JP2007194569A - 太陽電池用基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属薄板上に樹脂を被覆し、樹脂表面に規則的な微小凹凸を形成することにより光閉じ込め効果が高く、更に低熱膨張の金属薄板を適用することによって、高い信頼性を有する太陽電池用基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】 金属薄板上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂を被覆した太陽電池用基板であって、前記樹脂は、表面に凹凸構造を有し、且つ隣り合う凸部の４つの頂点を線で結んだ四角形の対向する２つ頂点を直線で結んだ時、何れの凹凸構造の断面形状とも（１）式で近似される正弦波が連続的につながっており、凹凸高さの半値を表すＡが０．１５μｍ≦Ａ≦１．０μｍ、山間隔の変数を表すＢが２．１μｍ^-1≦Ｂ≦２１μｍ^-1、近似式（１）と実形状の高さ方向のズレを表す平均誤差が０．1μｍ以下である太陽電池用基板である。
ｙ＝Ａ×ｓｉｎ（Ｂｘ）…（１）
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面に規則的な微小凹凸を有する太陽電池用基板及びその製造方法に関するものである。

太陽電池は、結晶シリコンのインゴットを作製し、これをスライスして素子を形成する方法が主流である。しかし、この方法では結晶シリコンの薄型化に不利であり、更に切りしろを必要とするため生産性が悪く高コストである。
そのため、太陽電池の低コスト化のために、プラズマ化学気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）により発電層（以下、シリコン層）を薄膜化する研究が盛んに行われている。中でも光照射安定性に優れ、光吸収波長帯が広く、低温成膜が可能である微結晶シリコンに注目が集まっている。
そして更に、シリコン層内で光を散乱させて光路長を増大させる方法（光閉じ込め効果）により、太陽電池の高効率化の検討も盛んになされている。この光閉じ込め効果を発現するには、基板表面に数百ｎｍ〜数μｍの微小凹凸を形成する方法が多くとられている。

ところで、上述した微結晶シリコンの太陽電池は、プラズマＣＶＤによりシリコン膜を形成するため、結晶粒は基板に対して垂直方向に成長する。この時、凹凸が急峻な形状である場合、凹部では結晶成長の衝突を生じて粒界欠陥が大きくなり、膜質の低下によりリーク電流が増大する。また凸部ではシリコン膜が極端に薄くなって短絡し易くなる。そのため、微小凹凸は緩やかに形成することが重要である。
そして、微小凹凸は緩やかに形成する方法として特開２０００−２７７７６３号（特許文献１）や、特開２００２−１１１０１７号公報（特許文献２）のような太陽電池が提案されている。

特開２０００−２７７７６３号公報 特開２００２−１１１０１７号公報

上述した従来技術のうち、特許文献１に開示される太陽電池は、曲面凹凸を有するため、シリコン層でのリーク電流が小さく、高い発電効率を奏するものである。
しかしながら、特許文献１で示される太陽電池は、エッチングによって微小凹凸を形成するため、凹凸高さや凹凸間隔がランダムであり、光閉じ込め効果に寄与しない凹凸も形成されるため、太陽光の吸収ロスが生じるといった欠点がある。
特許文献２に開示される太陽電池は、ガラス基板やステンレス基板にイオンエッチングにより微小凹凸を形成したものである。しかし、この方法で形成した微小凹凸は、凹部は曲面形状であるが、凸部が鋭利な形状であるので、発電層に欠陥が生じ、リーク電流が増大し易いと言った問題がある。また、上述したように、エッチングではランダムな凹凸が形成されるので、太陽光の吸収ロスが生じるという問題がある。
本発明の目的は、金属薄板上に樹脂を被覆し、樹脂表面に規則的な微小凹凸を形成することにより光閉じ込め効果が高く、更に低熱膨張の金属薄板を適用することによって、高い信頼性を有する太陽電池用基板とその製造方法を提供することである。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものである。
即ち本発明は、金属薄板上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂を被覆した太陽電池用基板であって、前記樹脂は、表面に凹凸構造を有し、且つ隣り合う凸部の４つの頂点を線で結んだ四角形の対向する２つ頂点を直線で結んだ時、何れの凹凸構造の断面形状とも（１）式で近似される正弦波が連続的につながっており、凹凸高さの半値を表すＡが０．１５μｍ≦Ａ≦１．０μｍ、山間隔の変数を表すＢが２．１μｍ^-1≦Ｂ≦２１μｍ^-1、近似式（１）と実形状の高さ方向のズレを表す平均誤差が０．1μｍ以下である太陽電池用基板である。
ｙ＝Ａ×ｓｉｎ（Ｂｘ）…（１）
また、本発明の好ましい樹脂の厚みは３μｍ〜１５μｍであり、金属薄板の金属薄板の厚みは２０〜１５０μｍ、３０℃〜３００℃迄の熱膨張係数が１〜１０×１０^−６／℃である樹脂被覆金属基板である。
また、上述の本発明の太陽電池用基板の製造方法は、金属薄板上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂を被覆した太陽電池用基板素材に、２００℃〜３５０℃に加熱した（１）式で近似される凹凸を有する型を２０ＭＰａ以上で前記樹脂に圧着し、剥離することにより樹脂に凹凸を形成して太陽電池用基板とする太陽電池用基板の製造方法である。

