JP2007227983A - Apparatus for producing thin-film photoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、薄膜太陽電池の製造装置の内、可撓性基板上にステッピングロール方式で薄膜を形成する薄膜光電変換素子の製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a thin film photoelectric conversion element that forms a thin film on a flexible substrate by a stepping roll method among the apparatuses for manufacturing a thin film solar cell.
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源(太陽光)が無限であること、無公害であることから注目を集めている。 Currently, clean energy research and development is underway from the standpoint of environmental protection. Among them, solar cells are attracting attention because their resources (sunlight) are infinite and pollution-free.
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられる。 Thin film solar cells are expected to become the mainstream of future solar cells because they are thin and lightweight, inexpensive to manufacture, and easy to increase in area.
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。 Conventional thin-film solar cells have used glass substrates, but research and development of flexible solar cells using plastic films and metal films has been promoted in terms of weight reduction, workability, and mass productivity. Taking advantage of this flexibility, mass production became possible by a roll-to-roll method or a stepping roll method.
上記の薄膜太陽電池は、例えばフレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層および透明電極層が積層されてなる光電変換素子(またはセル)が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の金属電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流100Vを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は100V以上が望ましく、実際には数10個以上の素子が直列接続される。 The thin film solar cell includes a plurality of photoelectric conversion elements (or cells) in which a metal electrode layer, a photoelectric conversion layer made of a thin film semiconductor layer, and a transparent electrode layer are laminated on a flexible electrically insulating film substrate, for example. Yes. The voltage required for the metal electrode of the first photoelectric conversion element and the transparent electrode of the last photoelectric conversion element by repeatedly connecting the metal electrode of one photoelectric conversion element and the transparent electrode of the adjacent photoelectric conversion element. Can be output. For example, in order to obtain an alternating current of 100 V as a commercial power source by alternating current with an inverter, the output voltage of the thin-film solar cell is desirably 100 V or higher, and actually several tens or more elements are connected in series.
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法は、例えば、特許文献1や特許文献2に記載されている。
Such a photoelectric conversion element and its series connection are formed by forming an electrode layer and a photoelectric conversion layer, patterning each layer, and a combination procedure thereof. The configuration and manufacturing method of the solar cell are described in, for example,
前記特許文献2に記載された薄膜太陽電池の構成概念図を、図5に示す。図5は、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板61の表面に形成した単位光電変換素子62および基板61の裏面に形成した接続電極層63はそれぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子62のアモルファス半導体部分である光電変換層65で発生した電流は、まず透明電極層66に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔67を介して背面の接続電極層63に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔68を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層64に達し、両素子の直列接続が行われている。 FIG. 5 shows a conceptual diagram of the configuration of the thin-film solar cell described in Patent Document 2. FIG. 5 shows a perspective view of a flexible thin film solar cell using a plastic film as a substrate. The unit photoelectric conversion element 62 formed on the front surface of the substrate 61 and the connection electrode layer 63 formed on the back surface of the substrate 61 are each completely separated into a plurality of unit units, and are formed by shifting the separation positions. For this reason, the current generated in the photoelectric conversion layer 65, which is an amorphous semiconductor portion of the element 62, is first collected in the transparent electrode layer 66, and then through the current collecting holes 67 formed in the transparent electrode layer region. Connected to the connection electrode layer 63 and further to the outside of the transparent electrode layer region of the element adjacent to the element through a connection hole 68 for series connection formed outside the transparent electrode layer region of the element in the connection electrode layer region. The extended lower electrode layer 64 is reached, and both elements are connected in series.
前記薄膜太陽電池の薄膜の製造方法としては、前述のように、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式がある。両方式共に、複数のロールによる基板搬送手段を備え、前者は各成膜室内を連続的に移動する基板上に連続的に成膜する方式であり、後者は各成膜室内で同時に停止させた基板上に成膜し,成膜の終わった基板部分を次の成膜室へ送り出す方式を採用している。 As described above, a method for producing a thin film of the thin film solar cell includes a roll-to-roll method or a stepping roll method. Both types are equipped with a substrate transport means by a plurality of rolls, the former is a method of continuously forming a film on a substrate that moves continuously in each film forming chamber, and the latter is stopped simultaneously in each film forming chamber. A method is employed in which a film is formed on a substrate and the substrate portion after film formation is sent to the next film formation chamber.
