JP2010103482A - 光起電モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】後ろ側電極層の分割を確実にすることで、より低いコストで高品質な光起電モジュールを提供する。
【解決手段】光起電モジュールを製造するために、透明な前側電極層３、半導体層４、および後ろ側電極層５が、透明な基板２へと付着させられ、直列に接続されたセルＣ１、Ｃ２を形成すべく分割線６によって構造化される。インクジェットプリンタを使用して、半導体層４上の後ろ側電極層５の分割線８を形成すべき領域に水溶性の剥離マス１２を塗布し、さらに、剥離マス１２および半導体層４の上に後ろ側電極層５が付着させられる。水ジェット１３により、後ろ側電極層５が剥離マス１２上で機械的に傷つけられ破れ、後ろ側電極層５の破損点において剥離マス１２が溶解することで、剥離マス１２が形成された部分で後ろ側電極層５が剥離し、分割線８が形成される。
【選択図】図２
【解決手段】光起電モジュールを製造するために、透明な前側電極層３、半導体層４、および後ろ側電極層５が、透明な基板２へと付着させられ、直列に接続されたセルＣ１、Ｃ２を形成すべく分割線６によって構造化される。インクジェットプリンタを使用して、半導体層４上の後ろ側電極層５の分割線８を形成すべき領域に水溶性の剥離マス１２を塗布し、さらに、剥離マス１２および半導体層４の上に後ろ側電極層５が付着させられる。水ジェット１３により、後ろ側電極層５が剥離マス１２上で機械的に傷つけられ破れ、後ろ側電極層５の破損点において剥離マス１２が溶解することで、剥離マス１２が形成された部分で後ろ側電極層５が剥離し、分割線８が形成される。
【選択図】図２
Description
本発明は、光起電モジュールの製造方法であって、請求項１の冒頭部分に記載の製造方法に関する。
光起電モジュールの製造においては、３つの機能層、すなわち透明な前側電極層、半導体薄層、および後ろ側電極層が、透明な電気絶縁性基板（例えば、ガラス板）の広い領域を覆って成膜される。
これらひとつながりの各層から直列に接続されたセルを形成するために、各層が、例えばレーザまたは機械的な方法を使用し、あるいは化学的なやり方で、分割線によって構造化される。
レーザ技術は、例えば透明な導電性金属酸化物（ＴＣＯ）（例えば、ドーピングを施した酸化スズ）で構成される前側電極層の構造化に、従来から使用されている。使用されるレーザは、典型的には、１，０６４ｎｍの波長の放射を発するネオジム・ドープのイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）固体レーザまたはネオジム・ドープのイットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザである。
半導体層（例えば、シリコン薄層）も、典型的には、レーザ光を使用して構造化される。この場合、５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を放射する周波数２倍の（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザが使用される。
機械的な方法およびレーザによる方法の両方が、金属または導電性金属酸化物で構成される後ろ側電極層の構造化に使用される。
レーザ技術を用いる後ろ側電極層の構造化においては、（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザが典型的に使用され、レーザビームが、ガラス側から層へと集中させられる。機械的な方法は、マスク技術を使用する。マスク技術においては、後ろ側電極層をコーティングする際に、半導体の表面が例えば金属線によってマスクされ、あるいは後ろ側電極層に分割線を設けるべき領域において、半導体層に粘着ペーストが直線状に塗布されることで、それに続く後ろ側電極層のコーティングの際に半導体層のこれらの領域がマスクされる。それに続く「リフトオフ」プロセスにおいて、直線状のマスク媒体が、上方に位置する後ろ側電極層とともに、機械的に除去される。このようにして、後ろ側電極層が、個々の帯へと分割される。
レーザ技術を使用して後ろ側電極層に分割線を形成する際には、後ろ側電極層の下方に位置する半導体層が、多少なりとも悪影響を受ける一方で、ペーストおよび「リフトオフ」プロセスを使用する場合には、半導体層が損なわれることはない。
