JP2010223483A - 焼成炉及び焼成炉を使用して作製した太陽電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】開放型（常圧型）の焼成炉において、被焼成物の上面と下面とを酸素濃度と窒素濃度を変えた異なる雰囲気ガスにて表面処理すること。
【解決手段】搬送装置４と、上下にそれぞれ内部を常圧に保つ上側処理室１２及び下側処理室１３を形成し、内部にそれぞれ異なる第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスを充満させる炉本体６と、炉本体６に設けられたヒータ３と、セル７の表裏の表面に第１の雰囲気ガス或いは第２の雰囲気ガスを吹き付けることにより、セル７の表裏を異なる雰囲気ガスにて表面処理する上側ガス供給噴流ノズル８及び下側ガス供給噴流ノズル１０と、吹き付けた雰囲気ガスを炉本体６の外部に排出する上側ガス排気口９及び下側ガス排気口１１とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被焼成物を焼成する焼成炉に関し、特にシリコン結晶系太陽電池セルの表裏に異なる金属粒子を含有して形成された印刷ペーストを焼結する開放型の焼成炉に関するものである。また、焼成炉を使用して作製した太陽電池セルに関するものである。

従来のシリコン結晶系太陽電池セルの製造方法は、製造コストを低減することが重要なテーマであり、金属ペーストをスクリーン印刷法にて電極形成する製法が主流となっている。そして、表電極においては、反射防止膜上に櫛状に銀を主成分としたペーストを印刷乾燥させて、温度８００℃〜９５０℃、時間３ｓｅｃ〜６０ｓｅｃの焼成により絶縁性の反射防止膜を貫通させて下地シリコンと導通させるＦｉｒｅ−Ｔｈｒｏｕｇｈ法などが用いられる。また、裏面電極においては、直接シリコンとアルミ電極を大部分の面積を接触させて印刷乾燥し、焼成する方法が採られている。裏面電極にアルミ電極を採用することで裏面ＢＳＦ（Ｂａｃｋ−Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｆｉｅｌｄ）層を形成してシリコン基板中に光照射で発生した少数キャリアの再結合を防いできた。

ここで、反射防止膜や裏面絶縁膜がＣＶＤ法によるＳｉＯＮＨで成っている場合、絶縁膜中の水素がシリコン基板中へ拡散して基盤欠陥を補償する水素パッシベーション効果が焼成時に得られる。このため、表裏の電極を同時に１回で焼成することが多い。但し、同時焼成において、電極の抵抗値を低くできる最適な焼成温度や時間の条件は表電極と裏面電極とで異なることが大きな課題であった。例えば、表電極の最適な焼成温度は８４０℃、５ｓｅｃに対して、裏面電極のそれは７８０℃、１０ｓｅｃと大きく異なる。

表電極と裏面電極との最適焼成条件の差異を小さくするために、通常焼成は空気を用いるが、酸素濃度を変えることで大きく様子が変化する。全くの窒素雰囲気のみで焼成すると裏面アルミ電極とシリコン基板の合金反応が良く進み、良好なＢＳＦ層が形成されるが、表銀電極は反射防止膜をファイヤースルー出来なくなる。一方、全くの酸素雰囲気で焼成すると、空気雰囲気と同等レベルの裏面アルミＢＳＦ層が形成され、表銀電極はファイヤースルーされ過ぎる傾向がある。そこで、従来、被焼成物の上側と下側とを異なる雰囲気ガスにて表面処理する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、たとえば、太陽電池１８５Ｗ出力モジュールは１５６ｍｍ×１５６ｍｍの太陽電池セル５０枚で構成されている。そして、住宅用３ｋＷ太陽電池システムでは１１台モジュールを使用する。このように、１システム当り５５０枚も太陽電池セルが必要となるため、セル製造装置はタクト短縮が量産のポイントである。このようなタクト短縮を主眼とする場合においては、上側処理室及び下側処理室を密閉せず両処理室の内部を常圧に保ったまま被焼成物の焼成を行う。このように処理室を密閉しないことで搬送装置に対する炉の構造を簡素化し、セルの搬送を容易としてタクト短縮を実現して大量な連続処理を図る。

