JP2009206235A

JP2009206235A - 薄膜太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP2009206235A
Application number: JP2008045572A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ouchi; 崇大内; Tatsumi Kawada; 辰実川田; Kimimichi Kuboyama; 久保山　　公道
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】基板を貫通する集電孔と接続孔を有するＳＣＡＦ型薄膜太陽電池フイルムのレーザーパターニング工程において、フイルムのしわを取り除くことができ、フイルム裏面側へのコンタミの流入、付着を防止すること。
【解決手段】可撓性基板の表面に形成した光電変換層をレーザーパターニングする薄膜太陽電池の製造方法において、レーザーパターニング工程において、フイルム２の幅方向両端部に接する端部領域に吸引孔６ａが形成されたレーザー加工ステージ６を、フイルム２のレーザー加工面の反対側に接触させて、吸引孔６ａからフイルム２の幅方向両端部Ｗ１を吸引することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、可撓性基板の表面に形成した光電変換層をレーザーパターニングする薄膜太陽電池の製造方法に関する。

原料ガスのグロー放電分解等により形成されるアモルファスシリコン等からなるアモルファス半導体膜は、気相成長であるため大面積化が容易で、低コストな太陽電池の光電変換膜として期待されている。かかる薄膜太陽電池は、太陽光の入射する側にＳｎＯ_２膜やＺｎＯ膜等の透明電極を設けている。しかし、このような透明電極はシート抵抗が大きいために、電流が透明電極を流れることによる電力ロスが大きいといった問題があった。

そのため、従来は太陽電池を複数の太陽電池（ユニットセル）に分割し、分割したユニットセルを隣接するユニットセルと電気的に接続する直列接続構造を採っていた。これに対し、特許文献１に記載された薄膜太陽電池では、反光入射側にある絶縁性基板に穴を空け、この穴を利用して透明電極層を基板裏面の接続電極層と接続する構造とし、シート抵抗の大きい透明電極を流れる電流の経路を短縮し、これにより寸法の限定された単位太陽電池に分割することなく低電圧、大電流型にも構成できるようにした。これにより、ジュール損失が少なく、デッドスペースを縮小して有効発電面積が増加した薄膜単位太陽電池を得ることができた。

さらに、単位太陽電池の一部に光電変換層の下の接続電極層の露出する領域を形成し、それと基板を貫通する導体に接続される分離された接続電極層を、隣接単位太陽電池の接続電極層と連結することにより、直列接続構造が容易に形成できる。このような構成の薄膜太陽電池は、ＳＣＡＦ(Series Connection through Apertures on Film )型の薄膜太陽電池と呼ばれ、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。上記薄膜太陽電池の構成および製造方法の一例は、例えば特許文献２及び特許文献３に記載されている。

図５は、上記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池の構成を簡略化して斜視図で示したものである。図５において、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、単位光電変換素子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。

上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を図７（ａ）から（ｇ）に示す。
プラスチックフィルム７１を基板として(工程（ａ））、これに接続孔７８を形成し（工程（ｂ））、基板の両面に第１電極層（下電極）７４および第３電極層（接続電極の一部）７３を形成（工程（ｃ））した後、接続孔７８と所定の距離離れた位置に集電孔７７を形成する（工程（ｄ））。工程（ｃ）と工程（ｄ）との間に、第１電極層（下電極）７４を所定の形状にレーザー加工して、下電極をパターニングする工程がある。

次に、第１電極層７４の上に、光電変換層となる半導体層７５および第２電極層である透明電極層７６を順次形成するとともに（工程（ｅ））および工程（ｆ））、第３電極層７３の上に第４電極層（接続電極層）７９を形成する（工程（ｇ））。この後、レーザビームを用いて、基板７１の両側の薄膜を分離加工して図５に示すような直列接続構造を形成する。

なお、第３電極層と第４電極層は電気的には同一の電位であるので、説明の便宜上、併せて一層の接続電極層として扱われることもある。
特開平６−３４２９２４号公報特開平１０−２３３５１７号公報特開２００４−３５６３３１号公報

しかしながら、図５に示すＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池においては、下記のような問題があった。