ペーストは、中空針または同様のノズルによってペーストを半導体層へと塗布するために使用される計量ツールを使用して、マスク媒体として塗布される。ツールの移動に同期して、通常は圧縮空気によって制御される計量媒体が、必要とされる量のペーストを貯蔵容器から計量ツールへと供給するために使用される。
ペーストは、平行な等間隔の線状に半導体層へと塗布される。この目的のために、ひとたび線が塗布されると、射出成形金型が次の線の塗布を可能にするように配置されるまで、ペーストの塗布が中断される。ペーストが中断時間を挟んで塗布されるために、残余のペーストによってノズルに詰まりが生じる可能性がある。
さらに、あるモジュールの半導体層へとすべての線を塗布した後で、新たなモジュールの半導体層へとペーストを塗布するために前記モジュールを排出する場合に、中空針が、ペーストの乾燥の結果として、詰まってしまう可能性がある。
また、ペーストの塗布が、例えば供給媒体（例えば、圧縮空気）が変動した場合に、１本の線内で途切れる可能性もある。すなわち、線内で、半導体層のある領域がマスクされない。ペーストの線が途切れた場合、後ろ側電極層のコーティングおよび「リフトオフ」プロセスの後で、光起電モジュールの隣り合うセルの後ろ側電極層が電気的につながり、セルが電気的に短絡した状態となる。
これは、大きな無駄につながる。さらに、ペーストの塗布がミスなく機能するためには、複雑なプロセス制御およびペースト塗布ツールの徹底的な保守を実施する必要がある。
ペーストは、その高い稠度ゆえに、半導体層上に約５００ｎｍの太さを有する線を形成する。それらの線を、例えばスパッタ法による後ろ側電極層のコーティング前に、乾燥させなければならない。しかしながら、太い線の乾燥には、きわめて時間がかかる。ペーストが充分に乾燥していないと、例えば真空下でグロー放電蒸着法（ＰＥ ＰＶＤ）によって後ろ側コンタクトをコーティングする際に壊れ、「リフトオフ」プロセスの後で、後ろ側電極層の分割線の幅が不定である光起電モジュールが生じる惧れがある。
したがって、本発明の目的は、より低いコストで、高品質な光起電モジュールを、廃棄物の問題を生じることなく製造することにある。
本発明によれば、この目的は、請求項１に特徴付けられる方法によって達成される。本発明による方法の好ましい実施形態が、従属請求項に提示される。
本発明による方法では、例えばガラス板またはプラスチック材料の板などの透明な非導電性の基板が、最初に透明な前側電極層によってコーティングされる。この透明な前側電極層によるコーティングは、例えばＰＥ ＰＶＤによって実施可能である。前側電極層は、好ましくはＴＣＯ（透明な導電性酸化物）で構成され、例えばドーピングを施した（特にフッ素をドープした）酸化スズ、ドーピングを施した（特にアルミニウムをドープした）酸化亜鉛、などで構成される。
次いで、前側電極層の構造化のために、分割線が、例えばレーザを使用して、好ましくは１，０６４ｎｍの波長を有する（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザを使用して生成される。
次いで、構造化後の前側電極層が、例えばＰＥＣＶＤによって半導体層でコーティングされる。半導体層を、例えば非晶質シリコン、ナノ結晶性シリコン、微結晶シリコン、または多結晶シリコンなどのシリコンで構成することができるが、例えば銅インジウムまたは銅インジウム・ガリウムの硫化物および／またはセレン化物や、テルル化カドミウムなど、他の半導体で構成することも可能である。前側電極層の分割線は、半導体層のコーティングの際に半導体によって満たされる。
半導体薄層を構造化するために、例えばレーザを使用して、好ましくは５３２ｎｍの波長を有する（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザを使用して、半導体層の分割線が生成される。
その後に、半導体層のうちの後ろ側電極層に分割線を形成すべき領域に、剥離マスが設けられる。
本発明によれば、剥離マスを形成するために、剥離マスの分散液または溶液が使用され、この液はインクジェットプリンタを使用して半導体層へと塗布されて、その後に乾燥させられる。
