JP2008089194A - Heat treatment device and heat treatment method of object to be heated - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱処理装置の中でも特にウォーキングビームによる搬送方式を用いた熱処理装置及び該装置を用いた被加熱物の熱処理方法に関する。 The present invention relates to a heat treatment apparatus using a walking beam conveying system, and a heat treatment method for an object to be heated using the apparatus, among other heat treatment apparatuses.
現在、様々な産業で用いられている電子部品の電極材料として、金属粉末を含む導電性ペーストが使用されている。この導電性ペーストによる電極の形成過程は、主に、スクリーン印刷による導電性ペーストの塗布工程と、熱処理による焼成工程によって構成され、焼成工程では、その電子部品に求められる特性が得られる熱処理条件（温度、時間、温度変化等）で導電性ペーストの焼成が行われる。 Currently, conductive paste containing metal powder is used as an electrode material for electronic components used in various industries. The process of forming an electrode using the conductive paste is mainly composed of a conductive paste application process by screen printing and a baking process by heat treatment, and in the baking process, heat treatment conditions (characteristics required for the electronic component are obtained) The conductive paste is fired at a temperature, a time, a temperature change, and the like.
このような焼成工程で使用される熱処理装置は、様々な温度の時間変化を与えることが求められている。そのため、熱処理装置は通常、複数の熱処理炉を具備し、多段階で被加熱物を熱処理できるよう、いくつかの加熱区間に分けられている。そして、それらの加熱区間では、各区間の熱処理炉内にあるヒーターの出力を、各設定温度を保つように制御している。その制御は、被加熱物の熱処理炉内での有無やその投入間隔にかかわらず、設定温度に実測温度を合わせるように行われ、熱処理炉内は定常的に加熱され続けている。 The heat treatment apparatus used in such a firing process is required to give various temperature changes over time. Therefore, the heat treatment apparatus is usually provided with a plurality of heat treatment furnaces and is divided into several heating sections so that the object to be heated can be heat treated in multiple stages. And in those heating sections, the output of the heater in the heat treatment furnace of each section is controlled so as to keep each set temperature. The control is performed so as to match the measured temperature with the set temperature regardless of whether or not the object to be heated is in the heat treatment furnace and the charging interval, and the heat treatment furnace is continuously heated.
近年、特に結晶太陽電池の製造における焼成工程では、変換効率の向上のために、アルミニウム粉末を用いた導電性ペーストによるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）の効果的な形成が求められ、その具体策として最高到達温度への昇温速度増加が有効であることが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。しかし、従来方式であるメッシュベルトによる搬送方式では、メッシュベルトの熱容量が大きいことから、昇温速度を大きくすることが困難であった。 In recent years, particularly in the firing step in the production of crystalline solar cells, effective formation of BSF (Back Surface Field) with a conductive paste using aluminum powder has been required to improve the conversion efficiency. It is known that increasing the rate of temperature rise to the ultimate temperature is effective (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). However, in the conventional conveyance method using a mesh belt, it is difficult to increase the heating rate because the mesh belt has a large heat capacity.
それに対し、ウォーキングビームによる搬送方式では、熱容量の小さいワイヤ等をウォーキングビームに使用することで、ヒーターからの出力を効率よく被加熱物に振り分けられ、メッシュベルト方式に比べて大きな昇温速度を得ることができる（例えば、特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。
そして、太陽電池の焼成工程において、ウォーキングビームによる搬送方式を利用して被加熱物に大きな温度変化を与える（昇温速度や降温速度を大きくする）場合、被加熱物が通過する複数の熱処理炉の間で大きな温度差を発生させるため、それらの区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の厚さを厚くするなどの対策が取られる。
In contrast, the walking beam transport system uses a wire with a small heat capacity for the walking beam, so that the output from the heater can be efficiently distributed to the object to be heated, resulting in a higher rate of temperature rise than the mesh belt system. (For example, see
And in the baking process of a solar cell, when a large temperature change is given to an object to be heated by using a walking beam conveying system (increasing a temperature rising rate or a temperature decreasing rate), a plurality of heat treatment furnaces through which the object to be heated passes In order to generate a large temperature difference between them, measures such as increasing the thickness of the heat insulating material on the wall of the heat treatment furnace that partitions these sections are taken.
しかし、加熱区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の断熱は完全でない上、熱処理炉にはウォーキングビームや被加熱物が通るための開口部が設けられていることから、多段階で被加熱物に熱処理を施す際、周りの熱処理炉に比べて常に高温に設定される熱処理炉の高温区間からそれよりも温度の低い低温区間へ熱エネルギーが移動し、低温区間の温度が上昇してしまい、得られる昇温速度は不十分であった。 However, the heat insulation of the heat treatment furnace wall that partitions the heating section is not completely insulated, and the heat treatment furnace is provided with an opening for the walking beam and the object to be heated. When heat treatment is performed, the heat energy moves from the high temperature section of the heat treatment furnace, which is always set to a higher temperature than the surrounding heat treatment furnace, to the low temperature section where the temperature is lower than that, and the temperature of the low temperature section rises. The rate of temperature increase obtained was insufficient.