ステッピングロール方式の成膜装置は、隣接する成膜室間のガス相互拡散を防止できることから各薄膜の特性が安定して得られることや装置がコンパクトとなるなどの点で優れており、その装置の構成は、例えば、特許文献3〜7に記載されている。 The stepping roll type film forming apparatus is superior in that the characteristics of each thin film can be stably obtained and the apparatus can be made compact because it can prevent gas mutual diffusion between adjacent film forming chambers. The structure of is described in Patent Documents 3 to 7, for example.
図4に、共通真空室内に成膜室を複数有するステッピングロール成膜方式の真空成膜装置の構成の一例の概念図を示す。図4に示す装置は、可撓性基板の巻出し用アンワインダー室290と、金属電極層(背面の接続電極層),光電変換層(a−Si層)および透明電極層(ITO層)などを形成するための複数個の独立した処理空間としてなる成膜室280と、巻取り用ワインダー室291とを備え、基板201はコア282から捲き出されコア283にまきとられる間に、複数の成膜室280で成膜されるように構成されている。共通室281は複数の成膜室280を内部に収めている。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of a stepping roll film forming type vacuum film forming apparatus having a plurality of film forming chambers in a common vacuum chamber. The apparatus shown in FIG. 4 includes an unwinder chamber 290 for unwinding a flexible substrate, a metal electrode layer (back connection electrode layer), a photoelectric conversion layer (a-Si layer), a transparent electrode layer (ITO layer), and the like. A film forming chamber 280 serving as a plurality of independent processing spaces for forming the substrate and a winder chamber 291 for winding, and the substrate 201 is rolled out from the core 282 and wound on the
成膜室ではスパッタ成膜またはプラズマ化学気相成長法(以下プラズマCVD法と記す)などにより成膜が行われる。例えば、プラズマCVD法により成膜するステッピングロール方式では、成膜室開放−基板1フレーム移動−成膜室封止−原料ガス導入−圧力制御−放電開始−放電終了−原料ガス停止−ガス引き−成膜室開放からなる操作が繰り返される。 In the film formation chamber, film formation is performed by sputtering film formation or plasma chemical vapor deposition (hereinafter referred to as plasma CVD method). For example, in the stepping roll method in which a film is formed by plasma CVD, the film formation chamber is opened-the substrate is moved by one frame-the film formation chamber is sealed-the raw material gas is introduced-the pressure is controlled-the discharge is started-the discharge is finished- The operation consisting of opening the film forming chamber is repeated.
また、量産性を高める観点から、並行して搬送される2列の可撓性基板に同時に光電変換層を成膜するプラズマCVD法ステッピングロール方式が、本件出願人により提案されている(特許文献7参照)。 In addition, from the viewpoint of improving mass productivity, the present applicant has proposed a plasma CVD method stepping roll method in which a photoelectric conversion layer is simultaneously formed on two rows of flexible substrates transported in parallel (Patent Document). 7).
