JP2014526981A - 光電池のためのスクリーン印刷システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、金属型板(12)と、その金属型板(12)の外周全体にわたって固定された布(15)とを備えることによってトランポリン状アセンブリを形成するスクリーン印刷システムであって、金属型板(12)に固定された布(15)が少なくとも一つの自由端を有することで、スキージ(20)の作用による変形を軽減又は解消することを特徴とするスクリーン印刷システムに関する。
【選択図】図7

Description

本発明は、光電池装置の製造に適した、とりわけ光電池への集電導体の印刷に適したスクリーン印刷システムに関する。本発明はさらに、その印刷システムによる印刷方法、及びその印刷方法を採り入れた光電池の製造方法にも関する。本発明はまた、その方法を用いた光電池生産施設にも関する。本発明はまた、そのスクリーン印刷システムの製造方法にも関する。
光電池は、英語で「ウエーハ」の名で知られる、一般にシリコン製である半導体材料製の基板を使用して製造される。この製造にはとりわけ、その基板表面に導電体を形成することが必要となる。図1は、現在の技術によるそうした基板1の表面を図示したもので、この表面は、光によってシリコン内に発生する電子を集める役割を持つ集電導体2と呼ばれる、幅の細い平行な第一の導体を備える。基板1の表面は、しばしば「バスバー」と呼ばれる、より幅広の別の平行な導体3であって、集電導体2に対して垂直の方向をなし、より大きな電荷を光電池から光電池に運ぶことをその役割とする、導体をさらに備える。これらのより幅広の導体3は一般に、その全長にわたって延びる金属帯に接続される。これらの導体2、3はいずれも、基板の全長及び全幅にわたって連続的に延びる連続した導線を形成することができる各種技法によって得られる。
これらの導体を得るため、現在の技術では、例えば、スクリーン印刷により、一回又は二回のスクリーン印刷で基板上に導電インクを定着させる方法を採る。そのため、この方法では、導電インクが布又は繊維からなるスクリーンを通り抜けるようにする。この布は、インクが透過する場所以外は不透過層によって覆われる。この透過は、インクを押して布を透過させるスキージを用いて行われるが、この操作の際に布の糸は障害となるものであり、とりわけ定着したインク層の高さの均一性の点に関しては、形成される導体の理想的な幾何学形状を得ることは不可能である。そのため、この方法では十分な性能の導体を形成することはできない。実際、この導体の電気的性能はその幾何学形状、とりわけ、厚さ/幅比に左右されるところがきわめて大きい。ただし、厚さは基板1に対して垂直な鉛直方向に測り、幅は導体を横断する水平方向に測る。
米国特許第6,258,445号は、周囲の一部でフレームに固定した型板について記載している。この型板は、金属を付着させて補強したプラスチック骨組みを備えている。しかし、このようなアプローチでは、十分な成果を得ることはできない。
こうした欠点に対処するため、現在の技術における第二の方法では、前出の布を、貫通開口が設けられた金属型板又は金属シートであって、英語による呼称を用いて「ステンシル」とも称されるものに置き換える。ただし、その金属製マスクの脆弱化を防ぎ、印刷時におけるその最適な挙動を得るためには、極端に広い面積の開口、とりわけ型板の全長又は全幅にわたって延びるような開口を作ることは不可能である上に、その方法では、図1に図示されたそれぞれの導体を得るために、一般に、二つの相補的な別々のマスクを使って少なくとも二回の印刷を行うことが必要となる。そのため、この方法は複雑でコストのかさむものとなる。さらに、金属型板は布のような柔軟性を持たず、スキージによる作用を受けて十分に変形することができないため、「トランポリン」と呼ばれる構造により、全体に十分な柔軟性が得られるように外周に接着された布と連係させる。