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、ウォーキングビームによる搬送方式を利用し、大きい昇温速度を得ることができる熱処理装置及び被加熱物の熱処理方法を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a heat treatment apparatus and an object to be heated that can obtain a large heating rate using a walking beam conveyance system. The heat treatment method is provided.
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、搬送装置で駆動するウォーキングビームに載置された被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、複数の前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に多段階の熱処理を施す熱処理装置において、
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターは、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動して出力制御をするものであることを特徴とする熱処理装置を提供する（請求項１）。
In order to solve the above-described problems, at least the object to be heated placed on a walking beam driven by a transfer device is transferred into a heat treatment furnace having a heater and passes through the plurality of heat treatment furnaces. In the heat treatment apparatus for performing multi-stage heat treatment on the object to be heated,
At least the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment is one that performs output control in conjunction with a conveyance cycle of the walking beam. A heat treatment apparatus is provided (claim 1).
また、本発明は、少なくとも、搬送装置で駆動するウォーキングビームに載置された被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、複数の前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に多段階の熱処理を施す熱処理方法において、
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターを、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御することを特徴とする被加熱物の熱処理方法を提供する（請求項４）。
Further, the present invention provides that the object to be heated placed at least on a walking beam driven by a conveying device is conveyed into a heat treatment furnace having a heater and passes through the plurality of heat treatment furnaces, thereby In a heat treatment method for subjecting a product to multi-stage heat treatment,
At least the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment is output controlled in conjunction with the walking beam conveyance cycle. A method for heat treatment of an object is provided (claim 4).
このように、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉のヒーターを、ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御することによって、被加熱物が搬送されている間、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉内の雰囲気は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、高温に設定される熱処理炉からそれよりも温度の低い熱処理炉へ移動する熱エネルギーを減らすことができる。従って、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。また、被加熱物への加熱むらを少なくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。 In this way, the object to be heated is transported by controlling the output of the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment in conjunction with the walking beam transport cycle. During this time, the atmosphere in the heat treatment furnace that is set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment is maintained at a lower temperature than when the heat treatment furnace is constantly heated, and the temperature is high. The heat energy transferred from the heat treatment furnace set to 1 to a heat treatment furnace having a lower temperature can be reduced. Therefore, a rapid temperature change can be given to the object to be heated, and the temperature increase rate of the object to be heated can be increased. In addition, uneven heating to the object to be heated can be reduced, and the characteristics of the object to be heated can be made uniform.
特に、太陽電池の製造における電極の焼成工程では、上述のように被加熱物の昇温速度を大きくすることができるため、ＢＳＦを効果的に形成でき、太陽電池の変換効率を向上できる。 In particular, in the electrode firing step in the production of a solar cell, the heating rate of the object to be heated can be increased as described above, so that the BSF can be formed effectively and the conversion efficiency of the solar cell can be improved.
この場合、前記ヒーターの出力制御は、前記被加熱物が前記熱処理炉内にあるときよりも前記熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値になるように制御するものであることが好ましく（請求項２）、また、前記ヒーターの出力制御を、前記被加熱物が前記熱処理炉内にあるときよりも前記熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値に制御することが好ましい（請求項５）。 In this case, the output control of the heater is such that the output value when the object to be heated is outside the heat treatment furnace is less than 1/2 when the object is outside the heat treatment furnace. Preferably, the output control of the heater is set to an output value of 1/2 or less when the object to be heated is outside the heat treatment furnace than when the object to be heated is inside the heat treatment furnace. It is preferable to control (Claim 5).
このように、ヒーターの出力制御を、被加熱物が熱処理炉内にあるときよりも熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値に制御することによって、より効果的に被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。 In this way, the output control of the heater is controlled more effectively by controlling the output value to be 1/2 or less when the object to be heated is outside the heat treatment furnace than when the object is inside the heat treatment furnace. The heating rate of the object can be increased.
さらに本発明は、前記複数の熱処理炉の壁面は、冷却手段により冷却されているものであることが好ましく（請求項３）、また、前記複数の熱処理炉の壁面を冷却手段によって冷却することが好ましい（請求項６）。 Further, in the present invention, the wall surfaces of the plurality of heat treatment furnaces are preferably cooled by a cooling means (Claim 3), and the wall surfaces of the plurality of heat treatment furnaces are cooled by the cooling means. Preferred (claim 6).
このように、複数の熱処理炉の壁面を冷却手段によって冷却することにより、ヒーターの出力が下がっている間に個々の熱処理炉内の温度を下げることができ、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉とそれよりも低い温度に設定される熱処理炉の間の温度差を大きくすることができるため、被加熱物に施す熱処理の昇温速度を増加させることができる。 As described above, by cooling the wall surfaces of the plurality of heat treatment furnaces by the cooling means, the temperature in each heat treatment furnace can be lowered while the output of the heater is lowered, and the heat treatment temperature for performing the multi-stage heat treatment can be reduced. Since the temperature difference between the heat treatment furnace set at the highest temperature and the heat treatment furnace set at a lower temperature can be increased, the heating rate of the heat treatment applied to the object to be heated should be increased. Can do.
