JP2016147792A - ガラス基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第一の基板表面を有し、ケイ素と、アルカリ金属と、アルカリ土類金属と、酸素と、を含み、ガラス転移温度が640℃以上であり、前記第一の基板表面から500nm以上5000nm以下のいずれかの深さにおける第一の水素イオン濃度をX[ppm]とし、前記第一の基板表面から40nm以上60nm以下のいずれかの深さにおける第二の水素イオン濃度をY[ppm]とした場合、Y/Xが3.0以上であって、90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量が0.5mg/cm2以下であり、ビッカース硬度Hvが500以上である、ガラス基板。
【選択図】なし
Description
太陽電池に用いられる半導体として、例えば、カルコパイライト結晶構造を持つ11−13族化合物半導体および11−16族化合物半導体、並びに立方晶系の12−16族化合物半導体あるいは六方晶系の12−16族化合物半導体等が挙げられる。これらの化合物半導体は、可視から近赤外の波長範囲の光に対して大きな吸収係数を有している。そのため、これらの化合物半導体は、薄膜太陽電池の効率を向上させる材料として期待されている。代表的な例として、Cu(In,Ga)Se2(以下、CIGSと称する)が挙げられる。
特許文献3にも発電効率の良い太陽電池を作製するには、より高温での熱処理が好ましく、ガラス基板には高温の熱処理に耐え得ることが要求される旨が記載されている。
ガラスの成分中で、NaやKなどのアルカリ金属酸化物と、アルカリ土類金属酸化物との存在比は、ソーダライムガラスではアルカリ金属酸化物の方が多い、または同等であるのに対して、特許文献2および3で記載されているガラスでは、アルカリ土類金属酸化物の存在比が多くなる特徴がある。これは、アルカリ金属酸化物に対して、アルカリ土類金属酸化物が多い方が一般的にはガラス転移温度が高くなり、ガラスがより高温まで変形しなくなることによる。
図1には、本実施形態のガラス基板1の断面概略図が示されている。本発明のガラス基板の寸法や形状は、実施形態中の説明に何ら限定されない。
また、本実施形態において、第二の水素イオン濃度Yを測定する深さを、例えば、図1に示すように第一の基板表面11からの深さをD2で表す場合、D2は、40nm以上60nm以下である。
上述の水素イオン濃度比Y/Xは、500nm以上5000nm以下の範囲のいずれかの深さにおける第一の水素イオン濃度Xと、40nm以上60nm以下の範囲のいずれかの深さにおける第二の水素イオン濃度Yとの比である。水素イオン濃度比Y/Xは、3.0以上であればよい。
Y/Xは30以下であることが好ましい。Y/Xが30を超えると、水素イオンとアルカリ金属およびアルカリ土類金属のイオン交換反応によって、水素イオン過多となり、ガラス表層での内部構造が疎になってしまう。そのため、例えば、太陽電池の製造工程において、製膜時に熱処理を行うと、ガラス表面と内部で膨張率の差が生まれ、ガラス基板にクラックが入る恐れがある。Y/Xは、より好ましくは25以下であり、さらに好ましくは22以下である。
ガラス基板1のTgの上限値は750℃以下であることが好ましい。Tgが750℃より大きくなると、ガラス原料の溶融時の粘性が高くなり、製造が難しくなる恐れがある。さらに、Tgが750℃より大きくなると、ガラス基板の膨張係数が小さくなる。光電変換層の形成プロセスで、ガラス基板と光電変換層との膨張係数のミスマッチが生じて、光電変換層がガラス基板から剥がれ易くなる、または、太陽電池を構成する他の部材とガラス基板との膨張係数のミスマッチが生じ、長期間の使用により当該他の部材が破損する恐れがある。ガラス基板1のTgは、より好ましくは720℃以下であり、さらに好ましくは700℃以下である。
結合強度が高いシロキサン結合が増えることで、ガラス基板1のビッカース硬度Hvが上昇し、ガラス基板1の強度が向上する。その結果、ガラス基板1によれば、太陽電池の製造工程における搬送時や、太陽電池製造後の使用環境における割れを抑制できる。
SiO2の活量は、pHが9程度まで、HSiO3 −イオンやSiO3 2−イオンの活量よりも大きく、安定であるため、シロキサン結合の増加によって、ガラス基板1の耐酸性が向上する。ガラス基板1を太陽電池用基板として使用すれば、当該太陽電池は、屋外での長期間の使用に耐える耐久性が得られる。
第一の基板表面11の表層での脱水縮合反応によって、表層における水素イオン(H+)濃度が減少し、ガラス基板1の表層と内部との間に水素イオンの濃度勾配が生じる。この濃度勾配が駆動力となり、ガラス基板1の内部から表層へH+が拡散する。表層へのH+の拡散によって減少した電荷を補償するために、ガラス基板1に含まれるアルカリ金属およびアルカリ土類金属が、基板の内部へ拡散する。ガラス表層に拡散したH+は、酸素原子と結合し、新たにヒドロキシル基が生じる。
