JP2012519237A - ソーラー電池の製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明はＰＶ電池又はモジュール製造するのに使用される装置に関する。一実施形態において、ガス供給システム及びガス排気システムは複数の基板の処理を行う。ガス供給システム及びガス排気システムは、基板がガスに対して均一に晒されるように設計されている。

Description

（関連出願に関する相互参照）
本発明は、参照することによってこの明細書に組み込まれている、２００９年２月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／１５５，９４４号明細書、２０１０年２月２４日に出願された米国特許出願第１２／７１１，８３８号明細書に関する優先権を主張する。

本発明は、一般に、光起電力（ＰＶ）ソーラー電池又は薄膜（ＴＦ）モジュールの製造で使用される装置に関する。一実施形態において、本発明は、ガス供給システム及びガス排気システムに関する。

ソーラーエネルギーは、再生可能エネルギーの良い供給源として幅広く受け入れられている。ソーラー光を電気に変換する光起電力（ＰＶ）電池は、過去７０年間研究されている。ＰＶ電池の導入と幅広い利用は進んでいない。これは、変換効率が低く、製造コストが高くなるためである。したがって、電気を作るＰＶ電池を利用する経済性（ドル／ワット）は、石炭、石油、天然ガスなどの従来の供給源に対抗できない。ドル／ワット値は、１ワットのエネルギーを生ずるのに必要なシステム総費用を表す。ＰＶソーラー電池の低い効率とＰＶソーラー電池システムの高い費用は、発電費用を増加させ、従来のエネルギー生成システムに対するＰＶソーラー電池システムの競争力を低下させる。

設計と製造における最近の進歩は、ＰＶソーラー電池の効率を改善し、製造コストを低くし、これにより、ＰＶ系ソーラーエネルギーシステムが経済的に改良されてきている。ＰＶ系ソーラーエネルギーシステムは、近い将来において、従来の電気生成方法を補償するコストで電気を生成できるようになるであろう。この目的を実現するためには、ＰＶソーラー電池の変換効率を改善し、製造コストを低くすることを続けなければならない。

ＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの製造において、基板は種々のガスに対して晒す装置で処理される。すなわち、基板は加熱され、ガスは、特に、基板の電気的又は化学的性質を変え、基板上に材料を析出し、基板から材料を除去し、又は基板の表面性状を変えるために使用され、基板をドープする(dope)。その場合において、設備は、同時に大量の基板を処理するために使用する大きな筐体を含み、基板は均一に処理されることが重要である。

ＰＶ系ソーラー電池又はＴＦモジュールの製造中にガスで基板を処理するために使用する現在の設備は、種々の問題がある。これらの問題の例は、高い設備コスト、低い処理能力、大きな設置面積、低性能、ガスの不均一な供給、反応物の不均一な排気などである。これらの問題は、ＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの効率を低下させ、又はＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの製造コストを高くすることに、個々に又は組み合わされて作用する。これは、エネルギーシステムの能力を評価するために使用されるドル／ワット値を増加し、ＰＶソーラーエネルギーシステムの採用を遅らせる。したがって、ソーラー電池やＴＦモジュール製造する設備で使用するガス供給及び排気システムが、これらの問題を解決する必要がある。

本発明の一実施形態いおいて、ガス供給及び排気システムは、ソーラー電池又はＴＦモジュール基板を処理するために使用する筐体内に設けられる。ガス供給システムは、噴射装置の長さに沿って配置された一つ以上の孔を有する一つ以上の噴射装置を備える。孔は、基板の中心線に対して一定の角度範囲で配置され、これにより基板が噴射装置からのガスに対して一様に晒される。従って、ガス排気システムは、マニホールドの長さに沿って配置された一つ以上の孔を有する一つ以上の排気マニホールドを備える。孔は、基板の中心線に対して一定の角度範囲で配置され、これにより、反応物が筐体から除去されるとき、基板がガス噴射装置からのガスに対して一様に晒される。ガス供給装置及びガス排気マニホールドの孔の大きさは、基板がガス噴射装置からのガスに対して一様に晒される。