本発明に従う熱処理装置及び被加熱物の熱処理方法であれば、メッシュベルト式や従来のウォーキングビーム式などの熱処理装置よりも、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。特に、本発明による熱処理装置を太陽電池の電極焼成工程に適用することによって、より効果的にＢＳＦを形成することができ、高い変換効率の太陽電池を製造することができる。 With the heat treatment apparatus and the heat treatment method for an object to be heated according to the present invention, the temperature change can be given to the object to be heated more rapidly than the heat treatment apparatus such as a mesh belt type or a conventional walking beam type. The heating rate of the object can be increased. In particular, by applying the heat treatment apparatus according to the present invention to the electrode firing step of the solar cell, the BSF can be formed more effectively and a solar cell with high conversion efficiency can be manufactured.
通常、ウォーキングビームによる搬送方式を利用して被加熱物に大きな温度変化を与える（昇温速度や降温速度を大きくする）場合、被加熱物が通過する複数の加熱区間の間で大きな温度差を発生させるため、それらの区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の厚さを厚くするなどの対策が取られているが、熱処理炉にはウォーキングビームや被加熱物が通るための開口部が設けられていることから、高温側から低温側への熱エネルギーの移動が生じる。その結果、低温側では設定温度を超える温度となることが多く、低温区間における熱処理炉内の昇温（降温）速度を大きくすることには限界があった。 Usually, when a large temperature change is applied to the object to be heated using the walking beam conveyance method (increasing the temperature increase rate or the temperature decrease rate), a large temperature difference between the multiple heating sections through which the object to be heated passes. To prevent this, measures such as increasing the thickness of the heat insulating material on the walls of the heat treatment furnace that partitions these sections are taken, but the heat treatment furnace is provided with an opening for the walking beam and the object to be heated to pass through. Therefore, the heat energy is transferred from the high temperature side to the low temperature side. As a result, the temperature often exceeds the set temperature on the low temperature side, and there has been a limit to increasing the rate of temperature increase (temperature decrease) in the heat treatment furnace in the low temperature section.
その上、図３のように高温に設定される熱処理炉のヒーターは定常的に加熱し続ける温度制御を行うので、高温側の区間から低温側の区間へ移動する熱エネルギーは、常に高温側の区間に供給され続けることとなってしまう。図３は従来の熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）と被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。 In addition, since the heater of the heat treatment furnace set to a high temperature as shown in FIG. 3 performs temperature control that keeps heating constantly, the thermal energy transferred from the high temperature side section to the low temperature side section is always on the high temperature side. It will continue to be supplied to the section. FIG. 3 is a graph showing an example of a change over time of the conveyance speed (A), the heating output (B) of the heater, and the temperature of the object to be heated (C) in the conventional heat treatment method.
そこで、本発明者は、ウォーキングビームによる搬送方式を利用した熱処理装置において、熱処理炉に被加熱物が投入された時にヒーターの出力を増加させれば、被加熱物のみを所望の温度に昇温でき、その際、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができることを想到し、本発明を完成させた。以下、本発明の実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 In view of this, the present inventor, in a heat treatment apparatus using a walking beam conveyance system, increases the output of the heater when the object to be heated is put into the heat treatment furnace, so that only the object to be heated is heated to a desired temperature. At that time, the inventors have conceived that a sudden temperature change can be given to the object to be heated, and the present invention has been completed. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.
図２は本発明によるウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理炉の一実施例を示す図である。この熱処理装置７は、搬送装置１で駆動するウォーキングビーム２に載置された被加熱物６が、ヒーター３ａ、３ｂ、３ｃを有する熱処理炉内に搬送され、３つの熱処理炉４ａ、４ｂ及び４ｃ内を通過することによって、被加熱物６に３段階の熱処理を施す。その際、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉４ｃの有するヒーター３ｃは、ウォーキングビーム２の搬送周期と連動して出力制御をするものである。
FIG. 2 is a view showing an embodiment of a heat treatment furnace using the walking beam conveyance system according to the present invention. In this heat treatment apparatus 7, an object to be heated 6 placed on the walking beam 2 driven by the conveyance apparatus 1 is conveyed into a heat treatment furnace having heaters 3a, 3b, 3c, and three
このように、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉のヒーター３ｃを、ウォーキングビーム２の搬送周期と連動させて出力制御することによって、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉４ｃ内の雰囲気は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、高温に設定される熱処理炉からそれよりも温度の低い熱処理炉へ移動する熱エネルギーを減らすことができる。従って、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。また、被加熱物への加熱むらを少なくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。
Thus, by controlling the output of the heater 3c of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the three-stage heat treatment in conjunction with the conveyance cycle of the walking beam 2, the three-stage heat treatment is performed. The atmosphere in the
特に、太陽電池の製造における電極の焼成工程では、被加熱物の昇温速度を大きくすることにより、ＢＳＦを効果的に形成でき、太陽電池の変換効率を向上できる電極を形成することができる。 In particular, in the electrode firing step in the production of solar cells, by increasing the heating rate of the object to be heated, it is possible to effectively form the BSF and to form an electrode that can improve the conversion efficiency of the solar cell.