新たに生じたヒドロキシル基の脱水縮合反応が起き、シロキサン結合が形成される。本実施形態のガラス基板1においては、前述のようなメカニズムの反応(図2(A)から図2(C))が繰り返し生じていると考えられる。
ガラス基板1において、第一のモル分率M1と第二のモル分率M2との比M1/M2が1.00以上であることが好ましく、1.10以上であることがより好ましい。ガラス基板1がこのようなモル分率比M1/M2を満たすと、SO2処理後に生じる硫酸塩保護膜中におけるアルカリ金属硫酸塩の濃度が、アルカリ土類金属塩の濃度よりも大きくなる。ゆえに、ガラス基板1に形成される硫酸塩保護膜がさらに洗浄除去し易くなる。
ガラス基板1を矩形状に切り出し、6つの面を鏡面研磨し、厚さが1.1mmであり、一辺の長さが30mmである第一の試験片を作製し、前記第一の試験片を、90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量を第一の溶出量Z1[μg]とする。第一の試験片に対しては、鏡面研磨後であって希塩酸に浸漬させる前に、前述の水素処理工程が実施される。
第一の基板表面11を5000nm以上研磨し、研磨後にガラス基板1を矩形状に切り出し、6つの面をさらに鏡面研磨し、厚さが1.1mmであり、一辺の長さが30mmである第二の試験片を作製し、前記第二の試験片を、90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量を第二の溶出量Z2[μg]とする。
第一の溶出量Z1と第二の溶出量Z2との比Z1/Z2が0.8以下であることが好ましく、0.7以下であることがより好ましい。このような溶出量比Z1/Z2を満たせば、ガラス基板1の耐酸性をさらに向上させることができる。ガラス基板1を太陽電池用基板として使用すれば、当該太陽電池は、屋外での長期間の使用に耐える耐久性が得られる。
第一の基板表面11のビッカース硬度を第一のビッカース硬度Hv1[N/mm2]とする。第一の基板表面11を5000nm以上研磨して露出した露出面のビッカース硬度を第二のビッカース硬度Hv2[N/mm2]とする。ビッカース硬度の測定は、露点が−50℃の雰囲気であり、押し込み荷重が0.98Nである条件下、JIS Z 2244に記載の方法で実施される。
ガラス基板1において、第一のビッカース硬度Hv1と第二のビッカース硬度Hv2との比Hv1/Hv2が1.00以上であることが好ましい。
このようなビッカース硬度比Hv1/Hv2であれば、ガラス基板1の強度が高く、太陽電池の製造工程における搬送時や、太陽電池製造後の使用環境における割れを抑制できる。
すなわち、ガラス基板1の27Al−MAS NMRスペクトルにおいて、20ppm以上85ppm以下の範囲の積算強度を第一の積算強度αとし、10ppm以上40ppm以下の範囲の積算強度を第二の積算強度βとし、−20ppm以上15ppm以下の範囲の積算強度を第三の積算強度γとする。この場合、ガラス基板1における積算強度比α/(α+β+γ)が0.9以上であることが好ましい。
ガラス基板1に含まれるアルミニウムの配位数を評価する方法として、27Al−MAS NMRスペクトルが挙げられる。本実施形態では、20ppm以上85ppm以下の範囲における検出値を4配位由来とし、10ppm以上40ppm以下における検出値を5配位由来とし、−20ppm以上15ppm以下における検出値を6配位由来と判断する。積算強度比α/(α+β+γ)が0.9以上であれば、ガラス基板1に含まれるアルミニウムは、4配位として含まれている割合が大きい。
上記の理由から、第一の基板表面11の表層でのアルカリ土類金属濃度は減少し、ガラス表層でのSO2ガスと反応するアルカリ土類金属の割合が減少する。さらに、ガラス表層での脱水縮合反応によってシロキサン結合が増加することで、アルカリ土類金属の拡散パスとなるヒドロキシル基が減少し、ガラス表層へアルカリ土類金属が拡散し難くなる。その結果、第一の基板表面11の表層でのSO2ガスとの反応によって生成する硫酸塩中のアルカリ土類金属塩の割合は減少する。一方でアルカリ金属は、ガラス転移温度Tg以上の温度では、ガラス中の[AlO4]−を介して容易に拡散することが可能であるため、SO2ガスとの反応で容易にアルカリ金属硫酸塩を形成する。アルカリ金属硫酸塩は、アルカリ土類金属塩に比べると、水に溶け易く、水による洗浄性が高い。
SiO2の含有量が75%超ではガラスの高温粘度が上昇し、溶解性が悪化する問題が生じるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは70%以下であり、より好ましくは65%以下であり、さらに好ましくは60%以下である。