図2〜5は、トランポリン型のこの構造を、光電池を形成するためのシリコン基板5の表面への導体のスクリーン印刷のステップに適用したものを模式的に示している。印刷装置は、シリコン基板5を置く印刷台11と、図1ですでに説明し、図示したように、作ろうとする光電池の導体2、3をシリコン基板の表面に形成する導電インクを透過させるための開口を有する中央印刷ゾーン13を含む矩形の金属型板12とを備える。導体の形成に際しては、金属型板12は、印刷するシリコン基板5の上方およそ1mmの距離に位置決めされ、シリコン基板5の全幅にわたって延びたスキージ20が、シリコン基板5の全長にわたってX方向に平行移動し、それによって30N〜150Nの圧力Pを金属型板12の表面に伝えて金属型番12を変形させ、その開口を通してシリコン基板5表面までインクを押し出す。この応力を支えるとともに、十分な変形が得られるようにするため、さらにスキージの通過後には型板がはがれるようにするため、金属型板12はその矩形の外周の四辺に延びる接着ゾーン16で布15に固定される。そして、その布15の矩形の周縁を形成するその四辺自体は矩形のフレーム17に接着される。
それでもなお、この印刷方法には以下のような欠点がある。
- 布が金属型板に張力を与え、それが型板の開口、とりわけ縁部にある開口の周囲に変形をもたらす。そのため、印刷の幅が所望していたよりも広がり、外形的な欠陥を生じるともに、それが光電池の性能の低下にもつながる。
- さらに、この布の張力は、一般にきわめて繊細な金属型板を全体的にさらに大きく変形させる可能性もあり、それによって本来は直線とされている線が湾曲することなどにもつながる。その場合には、当初計画されていた導体が変形することになる。さらに、印刷システムの使用時、とりわけスキージの通過時には、変形が一段と強まる。そのため、第一の層の上に定着させる第二の導電インク層(二重印刷法)であれ、過剰ドープゾーンに定着させるインク層(選択的エミッタ法)であれ、局限されたゾーンにインク層を正確に重ね合わせることは非常に困難となり、それによって光電池の性能が損なわれる。
こうした欠点は、例えば6インチのセル（光電池）のスクリーン印刷のために、12インチでなく、15インチのフレームを使用することなど、より大きな寸法のフレームを使用することによって軽減することができるが、それには大幅なコスト増を伴う。
そのため、本発明の基本的な目的は、現在の技術による解決法の欠点を軽減する、光電池装置の基板に導電体を実装するための解決法を提案することにある。
より具体的には、本発明は、以下の目的のすべて又は一部を果たすことを目指す。
本発明の第一の目的は、形成される光電池の性能を最適化することができる、光電池に導電体を実装するための解決法を提案することにある。
本発明の第二の目的は、生産性が高く、性能に優れ、経済的な方法によって光電池に導電体を実装するための解決法を提案することにある。
そこで、本発明は、金属型板を備えるスクリーン印刷システムであって、金属型板に固定された布が少なくとも一つの自由端を有することで、スキージの作用によるその変形を軽減又は解消することを特徴とするシステムに関する。布はその外周縁に自由な部分を有することができる。
本発明はまた、前述のようなスクリーン印刷システムを備えることを特徴とする光電池装置の製造施設にも関する。
本発明はまた、前述のようなスクリーン印刷システムによるスクリーン印刷方法であって、金属型板に固定された布の自由端の移動をもたらす型板のスキージ作業のステップを含むことを特徴とする印刷方法にも関する。
光電池装置の製造方法は、前述のようなスクリーン印刷システムを用いてシリコン基板上に導体をスクリーン印刷するステップを含むことができる。
本発明については、特許請求の範囲でさらに詳しく規定する。
本発明の目的、特徴及び利点については、添付の図面と関連づけて非限定的なものとして用意した具体的な実施形態に関する以下の記述の中で詳しく説明する。
現在の技術による光電池の表面の導体を示した概略図である。 現在の技術による光電池の表面に導体を印刷するためのトランポリン型構造を持つスクリーン印刷システムの概略断面図である。 現在の技術によるトランポリン型構造を持つスクリーン印刷システムの概略上面図である。 現在の技術によるトランポリン型構造を持つスクリーン印刷システムのX軸に対して垂直な概略断面図である。 現在の技術によるトランポリン型構造を持つスクリーン印刷システムのX軸と平行な概略断面図である。 本発明の一実施形態によるスクリーン印刷システムの一部分の上面図である。 本発明の実施形態の変形によるスクリーン印刷システムの一部分の上面図である。 本発明の実施形態の変形によるスクリーン印刷システムの一部分の上面図である。 本発明の実施形態の変形によるスクリーン印刷システムの一部分の上面図である。
