JP2011155151A - 薄膜太陽電池用スクライブ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低荷重での微妙な調整を可能にして、太陽電池基板の薄膜をきれいに削り、不規則な薄膜の剥離の発生をなくして直線的できれいなスクライブラインを形成することができるスクライブ装置を提供する。
【解決手段】
集積型薄膜太陽電池基板Ｗのスクライブ予定ラインに沿って、スクライブヘッド１に取り付けた溝加工ツール４の刃先を太陽電池基板の表面に押圧しながら、太陽電池基板Ｗに対して溝加工ツール４を相対的に移動させて太陽電池基板Ｗの表面に形成された薄膜に溝を形成するスクライブ装置であって、スクライブヘッド１に上下移動可能に取り付けられ、かつ、溝加工ツール４を保持するツールホルダ５と、ツールホルダ５を太陽電池基板Ｗの表面に向けて加圧するエアシリンダ６と、ツールホルダ５を上方に向けて加圧するスプリング７とからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、集積型薄膜太陽電池製造用のスクライブ装置に関し、さらに詳細には、太陽電池上に溝を形成するための溝加工ツールを保持するスクライブヘッドを備えたスクライブ装置に関する。
薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。
従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。図４は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、図４（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板４１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層４２をスパッタリング法によって形成した後、光吸収層形成前の薄膜太陽電池基板に対してスクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｓを形成する。
その後、図４（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層４２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層４３を蒸着法、スパッタリング法等によって形成し、その上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層４４を形成する。そして、透明電極層形成前の薄膜太陽電池基板に対して、下部電極分離用の溝Ｓから横方向に所定距離はなれた位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層４２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｍ１を形成する。
続いて、図４（ｃ）に示すように、絶縁層４４の上からＺｎＯ：Ａｌ薄膜からなる上部電極としての透明電極層４５を形成し、光電変換を利用した発電に必要な各機能層を備えた太陽電池基板とし、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層４２にまで到達する電極分離用の溝Ｍ２を形成する。
上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、溝Ｍ１及びＭ２をスクライブにより溝加工する技術の一つとして、カッターナイフや針のような工具で薄膜の一部を除去するメカニカルスクライブ法が用いられている。しかしながら、薄膜を除去した後の溝幅が一定せず、不必要な部分まで除去しまう不具合が発生することがあった。
そこで、安定した溝幅で加工できるようにするためのメカニカルスクライブ法が提案されている（特許文献１参照）。この文献によれば、例えば板バネ及び加重計を含む加工負荷を調整するための加工負荷調整機構を備えた溝形成工具及び剥離工具を用いるようにしている。そして加工負荷調整機構で加工負荷を調整するようにして、始めは溝形成工具により２本のＶ字状の溝を形成し、続いて、２本の溝の間の薄膜を剥離工具で除去するようにしている。また、別の方法として空気圧等の方法で加工負荷を調整してもよいことが開示されている。
特開２００２−０３３４９８号公報