Al2O3の含有量が20%超では、ガラスの高温粘度が上昇し、溶解性が悪くなるおそれがある。また、失透温度が上昇し、成形性が悪くなるおそれがある。Al2O3の含有量は、好ましくは18%以下であり、より好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは14%以下である。
特に、溶解性を向上させる等のために、ガラス基板1は、B2O3を2%まで含有してもよい。B2O3の含有量が2%を超えるガラス基板は、ガラス転移点温度が下がる、または平均熱膨張係数が小さくなり、CIGS膜等の光電変換層を形成するプロセスにとって好ましくない。B2O3の含有量は、1%以下が好ましく、0.5%以下がより好ましく、実質的に含有しないことが特に好ましい。
なお、本明細書において、「実質的に含有しない」とは、原料等から混入する不可避的不純物以外には含有しないこと、すなわち、ガラス中に意図的に含有させないことを意味する。
As2O3、Sb2O3、およびZnOも、ガラスの色調を調整することができる成分ではある。しかし、環境負荷を考慮して、ガラス基板1は、As2O3、およびSb2O3を実質的に含有しないことが好ましい。また、安定してフロート成形することを考慮すると、ガラス基板1は、ZnOを実質的に含有しないことが好ましい。
さらにガラス基板1によれば、太陽電池として屋外に設置した際に、酸性雨などによるガラス基板の腐食を防ぐことができる。
本発明は、前記実施形態に限定されない。本発明は、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良等も含む。
ガラス基板の製造工程中、ガラス基板の表面に対し水素処理を施す水素処理工程を実施した。水素処理が施されたガラス基板の表面を第一の基板表面とした。水素処理工程に用いたガスは、水素および窒素の混合ガスであり、表2および表3には混合ガス中の水素濃度が示されている。水素処理の条件を表2および表3に示す。なお、表3において水素処理濃度の欄が「なし」と表示されている比較例では、水素処理が施されていないことを意味する。
ガラス転移温度Tgは、JIS R3103−3(2001年度)に基づき、示差熱膨張計(TMA)を用いて測定した。測定結果を表2および表3に示す。
製造したガラス基板を、下記サイズに切断し、ビッカース硬度測定用の試験片を得た。
サンプルサイズ: 30mm×30mm、厚さ1.1mm
測定面:#1000の砥石を用いて研磨した後、酸化セリウムを用いて鏡面仕上げを行った。
ビッカース硬度の測定には、島津製作所製のHMV−2を用いた。
DP(Dew Point、露点):露点が−50℃の雰囲気の条件で、ガラス基板の第一の基板表面にF=0.1kgf(=0.98N)の荷重でビッカース圧子を打ち込み、得られたビッカース圧痕の各対角線の長さの平均値をdとして、以下の式よりHvを算出した。JIS Z 2244に記載の方法で実施した。
Hv : 1.8544×F[kgf]÷d2[mm2]
各試験片に対し、圧子を12点、打ち込み、最大値と最小値を除いた10点の平均値をHvとした。
水素処理が施された第一の基板表面のビッカース硬度を第一のビッカース硬度Hv1[N/mm2]とした。水素処理を施していないガラス基板に関しては、未処理面に対してビッカース硬度測定を行い、第一のビッカース硬度Hv1を測定した。
第一の基板表面を5000nm以上研磨して露出した露出面のビッカース硬度を第二のビッカース硬度Hv2[N/mm2]とした。
表2および表3には、第一のビッカース硬度Hv1、並びに第一のビッカース硬度Hv1と第二のビッカース硬度Hv2との比Hv1/Hv2を示した。
水素イオン濃度は、D−SIMS(二次イオン質量分析計)を用いて分析した。一次イオンをCs+とした。測定装置は、アルバック・ファイ株式会社製の装置(製品名:ADEPT1010)を用いた。
加速電圧 :3kV
ビーム電流 :100nA
ラスターサイズ:300×300μm2
試料角度 :45°
加速電圧 :5kV
ビーム電流 :700nA
ラスターサイズ:300×300μm2
試料角度 :45°
本実施例および比較例では、第一の基板表面から40nm以上60nm以下の深さにおける第二の水素イオン濃度の平均値を算出し、Y[ppm]とした。
ガラス基板の第一の基板表面から深さ30nmおよび深さ5000nmにおける各原子の濃度比を表2および表3に示す。それぞれの深さにおける各原子の濃度は、X線光電子分光装置(アルバック・ファイ株式会社製;製品名ESCA5500)を用いて測定した。
測定角度 :75度
デプス測定条件:Pass Energy:117.4 [eV]
Energy Step:0.50[eV/step]
スパッタイオン:C60 +