これらの及び他の効果は、以下で詳細に説明されるように、本発明にしたがって達成される。

理解を容易にするために、図の中の同一要素に対して同一の参照符号が使用される。図面は、一定の縮尺ではなく、種々の要素の相対的な寸法である。

本発明の技術は、図面と共に以下の詳細な説明を考慮することによって、容易に理解することができる。

本発明の一実施形態による処理システムを示す図である。 図１の処理システムを切断した断面図である。 図１の処理システムを切断した断面図である。

以下の説明を考慮すると、当業者は、ＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの製造で利用される本発明の技術を容易に認識することができる。

ＰＶソーラーエネルギーシステムの一つの構成は、ＰＶソーラーモジュールである。ＰＶソーラーモジュールの一つの種類は、直列に又はパネルに接続された複数のＰＶソーラー電池で構成することができる。ＰＶソーラー電池は、単結晶半導体基板又は多結晶半導体基板に基づいている。好ましい半導体基板の例は、特に、シリコン、ポリシリコン、ガリウムヒ素である。ここで開示されている範囲内で言葉の経済的使用に関して、“ＰＶソーラー電池”は、ＰＶソーラーモジュールの製造で使用される半導体基板を意味するものと理解される。

ＰＶソーラーモジュールの第２の種類は、硬い物質上又は可撓性基板上で半導体材料の薄いフィルムを適用することによって構成されることができる。半導体材料の薄いフィルムの例は、特に、αシリコン、カドミウムテルル、ＣＩＧＳ（Cu-In-Ga-S; Cu-In-Ga-Se）、有機半導体材料である。典型的な硬質基板の例は、ガラスシートである。ここで開示されている範囲内で言葉の経済的使用に関して、“ＴＦモジュール”は、硬い物質上又は可撓性基板上で半導体材料の薄いフィルムの適用によるＰＶソーラーモジュールの構成を意味する。

ＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの典型的な製造方法は、基板を高温に保持された種々のガスに晒す工程を有する。ガスは基板と反応し、複数の処理を可能にする。これらの処理の例は、基板の電気的性質を変えるためのドーパントの導入（すなわち、硼素、リン、ヒ素などのドーピング）、薄膜を成長するための基板表面とガスとの反応（すなわち、酸化珪素を形成するための珪素の酸化）、基板の表面で薄膜を析出するためのガスの反応（すなわち、窒化珪素の析出）、表面から材料を除去するために表面上でガスと基板表面又は薄膜との反応（すなわち、表面から誘電体層の除去）を含む。ＰＶソーラー電池又はＴＦモジュールの製造において、基板は加熱炉内で処理される。水平炉は、ＰＶソーラー電池の製造中に基板を処理する共通のシステムである。水平炉は、一つの処理で５００毎の基板を処理する能力を有する。更に、水平炉システムは、平行にして処理する２０００より少ない基板を処理する四つより少ない処理室を有する。

図１は、本発明の一実施形態による処理システムを示す。処理室１０１は石英管である。処理室は、円形断面を有する加熱システム（図示しない）内に含まれている。加熱システムは複数の制御領域を備え、温度は処理室の長さに沿って独立に制御される。加熱システムと処理室は、一般に、同軸に配置されている。複数の制御領域は、処理室１０１に内蔵された石英シース１０７内に含まれている複数接続熱電対（ＴＣ）アセンブリを使用して監視される。ＴＣアセンブリは、個々の制御領域について少なくとも一つのＴＣ接続を有する。基板１０９は、処理中において処理室１０１内に入っている。基板は、処理室の一つの開口端を通って処理室に挿入される。処理中において、チューブの開口端は、ガスが処理室から逃げるのを防ぐために、ドア機構によって閉じられる。熱アセンブリ１１１は、基板とドア機構との間に配置され、処理室内での熱の均一性を改善し、ドア機構が高温に晒されるのを防止する。

従来の水平炉において、ガスは、処理室の一端を通して導入され、反対側の端部から排気される。基板温度、ガス温度、ガス流れ速度及びガスの構成における相違は、基板とガスとの間の不均一な相互作用をもたらす。