集積型薄膜太陽電池の電極用溝Ｍ１やＭ２をメカニカルスクライブ法により溝加工する場合には、スクライブする際に工具の刃先にかかる負荷荷重を一定に調整することが要求される。刃先荷重が設定値より大きくなると刃先の食い込みが多くなって不必要な層まで削られるとともに、刃先に対する負荷の増大によって薄膜が不規則に大きく剥がれてしまい、不必要な部分まで除去してしまうことがあって、太陽電池の特性及び歩留まりが低下するからである。また、逆に圧力が小さいと必要な深さの溝が加工できなくなるからである。しかしながら集積型薄膜太陽電池の溝加工においては、刃先圧力を一定にするだけでは不十分であり、さらに低荷重下での精度の高い荷重制御をできることが要求される。例えば、上述したカルコパイライト化合物系薄膜太陽電池では、Ｍｏ電極層４２上の化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層４３やＺｎＯ薄膜からなる絶縁層４４並びにＡｌ薄膜からなる透明電極層４５は、０．０５〜１μｍと非常に薄い。そのため、０．１〜０．５Ｎ（ニュートン）程度の低荷重で制御することが可能なスクライブヘッドが要求される。
しかしながら、特許文献１に記載されている加工負荷調整機構を備えた剥離工具を用いて加工負荷の大きさをコントロールするようにしたとしても、刃先にかかる荷重を、０．１〜０．５Ｎ（ニュートン）程度の低荷重の範囲で荷重をコントロールすることができなければ、不必要な層まで削られてしまう不具合が発生することになる。
すなわち、従来の板バネや加重計を用いた加圧方式、あるいは空圧シリンダによる加圧負荷方式だけでは、低荷重での微妙な調整が非常に困難であるため、薄膜太陽電池の溝加工用としては、バラツキが大きくて歩留まりが悪く、また、加工再現性が悪く、耐久性にも問題点があった。
そこで、本発明の目的は、荷重を一定に維持するだけではなく、低荷重での微妙な調整を可能にして、太陽電池基板の薄膜をきれいに削り、不規則な薄膜の剥離の発生をなくして直線的できれいなスクライブラインを形成することができるスクライブ装置を低コストで提供することにある。
上記課題を解決するためになされた本発明のスクライブ装置は、太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、スクライブヘッドに取り付けた溝加工ツールの刃先を太陽電池基板の表面に押圧しながら、太陽電池基板に対して溝加工ツールを相対的に移動させて太陽電池基板の表面に形成された薄膜に溝を形成するスクライブ装置であって、スクライブヘッドに上下移動可能に取り付けられ、かつ、溝加工ツールを保持するツールホルダと、ツールホルダを太陽電池基板の表面に向けて加圧するエアシリンダと、ツールホルダを上方に向けて加圧するスプリングとからなるようにしている。
本発明では、溝加工ツールを含むツールホルダの自重が、補償用のスプリングによって無荷重となるように支えられているので圧力変化に対する応答性が高く、かつ、加圧手段として電空レギュレータによって制御されるエアシリンダを用いたので、低荷重での制御を高速で安定して行うことができ、これにより太陽電池基板の薄膜をきれいに削りとることができるようになり、不規則な薄膜の剥離のない、直線的できれいな溝を形成することができる。加えて、スプリングと電空レギュレータによって制御されるエアシリンダとの組み合わせによって、軽量、かつ、シンプルで低コストのスクライブヘッドを提供することができるといった効果がある。
スプリングの張力が、溝加工ツールの刃先が太陽電池基板の表面に接した位置で、溝加工ツールを含むツールホルダの自重が無荷重となるように設定した構成とするのがよい。
これにより、加工時にかかる負荷の変動がただちにエアシリンダに伝わり、電空レギュレータを介して高速かつ正確な低荷重での圧力制御を行うことができる。
本発明にかかるスクライブヘッドを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の一実施形態を示す斜視図。 スクライブヘッドの斜視図。 スクライブヘッドにおけるエアシリンダ並びにこれを制御する電空レギュレータの説明図。 一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。
以下において、本発明の詳細をその実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。最初に、本発明にかかるスクライブ装置の全体構成について説明する。