以下の説明では、簡単のため、類似の要素については、仮に異なる形状及び/又は性質を有するものであっても、異なる図面の間で同じ符号を使用して指定する。
図6は本発明の一実施形態を示したものであるが、このスクリーン印刷システムもトランポリン型構造を用いている。そのため、システムは矩形の金属型板12を備え、その金属型板12は、その矩形の外周の4つの辺に沿って延びるその周縁ゾーン16にわたって、接着又はその他あらゆる固定装置によって布15に固定される。しかし、その布15の方はその外周全体にわたってフレームに固定されるわけではない。実際、スキージの移動方向Xに対して垂直方向に配置されたこの布の二つの辺151、152だけが、接着など、何らかの固定装置18により、それぞれ支持フレーム17の二つの辺171、172に固定される。一方、布の横辺部分153、154は、フレームに固定されない自由端を有する。この実施形態では、スキージの圧力の作用による金属型板12の横方向の伸びを生じることがなくなり、当該現象によってもたらされる印刷欠陥が解消されるという利点がある。
つまり、この解決法では、布15は金属型板の外周全体にわたって固定され、前述のようなトランポリン型のアセンブリを形成する。このアセンブリは、その外周縁の一部が自由になっており、それによって、印刷システムの製作時、及びスキージの作用によるその動作時の金属型板の変形が軽減又は解消される。布15は、金属型板を支持フレームに張設する効果を持つ。この幾何学形状を採る場合、金属型板の変形の軽減又は解消の効果が特に得られるのはスキージの移動方向においてである。
外周の布15は有利には糸織物からなり、その糸は金属であってもよいが、コストを抑えるために好ましくは有機物(ポリエステル、ポリアミド、ポリアリレート)、より柔軟性を持たせるために好ましくはポリエステル製である。
図7〜9は幾つかの変形実施形態を示したものであり、これらにおいて布15は、布15とフレーム17の間、より正確には、布の横辺部分153、154とフレーム17の対向する辺173、174との間に開口部183、184をそれぞれ画定する布の両側の横辺部分153、154のレベルの二つのゾーンを除き、その外周縁にわたってフレーム17に固定される。変形形態では、これらの開口部183、184は、単にフレームのない部分の布15の自由端によって得られる。
これらの変形実施形態では、開口部183、184は、フレーム17の外腕木173、174とほぼ平行をなし、金属型板12の貫通開口によって画定される印刷パターンのほぼ延長上にあって、その貫通開口に対してセンタリングされた直線的な形状をなす。開口部は、布の全長にわたってではなく、金属型板12によって限定される印刷パターンの長さMとほぼ同じ長さLにわたって延びる。ただし、その長さMは、フレーム17の腕木173、174及び/又は布の辺153、154とほぼ平行な方向に測る。変形形態では、開口部はそれぞれ異なる長さLを、好ましくはM-30mmからM+80mm(L及びMはmm単位)までの範囲で有する。有利には、それら開口部は、印刷パターンの寸法Mをわずかに上回り、理想的にはM+25mm前後の長さLを有する(すなわち、例えば、長さ156mm、すなわち6インチの基板(ウエーハ)上に印刷されるパターンの典型的な長さの実装例で、印刷による153mmのメタライゼーションのために、フレームに固定されない自由端を有する布の横辺部分153、154は長さ170mmである)。好ましくは布の長さよりも、すなわち布15の辺153、154の全長よりも短いこの長さLは、布15が金属型板に対してその端部レベルでわずかな横方向の張力を与えることを可能にするものである。
実際、金属型板が2方向に張設された状態を保つように最小限の横方向張力を保持することは有利である。そのため、布によって伝えられる横方向張力の一部が端部に残るようにすることが望ましい。しかし、印刷ゾーンに相当する型板部分には横方向張力がかからないようにして、印刷ゾーンが変形することがないようにしなければならない。そこで、上述のように開口部レベルなどにフレームに固定されない自由端を有する布の横辺部分153、154を型板のその印刷ゾーンのレベルに設け、印刷パターンを画定する型板の貫通開口の大きさに応じてその寸法を決定する。