図2および図3に上記特許文献7に記載された装置を示す。図2は、前記装置の製膜時の状態を平面断面図として示し、図3は、製膜時の製膜室の状態を拡大図として示す。図2の薄膜光電変換素子の製造装置は、送り室11、予備真空室12、成膜用真空室13、巻き取り室14を備え、二つの可撓性基板1は、送り室11から巻き取り室14へ搬送される。成膜用真空室13内には、高電圧電極21とヒータ23を有する接地電極22が対向配置され、プラズマCVDによりその間に停止した基板1の面上にa−Si系の薄膜を形成する。
2 and 3 show the device described in
図3に拡大して示すように、高電圧電極21は蓋状で、その端面にシールブロック8を介して基板1が密着することにより、気密に保つことのできる成膜室5が形成される。高電圧電極21は、各基板1に対して一つずつ備えられるが、その背面部で絶縁材料よりなる排気ブロック9を介して連結されている。排気ブロック9は高電圧電極21とシール材91を介することにより密着し、排気ブロック9に開けられた排気口72、高電圧電極71の背面部の開口25を介して図示しない圧力制御機能を備えた排気系により各成膜室5は一括して成膜圧力に保たれる。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the
高電圧電極21、接地電極22の間への電圧の印加でプラズマ6が生じ、成膜が行われる。二つの成膜室5の間は、排気ブロック9により電気絶縁されているため、成膜室毎にプラズマ6の制御を行うことができる。成膜終了後、接地電極22を矢印41のように図2に示すアクチュエータ24により上下に数十mm移動すると、接地電極22に抑えられていた基板1も解放され、矢印41の方向に移動する。
Application of a voltage between the
上記のように、接地電極22を可動とすることにより成膜室5の開閉が可能である。成膜室5は放電空間が全体の50%以上を占める非常にコンパクトな構造となっている。高電圧電極21の配置としては1個の電極を中央に置き、その両面で放電をさせる構成も可能であるが、この場合は両面の膜厚を均等にする制御が困難である。そこで、図2に示すように左右別々の電極でそれぞれ独立に制御する方式を採用している。
As described above, the
ところで、高電圧電極21が成膜用真空室13の空間に露出するが、高電圧電極21に高周波電力を印加した場合でも成膜中の製膜用真空室13の圧力を0.1Pa以下に保つことにより成膜用真空室13の室内での放電は抑制される。しかしながら、排気ブロック9の中の圧力は成膜時で10〜100Paとなるため二つの高電圧電極間で容易に放電してしまう。電極間の位相を調整制御する方法もあるが、現実には問題があり、二つの高電圧電極間の放電を避けるため排気ブロック9を絶縁物とし、長さを100mm以上としている。
By the way, although the
ところで、上記従来の薄膜光電変換素子の製造装置においては、下記のような問題があった。 However, the conventional thin film photoelectric conversion device manufacturing apparatus has the following problems.
排気ブロック内の放電を防止するために、高電圧電極間の排気ブロック長さを、前述のように従来装置においては、100mm以上とする必要がある。その分、成膜用真空室の幅が広くなり、真空室の容積が増し大型の排気系が必要となり、真空室製作のコストも含め装置の全体コストが増大する問題がある。排気ブロック内の放電は、多量のフレークを発生させ、排気系の故障・停止といったトラブルの要因となる。 In order to prevent discharge in the exhaust block, the exhaust block length between the high voltage electrodes needs to be 100 mm or more in the conventional apparatus as described above. Accordingly, the width of the vacuum chamber for film formation is widened, the volume of the vacuum chamber is increased, a large exhaust system is required, and there is a problem that the overall cost of the apparatus including the cost of manufacturing the vacuum chamber increases. Discharge in the exhaust block generates a large amount of flakes and causes troubles such as failure and stop of the exhaust system.
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、排気ブロック内の放電の抑制により、装置寸法とコストの低減を図り、総合的に量産コストの低減を図ることにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the size and cost of the apparatus by suppressing the discharge in the exhaust block, and to reduce the overall mass production cost. The purpose is to reduce.