特表２００３−５３３８８１号公報

しかしながら、上記従来の被焼成物の上下を異なる混合比の雰囲気ガスにて表面処理する方法においては、上側処理室及び下側処理室をそれぞれ密閉して、密閉した処理室内に異なる雰囲気ガスを充填して行っていた。そのため、処理室を密閉しないことで搬送系を簡素化し、セルの搬送を容易としてタクト短縮を図ることが難しかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上側処理室及び下側処理室を密閉せず炉を開放した状態で両処理室の内部を常圧に保ったまま、高温で急峻な温度プロファイルで、被焼成物の上面と下面とを酸素濃度と窒素濃度を変えた異なる雰囲気ガスにて表面処理することのできる焼成炉を得ることを目的とする。また、この焼成炉を使用して安価で信頼性の高い太陽電池セルを作製することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の焼成炉は、上側処理室及び下側処理室を密閉しない常圧型の焼成炉において、被焼成物を搭載し被焼成物を経路で移動させる搬送装置と、搬送装置の経路を挟んで上下にそれぞれ上側炉壁及び下側炉壁を形成するとともに、上側炉壁及び下側炉壁の内部を常圧に保った状態でそれぞれ異なる第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスを保持する炉本体と、炉本体に設けられ上側処理室及び下側処理室の内部の温度を上昇させる加熱装置と、被焼成物の表裏の少なくともいずれかの表面に第１の雰囲気ガス或いは第２の雰囲気ガスを吹き付けることにより、被焼成物の表裏を異なる雰囲気ガスにて表面処理するガス導入部と、吹き付けた雰囲気ガスを炉本体の外部に排出するガス排出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、上側処理室及び下側処理室を密閉せず炉を開放した状態で両処理室の内部を常圧に保ったまま、被焼成物の上面と下面とを酸素濃度及び窒素濃度の異なる雰囲気ガスにて表面処理することができ、搬送装置に対する炉の構造を簡素化して被焼成物の搬送を容易とすることができ、これによりタクト短縮を実現して大量な連続処理を図ることができる。

図１は、本発明にかかる焼成炉の実施の形態１の縦断面図であり、被焼成物が焼成炉に進入する様子を示す縦断面図である。 図２は、同じく被焼成物を焼成する様子を示す縦断面図である。 図３は、同じく被焼成物が焼成炉から搬出された様子を示す縦断面図である。 図４は、実施の形態１の被焼成物（太陽電池セル）の受光面を示す上面図である。 図５は、同じく実施の形態１の被焼成物（太陽電池セル）の裏面図である。 図６は、本発明にかかる焼成炉の実施の形態２の縦断面図である。

以下に、本発明にかかる焼成炉の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１乃至３は、本発明にかかる焼成炉の実施の形態１の被焼成物の移動方向を含む面を断面とする縦断面図であり、図１は、被焼成物が焼成炉に進入する様子を示す縦断面図である。図２は、被焼成物を焼成する様子を示す縦断面図である。図３は、被焼された被焼成物が焼成炉から搬出された様子を示す縦断面図である。

焼成炉１０１は、被焼成物であるシリコン結晶系太陽電池セル（以降、単にセル）を搭載して移動する搬送装置４と、駆動機構４ａの経路に沿って設けられセル７を焼成する炉本体６とを含んで構成されている。セル７の表裏には、異なる金属粒子を含有する印刷ペーストが印刷されている。

搬送装置４は下部に車輪を持つ駆動機構４ａを有しており自走可能である。搬送装置４の上部には、セル７を載置するセル支持具５が設けられており、セル７をセル支持具５上に載置した状態で所定の経路上を移動する。これにより、搬送装置４及びセル７は、図中黒線矢印で示すように図１乃至３に示す位置をこの順序で移動し、セル７は焼成炉に進入して焼成されて搬出される。

炉本体６は、搬送装置４の経路を挟んで上側に上側処理室１２を形成する上側炉壁１を有し、下側に下側処理室１３を形成する下側炉壁２を有している。上側炉壁１と下側炉壁２は、いずれも概略一面を開放した直方体状を成し、搬送装置４の経路を挟んで互いの開口部を対向させ、１つの箱状の炉本体６を構成している。このように、セル７を搭載する搬送装置４は、このように対向して配置された上側炉壁１と下側炉壁２との間を入口から進入して出口から抜ける。