開口部183、184は、例えば、フレームに対して布を接着しないことや、従来のように布を接着した後、布を切り取ることなど、様々な方法によって得ることができる。さらに、別の変形実施形態によれば、こうした開口部は、前述の例とは違って直線ではなく、湾曲した形状を有するものであってよい。
図8及び9に、フレーム17が、布とフレームの間の開口部183、184のレベルで布15の端部に綻び(filage)を生じるリスクを減らす役割を果たす部分175をその開口部のレベルに有する変形形態を示す。この部分175は、布15の自由端に接着剤の類のいずれかの付着を施すことによって得ることができる。実際、非接着部など、フレームに固定されていないゾーンから布が綻びること、すなわち、布の横辺部分153、154からその自由端レベルで糸がほつれることがないようにすることが望ましい。この布の自由ゾーンは有利には、フレーム/布間(又は金属型板と布)の接着に使われるものと同じ接着材料などを用いて安定化させることができるが、その場合には、図8の部分175で示すように、その接着剤の付着を内側にオフセットして、自由にしておきたいゾーンでフレームと接することがないようにする。図9に示す変形形態では、布15は、まず4つの辺でフレーム17に接着しておいてから、フレーム内で一つのゾーンを改めて切り取ることができよう。その際、切り取る布の部分を取り囲むように内側に向かって布に一筋の追加の接着剤を加えておき、最終的に得られる開口部183、184のレベルで綻びが生じないようにする。
図示しない変形形態では、スクリーン印刷システムが備える角形金属型板は狭いゾーンで布に固定され、布の矩形の外周の4つの辺にそれ以上広がらない。実際、スキージの移動方向Xに対して垂直の方向に配置されたこの型板の二つの辺だけがそれぞれその外周の布の二つの辺にそれぞれ接着などの固定装置によって固定される。一方、金属型板の横辺部分は、布にもフレームにも固定されずに、自由なままである。布はフレームに対して、その外周全体にわたってその4つの辺に固定された状態とされる。
本発明について、例として具体的な実施形態によって説明した。本発明は、より一般的には、金属型板を備えるスクリーン印刷システムであって、金属型板に固定された布が少なくとも一つの自由端を備えることにより、スキージの作用によるその変形を軽減又は解消することを特徴とするあらゆるシステムに適用される。そのため、型板及び布は、前述のものとは異なる形状及び寸法を備え、説明したものとは異なる自由端を、例えば、それ未満若しくはそれを超える長さにわたって、及び/又は異なる自由端の数で有するものであることができる。
最後に、本発明はさらに、少なくとも一つの自由端を残すように布を金属型板に固定する固定法を含むことにより、スキージの作用によるその変形を軽減又は解消することを特徴とするスクリーン印刷システムの製作方法にも関する。
本発明はまた、基板の表面に導電インク層を付着させるために型板を通して印刷を行うステップであって、型板中央部の開口にそのインクを押し込むとともに、金属型板に固定された布の自由端の移動をもたらすスキージによって複数の導体が形成されるようにする、ステップを含むことを特徴とする、前述のような印刷システムを用いて基板上に導電体を作製する方法にも関する。
この印刷方法は、光電池装置の製造方法であって、集電導体及び/又はバスバー型導体のような表面導体のすべて又は一部を形成するための製造方法として特に興味深い。
とりわけ、この印刷は、少なくとも相互接続ゾーンのレベルで途切れている不連続の第一の導体を、第一の導体の相互接続ゾーンが少なくとも一つの第二の導体によって被覆されることで電気的結合が行われるのに先立ち、第一の方向に沿って形成することができる。この電気的結合のステップは、有利には、金属帯を溶接又は接着によって固定することによって果たされる。
本発明は、また、その導体印刷方法を実施するための前述のようなスクリーン印刷システムを備えることを特徴とする光電池装置の製造施設にも関する。

Claims (15)

  1. 金属型板(12)と、前記金属型板(12)の外周全体にわたって固定された布(15)とを備えることによってトランポリン状アセンブリを形成するスクリーン印刷システムであって、前記金属型板(12)に固定された前記布(15)が少なくとも一つの自由端を有することで、スキージ(20)の作用による変形を軽減又は解消することを特徴とするスクリーン印刷システム。