まず、列間および端部の透明電極層加工ライン、及び下電極層加工ラインは、集電孔６７や接続孔６８との相対位置にばらつきがないように加工する必要がある。また、はじめに加工する下電極層加工ラインの上を、透明電極層加工ラインを重ねて加工する必要があり、高い精度が要求される。フイルムにしわ、たるみが発生した場合には、レーザー加工面のフイルム平坦度が低下することとなり、ライン直線性や加工ライン幅などのレーザー加工精度が悪化することとなる。

対策として、フイルムレーザー加工面の裏側に、高精度に加工された、吸引孔付バックプレート（レーザー加工ステージ）を設け、フイルムを吸引してレーザー加工ステージに密着させることにより、フイルムにしわやたるみがない状態でレーザー加工することが可能になる。図６（ａ）〜（ｃ）に従来のレーザーパターニング装置を示す。レーザーパターニング装置２０において、レーザーパターニング工程を実施する際に、薄膜太陽電池（可撓性フイルム）２１をレーザー加工ステージ２２にて吸引固定している。レーザー加工ステージ２２には、フイルム吸引固定用吸引孔２２ａがフイルム面側全面に配置されており、フイルム２１を所定位置まで搬送した後、図示しない外部吸引ポンプにより吸引することにより、フイルム２１をレーザー加工ステージ２２側に密着固定し、しわを取り除くと共に所定の平坦度を維持した状態で、レーザー本体２３にてレーザー加工を行なうこととなる。

しかしながら、図７に示す通り、基板を貫通する集電孔７７と接続孔７８を有するＳＣＡＦ型薄膜太陽電池フイルムの場合、表面側の第１電極層（下電極）７４、第２電極層（光電変換層となる半導体層７５と透明電極層７６）、及び第３電極層と第４電極層（接続電極層）を所定の形状にレーザーで分割加工を行なうパターニング工程において、レーザー加工時に発生する、ヒュームや加工塵の一部が、集電孔７７と接続孔７８からフイルム背面側に流入して、フイルム裏面側に滞留付着することとなる。その結果、フイルム裏面に付着したヒュームや加工塵が、搬送ロール２５を介して、光電変換層側にコンタミとして、転写付着すると、リーク発生による特性低下の原因となる問題がある。加工後、フイルム清掃する方法もあるが、完全除去は困難である。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、基板を貫通する集電孔と接続孔を有するＳＣＡＦ型薄膜太陽電池フイルムのレーザーパターニング工程において、フイルム裏面側にコンタミが流入、付着することが無く、光電変換層におけるリーク発生による特性低下を伴うことなく、所定形状にレーザーで分割加工してパターニングを行なうことができる、薄膜太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、電気絶縁性を有する可撓性基板の表面に下電極層と光電変換層と透明電極層とを順次積層して光電変換部を形成し、前記可撓性基板の裏面における前記光電変換部に対応した領域に接続電極層を形成し、前記光電変換部が複数の単位光電変換部に分離されるようにレーザーパターニングすると共に、隣接する前記単位光電変換部間をそれぞれ跨ぐように前記接続電極層を複数の分離接続電極層に分離し、前記光電変換部形成領域内に単位光電変換部の透明電極層から基板裏面側の分離接続電極層に導通する集電孔を形成すると共に、隣接する前記各単位光電変換部を電気的に直列に接続する接続孔を形成する薄膜太陽電池の製造方法であって、前記レーザーパターニング工程において、前記集電孔及び接続孔を除く領域であって少なくとも前記可撓性基板の幅方向両端部に接する端部領域に吸引孔が形成された加工ステージを、前記可撓性基板のレーザー加工面の反対側に接触させて、前記吸引孔から前記可撓性基板の幅方向両端部を吸引することを特徴とする。

この構成によれば、可撓性基板の幅方向両端部を加工ステージの吸引孔から吸引するので、吸引固定するのは基板幅方向の両端部のみであることから、エリアレーザー加工時に発生するヒュームや塵が、薄膜太陽電池の光電変換層エリアの集電孔や接続孔を通過して、基板背面側に付着するといった不具合が発生することを防止できる。