図１は集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す斜視図である。スクライブ装置は、略水平方向（Ｙ方向）に移動可能で、かつ、水平面内で９０度及び角度θ回転可能なテーブル１８を備えており、テーブル１８は実質的に太陽電池基板Ｗの保持手段を形成する。
テーブル１８を挟んで設けてある両側の支持柱２０，２０と、Ｘ方向に延びるガイドバー２１とで構成されるブリッジ１９は、テーブル１８上を跨ぐように設けてある。ガイドバー２１に形成したガイド２２に沿って移動できるようにスクライブヘッド１が設けられており、モータ２４の回転によりＸ方向に移動する。スクライブヘッド１にはテーブル１８上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール４を保持するツールホルダ５が設けられている。
また、Ｘ方向及びＹ方向に移動することが可能な台座２５，２６にカメラ２７，２８がそれぞれ設けられている。台座２５，２６は支持台２９上でＸ方向に延設されたガイド３０に沿って移動する。カメラ２７，２８は、手動操作で上下動することができ、撮像の焦点を調整することができる。カメラ２７，２８で撮影された画像はモニタ３１，３２に表示される。
テーブル１８上に載置された太陽電池基板Ｗには、各工程により、前工程で形成され、表面から観察できるスクライブライン等が存在する。そのため、各工程において太陽電池基板Ｗをスクライブする場合、前工程で形成されたスクライブライン等のスクライブ位置を特定するためのマークとして利用する。例えば、スクライブされた下部電極層（Ｍｏ電極層）４２の上に光吸収層４３、及び絶縁層４４が形成された太陽電池基板Ｗに上下電極コンタクト用の溝を形成する場合、下部電極層４２に形成されたスクライブラインを溝形成位置特定のためのマークとして利用する。すなわち、カメラ２７，２８により下部電極層４２に形成されたスクライブラインを撮像することにより、太陽電池基板Ｗの位置を調整する。具体的には、テーブル１８に支持された太陽電池基板Ｗ表面から観察できる下部電極層４２に形成されたスクライブラインを、カメラ２７，２８により撮像して下部電極層４２に形成されたスクライブラインの位置を特定する。特定された下部電極層に形成されたスクライブラインの位置に基づいて、上下電極コンタクト用の溝を形成すべき位置（スクライブ位置）を割り出し、太陽電池基板Ｗの位置を調整することによりスクライブ位置を調整する。
そして、テーブル１８をＹ方向に所定ピッチで移動するごとに、スクライブヘッド１に取り付けた溝加工ツール４の刃先を、後述する細径のエアシリンダ６により太陽電池基板Ｗの表面に設定値の圧力で押しつけた状態でＸ方向に移動させ、太陽電池基板Ｗの表面をＸ方向に沿ってスクライブ加工する。太陽電池基板Ｗの表面をＹ方向に沿ってスクライブ加工する場合は、テーブル１８を９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。
次に、本発明にかかるスクライブヘッド１について説明する。
スクライブヘッド１は、図２に詳しく示すように、板状のベース２と、このベース２にレール３を介して上下摺動可能に取り付けられ、かつ、溝加工ツール４を保持するツールホルダ５と、溝加工ツール４を加圧するために前記ツールホルダ５の上方位置でベース２に保持された細径のエアシリンダ６とを備えている。ツールホルダ５は、取付ボルト５ｂを支点として回動可能なツール取付体５ａを備え、この取付体５ａに溝加工ツール４が取り付けられており、これにより溝加工ツール４の取り付け角度を調整することで、溝加工ツール４の刃先と太陽電池基板Ｗとの角度を調整できるようにしてある。また、前記細径のエアシリンダ６は、その直径が５ｍｍ程度のものが好ましいが、２ｍｍ〜８ｍｍの範囲であれば適用することができる。
さらに、前記溝加工ツール４を含むツールホルダ５の自重を略無荷重の状態に補償するように、ツールホルダ５とベース２の上部との間にスプリング７が設けられている。この場合、溝加工ツール４の刃先がスクライブすべき太陽電池基板Ｗの表面に接触する位置で釣り合うようにスプリング７の張力を設定するようにしてある。