炉本体６は、酸素と窒素を所望の混合比に混合した第１の雰囲気ガスを上側処理室１２に導入する上側ガス供給噴流ノズル（上側ガス導入部）８と、第１の雰囲気ガスを上側処理室１２から排出する上側ガス排気口（上側ガス排出部）９とを有している。上側ガス供給噴流ノズル８は、セル７の入口部分の上側炉壁１に設けられ、セル７の表面全体に沿ってガスが流れるように第１の雰囲気ガスを噴出する。また、上側ガス排気口９は、セル７の出口部分の上側炉壁１に設けられ、セル７に吹き付けられた第１の雰囲気ガスを全て炉本体６の外部に排出する。

このように、上側ガス供給噴流ノズル８は、セル７の上側の表面全体に第１の雰囲気ガスを吹き付けてセル７の表面が第１の雰囲気ガスで満たされた雰囲気を形成するとともに、上側炉壁１の開口部に図中一点鎖線矢印で示すようなエアーカーテンを形成して上側処理室１２を擬似的に閉じた空間にする。

また、炉本体６は、上側ガス供給噴流ノズル８と搬送経路を挟んでセル７の入口部分の下側炉壁２に設けられ、セル７の裏面全体に沿って流れるように第１の雰囲気ガスとは異なる混合比の第２の雰囲気ガスを噴出する下側ガス供給噴流ノズル（下側ガス導入部）１０と、上側ガス排気口９の搬送経路を挟んでセル７の出口部分の下側炉壁２に設けられ、セル７に吹き付けられた第２の雰囲気ガスを全量炉本体６の外部に排出する下側ガス排気口（下側ガス排出部）１１を有している。

下側ガス供給噴流ノズル１０は、上側ガス供給噴流ノズル８と同様にして、セル７の下側の裏面全体に第２の雰囲気ガスの雰囲気を形成するとともに、下側炉壁２の開口部に図中一点鎖線矢印で示すようなエアーカーテンを形成して下側処理室１３を擬似的に閉じた空間にする。

図４は、本実施の形態の被焼成物であるセル７の具体的な一例を示す太陽電池セル２００の受光面を示す上面図であり、図５は、本実施の形態のセル７（太陽電池セル２００）の裏面図である。セル７（太陽電池セル２００）は図４に示す側の太陽電池セル受光面１８を上にして搬送装置４上に載置される。太陽電池セル受光面１８においては、反射防止膜１９上に、表バス電極２０及びグリッド電極２１が形成されている。一方、セル７（太陽電池セル２００）の裏面２２においては、シリコン面２３上に、裏面バス電極２４及びアルミ電極２５が形成されている。

グリッド電極２１はＳｉＯＮＨより成る下地の反射防止膜１９をファイヤースルーして下地半導体シリコンと導通をとる。印刷用金属ペーストの種類は、表面、つまり、受光面側では、表バス電極２０とグリッド電極２１は銀ペーストを使用し、裏面側では、アルミ電極２５はアルミペーストを使用し、裏面バス電極２４は銀ペーストを使用する。本実施の形態の焼成炉１０１は、セル７上面の銀ペーストを使用した表バス電極２０とグリッド電極２１、セル７裏面のアルミ電極２５を同時焼成する。すなわち、表裏の電極を同時に１回で焼成する同時焼成を行う。

図１乃至３にもどり、上側処理室１２の内部に、ヒータ（加熱装置）３が設けられている。ヒータ３は、輻射熱によりセル７を加熱し、上側処理室１２及び下側処理室１３の内部の温度を上昇させて、セル７の表裏を同時に焼成する。セル７にはヒータ３からの輻射光が直接照射される他、上側処理室１２及び下側処理室１３の内部を反射する輻射光が照射される。

このようにして、ヒータ３で上側処理室１２及び下側処理室１３内の温度を上昇させ、セル７の表面を７５０℃まで〜９００℃まで加熱する。温度管理に関しては、図示しない温度制御機器で制御する。セル７が炉本体６を通過する時間と温度でセル出力が大体決まる。本実施の形態の焼成炉１０１においては、従来、狭い焼成温度マージン±１０℃であったものが±２５℃まで広がり、より適切な温度管理をすることができる。