また本発明は、上記薄膜太陽電池の製造方法において、前記レーザーパターニング工程において、前記加工ステージを前記可撓性基板の基板通過基準位置よりも可撓性基板側へ押し込んで当該可撓性基板を前記加工ステージで押圧することを特徴とする。

この構成により、加工ステージに可撓性基板が密着して可撓性基板全体のしわが取り除かれ、可撓性基板にしわやたるみがない状態でレーザー加工することが可能になり、高精度な加工が実現される。

また上記薄膜太陽電池の製造方法において、前記レーザー加工ステージは、基板搬送方向に沿った断面形状が可撓性基板側に凸の曲率を持つものを用いることができる。また、加工ステージの搬送方向前後に近接して補助ロールを配置した構成とすることもできる。

本発明によれば、基板を貫通する集電孔と接続孔を有するＳＣＡＦ型薄膜太陽電池フイルムのレーザーパターニング工程において、フイルム裏面側にコンタミが流入、付着することが無く、光電変換層におけるリーク発生による特性低下を伴うことなく、所定形状にレーザーで分割加工してパターニングを行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の一の実施例に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置の構成図であり、図１（ａ）はレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、図１（ｂ）はレーザー加工面側からみた平面図である。薄膜太陽電池の構造は図５に示すものと同一であり、図５の符号を用いて薄膜太陽電池の各部を説明するものとする。

本実施の形態のレーザーパターニング装置１は、可撓性フイルムからなる薄膜太陽電池２（以下、単に「フイルム２」という）を立てた状態で搬送するための一対の搬送ローラ３，４がフイルム入側及び出側に設置されている。搬送ローラ３，４間の所定領域に存在するフイルム２に対してレーザーを照射するレーザー本体５が設置されている。フイルム２のレーザー加工面とは反対側にレーザー加工ステージ６が配置されている。レーザー加工ステージ６は、フイルム２側に平坦なステージ面を有する。レーザー加工ステージ６には移動機構７が設けられており、移動機構７によってレーザー加工ステージ６のステージ面がフイルム２のレーザー加工面側へ押圧移動できるように構成されている。

図２（ａ）〜（ｃ）はレーザー加工ステージ６の吸引孔６ａとフイルム２の集電孔６７の形成位置を説明する図であり、図２（ａ）は図１（ｂ）に丸で囲む領域についての部分拡大図、図２（ｂ）はレーザー加工ステージ６の上面図、図２（ｃ）はフイルム２の先端部分の平面図である。図２（ｂ）に示すように、レーザー加工ステージ６のフイルム幅方向端部Ｗ１には複数の吸引孔６ａがフイルム搬送方向に連続的に形成されている。図２（ｃ）に示すように、フイルム２にはフイルム幅方向端部を除く領域Ｗ２に集電孔６７がフイルム長手方向に沿って複数列にわたり形成されている。図２（ａ）に示すように、レーザー加工ステージ６上にフイルム２が重ねられた状態において、レーザー加工ステージ６上に形成した吸引孔６ａが、フイルム２の集電孔６７（及び不図示の接続孔６８）に対してフイルム幅方向端部側にずれるように設計されている。すなわち、フイルム幅方向端部Ｗ１は、レーザー加工ステージ６上を押圧移動するフイルム２の集電孔６７及び接続孔６８の形成領域Ｗ２から外れた位置に設定している。

次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
薄膜太陽電池用基材となる耐熱樹脂フイルムは、スリッターにより切断してフイルム幅寸法の調整を行なうが、その際に残留応力により周期的なしわがフイルム幅方向の両端に発生する。フイルム両端に発生したしわ単独では、薄膜太陽電池の光電変換層のレーザーパターニング加工を行なうエリアまでは到達しないが、後述するように加工ステージ６を押圧移動した際に、両端しわが起点となって大きなしわに成長して、レーザーパターニング加工エリアまで影響を及ぼす恐れがある。

本実施の形態では、レーザー加工ステージ６のステージ面がフイルム２のフイルム面と接触する位置までレーザー加工ステージ６を移動機構７によって移動させる。そして、レーザー加工ステージ６の吸引孔６ａにフイルム幅方向のフイルム両端部が重ねられた状態で不図示のポンプで吸引孔６ａを負圧吸引することにより、フイルム両端がレーザー加工ステージ６に吸着固定されてしわが取り除かれる。