上記課題は、以下により達成される。即ち、並行して搬送される2列の可撓性基板の間に,各基板にそれぞれ対応して設けられ,基板面に平行な背面部と基板に気密に接触可能な端面を備える側壁部とを有し,かつ前記背面部は開口を有してなる二つの高電圧電極と、この高電圧電極に対向して前記各基板の外側にそれぞれ設けられ,基板加熱用のヒータを有する二つの接地電極と、前記二つの高電圧電極の背面部間に設けられ,シール材により前記背面部の開口と気密に連通する貫通孔を有し,かつこの貫通孔に連通する真空排気口を有する電気絶縁体からなる排気ブロックとを備え、前記高電圧電極と各基板との間に形成される成膜空間に成膜用のガスを導入して,高電圧電極と接地電極間への高周波電圧の印加によって前記基板と高電圧電極間に放電を発生させ,各基板の一面上に薄膜を形成するように構成した薄膜光電変換素子の製造装置において、
前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたことを特徴とする(請求項1)。
The above-mentioned subject is achieved by the following. That is, between two rows of flexible substrates transported in parallel, a side wall portion provided corresponding to each substrate and having a back surface portion parallel to the substrate surface and an end surface capable of airtight contact with the substrate; Two high-voltage electrodes each having an opening on the back surface, and two grounds provided on the outside of each substrate so as to oppose the high-voltage electrodes and having a heater for heating the substrate. Electrical insulation having a through hole provided between the electrode and the back surface of the two high voltage electrodes, and having a through hole communicating hermetically with the opening of the back surface by a sealing material, and a vacuum exhaust port communicating with the through hole A high-frequency voltage is applied between the high-voltage electrode and the ground electrode by introducing a film-forming gas into a film-forming space formed between the high-voltage electrode and each substrate. To generate a discharge between the substrate and the high voltage electrode, Apparatus for manufacturing thin film photoelectric conversion element configured to form a thin film on the surface,
The exhaust block includes a partition wall that cuts off gas conduction in the through hole, and the vacuum exhaust port is provided in communication with each through hole divided by the partition wall ( Claim 1).
また、前記請求項1に記載の薄膜光電変換素子の製造装置において、前記請求項1に記載の真空排気口に代えて、真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にそれぞれ個々に連通して設けたものとすることもできる(請求項2)。
Further, in the thin-film photoelectric conversion device manufacturing apparatus according to
上記請求項1または2の構成により、ガス中で起こる排気ブロック内の二つの高電圧電極間の放電を抑制でき、放電に影響されない安定した薄膜形成ができる。上記構成において、請求項2の発明の方が、請求項1の発明と比較して部品点数が増大するが、放電の抑制効果は大きい。
According to the configuration of the first or second aspect, the discharge between the two high-voltage electrodes in the exhaust block occurring in the gas can be suppressed, and a stable thin film can be formed without being affected by the discharge. In the above configuration, the invention of claim 2 has a larger number of parts than the invention of
さらに、前記排気ブロックの構成材料としては、請求項3の発明のように、フッ素樹脂,ガラスまたはセラミックスの内の少なくともいずれか一つの材料が適用でき、例えば隔壁のみをセラミックスとし他をフッ素樹脂にするなど、複数の材料から構成することもできる。 Further, as the constituent material of the exhaust block, at least one material of fluororesin, glass or ceramics can be applied as in the invention of claim 3, for example, only the partition walls are made of ceramics and others are made of fluororesin. For example, it can be composed of a plurality of materials.
この発明によれば、前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたものとする、あるいは前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にそれぞれ個々に連通して設けたものとすることにより、ガス中で起こる排気ブロック内の二つの高電圧電極間の放電を抑制でき、装置の幅寸法の低減とコスト低減を図ることができる。。 According to the present invention, the exhaust block includes a partition wall that cuts off gas conduction in the through hole, and the vacuum exhaust port is provided to communicate with each through hole divided by the partition wall. Or the vacuum exhaust port is individually connected to each through-hole divided by the partition wall, so that the two high-voltage electrodes in the exhaust block that occur in the gas are between Discharging can be suppressed, and the width of the device can be reduced and the cost can be reduced. .