剥離マスを、例えば顔料または染料を含んでもよいバインダで構成することができる。好ましくは、使用されるバインダは樹脂の形態であって、特に水溶性の樹脂の形態であり、例えばカルボキシル基含有の尿素および／またはアルデヒド樹脂などの、カルボキシル基、ヒドロキシル基、または同様の塩形成基を含むプラスチック材料の樹脂の形態である。バインダを溶解または分散させる溶媒または分散剤は、好ましくは水混和性のアルコールまたは他の易揮発性溶媒などであってよい。例えば、剥離マスを形成するために、インクジェットプリンタを用いた鋼の印刷用に市販されている水溶性インクを使用することも可能である。
剥離マスを形成するために、本発明に従って使用され、インクジェットプリンタを使用して塗布される溶液または分散液について、不可欠な特性は、速やかに乾くこと、および乾燥後に後ろ側電極層の厚さを超えない、すなわち好ましくは０．１〜５μｍ、特に０．３〜３μｍの層厚さを有する薄膜を形成することである。
後ろ側電極層は、一般的には、真空下で例えばスパッタ法によって設けられるため、剥離マスは、乾燥したときに真空および高温に耐えなくてはならない。さらに、剥離マスは、後ろ側電極層のコーティングならびにその後の大気圧への通気よび室温への冷却の後で、半導体層にしっかりと付着していなければならない。また、剥離マスは、乾燥後に割れを生じてはならない。割れは、コーティングの際に後ろ側電極層によって満たされた場合、光起電モジュールの隣り合うセルの間の短絡につながりかねない。
使用されるインクジェットプリンタは、好ましくは連続式インクジェット（ＣＩＪ）プリンタまたはドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）プリンタである。連続式インクジェットプリンタまたはＣＩＪプリンタが好ましい。ＣＩＪプリンタにおいては、すべての線を半導体層へと塗布した後の、新たなモジュールの半導体層に剥離マスの線を設けるためにモジュールを排出する休止期間においても、剥離マスの溶液または分散液がノズルから発射される。この場合、休止期間中にノズルから発射される剥離マスの溶液または分散液は、容器に集められ、回路内でインクジェットプリンタの貯蔵容器へと戻される。これにより、モジュールの導入および排出の最中にインクジェットプリンタのノズルが詰まることが防止される。すなわち、連続式インクジェットプリンタにおいては、剥離マスの溶液または分散液が常にノズル内を移動しているため、凝集を生じたり乾燥したりすることがあり得ない。
好ましい連続式インクジェットプリンタにおいては、ジェットが、個別の液滴となってノズルから圧電コンバータを通って発射される。それらの液滴は、帯電電極を用いて静電的に帯電させたり、偏向電極を使用して横方向に偏向させたりすることができ、すなわち線を形成すべく該当のモジュールの半導体層へと偏向させることも、剥離マスの溶液または分散液を再利用するための回収容器へと偏向させることもできる。
インクジェットプリンタを使用して液滴状で塗布された剥離マスは、インクジェットプリンタと前側電極層および半導体層が設けられた基板との間の相対速度、ならびにインクジェットプリンタによって放出される液滴の大きさに応じて、真っ直ぐな縁または個々の液滴の結合の結果として弓形に湾曲した縁を有する。この場合に、塗布後の剥離マスの線の幅が、乾燥後に、２０〜３０％を超えてばらつくことがあってはならない。剥離マスの線の幅は、例えば５０〜５００μｍ、特に１００〜３００μｍであってよい。
剥離マスの塗布の際に、インクジェットプリンタと、前側電極層および半導体層が設けられた基板とが、お互いに対して移動する。この目的のために、基板を、例えば１方向または互いに直交する２方向に可動なキャリッジ上に配置でき、さらには／あるいはインクジェットプリンタを、キャリッジの移動の方向に直交する方向に可動なキャリア上に設けることができる。また、基板をテーブル上に配置することも可能であり、キャリアは、テーブルに対して互いに直交する２方向に可動であってよく、あるいはインクジェットプリンタがキャリアに沿って可動な場合には、１方向にのみ可動であってよい。
ひとたびモジュールの半導体層に剥離マスの線が設けられると、後ろ側電極層が塗布される。
後ろ側電極層は、好ましくは、金属層または導電性の金属酸化物で形成される。金属層を、例えば、アルミニウム、銅、または銀で構成することができる。金属酸化物は、例えば酸化スズまたは酸化亜鉛などの透明な金属酸化物であってよい。
金属層と半導体層との間に、例えば酸化インジウムまたはアルミニウムをドープした酸化亜鉛などのドーピングを施したＴＣＯで構成され、例えば金属原子が金属層からモジュールの半導体層へと拡散することがないようにする中間層を付着させることも可能である。