図２では、３つの熱処理炉によって、被加熱物６を加熱できる区間が３区間となっているが、それより多くても、もしくは少なくても構わない。例えば、太陽電池の焼成に用いる熱処理炉であれば、電極材料の導電性ペースト内の有機成分を燃焼させるための低温区間と、その後ろの金属粉末を焼結させるための高温区間とが必要となる。また、ヒーターの本数や熱処理炉の構造は、特に限定されず、熱処理条件等によって適宜変更すればよい。 In FIG. 2, the section in which the object to be heated 6 can be heated by three heat treatment furnaces is three sections, but it may be more or less. For example, if it is a heat treatment furnace used for firing solar cells, a low temperature section for burning organic components in the conductive paste of the electrode material and a high temperature section for sintering the metal powder behind it are required. Become. Further, the number of heaters and the structure of the heat treatment furnace are not particularly limited, and may be appropriately changed depending on heat treatment conditions and the like.
本実施形態では、低温区間として熱処理炉４ａ、４ｂを２００〜３００℃程度まで昇温し、高温区間としては熱処理炉４ｃを８００℃程度まで昇温する。
In the present embodiment, the temperature of the heat treatment furnaces 4a and 4b is raised to about 200 to 300 ° C. as the low temperature section, and the temperature of the
搬送装置１については、その駆動源に各種アクチュエータを用いることができる。例えば、電気モータや圧縮空気や油圧によるピストン、リニアモータなどである。ウォーキングビーム２の構成材料、特に被加熱物との接触する部材は、棒材や線材（ワイヤ）などを用いる。素材は、被加熱物の熱処理温度や被加熱物への汚染を考慮し、金属やセラミックス、ガラス、樹脂などを使用する。 About the conveying apparatus 1, various actuators can be used for the drive source. For example, an electric motor, a compressed air or hydraulic piston, a linear motor, and the like. As a constituent material of the walking beam 2, particularly a member that comes into contact with an object to be heated, a bar, a wire (wire), or the like is used. In consideration of the heat treatment temperature of the object to be heated and the contamination of the object to be heated, the material is metal, ceramics, glass, resin, or the like.
被加熱物６のウォーキングビーム２による搬送周期については、被加熱物の熱処理時間や昇温速度、被加熱物の質量によって選定する必要がある。それに対して、搬送周期の内訳、つまり移動時間と停止時間あるいは高速移動と低速移動では、同じ搬送周期であっても、できるだけ移動にかける時間を短くすることが望ましい。なぜなら、被加熱物に温度変化を与える場合は、できるだけ短い時間で被加熱物全体を同じ温度環境に曝すことが望ましく、温度差のある区間を被加熱物が移る場合、被加熱物の進行方向で被加熱物内の温度分布が拡大するためである。
このことは、進行方向における被加熱物の長さが大きくなるか、被加熱物の熱容量が小さくなるほど強く影響する。
About the conveyance cycle of the to-be-heated object 6 by the walking beam 2, it is necessary to select by the heat processing time of the to-be-heated object, the temperature increase rate, and the mass of to-be-heated object. On the other hand, in the breakdown of the conveyance cycle, that is, the movement time and the stop time or the high speed movement and the low speed movement, it is desirable to shorten the time required for the movement as much as possible even in the same conveyance period. Because, when temperature change is given to the object to be heated, it is desirable to expose the entire object to be heated to the same temperature environment in as short a time as possible, and when the object to be heated moves in a section with a temperature difference, the direction of travel of the object to be heated This is because the temperature distribution in the object to be heated increases.
This has a stronger effect as the length of the object to be heated in the traveling direction increases or the heat capacity of the object to be heated decreases.