また、エアシリンダ６の加圧力を設定圧に制御するために電空レギュレータ８が設けられている。この電空レギュレータ８は、図３に示すように、負圧ポート９内のエアの吸引並びに供給を調整し、二次側圧（エアシリンダ６の圧力）を制御する一般的な構造のものが適用される。本実施例では、レギュレータ本体１０の一方側に排気ポート１１と、ポンプ１７に連なる供給ポート１２とが形成され、他方側に負圧ポート９が設けられおり、この負圧ポート９がエアシリンダ６に接続されている。
レギュレータ本体１０には、吸引用電磁弁１３並びに供給用電磁弁１４が設けられ、吸引用電磁弁１３は負圧ポート９内のエア吸引と停止とを切り換え、供給用電磁弁１４は負圧ポート９へのエア供給と停止とを切り換える。
負圧ポート９には圧力センサ１６が設置され、負圧ポート９内の圧力を検知してその信号をコントローラ１５に送るようになっている。コントローラ１５は、圧力センサ１６からの信号と予め入力された基準信号との間に差圧があると、吸引用電磁弁１３並びに供給用電磁弁１４に信号を送り、弁を開閉する。
すなわち、負圧ポート９の圧力が設定値より低いと、供給用電磁弁１４が開いてポンプ１７からのエアが負圧ポート９からエアシリンダ６に供給され、負圧ポート９内の圧力が設定値になると供給用電磁弁１４が閉じてエアの供給が停止される。また負圧ポート９内の圧力が設定値より高いと吸引用電磁弁１３が開いて排気ポート１１よりエアが排出され、負圧ポート９内の圧力が設定値になると吸引用電磁弁１３が閉じてエアの排出が停止する。
このようにして負圧ポート９内の圧力が常に設定値に維持されるようになっている。
上記の構成において、太陽電池基板Ｗに電極用の溝を加工する場合、前述したように、スクライブヘッド１の溝加工ツール４の刃先を、エアシリンダ６により太陽電池基板Ｗの表面に設定値の圧力で押しつけた状態で移動させて行う。加工中に、細径シリンダ６の押圧力が変動すると、電空レギュレータ８により設定値に制御される。この場合、溝加工ツール４を含むツールホルダ５の自重が、スプリング７によって刃先が太陽電池基板Ｗの表面に接した位置で無荷重となるように支えられているので、圧力変化に対する応答性が高く、これにより、０．１〜０．５Ｎのこれまでにない低荷重での制御が容易に行うことができる。さらに、細径のエアシリンダ６を使用しているので、圧力変化に対する応答性が高くなり、低荷重での微妙な制御性を一層高めることができる。
上記の実施例では、スクライブヘッド１をＸ方向に移動させることでスクライブ加工を実行したが、スクライブヘッド１と、太陽電池基板Ｗとが相対的に移動できれば足りることから、スクライブヘッド１を移動させることなく、太陽電池基板ＷのみをＸ方向及びＹ方向に移動させてもよい。
以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものではない。例えば、実施例では、溝加工ツール４の刃先が太陽電池基板Ｗの表面に接した位置で溝加工ツール４を含むツールホルダ５の自重が無荷重となるようにスプリング７の張力を設定したが、自重が無荷重となる位置は特に限定されない。その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。
本発明は、カルコパイライト化合物系半導体膜等を用いた集積型薄膜太陽電池の製造方法、及び、これに用いることのできる溝加工ツールに適用することができる。
Ｗ 太陽電池基板
１ スクライブヘッド
４ 溝加工ツール
５ ツールホルダ
６ エアシリンダ
７ スプリング
８ 電空レギュレータ

Claims (2)

  1. 太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、スクライブヘッドに取り付けた溝加工ツールの刃先を太陽電池基板の表面に押圧しながら、太陽電池基板に対して溝加工ツールを相対的に移動させて太陽電池基板の表面に形成された薄膜に溝を形成するスクライブ装置であって、スクライブヘッドに上下移動可能に取り付けられ、かつ、溝加工ツールを保持するツールホルダと、ツールホルダを太陽電池基板の表面に向けて加圧するエアシリンダと、ツールホルダを上方に向けて加圧するスプリングとからなる薄膜太陽電池用スクライブ装置。
  2. スプリングの張力が、溝加工ツールの刃先が太陽電池基板の表面に接した位置で溝加工ツールを含むツールホルダの自重が無荷重となるように設定されている請求後１に記載の薄膜太陽電池用スクライブ装置。
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