後ろ側電極層は、好ましくはスパッタ法によって付着させられるが、例えば蒸着など、他のコーティング方法によって設けることも可能である。この場合、半導体層の分割線または溝は満たされる。
剥離マスの線が設けられた半導体層を後ろ側電極層でコーティングした後に、剥離マスは、剥離マスへと付着している後ろ側電極層と一緒に、機械的に除去される（「リフトオフ」プロセス）。
この目的のために、好ましくは水溶性の剥離マスを除去するために、好ましくは水ジェットが使用される。水ジェットは、残留物を残すことなく剥離マスを溶解させるために使用され、剥離マス上に位置する後ろ側電極層が、この領域において取り除かれる。水ジェットの圧力は、例えば０．５〜２ｂａｒであってよい。
この「リフトオフ」プロセスにおいて、剥離マスへと付着した後ろ側電極層が残留物を残すことなく取り除かれるように保証するため、半導体層を充分に濡らさなければならない。半導体層が剥離マスの溶液または分散液によって濡らされる結果として、不良のない像、すなわち溶液または分散液の収縮またはにじみのない像が、同時に得られ、後ろ側電極層の橋絡によってモジュールの隣り合うセルが電気的に短絡することがない分割線が形成される。
「リフトオフ」プロセスにおける（中立な）水の使用は、半導体層がこのプロセスにおいて損なわれることがないことを保証する。
このようにして、後ろ側電極層にも必要な分割線が設けられ、光起電モジュールの直列接続のセルを形成するための構造化が完了する。
後ろ側電極層の分割線は、光起電モジュールのセルについて完全な直列接続に必要な電気的分離を得るために、例えば５０〜３００μｍの幅を有することができる。前側電極層および半導体層の分割線の幅は、典型的には３０〜５０μｍである。
本発明は、高いプロセスの安全性および安定性を提供する。また、複雑な保守および制御の作業が不要である。
本発明を、以下でさらに詳しく、図面を参照しつつ例として説明する。
図１によれば、光起電薄層モジュール１が、モジュールの光入射側ｈｖに配置された透明な基板２（例えば、ガラス板）を有している。基板２上に、３つの機能層、すなわち透明な前側電極層３、半導体薄層４、および後ろ側電極層５が、互いに重ねて成膜されている。後ろ側電極層５に、例えばプラスチック材料で製造される保護層（図示されていない）を備えてもよい。
モジュール１は、直列に接続された個々の帯状セルＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１で構成されている。この目的のために、前側電極層３が、分割線６によって中断され、半導体層４が、分割線７によって中断され、後ろ側電極層５が、分割線８によって中断され、分割線は、モジュール１の電流の方向Ｆに対して直角に延びている。
帯状セルＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１の最適な幅は、前側電極層３および後ろ側電極層５の表面抵抗、ならびに照明時のセルのインピーダンスによって決まる。典型的には、電力に関して最適化されたモジュールは、薄層技術に応じて、薄層単一セル（すなわち、例えばシリコン製の半導体層によるただ１つのｐ−ｎ接合を有するセル）においては４〜１０ｍｍのセル幅をもたらす一方で、シリコン薄層積層セル（すなわち、複数のｐ−ｎ接合を有するセル）におけるセル幅は、通常は７〜２０ｍｍである。
このように、セルＣ１、・・・、Ｃｎの後ろ側電極層５は、半導体層４の分割線７を介して、隣のセルＣ２、・・・、Ｃｎ＋１の前側電極層３に接触する。光起電モジュールによって生成される電流は、モジュールの両側のコンタクト９、１０を使用して取り出される。コンタクト９は正極であり、コンタクト１０は負極である。
前側電極層３（例えば、酸化スズから形成される）の分割線６を、１，０６４ｎｍの波長を有する（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザの集束レーザビームを使用して形成することができ、シリコン半導体層４の分割線７を、５３２ｎｍの波長を有する（Ｎｄ：ＹＡＧ）または（Ｎｄ：ＹＶＯ４）固体レーザを使用して形成することができる。
例えば金属で構成される後ろ側電極層５に分割線８を形成するために、図２ａに従い、水溶性の剥離マス１２が半導体層４へと直線状に塗布され、次いでこれが、例えばスパッタ法によって後ろ側電極層５で覆われる。