ヒーター３ａ、３ｂ、３ｃについては、赤外線加熱や熱風、誘導加熱などを用いることができる。これも、熱処理温度や被加熱物の熱的特性（形状、熱容量、赤外線吸収率）などを考慮する必要がある。そして、被加熱物６のウォーキングビーム２による搬送の周期と少なくとも周りの熱処理炉より高い温度に設定される熱処理炉４ｃのヒーター３ｃの出力周期の制御の同期化は、両者を統一して電子制御を行うことによってなされる。低温側と高温側の区間を仕切る３つの熱処理炉の壁は、断熱材などで作製し、できるだけ熱エネルギーの移動が少ないようにする。
For the heaters 3a, 3b, 3c, infrared heating, hot air, induction heating, or the like can be used. This also requires consideration of the heat treatment temperature and the thermal characteristics (shape, heat capacity, infrared absorption rate) of the object to be heated. The synchronization of the control of the transfer cycle of the object to be heated 6 by the walking beam 2 and the output cycle of the heater 3c of the
また、従来のウォーキングビームを利用した熱処理炉のヒーターのままでは、搬送間隔の時間内に基板を設定温度まで昇温できなく、出力が不十分であるため、ヒーター３ｃは、高温側の区間における赤外線ヒーター３ｃを出力の大きいものに交換するとともに、その本数を増加させたものを用いるようにしたが、搬送間隔の時間内に基板温度を８００℃程度まで到達させることができるものならよい。 Further, if the heater of the heat treatment furnace using the conventional walking beam is used as it is, the substrate cannot be heated up to the set temperature within the transfer interval, and the output is insufficient. The infrared heater 3c is replaced with one having a large output and the number of the infrared heaters 3c is increased. However, any substrate can be used as long as the substrate temperature can reach about 800 ° C. within the conveyance interval.
そして、ヒーター３ｃの出力制御は、被加熱物６が熱処理炉内にあるときよりも熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値になるように制御するものであることが好ましい。このように、ヒーターの出力制御することによって、より効果的に被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。 The output control of the heater 3c is preferably controlled so that the output value when the heated object 6 is outside the heat treatment furnace is ½ or less than when the object 6 is inside the heat treatment furnace. . In this way, by controlling the output of the heater, it is possible to increase the heating rate of the object to be heated more effectively.
さらに、３つの熱処理炉４ａ、４ｂ、４ｃの壁面は、冷却手段５により冷却されているものであることが好ましい。このように、熱処理炉の壁面を冷却することにより、ヒーターの出力が下がっている間に個々の熱処理炉内の温度を下げることができ、高温区間の熱処理炉４ｃと低温区間の熱処理炉４ａ及び４ｂの間の温度差を大きくすることができ、被加熱物６に施す熱処理の昇温速度を増加させることができる。また、各区間の冷却については、熱処理炉の壁の外側での対流や、熱処理炉の壁からの放射などを用いても良いが、より積極的に熱処理炉の壁へのフィンの設置や冷却水を用いた熱交換を行うと効果的である。
Furthermore, the wall surfaces of the three
このような本発明に係る熱処理装置を用いて、本発明にかかる被加熱物の熱処理方法について、以下に詳述する。 The heat treatment method for an object to be heated according to the present invention using such a heat treatment apparatus according to the present invention will be described in detail below.
図１は、本発明に係る熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）、被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。
この図１では、搬送が停止したのちに高温に設定される熱処理炉のヒーター３ｃの出力が立ち上がり、被加熱物温度の上昇が始まっている。そして、次の搬送が開始される前に、ヒーター３ｃの出力は立ち下がり、被加熱物温度は下降を始める。
FIG. 1 is a graph showing an example of a change over time of a conveyance speed (A), a heating output (B) of a heater, and an object temperature (C) to be heated in the heat treatment method according to the present invention.
In FIG. 1, after the conveyance is stopped, the output of the heater 3c of the heat treatment furnace that is set to a high temperature rises, and the temperature of the object to be heated starts to rise. And before the next conveyance is started, the output of the heater 3c falls, and the temperature of the object to be heated starts to fall.
その結果、被加熱物の搬送中、高温側の区間の雰囲気（ウォーキングビームや断熱材、熱処理炉の壁、熱処理炉内の気体）は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、熱処理炉の壁などの構造物を介して熱処理炉内の高温側から低温側へ移動する熱エネルギーを小さくすることができる。そうすることで、熱処理炉内の各区間の間の温度差を大きくすることができ、被加熱物が熱処理炉４ｃにあるとき、そこを通過する被加熱物の温度の昇温速度を増大することができる。
As a result, the atmosphere in the section on the high temperature side (walking beam, heat insulating material, wall of the heat treatment furnace, gas in the heat treatment furnace) is higher than when the inside of the heat treatment furnace is steadily heated during conveyance of the object to be heated. Therefore, the heat energy transferred from the high temperature side to the low temperature side in the heat treatment furnace via the structure such as the wall of the heat treatment furnace can be reduced. By doing so, the temperature difference between each section in the heat treatment furnace can be increased, and when the object to be heated is in the
そして、このヒーターの出力の増加は、加熱区間に被加熱物が完全に送り込まれた後（より望ましいのは搬送が停止した後）に、開始されることが望ましい。そうすることで、ヒーターから発せられる熱エネルギーが効率良く被加熱物に移動するため、昇温速度を大きくできるとともに、無駄に熱処理炉内の雰囲気を加熱することを避けて、複数の熱処理炉間の温度差を大きくすることができる。 The increase in the output of the heater is preferably started after the object to be heated is completely fed into the heating section (more preferably after the conveyance is stopped). By doing so, the heat energy emitted from the heater is efficiently transferred to the object to be heated, so that the rate of temperature increase can be increased, and it is possible to avoid heating the atmosphere in the heat treatment furnace in vain, between multiple heat treatment furnaces. The temperature difference can be increased.