このような構成の焼成炉１０１においては、セル７の表裏を異なる雰囲気ガスにて表面処理する常圧型（開放型）の焼成炉であり、セル７を移動させる搬送装置４と、搬送装置４の経路を挟んで上下にそれぞれ上側処理室１２及び下側処理室１３を形成するとともに、この上側処理室１２及び下側処理室１３の内部を常圧に保った状態でそれぞれ異なる第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスを充満させる炉本体６と、炉本体６に設けられ上側処理室１２及び下側処理室１３の内部の温度を上昇させるヒータ３と、セル７の表裏の表面に第１の雰囲気ガス或いは第２の雰囲気ガスを吹き付けることにより、セル７の表裏を異なる雰囲気ガスにて表面処理する上側ガス供給噴流ノズル８及び下側ガス供給噴流ノズル１０と、吹き付けた雰囲気ガスを炉本体の外部に排出する上側ガス排気口９及び下側ガス排気口１１とを備えているので、上側処理室１２及び下側処理室１３を密閉状態としない常圧型の焼成炉において、セル７の上側と下側とを異なる雰囲気ガスにて表面処理ことができる。

このように上側処理室１２及び下側処理室１３を密閉せず炉を開放した状態で両処理室の内部を常圧に保ったまま、セル７の上面と下面とを酸素濃度と窒素濃度を変えた異なる雰囲気ガスにて表面処理することができる。そして、搬送装置４に対する炉の構造を簡素化してセル７の搬送を容易とすることができ、これによりタクト短縮を実現して大量な連続処理を図ることができる。

なお、本実施の形態の焼成炉１０１においては、炉本体６の上下に、上側ガス供給噴流ノズル８及び上側ガス排気口９と下側ガス供給噴流ノズル１０及び下側ガス排気口１１とを有しているが、表裏いずれか一方の面を処理する雰囲気ガスが処理室内に保持した雰囲気ガスで足りるものであれば、上下いずれか一方のガス供給噴流ノズル及びガス排気口は省略してもよい。

実施の形態２．
図６は、本発明にかかる焼成炉の実施の形態２の縦断面図である。本実施の形態の焼成炉１０２においては、実施の形態１の上側ガス供給噴流ノズル８及び下側ガス供給噴流ノズル１０に替えて、上側ベルヌーイチャック（上側ガス導入部）１４及び下側ベルヌーイチャック（下側ガス導入部）１６が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

上側ベルヌーイチャック１４及び下側ベルヌーイチャック１６は、透明な本体を持ち、搬送装置４上に固定され、平板状のセル７を挟むようにして対向して配置されている。ベルヌーイチャック１４，１６は、平板状のセル７の一側より、雰囲気ガスを噴出することにより、ベルヌーイ効果によりセル７を空中に浮遊した非接触の状態にて懸垂保持する。そして、この状態のままセル７は、搬送装置４により搬送される。上側ベルヌーイチャック１４は、セル７の上面側の焼成処理に適した第１の雰囲気ガスをセル７に吹き付ける。下側ベルヌーイチャック１６は、セル７の下面側の焼成処理に適した第２の雰囲気ガスをセル７に吹き付ける。これらの第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスは、搬送装置４に設けられた上側ガス供給口１５及び下側ガス供給口１７から上側ベルヌーイチャック１４及び下側ベルヌーイチャック１６に供給される。

上側ベルヌーイチャック１４及び下側ベルヌーイチャック１６が、セル７を把持した状態でセル７を炉本体６の所定の位置まで移動させ、ヒータ３で加熱して表裏の電極を同時に１回で焼成する同時焼成を行う。ヒータ３は輻射加熱によりセル７を加熱するが、透明なベルヌーイチャック１４，１６を使用しているので、加熱を妨げることはない。ベルヌーイチャック１４，１６は作用面に設けられた図示しないセル保持具でセル７の回転を抑制するので、安定してセル７を把持することができる。

このような構成の焼成炉１０２においては、ベルヌーイチャック１４，１６を用いることにより、セル７の安定した把持と、雰囲気ガスの供給を同時に実現することができる。

なお、上側ベルヌーイチャック１４及び下側ベルヌーイチャック１６は、上記のようにベルヌーイ効果によりセル７を空中に保持し、いずれか一方のベルヌーイチャックだけでもセル７を確実に保持することができる。そのため、本実施の形態の焼成炉１０２においては、炉本体６の上下にそれぞれ、上側ベルヌーイチャック１４及び上側ガス排気口９、下側ベルヌーイチャック１６及び下側ガス排気口１１を有しているが、表裏いずれか一方の面を処理する雰囲気ガスが処理室内に保持した雰囲気ガスで足りるものであれば、上下いずれか一方のベルヌーイチャック及びガス排気口は省略してもよい。