フイルム両端のしわ取り後、レーザー加工ステージ６をさらに押圧移動することにより、フイルム両端でのしわや浮きが発生し難くなり、安定して平坦度を維持しつつフイルム固定が可能になる。具体的には、フイルム２をレーザー加工ステージ６にて、レーザー加工面とは反対側から通紙基準位置よりレーザー加工面側に所定量ΔＺだけ押圧移動する。これにより、フイルム２のしわを伸ばしてしわ高さを低減することにより、フイルム加工面の平坦度を維持できる。搬送ロール３，４間のスパン長さやフイルム蛋力に応じて、フイルムにしわが発生することとなるが、発生するしわの高さに応じてレーザー加工ステージ６によりフイルム２を押圧移動する距離ΔＺを、０．５ｍｍから３０ｍｍの範囲で設定することにより、有効にしわ取りを行うことができる。

搬送ロール３，４にてレーザー本体５のレーザー加工位置に固定されたフイルム２に対してレーザー本体５からレーザー光を照射してレーザー加工を行う。このようにフイルム２をレーザー加工ステージ６に密着させることにより、フイルム２にしわやたるみがない状態でレーザー加工することが可能になり、高精度な加工が実現される。しかも、吸引固定するのはフイルム幅方向の両端部のみであることから、エリアレーザー加工時に発生するヒュームや塵が、薄膜太陽電池の光電変換層エリアの集電孔や接続孔を通過して、フイルム背面側に付着するといった不具合を防止できる。
なお、フイルム幅方向の両端に発生するしわを取り除くためには、レーザー加工ステージ６をフィルム通紙基準位置よりもフイルム側に押圧する移動機構７は必ずしも設ける必要はない。

（変形例１）
図３（ａ）（ｂ）は上記実施の形態の変形例１に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置の構成図であり、図３（ａ）はレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、図３（ｂ）はレーザー加工面側からみた平面図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。

変形例１に関わるレーザーパターニング装置１は、レーザー加工ステージ１１の形状を、フイルム搬送方向に沿って凸型の曲率を持つプレート形状としたものである。上記実施の形態と同様に、レーザー加工ステージ１１のフイルム幅方向端部Ｗ１には複数の吸引孔６ａが連続的に形成されている。フイルム幅方向端部Ｗ１は、レーザー加工ステージ１１上を押圧移動するフイルム２の集電孔６７及び接続孔６８の形成領域Ｗ２から外れた位置に設定している。

このような変形例１によれば、レーザー加工ステージ１１の形状を、フイルム搬送方向に沿って凸型の曲率を持つプレート形状とすることにより、フイルム張力によりレーザー加工ステージ側へ押付けるカベクトルが発生することから、レーザー加工ステージ１１を押圧した場合のフイルムしわ取り効果を高めることができる。レーザー加工ステージ１１の凸型形状の円弧高さを大きくすると、しわ取り効果を高めることができるが、レーザーパターンの加工精度、特に周辺部の加工精度維持が困難となる。１ｍ四方サイズのレーザー加工ステージでは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲で凸型形状の円弧高さを設定することにより、レーザー加工精度を維持しつつ、押し込み時のしわ取り効果を高めることができる。

（変形例２）
図４（ａ）（ｂ）は上記実施の形態の変形例２に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置の構成図であり、図４（ａ）はレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、図４（ｂ）はレーザー加工面側からみた平面図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。

変形例２に関わるレーザーパターニング装置１は、レーザー加工ステージの搬送方向前後に、近接して補助ロール１２、１３を配置したものである。３ａは搬送ロール３に対するニップロールである。上記実施の形態と同様に、レーザー加工ステージ６のフイルム幅方向端部Ｗ１には複数の吸引孔６ａが連続的に形成されている。フイルム幅方向端部Ｗ１は、レーザー加工ステージ６上を押圧移動するフイルム２の集電孔６７及び接続孔６８の形成領域Ｗ２から外れた位置に設定している。