また、このような搬送とヒーターとを連動させ、搬送周期とヒーターの出力周期の同期化を図ることによって、被加熱物への加熱むらを小さくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。なぜならば、仮に、搬送開始直後に加熱を開始してしまうと、被加熱物全体がまだ熱処理炉内に入り切っておらず、被加熱物への加熱むらが生じてしまうためである。 In addition, by linking such a transport and heater, and synchronizing the transport cycle and the output cycle of the heater, it is possible to reduce the heating unevenness of the heated object and to uniformize the characteristics of the heated object can do. This is because, if heating is started immediately after the start of conveyance, the entire object to be heated has not yet entered the heat treatment furnace, and uneven heating of the object to be heated occurs.
この方法は、メッシュベルト式の搬送形式ではなく、間欠的に搬送を行うというウォーキングビームによる搬送方式の特性を生かすことで実現できる。つまり、搬送と加熱とを同期させ、且つ間欠的に行うものである。また、熱容量が小さいワイヤなどをウォーキングビームに使用することで、ヒーターからの出力を効率良く被加熱物を加熱することに振り向けられるため、昇温速度を大きくすることができる。 This method can be realized by making use of the characteristics of the walking beam conveyance method of intermittent conveyance instead of the mesh belt type. That is, conveyance and heating are synchronized and performed intermittently. Further, by using a wire having a small heat capacity or the like for the walking beam, the output from the heater can be directed to efficiently heating the object to be heated, so that the rate of temperature increase can be increased.
そして、被加熱物が移動している時、つまり熱処理炉内に被加熱物が停止していないときに、ヒーターの出力が被加熱物が停止している時のヒーターの最高出力の１／２以下、特には０であることが望ましい。このように、ヒーターの出力を制御することによってより効果的に昇温速度を大きくすることができる。 When the object to be heated is moving, that is, when the object to be heated is not stopped in the heat treatment furnace, the output of the heater is 1/2 of the maximum output of the heater when the object to be heated is stopped. In particular, 0 is particularly desirable. Thus, the temperature increase rate can be increased more effectively by controlling the output of the heater.
前述のように、高温側の区間における熱処理炉内の雰囲気温度を低く保つためには、理想的には被加熱物が投入されていない間は、ヒーターの出力が無いことが望ましいが、現実的に搬送間隔での昇温が間に合わない場合や、ヒーターへの負荷が増大するための短寿命化などの問題がある場合は、被加熱物が投入されていない間もある程度の加熱を持続させておくことも可能である。ただし、その場合でも被加熱物が投入された後と前とのヒーターの最高出力の比を大きくすることが望ましい。その比は、最低でも１／２程度あることが望ましい。 As described above, in order to keep the atmosphere temperature in the heat treatment furnace in the high temperature section low, ideally, it is desirable that there is no heater output while the object to be heated is not put in, but it is practical. If the temperature rise at the transfer interval is not in time, or if there is a problem such as shortening the service life due to an increase in the load on the heater, a certain amount of heating can be continued while the object to be heated is not put in. It is also possible to leave. However, even in that case, it is desirable to increase the ratio of the maximum output of the heater after the object to be heated is input and before. The ratio is desirably at least about 1/2.
さらに、熱処理炉の壁面が、冷却手段によって冷却されていることが望ましい。
このように壁面を冷却する理由は、低温側の区間の雰囲気温度を下げることにあるが、その方法には、二通りある。直接、低温側の区間の温度を下げるための低温側への実施と、高温側からの熱エネルギーの流入を防止するための高温側への実施である。
どちらの場合も、低温側の温度を下げることによって、高温側と低温側の間の温度差を大きくする効果を持ち、結果的に昇温速度を増加させる。
Furthermore, it is desirable that the wall surface of the heat treatment furnace be cooled by a cooling means.
The reason for cooling the wall surface in this way is to lower the ambient temperature in the section on the low temperature side, but there are two methods. Direct implementation to the low temperature side to lower the temperature of the section on the low temperature side, and implementation to the high temperature side to prevent inflow of thermal energy from the high temperature side.
In either case, lowering the temperature on the low temperature side has the effect of increasing the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side, resulting in an increase in the rate of temperature increase.