矢印１３によって示されている水ジェットの結果として、後ろ側電極層５が、剥離マス１２上で例えば機械的に傷つけられ、水溶性の剥離マス１２が、後ろ側電極層５の破損点において溶解し、結果として後ろ側電極層５が、剥離マス１２上に成膜された地点において剥離して除去され、図２ｂおよび図１に示したとおりの分割線８が形成される。
剥離マス１２は、図３および４に従い、インクジェットプリンタ１５を使用して、前側電極層３および半導体層４が設けられた基板２へと塗布される。
この目的のために、図３によれば、インクジェットプリンタ１５を、テーブル１７に沿って両頭矢印１８の方向に可動なキャリア１６上に配置することができる。さらに、インクジェットプリンタ１５を、キャリア１６に沿って動かすことができ、すなわち両頭矢印１９の方向にテーブル１７を横切るように移動させることができる。
したがって、インクジェットプリンタ１５がキャリア１６に対して特定の位置にあるときに、図３に矢印１８によって示されているようにキャリア１６を左方に向かって動かすことで、インクジェットプリンタ１５を使用して剥離マス１２を半導体層４へと、分割線８に対応する線１４の形に塗布することができる。
次いで、後ろ側電極層５が成膜され、その後に剥離マス１２が、剥離マス１２上に位置する後ろ側電極層５と一緒に、モジュール１に水ジェット１３を噴き付けることによって除去され、図２ａおよび２ｂについて上述し、図示したとおり、分割線８が形成される。
図４によれば、インクジェットプリンタ１５が、貯蔵容器（図示されていない）から液滴として供給される剥離マスの溶液または分散液を、帯電電極２４を使用して静電的に帯電させ、次いでジェット２３によって示されるとおり、偏向電極２５を使用して半導体層４へと横方向に偏向させる圧電コンバータ２１を、ノズル２２の後方に有している。
インクジェットプリンタ１５は、連続式プリンタとして具現化され、すなわち、例えば基板の導入および送出のための休止期間においても、液滴が形成される。この目的のため、液滴を、ジェット２３’によって示されているとおり、偏向電極２５を使用してインクジェットプリンタ１５の印刷ヘッド上の収集容器２６へともたらすことができ、そこから回路内の貯蔵容器（図示されていない）へと送ることができる。
Claims (4)
- 透明な前側電極層（３）、半導体層（４）、および後ろ側電極層（５）が、透明な基板（２）へと付着させられ、直列に接続されたセル（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１）を形成すべく分割線（６、７、８）によって構造化されている光起電モジュール（１）を製造するために、
半導体層（４）を付着させた後で、剥離マス（１２）が、半導体層（４）のうちの後ろ側電極層（５）に分割線（８）を形成すべき領域へと、分割線（８）に対応する線（１４）状に塗布され、
この上に、後ろ側電極層（５）が付着させられ、
剥離マス（１２）が、後ろ側電極層（５）のうちの剥離マス（１２）へと付着した領域と一緒に取り除かれて、後ろ側電極層（５）に分割線（８）が形成される光起電モジュールの製造方法であって、
剥離マス（１２）を形成するために、剥離マス（１２）の分散液または溶液が、インクジェットプリンタ（１５）を使用して半導体層（４）へと塗布され、次いで乾燥させられ、使用されるインクジェットプリンタ（１５）が、すべての線（１４）を半導体層（４）へと塗布した後に新たなモジュール（４）の半導体層（４）に剥離マスの線（１４）を設けるためにモジュール（１）を排出する休止期間においても、剥離マス（１２）の分散液または溶液がインクジェットプリンタ（１５）から発せられるように、連続式インクジェットプリンタ（１５）であることを特徴とする方法。 - 水溶性の剥離マス（１２）が、インクジェットプリンタ（１５）を使用して塗布されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 水ジェット（１３）が、剥離マス（１２）および後ろ側電極層（５）のうちの剥離マス（１２）へと付着した領域を機械的に除去するために使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 剥離マス（１２）が、乾燥後に、０．１〜５μｍの層厚さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
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