本発明の一実施形態において、ガスは処理室内に入っている一つ以上の噴射マニホールド１０３を通じて導入される。噴射マニホールド１０３は、長さに沿う少なくとも三つの分配孔を有するチューブをシールする。分配孔の大きさは等しい大きさにしたり、噴射マニホールドの長さに沿って変更させたりすることもできる。一つ以上の噴射マニホールド１０３が利用されている場合に、噴射マニホールド１０３の間で分配孔の大きさを等しい大きさにしたり、変更させたりすることもできる。分配孔の間隔は、等しい大きさにしたり、噴射マニホールドの長さに沿って変更させたりすることもできる。分配孔の間隔は、一つ以上の噴射マニホールド１０３が利用されている場合に、噴射マニホールド１０３の間で等しい大きさにしたり、変更させたりすることもできる。

本発明の一実施形態において、反応物は、処理室に入っている一つ以上の排気マニホールド１０５を通って排気される。排気マニホールド１０５は、長さに沿って少なくとも三つの排気孔を含むをチューブをシールする。排気マニホールドの孔の数は、噴射マニホールドの孔の数より、少なくても、等しくても、多くてもよい。排気マニホールドの孔の数は、噴射マニホールドの孔の数に等しいことが好ましい。排気孔の大きさは、排気マニホールの長さに沿って等しくしても良いし、変化させてもよい。排気孔の大きさは、一つ以上の排気マニホールドが利用されている場合に、排気マニホールドの間で大きさを等しくしたり、変更させたりすることもできる。排気マニホールド内の孔の総面積（すなわち、全ての排気マニホールド内の全ての孔について合計した面積）は、噴射マニホールド内の孔の総面積（すなわち、全ての噴射マニホールド内の全ての孔について合計した面積）より、少ないか、等しいか、大きくなる。排気マニホールド内の孔の総面積は、噴射マニホールド内の孔の総面積の約２倍であることが好ましい。排気孔の間隔は、等しい大きさにしたり、排気マニホールドの長さに沿って変更させたりすることもできる。排気孔の間隔は、一つ以上の排気マニホールドが利用されている場合に、排気マニホールドの間で等しい大きさにしたり、変更させたりすることもできる。排気孔の間隔は、噴射マニホールドの孔間隔より、小さくしたり、等しくしたり、大きくしたりすることができる。排気孔の間隔は、噴射マニホールドの孔間隔に等しくすることが好ましい。

図２は、図１の処理システムを切断した断面図を示す。基板１０９は、キャリア又は小舟２０１（一般に石英製）内に保持され、処理室１０１内でほぼ中心に配置されている。ヒータアセンブリ（図示しない）の制御のために使用される熱電対アセンブリは処理室１０１内に配置されたシース１０７に入っている。

ガスは、処理室内に含まれる一つ以上の噴射マニホールド１０３を通して導入される。噴射マニホールドは基板の下に位置するように示されているが、処理室内のどこにでも配置することができる（すなわち、上、横など）。図２は二つのガス噴射マニホールドを示すが、どのような数でも使用可能である。

反応物は、処理室内の一つ以上の排気マニホールドを通して排出される。排気マニホールドは、基板の上に位置するように示されているが、処理室内のどこにでも配置することができる（すなわち、下、横など）。噴射マニホールド及び排気マニホールドは、処理室内で反対側（すなわち、上／下、左側／右側）にそれぞれが位置することが好ましく、ガスは、基板表面を横切って噴射マニホールドから排気マニホールドへ流れる。図２は二つのガス排気マニホールドを示すが、どのような数でも使用可能である。

図３は、図１の処理システムを切断した断面を示す。噴射マニホールドの出口孔の位置が、線３０１ａ，３０１ｂによって示されている。噴射マニホールドの出口孔のアライメント角度は、基板に対するガスの反応の一様性に影響する。噴射マニホールドの出口孔のアライメント角度は、図３に示されているレジェンド（legend）を使用して説明する。“０゜”のアライメント角度は噴射マニホールドを示すものとして理解され、ガスは、噴射マニホールドが処理室に接する点を通る接線に平行な一定の角度で噴射マニホールドを出る。アライメント角度は、時計方向で円に沿って動くことによって増加し、９０゜は示されるように処理室の長手方向軸の方を示す。９０゜、１８０゜、２７０゜の角度は、個々の噴射マニホールド３０１ａ，３０１ｂに示されている。