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
図1は本発明の実施例の概略構成を示し、成膜時の状態を拡大して示す。図1において、図2および図3に示す部材と同一の部材には同一の記号を付して説明を省略する。図1に示す装置においては、図示しないが、図2に示す装置と同様に、送り室11、予備室12、成膜用真空室13、巻き取り室14を備え、2つの可撓性基板1は、送り室11から巻き取り室14へ搬送される。
Based on the drawings, embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of the present invention, and shows an enlarged state during film formation. 1, the same members as those shown in FIG. 2 and FIG. Although not shown, the apparatus shown in FIG. 1 includes a feeding chamber 11, a preliminary chamber 12, a film forming
成膜用真空室13内には、高電圧電極21とヒーター23を兼ねた接地電極22が対向配置され、プラズマCVDにより、その間に停止した基板1の面上にa−Si系の薄膜を形成する。図1に示すように高電圧電極21は蓋状で、その端面を、シールブロック8を介して基板1に密着することにより、気密を保つことができる成膜室5が形成される。
In the
高電圧電極21は、各基板1に対して一つずつ設けられるが、その背面部21aで例えばフッ素樹脂材料よりなる排気ブロック90を介して連結されている。高電圧電極21の背面部21aの各開口25を連通する排気ブロック90内の貫通孔に、各開口25と等距離の位置に隔壁92を設ける。また、真空排気口73が、各開口25にまたがって連通して設けられ、真空排気口73から各成膜室5を真空排気するように構成される。
One
排気ブロック90は高電圧電極21と、シール材91を介して密着固定され、排気ブロック90に開けられた真空排気口73、高電圧電極21の背面部21aの開口25を介して、図示しない圧力制御機能を備えた排気系に接続される。これにより各成膜室5は一括して成膜圧力に保たれる。
The
なお、高電圧電極21と接地電極22との間の放電空間には、接続筒26を介して熱の遮蔽体27が、高電圧電極21面と密着させずに電気的に接続した状態で、接地電極22と放電可能な電極距離を保って固定される。また、遮蔽体27は、高電圧電極21の側面部との間に隙間80を設けるものとし、成膜用のガスが前記隙間80から前記背面部の開口25に流通可能に構成される。上記のように、遮蔽体27を設けることにより、主に基板から高電圧電極に輻射により伝達する熱量を減少させることが可能となる。また、加熱された成膜用のガスが直接、高電圧電極の背面部開口に流入することを防止するので、従来装置に比較して、排気ブロックのシール部の温度が低く抑えられ、装置のシールの安全性が向上し、シール材料の選択範囲が広がる他寿命の向上が図られる。
In the discharge space between the
上記構成において、接地電極22と遮蔽体27との間への電圧の印加により、プラズマ6が生じ、成膜が行われる。2つの成膜室5の間は、排気ブロック90により電気絶縁されているため、成膜室毎にプラズマ6の制御を行うことができる。なお、上記実施例において真空排気口73は、前記隔壁92により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたが、前記隔壁により区分された各貫通孔にそれぞれ個々に連通して設けてもよい。
In the above configuration,
1:基板、5:成膜室、6:プラズマ、8:シールブロック、13:成膜用真空室、15:真空室壁体、21:高電圧電極、22:接地電極、23:ヒータ、25:開口、26:接続筒、27:遮蔽体、73:真空排気口、90:排気ブロック、91:シール材、92:隔壁。 1: substrate, 5: film formation chamber, 6: plasma, 8: seal block, 13: vacuum chamber for film formation, 15: vacuum chamber wall, 21: high voltage electrode, 22: ground electrode, 23: heater, 25 : Opening, 26: Connecting cylinder, 27: Shielding body, 73: Vacuum exhaust port, 90: Exhaust block, 91: Sealing material, 92: Septum.
Claims (3)
前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたことを特徴とする薄膜光電変換素子の製造装置。 Between the two rows of flexible substrates transported in parallel, each substrate has a back surface portion parallel to the substrate surface and a side wall portion having an end surface capable of airtight contact with the substrate. And two high-voltage electrodes each having an opening on the back surface, and two ground electrodes provided on the outside of each substrate so as to face the high-voltage electrodes and having a heater for heating the substrate, An electrical insulator provided between the back surfaces of the two high-voltage electrodes, having a through hole that is in airtight communication with the opening of the back surface by a sealing material, and a vacuum exhaust port that is in communication with the through hole; An exhaust block, and a film-forming gas is introduced into a film-forming space formed between the high-voltage electrode and each substrate, and the high-frequency voltage is applied between the high-voltage electrode and the ground electrode. A discharge is generated between the substrate and the high voltage electrode, Apparatus for manufacturing thin film photoelectric conversion element configured to form a thin film,
The exhaust block includes a partition wall that cuts off gas conduction in the through hole, and the vacuum exhaust port is provided in communication with each through hole divided by the partition wall. Photoelectric conversion device manufacturing equipment.
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