本発明の太陽電池用基板は、樹脂表面に規則的な微小凹凸を形成することにより、高い光閉じ込め効果が期待できるため、これを用いて成る太陽電池は高い信頼性と発電効率を奏することが期待できる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、規則的な微小凹凸を形成した樹脂が金属薄板上に被覆されていることにある。以下に本発明を詳しく説明する。
本発明で金属薄板を用いた理由は、金属は構成元素と組成によって熱膨張率を調節できることから、所望の熱膨張特性に合わせた材質の選定の自由度が高く、塑性加工によって薄くし易く、重量も軽量であること、薄くするとフレキシブル性を有し、衝撃に強いことなど、薄型・軽量・耐衝撃性、低熱膨張性を確保するのに最適であり、太陽電池用基板の支持体として適した素材だからである。

本発明のように金属薄板／樹脂という太陽電池用基板を用いる場合の太陽電池の構成としては、受光側から順に、透明電極／シリコン層／反射電極／太陽電池用基板の構造であるサブストレート型が典型的である。そして、このサブストレート型太陽電池の製造プロセスは、太陽電池用基板上に反射電極、シリコン層、透明電極を順次積層していく。
上記のシリコン層を成膜する工程では、太陽電池用基板を２００〜２５０℃に加熱して、プラズマＣＶＤにより、シリコン層を成膜することになる。この時の加熱により太陽電池用を構成する樹脂が分解すると、分解ガスがシリコン層内に不純物として取り込まれ、発電効率が低下する。このため本発明で用いる樹脂の熱分解温度は２５０℃以上とする必要がある。
また、樹脂の耐熱性が高くしようとすると、ガラス転移温度も高くなる。ガラス転移温度が高すぎると、樹脂表面に微小凹凸を形成するのが非常に困難になる。そのため、ガラス転移温度を３５０℃以下とした。
この、本発明で規定する熱分解温度と、ガラス転移温度の両方を満たす樹脂には、例えばポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミドイミド樹脂、アラミド樹脂、カルド樹脂などがある。
なお、本発明で言う熱分解温度とは５％質量減少温度のことを指し、差動型示差熱天秤を用いて測定できる。

次に凹凸形状を規定した理由を説明する。
光閉じ込め効果を発現し、発電効率を向上させるには、太陽電池用基板表面に凹凸の高さ及び山間隔が太陽光の波長程度の微小凹凸を形成すれば良い。
しかし、シリコン層が微結晶シリコンである場合、結晶粒は基板に対して垂直方向に成長する性質があるので、凹凸が急峻な形状である場合、凹部では結晶成長の衝突を生じ、粒界欠陥が大きくなり、膜質が低下するのでリーク電流が増大する。また、シリコン層は２μｍ程度と薄いため、凸部ではシリコン層が極端に薄くなって短絡し易くなる。そのため、微小凹凸は緩やかに形成することが重要であり、凹凸を曲面形状、つまり断面形状が正弦波となるような凹凸を太陽電池用基板表面に形成することが必要となる。

上述した太陽電池用基板の断面形状は、次の（１）式で近似される正弦波が連続的につながっていることが必要である。
ｙ＝Ａ×ｓｉｎ（Ｂｘ） …（１）
更に凹凸の高さ及び山間隔が太陽光の波長程度になるように、凹凸高さの半値を表すＡが０．１５μｍ≦Ａ≦１．０μｍ、山間隔の変数を表すＢが２．１μｍ^-1≦Ｂ≦２１μｍ^-1、そして更に、近似式（１）と実形状の高さ方向のズレを表す平均誤差が０．1μｍ以下と規定した。これは、凹凸高さの半値を表すＡ、山間隔の変数を表すＢ、近似式（１）と実形状の高さ方向のズレを表す平均誤差の何れもが本発明で規定する範囲外となると、所望の光閉じ込め効果が得られないためである。
なお高さ方向のズレを表す平均誤差は、樹脂表面に形成された凹凸構造の断面形状は、実形状は正確な正弦波になっていない場合があるために規定したものである。平均誤差とは、ある位置ｘにおいて、近似値と実測値の誤差の絶対値の平均値(ＪＩＳ Ｚ ８１０３)であり、次式により計算される。

