機械的切削によって行なう。なお受光側の絶縁基板２１２は、導電膜２１４を下向きにして図示してあるが、これはモジュール２００における最終的な向きに対応させて見易くしただけであり、実際にこのような向きにして処理する必要はない。図３(２)も同様である。

更に、上記溝形成後に、図３（２）に示すように、溝２２５に位置合わせしてセル間絶縁隔壁２２６を形成しなくてはならず、煩雑で多くの処理工程が必要になる。

色素増感型太陽電池は、材料コストと共に製造コストが低廉なことが最大の利点であるが、図２に示した一括作製のモジュールでも、モジュールの作製工程数の増加や作製工程の複雑化により、製造コストが増大するという問題があった。

特許第２６６４１９４号 特許第２１０１０７９号 特開２００１−１８５７４３号公報（段落００８１等） 特開２００３−８６８２２号公報 特開２００２−９３４７５号公報 特開２００１−２１０８５１号公報 特開２００１−１１９０４８号公報

本発明は、絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を単一の工程で行なうことができる絶縁隔壁の形成方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を形成する方法であって、
可動電極とディスペンサーとが一体に組み立てられた走査ヘッドを、上記可動電極と上記ディスペンサーとが走査方向に対して前後に並ぶ向きに配置し、上記導電膜に接触させた固定電極との間に電圧を印加した上記可動電極の先端と上記導電膜の表面とを通電状態に維持しつつ、上記走査ヘッドで該導電膜上を走査し、上記通電した部分の上記導電膜をジュール熱によりエッチング除去することにより該導電膜を分割する溝を形成し、該形成された溝に上記ディスペンサーから上記絶縁隔壁の材料を供給することにより該絶縁隔壁を形成することを特徴とする絶縁隔壁の形成方法が提供される。

本発明によれば、一体の走査ヘッドを構成し前後に配列された可動電極とディスペンサーにより、同一位置で連続的に溝の形成と絶縁隔壁の形成とを行なうので、溝と絶縁隔壁の位置合わせを行なう必要もなく、単一の工程で溝および絶縁隔壁を形成できる。

本出願人は既に、特願２００５−１００７２において導電膜を分割する溝の形成方法を開示した。すなわちこの溝形成方法は、絶縁性基板の表面に形成された導電膜の加工方法であって、固定電極を上記導電膜に接触させ、上記固定電極との間に電圧を印加した可動電極の先端と上記導電膜の表面とを通電状態に維持しつつ、該可動電極の先端で該導電膜上を走査することにより、該導電膜の厚さを貫通し上記絶縁性基板の表面が底面として露出している溝を該導電膜に形成する方法である。

本発明は、上記の溝形成方法を利用し、可動電極とディスペンサーとを一体に組み合わせた走査ヘッドで導電膜上を走査することにより、走査方向に対して前寄りにある可動電極の先端で上記開示の方法と同様にして導電膜を分割する溝を形成し、走査方向に対して後寄りにあるディスペンサーから溝に材料供給して絶縁隔壁を形成する。

一体の走査ヘッドを構成している可動電極とディスペンサーとが前後して同一位置を走査するので、ディスペンサーによって形成される絶縁隔壁は可動電極によって形成される溝に対して形成と同時に自動的に位置合わせされる。

図４（１）に、本発明により絶縁隔壁を形成する方法を実施するための基本的な装置構成を示す。

図示したように、絶縁性基板２１２・２２２の表面に導電膜２１４・２２０が形成されている。導電膜２１４・２２０接触させた固定電極４０で、絶縁性基板２１２・２２２を架台４２上に締付けて固定してある。

可動電極４４とディスペンサー４６とが絶縁接合部４８を介して一体に組み立てられた走査ヘッド５０を、可動電極４４とディスペンサー４６とが、走査方向Ｄに対して前後に並ぶ向きに配置してある。