以下、本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜電極焼成工程前の太陽電池形成工程＞
３族元素のガリウムを不純物元素とするｐ型単結晶太陽電池用シリコンウエーハ（１００ｍｍ角、面方位｛１００｝、基板厚２５０μｍ、抵抗率１．０Ωｃｍ）を、水酸化カリウム水溶液によりエッチングしてダメージ層を取り除く。
さらにＩＰＡを混入した水酸化カリウム水溶液により、反射防止構造であるテクスチャ構造を形成する。
引き続き、受光面側にＰＯＣｌ３液体ソースを利用した熱拡散によって５族元素のリンを不純物としたｎ領域を受光面に作製する。また、この工程は塗布拡散、もしくはイオン注入法によって行うこともできる。
ここで、太陽光反射防止と表面保護をかねて、プラズマＣＶＤ法によって膜厚７０ｎｍの窒化膜を受光面上に形成する。この窒化膜の成膜には、ＰＶＤ法を用いても問題ない。
さらに、裏面（受光面と反対側の面）全面に対し、アルミニウム粉末を含む導電性ペーストを印刷し、乾燥する。
次に、受光面に対し、銀粉末を含む導電性ペーストをフィンガー電極とバスバー電極の形状に印刷し、乾燥する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<Solar cell forming step before electrode firing step>
Silicon wafers for p-type single crystal solar cells (100 mm square, surface orientation {100}, substrate thickness 250 μm, resistivity 1.0 Ωcm) using
Furthermore, a texture structure which is an antireflection structure is formed by a potassium hydroxide aqueous solution mixed with IPA.
Subsequently, an n region having phosphorus as a Group 5 element as an impurity is formed on the light receiving surface by thermal diffusion using a POCl 3 liquid source on the light receiving surface side. This step can also be performed by coating diffusion or ion implantation.
Here, a 70 nm-thick nitride film is formed on the light-receiving surface by plasma CVD to prevent sunlight reflection and protect the surface. There is no problem in using the PVD method for forming the nitride film.
Further, a conductive paste containing aluminum powder is printed on the entire back surface (surface opposite to the light receiving surface) and dried.
Next, a conductive paste containing silver powder is printed in the shape of finger electrodes and bus bar electrodes on the light receiving surface and dried.
（実施例１・２、比較例１）
＜ヒーターの設定＞
本発明による電極の焼成を行うためには、従来のウォーキングビームを用いた熱処理装置のヒーターでは、高温に設定する区間の熱処理炉におけるヒーターの出力が不十分であるため、高温側の区間における赤外線ヒーターを出力の大きいものに交換するとともに、その本数を増加させた。その変更点は、次の表１の通りである。この改良によって、搬送間隔の時間内に基板温度を７５０℃に到達させることができる。
(Examples 1 and 2, Comparative Example 1)
<Heater settings>
In order to perform the firing of the electrode according to the present invention, in the heater of the heat treatment apparatus using the conventional walking beam, the output of the heater in the heat treatment furnace in the section set to a high temperature is insufficient. The number of heaters was increased and the number of heaters increased. The changes are as shown in Table 1 below. By this improvement, the substrate temperature can reach 750 ° C. within the time of the conveyance interval.
＜熱処理炉内の温度検証＞
ここで、本発明による熱処理方法の効果を検証するために、一番高い温度に設定された熱処理炉のヒーターの温度制御方法を変更した３種類（実施例１、実施例２、比較例１）の熱処理方法を行う。
実施例１では、図１（Ｂ）のようにヒーターの出力をウォーキングビームの搬送周期に連動させ、最高温度に到達する熱処理炉のヒーターのみを、その熱処理炉内に太陽電池が投入され、停止した直後に急速加熱し、太陽電池が搬送されている際は、該ヒーターの出力を切る方法とする。実施例２では、実施例１と同じヒーターの制御方法で、一番高い温度に設定される熱処理炉の壁面を冷却水で冷却する方法とする。そして、比較例１では、従来通り複数の熱処理炉内のヒーターを全て設定温度を保つように加熱する方法とする。
<Temperature verification in heat treatment furnace>
Here, in order to verify the effect of the heat treatment method according to the present invention, three types (Example 1, Example 2, Comparative Example 1) in which the temperature control method of the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature was changed. The heat treatment method is performed.
In Example 1, as shown in FIG. 1B, the heater output is linked to the walking beam conveyance cycle, and only the heater of the heat treatment furnace that reaches the maximum temperature is inserted into the heat treatment furnace and stopped. Immediately after heating, when the solar cell is being transported, the output of the heater is turned off. In Example 2, the same heater control method as in Example 1 is used to cool the wall surface of the heat treatment furnace set at the highest temperature with cooling water. And in the comparative example 1, it is set as the method of heating so that all the heaters in a several heat processing furnace may maintain preset temperature conventionally.