但し、測定点の数ｎは１５以上であり、３μｍ以上の区間を測定するものとする。

上述の正弦波の測定を図１にて説明する。
図１（ａ）は本発明の太陽電池用基板の表面電子顕微鏡写真である。白く光る個所が凸部(6)でその最も高い個所を頂点とする。この隣り合う凸部(6)の４つの頂点を線で結んだ四角形の対向する２つ頂点を直線(図１（ｂ）で示すＡ−Ｂ)で結んだ時の断面形状にて正弦波の測定を行う。
なお、図２は隣り合う凸部(6)の４つの頂点を線で結んだ四角形の対向する２つ頂点を直線(図１（ｂ）で示すＡ−Ｂ)で結んだ時の断面形状の模式図であり、本発明で言う凹凸高さとは図２に示すように、正弦波の山（最高部）と谷（低底部）の高さ方向の距離のことを言い、山間隔とは、隣り合う山同士の平面方向の距離のことを言う。断面形状は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定することができる。

次に、本発明の好ましい形態他について説明する。
太陽電池用基板には２０００Ｖの電圧を印加したとき、樹脂のリーク電流が０．１ｍＡ／ｍ^２以下であることが要求される。これに対しては、樹脂の厚みを調整すればよく、具体的な樹脂の厚みとしては３μｍ以上であれば良い。
また、凹凸形成のプロセスの詳細は後述するが、凹凸形成のプロセス上、樹脂の厚みが厚いほど凹凸を形成し易が、厚すぎる場合コストアップに繋がるため、樹脂の厚みの上限は１５μｍであれば十分である。好ましい樹脂の厚みは３μｍ〜８μｍである。
また、金属薄板の厚みとしては、軽量化、薄型化のためには薄いほど好ましい。しかし、薄すぎる場合、曲げ強度が低いため搬送・保持でき難くなること、及び圧延の精度の問題や工数の増大によるコスト上昇が発生することから、厚みは２０〜５００μｍであることが好ましい。

また、上述のように、太陽電池のシリコン層形成時に、樹脂を形成した基板を２００〜２５０℃に加熱して、プラズマＣＶＤにより、シリコン層を成膜することになるため、熱膨張係数の大きな金属薄板を用いた場合、シリコンとの熱膨張差によって太陽電池に反りを生じる危険性がある。反った太陽電池を強制的に平坦にすることもできるが、シリコン層内にクラックを生じて、発電効率が低下する惧れがある。
そのため、金属薄板の熱膨張係数がシリコンに近い金属材料を用いることが好ましく、金属薄板の３０℃〜３００℃迄の熱膨張係数は１〜１０×１０^−６／℃とした。このような範囲の熱膨張係数を持つ金属材料には、鉄−ニッケル系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金、鉄−ニッケル−クロム系合金があり、薄型化し易いことや、入手のし易さなどを考えると、安価な鉄−ニッケル系合金を用いるのが良い。

次に微小凹凸の形成方法について説明する。
微小凹凸の形成法には、熱転写、光転写、エッチング、サンドブラスト等がある。これらの方法の内、エッチングを用いる方法は、対象物の結晶配向や結晶粒の大きさによって凹凸の形状、山間隔が支配されるため形状制御が難しく、光閉じ込め効果に寄与しない凹凸も多数形成されるため、効果が小さい。またサンドブラストでも凹凸形状を制御することが困難である。
一方、熱転写、光転写は比較的自由な形状を樹脂などの表面に形成でき、優れた方法である。しかし、光転写は樹脂材料に高価な感光性樹脂を用いる必要があり、コストアップになるため、熱転写法で凹凸を形成することが好ましい。本発明の太陽電池用基板の製造方法を図３を用いて以下に説明する。