噴射マニホールド１０３ａのアライメント角度３０１ａは、０゜と１８０゜の間にあり、３０゜と６０゜の間にあることが好ましい。噴射マニホールド１０３ｂのアライメント角度３０１ｂは、０゜と１８０゜の間にあり、１２０゜と１５０゜の間にあることが好ましい。

排気マニホールドのの入口孔の位置は、線３０３ａ，３０３ｂによって示されている。噴射マニホールドの入口孔のアライメント角度は、基板に対するガスの反応の一様性に影響する。噴射マニホールドの入口孔のアライメント角度は、図３に示されているレジェンド（legend）を使用して説明する。“０゜”のアライメント角度は排気マニホールドを示すものとして理解され、ガスは、排気マニホールドが処理室に接する点を通る接線に平行な一定の角度で排気マニホールドを出る。アライメント角度は、時計方向で円に沿って動くことによって増加し、９０゜は示されるように処理室の中心の方を示す。９０゜、１８０゜、２７０゜の角度は、個々の排気マニホールド３０３ａ，３０３ｂに示されている。

排気マニホールド１０５ａのアライメント角度３０３ａは、０゜と１８０゜の間にあり、１２０゜と１５０゜の間にあることが好ましい。排気マニホールド１０５ｂのアライメント角度３０３ｂは、０゜と１８０゜の間にあり、３０゜と６０゜の間にあることが好ましい。

本発明による種々の実施形態が示され、詳細に説明されたが、当業者は本発明に含まれる多くの他の実施形態を容易に考えることができる。

Claims (13)

1. 基板を処理する装置であって、
   複数の基板を保持する処理室を備え、
   処理室は長手方向軸を有する円柱形状であり、
   処理室は一つ以上の噴射マニホールドを備え、該噴射マニホールドは処理室の長手方向軸に平行な長手方向軸を有し、
   処理室は一つ以上の排気マニホールドを備え、該排気マニホールドは処理室の長手方向軸に平行な長手方向軸を有し、
   処理室は熱電対を保持する一つ以上のシースを備え、該シースは処理室の長手方向軸に平行な長手方向軸を有し、
   円柱形状の処理室は、一端が閉じ、一つ以上の噴射マニホールド、一つ以上の排気マニホールド、熱電対を保持する一つ以上のシースが貫通し、
   円柱形状の処理室は反対側の端部が開いている装置。
2. 一つ以上の噴射マニホールドが一つ以上の排気マニホールドから処理室の反対側の端部に配置されている請求項１に記載の装置。
3. 一つ以上の噴射マニホールドは、長さに沿って分配された少なくとも三つの孔を備え、一つ以上の排気マニホールドは長さに沿って分配された少なくとも三つの孔を備えた請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも三つの孔は一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って等しく分配されている請求項３に記載の装置。
5. 少なくとも三つの孔は一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って不均等に分配されている請求項３に記載の装置。
6. 少なくとも三つの孔は、一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って分配され、等しい大きさを有する請求項３に記載の装置。
7. 少なくとも三つの孔は、一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って分配され、等しくない大きさを有する請求項３に記載の装置。
8. 少なくとも三つの孔は一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って等しく分配されている請求項３に記載の装置。
9. 少なくとも三つの孔は一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って不均等に分配されている請求項３に記載の装置。
10. 少なくとも三つの孔は、一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って分配され、等しい大きさを有する請求項３に記載の装置。
11. 少なくとも三つの孔は、一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って分配され、等しくない大きさを有する請求項３に記載の装置。
12. 一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って分配された少なくとも三つの孔の総面積は、一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って分配された少なくとも三つの孔の総面積に等しいか、又は該総面積より大きい請求項３に記載の装置。
13. 一つ以上の噴射マニホールドの長さに沿って分配された少なくとも三つの孔と一つ以上の排気マニホールドの長さに沿って分配された少なくとも三つの孔は、０゜と１８０゜の間の角度でマニホールドを出て、０゜はマニホールドが処理室に接する点を通る接線に平行な角度であり、角度は時計回りで増加し、９０゜は処理室の長手方向軸の方を示す請求項３に記載の装置。

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