電源５２によりリード線５４を介して、固定電極４０との間に電圧を印加した可動電極４４の先端４４Ｔと導電膜２１４・２２０の表面Ｓとを通電状態に維持しつつ、走査ヘッド５０で導電性薄膜２１４・２２０上を走査する。この走査は、走査ヘッド５０および架台４２の少なくとも一方を相対的に移動させることにより行なう。

これにより、図５に示すように、通電した部分の導電膜２１４・２２０をジュール熱によりエッチング除去することにより導電膜２１４・２２０を分割する溝２２５を形成し、形成された溝２２５に後続のディスペンサー４６から絶縁隔壁の材料を供給することにより絶縁隔壁２２６を形成する。図５（１）は走査方向に沿った断面図、図５（２）は導電膜２１４・２２０の上から見た平面図である。なお、図５(２)では装置は示さず、導電膜上に形成されつつある溝と絶縁隔壁の形態を示した。

可動電極４４の材質としては、銅（Ｃｕ）、真鍮（黄銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金）、ＡｌまたはＡｌ合金、タングステン（Ｗ）を用いることができる。銅は導電性の観点で最も優れている。真鍮は加工性が良いので種々の形状の加工電極を作製するのに適している。加工対象である導電膜２１４・２２０が軟質である場合には、ＡｌまたはＡｌ合金を用いても良い。加工対象である導電性薄膜１２が硬質である場合には、硬質材料であるタングステンを用いると加工電極の損耗が低減できる。

電源５２としては、直流（ＤＣ）、交流（ＡＣ）、パルス電流等、種々の形態を用いることができる。

可動電極４４の形状は、図４（１）に示したように先端４４Ｔが尖頭形状でもよいが、図４（２）に示す形態が望ましい。

すなわち、図４（２）に示す可動電極４４は、一対の電極押え具４４Ａで電極本体４４Ｂを挟持した形態であり、電極本体４４Ｂは一定の幅Ｗおよび厚さＤを持つ短冊形状としてある。これにより電極本体４４Ｂが使用に伴う損耗により先端４４Ｔの位置が後退しても、先端４４Ｔは常に一定の面積を維持されるので、加工プロセス全期間を通じて、導電膜２１４・２２０の通電部分の面積が一定に維持される。

絶縁隔壁２２６の材料としては、絶縁性、電解液２１８に対する耐食性、機械的強度等の必要な性質を備えるものが適しており、（１）熱硬化性樹脂、（２）熱可塑性樹脂、（３）光硬化性樹脂、（４）ガラスペーストを用いることが望ましい。いずれを用いた場合にも、高粘度液またはスラリーとしてディスペンサーから溝に供給する。

（１）熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂が代表的であるが、これらに限定する必要なない。熱硬化性樹脂を用いる場合、ディスペンサー４６から溝２２５に供給した後に、加熱処理により有機溶剤の除去と樹脂の硬化とを行なう。

（２）熱可塑性樹脂としては、アイオノマー樹脂、ＥＶＡ樹脂（エチレン酢酸ビニル共重合樹脂）、ポリアセタール樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂が代表的であるが、これらに限定する必要はない。熱可塑性樹脂を用いる場合、ディスペンサー４６から溝２２５に供給した後、加熱処理により固化させる。

（３）光硬化性樹脂としては、紫外線硬化性エポキシ樹脂、紫外線硬化性アクリル樹脂が代表的であるが、これらに限定する必要はない。光硬化性樹脂を用いる場合、ディスペンサー４６から溝２２５に供給した後、加熱等により有機溶剤を除去してから、光照射により硬化させる。

（４）ガラスペーストとしては、非晶質低融点ガラスペースト、複合系低融点ガラスペースト、結晶性低融点ガラスペーストが代表的であるが、これらに限定する必要はない。ガラスペーストを用いる場合、ディスペンサー４６から溝２２５に供給した後に、加熱処理により硬化させる。硬化のための加熱処理の温度は、上記のような低融点タイプの場合でも４００℃程度が必要である。