本発明の場合、金属薄板(3)上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂(2)を被覆した太陽電池用基板素材(4)を用意する。
本発明で適用する熱転写法ではまず、上記の（１）式で近似される凹凸を有する型(1)を２００℃〜３５０℃に加熱して、２０ＭＰａ以上で前記樹脂に圧着する（図３（ａ），（ｂ））。
本発明において、熱圧着温度を２００℃〜３５０℃とした理由は、熱分解温度が２５０℃以上である樹脂のガラス転移温度は、２００℃〜３５０℃であるものが一般的であること、またこれより高いガラス転移温度を持つ耐熱性樹脂もあるが、一般的な熱転写装置の性能上、３５０℃までの加熱が限界であるためで、熱圧着温度は２００℃〜３５０℃とした。
また型も基板と同時にガラス転移温度に加熱する理由は、樹脂と型の温度差による転写不良を防ぐためである。
また、２０ＭＰａ以上で前記樹脂に圧着する理由は、２０ＭＰａ以下であると、型の凹凸形状通りに転写することができないためである。
その後、型を剥離することにより、樹脂表面に型の凹凸形状を転写させて太陽電池用基板(5)を形成する（図３（ｃ））。
この方法では、型の形状通りに転写されるため、例えば樹脂表面に正弦波の凹凸を形成したいのであれば、同じ正弦波の形状を持つ型を押し当てることが重要である。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
４．３×１０^−６／℃の熱膨張系数を持った厚さ１００μｍの鉄−４２質量％ニッケル系合金薄板を準備し、アルカリ性脱脂液及び希塩酸を用いて洗浄した。その後、スピンコーターを用いて鉄−ニッケル系合金薄板にポリイミド樹脂を被覆し、硬化・乾燥させて太陽電池用基板素材を作製した。
被覆した樹脂の厚みは８μｍであり、熱分解温度及びガラス転移温度を測定したところ、それぞれ５００℃、２９０℃であった。
次に、凹凸高さ０．８μｍ、山間隔１．４μｍで（１）式で近似される断面形状をもった型を準備し、型と金属基板を３１０℃に加熱した。
ｙ＝０．４×ｓｉｎ（４.５ｘ）…（１）
その後、３０ＭＰａで金型を樹脂表面に押し当てた後、樹脂のガラス転移温度以下に冷却し、型を剥離して太陽電池用基板とした。

樹脂表面に形成した微細凹凸の断面形状は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；パシフィック ナノテクノロジー社製、Ｎａｎｏ−Ｒシステム）を用いて行い、凹凸高さ及び凹凸間隔を測定したところ、それぞれ０．６μｍ、１．４μｍであった。断面形状を正弦波で近似すると、ｙ＝０．３×ｓｉｎ（４.５ｘ）であり、Ａ＝０．３μｍ、Ｂ＝４.５μｍ^-1、高さ方向のズレを表す平均誤差＝０．７μｍであった。
本発明の太陽電池用基板は、樹脂表面に規則的な微小凹凸を形成することにより、高い光閉じ込め効果が期待できるため、これを用いてなる太陽電池は高い信頼性と発電効率を奏することが期待できる。

本発明を用いることにより、低熱膨張で均一な微小凹凸を持った太陽電池用基板が得られるので、高い発電効率を発揮する太陽電池を作製できるため、今後需要の増大が予想される太陽電池にとって、欠くことのできない技術となる。

本発明の太陽電池用基板の表面電子顕微鏡写真とその模式図である。 本発明の太陽電池用基板の断面形状示す模式図である。 本発明の太陽電池用基板の作製方法を示す模式図である。

符号の説明

１．型
２．樹脂
３．金属薄板
４．太陽電池用基板素材
５．太陽電池用基板
６．凸部

Claims (3)

1. 金属薄板上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂を被覆した太陽電池用基板であって、前記樹脂は、表面に凹凸構造を有し、且つ隣り合う凸部の４つの頂点を線で結んだ四角形の対向する２つ頂点を直線で結んだ時、何れの凹凸構造の断面形状とも（１）式で近似される正弦波が連続的につながっており、凹凸高さの半値を表すＡが０．１５μｍ≦Ａ≦１．０μｍ、山間隔の変数を表すＢが２．１μｍ^-1≦Ｂ≦２１μｍ^-1、近似式（１）と実形状の高さ方向のズレを表す平均誤差が０．1μｍ以下であることを特徴とする太陽電池用基板。
   ｙ＝Ａ×ｓｉｎ（Ｂｘ）…（１）
2. 樹脂の厚みは３μｍ〜１５μｍであり、金属薄板の厚みは２０〜１５０μｍ、３０℃〜３００℃迄の熱膨張係数が１〜１０×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用基板。
3. 請求項１または２に記載の太陽電池用基板の製造方法であって、金属薄板上に熱分解温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が３５０℃以下である樹脂を被覆した太陽電池用基板素材に、２００℃〜３５０℃に加熱した（１）式で近似される凹凸を有する型を２０ＭＰａ以上で前記樹脂に圧着し、剥離することにより樹脂に凹凸を形成して太陽電池用基板とすることを特徴とする太陽電池用基板の製造方法。