このような変形例２によれば、レーザー加工ステージ６の搬送方向前後に、近接して補助ロール１２，１３を配置することにより、レーザー加工ステージ６を押圧してフイルム搬送した際、フイルム２を円滑にレーザー加工ステージ６上を滑らせることができ、フイルム背面への傷の発生を防止できる。

レーザー加工ステージ６を押圧移動する場合、フイルム２は通紙基準位置からステージと同伴して移動することとなる。巻出し側と巻取り側から等量フイルムが引き出された場合には、レーザー加工ステージ６上でフイルム２のスリップは発生しないが、例えば、巻出し側ロール３をニップロール３ａでニップ固定してフイルム２の位置出しをしたとする。この場合、ステージ押圧移動時、フイルム２は巻取り側から押圧移動量の２倍巻き出されることとなり、フイルムはステージ上をスリップ移動する為、薄膜太陽電池フイルム２の裏面側にスクラッチ傷が発生する問題が生じる。

加工ステージの搬送方向前後に近接して設置する補助ロール１２，１３は、加工ステージ面とロール外周が、同一面となる様に設置することにより、フイルム２の浮きが無い状態でフイルム２を固定して、レーザー加工をすることが可能となる。

また、フイルム２の搬送ロール間スパンは、レーザー加工ステージ６の巾寸法に、近接設置するロール径を加えた長さまで短縮したことと同様な効果が得られ、フイルム自体のしわ発生量をより少なくする効果も得られる。

本発明は、ＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の製造方法に適用可能である。

（ａ）一実施の形態に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置の立面図、（ｂ）同レーザーパターニング装置をレーザー加工面側からみた平面図（ａ）図１（ｂ）に丸で囲む領域についての部分拡大図、（ｂ）レーザー加工ステージの上面図、（ｃ）フイルムの先端部分の平面図（ａ）変形例１に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、（ｂ）同レーザーパターニング装置をレーザー加工面側からみた平面図（ａ）変形例２に関わる薄膜太陽電池のレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、（ｂ）同レーザーパターニング装置をレーザー加工面側からみた平面図ＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の概略構成図（ａ）薄膜太陽電池の従来のレーザーパターニング装置を上方からみた立面図、（ｂ）同レーザーパターニング装置をレーザー加工面側からみた平面図図５に示すＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の製造工程を示す図

符号の説明

１…レーザーパターニング装置
２…フイルム
３、４…搬送ロール
５…レーザー本体
６、１１…レーザー加工ステージ
６ａ…吸引孔
７…移動機構
１２，１３…補助ロール
６１…基板
６２…光電変換素子
６３…接続電極層
６４…下電極層
６５…光電変換層
６６…透明電極層
６７…集電孔
６８…接続孔

Claims

電気絶縁性を有する可撓性基板の表面に下電極層と光電変換層と透明電極層とを順次積層して光電変換部を形成し、
前記可撓性基板の裏面における前記光電変換部に対応した領域に接続電極層を形成し、
前記光電変換部が複数の単位光電変換部に分割されるようにレーザーパターニングすると共に、隣接する前記単位光電変換部間をそれぞれ跨ぐように前記接続電極層を複数の分離接続電極層に分割し、
前記光電変換部形成領域内に単位光電変換部の透明電極層から基板裏面側の分離接続電極層に導通する集電孔を形成すると共に、隣接する前記各単位光電変換部を電気的に直列に接続する接続孔を形成する薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記レーザーパターニング工程において、前記集電孔及び接続孔を除く領域であって少なくとも前記可撓性基板の幅方向両端部に接する端部領域に吸引孔が形成された加工ステージを、前記可撓性基板のレーザー加工面の反対側に接触させて、前記吸引孔から前記可撓性基板の幅方向両端部を吸引することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
前記レーザーパターニング工程において、前記加工ステージを前記可撓性基板の基板通過基準位置よりも可撓性基板側へ押し込んで当該可撓性基板を前記加工ステージで押圧することを特徴とする請求項１記載の薄膜太陽電池の製造方法。
前記レーザー加工ステージは、基板搬送方向に沿った断面形状が可撓性基板側に凸の曲率を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の薄膜太陽電池の製造方法。
前記加工ステージの搬送方向前後に近接して補助ロールを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の薄膜太陽電池の製造方法。