以上のように、本発明にかかる焼成炉は、被焼成物を焼成する焼成炉、特に、シリコン結晶系太陽電池セルの表裏に異なる金属粒子を含有して形成された印刷ペーストを焼結する開放型の焼成炉に適している。

１ 上側炉壁
２ 下側炉壁
３ ヒータ（加熱装置）
４ 搬送装置
４ａ 駆動機構
５ セル支持具
６ 炉本体
７ セル（被焼成物）
８ 上側ガス供給噴流ノズル（上側ガス導入部）
９ 上側ガス排気口（上側ガス排出部）
１０ 下側ガス供給噴流ノズル（下側ガス導入部）
１１ 下側ガス排気口（下側ガス排出部）
１２ 上側処理室
１３ 下側処理室
１４ 上側ベルヌーイチャック（上側ガス導入部）
１５ 上側ガス供給口
１６ 下側ベルヌーイチャック（下側ガス導入部）
１７ 下側ガス供給口
１８ 太陽電池セル受光面
１９ 反射防止膜
２０ 表バス電極
２１ グリッド電極
２２ 太陽電池セル裏面
２３ シリコン面
２４ 裏面バス電極
２５ アルミ電極
１０１，１０２ 焼成炉

Claims (9)

1. 上側処理室及び下側処理室を密閉しない常圧型の焼成炉において、
   被焼成物を搭載し前記被焼成物を経路で移動させる搬送装置と、
   前記搬送装置の経路を挟んで上下にそれぞれ上側炉壁及び下側炉壁を形成するとともに、前記上側炉壁及び前記下側炉壁の内部を常圧に保った状態でそれぞれ異なる成分の第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスを保持する炉本体と、
   前記炉本体に設けられ前記上側処理室及び前記下側処理室の内部の温度を上昇させる加熱装置と、
   前記被焼成物の表裏の少なくともいずれかの表面に第１の雰囲気ガス或いは第２の雰囲気ガスを吹き付けることにより、前記被焼成物の表裏を異なる雰囲気ガスにて表面処理するガス導入部と、
   吹き付けた雰囲気ガスを前記炉本体の外部に排出するガス排出部と、を備えた
   ことを特徴とする焼成炉。
2. 前記ガス導入部は、前記被焼成物の入口部分の前記上側炉壁に設けられ、前記被焼成物の表面全体に沿って流れるように第１の雰囲気ガスを噴出する上側ガス導入部を含み、
   前記ガス排出部は、前記被焼成物の出口部分の前記上側炉壁に設けられ、前記被焼成物に吹き付けられた第１の雰囲気ガスを前記炉本体の外部に排出する上側ガス排出部を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の焼成炉。
3. 前記ガス導入部は、前記被焼成物の入口部分の前記下側炉壁に設けられ、前記被焼成物の表面全体に沿って流れるように第２の雰囲気ガスを噴出する下側ガス導入部を含み、
   前記ガス排出部は、前記被焼成物の出口部分の前記下側炉壁に設けられ、前記被焼成物に吹き付けられた第２の雰囲気ガスを前記炉本体の外部に排出する下側ガス排出部を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の焼成炉。
4. 前記ガス導入部は、前記搬送装置に設けられ第１の雰囲気ガスを噴出して前記被焼成物を上側から把持する上側ベルヌーイチャックを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の焼成炉。
5. 前記ガス導入部は、前記搬送装置に設けられ第１の雰囲気ガスを噴出して前記被焼成物を下側から把持する下側ベルヌーイチャックを含む
   ことを特徴とする請求項１または４に記載の焼成炉。
6. 第１の雰囲気ガス及び第２の雰囲気ガスは、酸素と窒素の混合比を異ならせるものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の焼成炉。
7. 被焼成物は、前記炉本体の前記上側処理室及び前記下側処理室を分断する位置で焼成される
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の焼成炉。
8. 前記加熱装置は、前記被焼成物の表面と裏面とを同時焼成する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の焼成炉。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の焼成炉を使用して作製した太陽電池セル。

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