被加熱物搬送中の各熱処理炉内雰囲気温度と、実際に熱電対を取り付けた基板を搬送させることによって熱処理炉４ｃに投入する直前の基板の温度と５００℃から７００℃までの昇温速度を、次の表２に示す。昇温速度は、５００℃から７００℃になるまでの時間で、その温度差２００℃を割ったものである。
The atmospheric temperature in each heat treatment furnace during conveyance of the object to be heated, the temperature of the substrate immediately before being introduced into the
この結果から、高温側の加熱出力を基板の投入周期に同期させて間欠的に行うことによって、被加熱物の搬送中に高温側の熱処理炉内の雰囲気温度が下がり、被加熱物を熱処理する際、大幅な昇温速度の増加を達成した（実施例１）。さらに、高温に設定される熱処理炉の壁を冷却することで、より大きな昇温速度を得ることができた（実施例２）。
一方、従来の熱処理方法では、熱処理炉４ｂの雰囲気温度が５７０℃となっているため、熱処理炉４ｃに基板が投入される前に５００℃を超える温度になってしまい、５００℃から７００℃の昇温速度を大きくすることができない（比較例１）。
From this result, the heating temperature on the high temperature side is intermittently performed in synchronism with the substrate loading cycle, so that the atmospheric temperature in the heat treatment furnace on the high temperature side is lowered during the transfer of the heated object, and the heated object is heat treated. In this case, a significant increase in the heating rate was achieved (Example 1). Furthermore, a larger heating rate could be obtained by cooling the wall of the heat treatment furnace set to a high temperature (Example 2).
On the other hand, in the conventional heat treatment method, since the atmospheric temperature of the heat treatment furnace 4b is 570 ° C., the temperature exceeds 500 ° C. before the substrate is put into the
＜太陽電池電極の焼成工程とその製品評価＞
次に、上記の３条件（実施例１、実施例２、比較例１）の熱処理装置及び熱処理方法で電極焼成工程を行った。焼成における熱処理炉への基板の投入間隔（搬送周期）は、３枚ずつ、１５秒間隔で行った。ウォーキングビームには、ワイヤを用いた。
そして、ソーラシミュレータ（光強度：１ｋＷ／ｍ２、スペクトル：ＡＭ１．５グローバル）を用いて、作製した太陽電池の出力特性を測定した。得られた出力特性を、次の表３に示す。
<Sintering process of solar cell electrodes and product evaluation>
Next, an electrode firing step was performed using the heat treatment apparatus and heat treatment method under the above three conditions (Example 1, Example 2, and Comparative Example 1). The interval (conveyance cycle) for loading the substrates into the heat treatment furnace during firing was performed every 15 seconds at intervals of 15 seconds. A wire was used for the walking beam.
And the output characteristic of the produced solar cell was measured using the solar simulator (light intensity: 1 kW / m < 2 >, spectrum: AM1.5 global). The obtained output characteristics are shown in Table 3 below.
その結果、本発明（実施例１、実施例２）によって、焼成時に基板に与えられる昇温速度が大幅に向上したため、本発明による熱処理装置で電極を焼成した太陽電池（実施例１）では、従来法で焼成したそれ（比較例１）に比べて、より高い開放電圧を得、変換効率が０．７％向上した。
また、熱処理炉の壁を冷却し昇温速度を増加させて焼成した太陽電池（実施例２）では、実施例１に比べてさらに効率が０．１％向上した。
As a result, according to the present invention (Example 1, Example 2), the rate of temperature increase given to the substrate at the time of firing was greatly improved, so in the solar cell (Example 1) in which the electrode was fired by the heat treatment apparatus according to the present invention, Compared to that fired by the conventional method (Comparative Example 1), a higher open circuit voltage was obtained and the conversion efficiency was improved by 0.7%.
Further, in the solar cell (Example 2) that was fired by cooling the wall of the heat treatment furnace and increasing the temperature rising rate, the efficiency was further improved by 0.1% compared to Example 1.
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is merely an example, and the present invention has the same configuration as that of the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
１…搬送装置、 ２…ウォーキングビーム、 ３ａ、３ｂ、３ｃ…ヒーター、
４ａ、４ｂ、４ｃ…熱処理炉、 ５…冷却手段、 ６…被加熱物、
７…熱処理装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Conveyor device, 2 ... Walking beam, 3a, 3b, 3c ... Heater,
4a, 4b, 4c ... heat treatment furnace, 5 ... cooling means, 6 ... object to be heated,
7 ... Heat treatment apparatus.
Claims (6)
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターは、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動して出力制御をするものであることを特徴とする熱処理装置。 At least the object to be heated placed on the walking beam driven by the conveying device is conveyed in a heat treatment furnace having a heater and passes through the plurality of heat treatment furnaces, thereby performing multi-stage heat treatment on the object to be heated. In the heat treatment apparatus for applying
At least the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment is one that performs output control in conjunction with a conveyance cycle of the walking beam. Heat treatment equipment.
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターを、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御することを特徴とする被加熱物の熱処理方法。 At least the object to be heated placed on the walking beam driven by the conveying device is conveyed in a heat treatment furnace having a heater and passes through the plurality of heat treatment furnaces, thereby performing multi-stage heat treatment on the object to be heated. In the heat treatment method for applying
At least the heater of the heat treatment furnace set to the highest temperature among the heat treatment temperatures for performing the multi-stage heat treatment is output controlled in conjunction with the walking beam conveyance cycle. Heat treatment method for objects.
6. The method for heat-treating an object to be heated according to claim 4, wherein wall surfaces of the plurality of heat treatment furnaces are cooled by a cooling means.
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