  2. 前記布(15)が、支持フレーム(17)に固定されないことにより、及び/又はその周縁のレベルに設けられた少なくとも一つの開口部(183、184)を通して、その外周縁に自由な部分を有することを特徴とする、請求項1に記載のスクリーン印刷システム。
  3. 前記布(15)が、金属糸、及び/又はポリエステル、ポリアミド、ポリアクリレートの類の有機物糸のような糸の織物を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載のスクリーン印刷システム。
  4. 前記金属型板(12)が矩形であること、及び前記金属型板(12)に固定された前記布(15)の自由端が、前記印刷システムの前記スキージ(20)の移動方向と平行な方向の前記布の二つの横辺(153、154)の端部のすべて又は一部を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  5. 前記印刷システムの前記スキージ(20)の移動方向に対して垂直な方向にある、前記金属型板(12)に固定された前記布(15)の他の二つの辺(151、152)が、支持フレーム(17)に固定されることを特徴とする、請求項4に記載のスクリーン印刷システム。
  6. 前記布(15)が前記布(15)の一つの辺(153、154)に設けられた少なくとも一つの自由端を備えること、及び、2方向に作用する張力が保持されるようにその自由端の長さLが前記布の前記辺の長さに満たないことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  7. 前記金属型板(12)が、前記布(15)の自由端の方向に測って長さM(単位mm)の印刷パターンを画定する貫通開口を備えており、その自由端がM-30mmからM+80mmの範囲の長さL(単位mm)を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  8. 前記金属型板(12)が、前記布(15)の自由端の方向に測って長さMの印刷パターンを画定する貫通開口を備えており、その自由端が前記パターンの長さMを上回る長さLを有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  9. 前記布(15)の前記自由端が、前記金属型板(12)の前記貫通開口によって画定される前記印刷パターンに対してほぼセンタリングされることを特徴とする、請求項7又は8に記載のスクリーン印刷システム。
  10. 前記布(15)の自由端の少なくとも一部分のレベルに、綻びが生じるのを防ぐための接着剤の類の付着を含むことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  11. 光電池装置に導体を印刷する施設の一部であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システム。
  12. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システムを備えることを特徴とする光電池装置の製造施設。
  13. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システムを使用するスクリーン印刷方法であって、前記金属型板(12)に固定された布(15)の自由端の移動をもたらす前記型板のスキージ作業のステップを含むことを特徴とする印刷方法。
  14. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システムを用いてシリコン基板上に導体をスクリーン印刷するステップを含むことを特徴とする光電池装置の製造方法。
  15. 少なくとも一つの自由端を有する前記金属型板(12)に固定される布(15)を固定するステップを含むことにより、スキージ(20)の作用によるその変形を軽減又は解消することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーン印刷システムの製作方法。
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