なお、図５（２）において、絶縁隔壁２２６は溝２２５を過不足なく充填しているように示したが、色素増感型太陽電池モジュールのセル間絶縁隔壁としては、必ずしもそのようである必要は無い。例えば絶縁隔壁２２６の幅の一部が溝２２５の幅の一部を充填して幅の残りが導電膜２１４・２２０上に乗り上げる形態であっても、セル間の絶縁を安定して確保できればよい。

また、図４（１）において、可動電極４４とディスペンサー４６との間に、溝形成時の加工屑を除去するための手段として、真空吸引ノズル等を配置することもできる。

更に、図４（１）に示した走査ヘッド５０を走査方向Ｄに対して横方向に複数個配列した複合ヘッドを用いて、複数の溝２２５と絶縁隔壁２２６の形成を一括して行なうこともできる。

本発明によれば、絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を単一の工程で行なうことができる絶縁隔壁の形成方法が提供される。

単体セルを接続して埋め込んで一体化した構造の従来の色素増感型太陽電池モジュールを示す断面図である。 複数個のセルから成る一体化構造を一括作製した従来の色素増感型太陽電池モジュールを示す断面図である。 図２に示した一括作製型の色素増感型太陽電池モジュールを製造する際に、（１）各セル単位に導電膜を分断する溝の形成と、（２）この溝内への絶縁隔壁の形成とを示す断面図である。 本発明の絶縁隔壁形成方法を実施するための装置の（１）基本構成を示す配置図および（２）可動電極の望ましい一形態を示す斜視図である。 図４の装置を用いて、絶縁基板上の導電膜に溝の形成および絶縁隔壁の形成を単一工程で行なう状態を示す（１）断面図および（２）平面図である。

符号の説明

１００ 色素増感型太陽電池モジュール
１０ 色素増感型太陽電池セル
１２ 透明基板
１４ 透明導電膜
１６ 色素担持酸化物半導体層
１８ 電解液層
２０ 裏面導電膜
２２ 裏面基板
２４ 触媒層
２６ 封止材
２８ 電極接続線
３０ 透明支持基板
３２ 裏面支持基板
３４ 透明絶縁充填剤
２００ 色素増感型太陽電池モジュール
２１０ 色素増感型太陽電池セル
２１５ セル間領域
２１２ 透明基板
２１４ 透明導電膜
２１６ 色素担持酸化物半導体層
２１８ 電解液層２１８
２２０ 裏面導電膜
２２２ 裏面基板
２２４ 触媒層
２２５ 溝
２２６ セル間絶縁隔壁
４０ 固定電極
４２ 架台
４４ 可動電極
４４Ｔ 先端
４６ ディスペンサー
４８ 絶縁接合部
５０ 走査ヘッド
５２ 電源
５４ リード線

Claims (4)

1. 絶縁性基板上の導電膜を複数の領域に分割する絶縁隔壁を形成する方法であって、
   可動電極とディスペンサーとが一体に組み立てられた走査ヘッドを、上記可動電極と上記ディスペンサーとが走査方向に対して前後に並ぶ向きに配置し、上記導電膜に接触させた固定電極との間に電圧を印加した上記可動電極の先端と上記導電膜の表面とを通電状態に維持しつつ、上記走査ヘッドで該導電膜上を走査し、上記通電した部分の上記導電膜をジュール熱によりエッチング除去することにより該導電膜を分割する溝を形成し、該形成された溝に上記ディスペンサーから上記絶縁隔壁の材料を供給することにより該絶縁隔壁を形成することを特徴とする絶縁隔壁の形成方法。
2. 請求項１において、複数個の上記走査ヘッドを同時に走査することにより、複数個の上記溝と上記絶縁隔壁とを同時に形成することを特徴とする絶縁隔壁の形成方法。
3. 請求項１または２において、上記絶縁基板、上記導電膜、上記絶縁隔壁がそれぞれ、複数の色素増感型太陽電池セルを直列接続したモジュールの受光側または裏面側の絶縁基板、電極膜、セル間絶縁隔壁であることを特徴とする絶縁隔壁の形成方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項において、上記絶縁隔壁の材料として、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、ガラスペーストのいずれかを用いることを特徴とする絶縁隔壁の形成方法。

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