スパッタレート:約1nm/min(SiO2換算)
測定間隔 :5minごと
各元素の濃度は、研磨品のプロファイル及びガラス計算組成(ac%)を用い、換算した。
表面Na比は、深さ5000nmでのNa原子濃度(Na5000)に対する、深さ30nmでのNa原子濃度(Na30)の比(Na30/Na5000)とした。
表面K比は、深さ5000nmでのK原子濃度(K5000)に対する、深さ30nmでのK原子濃度(K30)の比(K30/K5000)とした。
表面Ca比は、深さ5000nmでのCa原子濃度(Ca5000)に対する、深さ30nmでのCa原子濃度(Ca30)の比(Ca30/Ca5000)とした。
表面Sr比は、深さ5000nmでのSr原子濃度(Sr5000)に対する、深さ30nmでのSr原子濃度(Sr30)の比(Sr30/Sr5000)とした。
表面Ba比は、深さ5000nmでのBa原子濃度(Ba5000)に対する、深さ30nmでのBa原子濃度(Ba30)の比(Ba30/Ba5000)とした。
水素処理工程を実施せずに製造した徐冷後のガラス基板を切断し、6つの面を鏡面研磨し、下記サイズの耐酸性試験用の試験片を得た。
試験片のサイズ: 30mm×30mm、厚さ1.1mm
板状のガラス(試験片)を#1000の砥石を用いて300μm〜1000μm研削した。その後、酸化セリウムを用いて研磨して、試験片の表面を鏡面とした。鏡面加工後の試験片表面に付着していた加工歪を除去した。
試験片の表面に水素処理を施した後に、上述の耐酸性試験を実施した時の溶出量を第一の溶出量Z1[μg]とした。試験片に水素処理を施さずに、上述の耐酸性試験を実施した時の溶出量を第二の溶出量Z2[μg]とした。表2および表3には、水素処理後の試験片からの溶出量、並びに第一の溶出量Z1と第二の溶出量Z2との比Z1/Z2を示した。
ガラス基板の第一の基板表面に対向する面(非分析面(ガラスボトム面))をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)でマスキングした。チャック付きのプラスチック製の袋にマスキング後のガラス基板を入れ、さらに超純水5mLを袋に添加した。チャックを閉じて、28kHzの条件で、30分間、超音波処理を行った。超音波処理後、袋からガラス基板を取り出した。袋に残った溶出液に濃硝酸5mLを添加して、マイクロウェーブ分解を行った。分解液を取り出した後、超純水で20mLに定容した。定容液中の各元素についてICP−MSで定量した。装置は、Agilent Technology株式会社製Agilent8800を用いた。
水素処理を施していないガラス基板表面に、サンプルのガラス転移点よりも50℃高い温度でSO2ガスを接触させたガラス基板を用いて、上述の方法により定容液を作製し、定量を行った。この場合の、硫酸塩の第二のモル分率をM2=R2SO4/(R2SO4+R’SO4)とした。
SO2処理条件は、以下の通りである。
処理温度:Tg+50℃
露点 :45℃
処理工程:N2雰囲気下で5分間予熱を行い、続いて、10体積%SO2ガス、並びに空気およびアルゴンの混合ガスをガラス基板の表面に吹き付けた。10体積%SO2ガスを0.20L/分の条件で、並びに空気およびアルゴンの混合ガスを1.40L/分の条件で5分間保持した。続いて、N2雰囲気下の室温で5分冷却した。
表2および表3には、第一のモル分率M1と第二のモル分率M2との比M1/M2を示した。
組成A、B、およびCのガラス基板におけるアルミニウムの配位数を27Al−MAS NMRスペクトルに基づいて確認した。当該NMRスペクトルの測定は、JEOL RESONANCE社製ECA600を用いた。測定条件は、下記の通りである。図3に当該NMRスペクトルを示す。
測定条件
プローブ:3.2mm MQMASプローブ
測定法 :single pulse法
積算回数:512回
P.D. :2秒
MAS速度:20kHz
なお、別途、MQ−MASによる測定を実施したところ4配位以外アルミニウムに由来するピークは検出されなかった。
Claims (7)
- 第一の基板表面を有し、
ケイ素と、アルカリ金属と、アルカリ土類金属と、酸素と、を含み、
ガラス転移温度が640℃以上であり、
前記第一の基板表面から500nm以上5000nm以下のいずれかの深さにおける第一の水素イオン濃度をX[ppm]とし、
前記第一の基板表面から40nm以上60nm以下のいずれかの深さにおける第二の水素イオン濃度をY[ppm]とした場合、
水素イオン濃度比Y/Xが3.0以上であって、
90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量が0.5mg/cm2以下であり、ビッカース硬度Hvが500以上である、ガラス基板。 - 前記第一の基板表面に300℃以上でSO2ガスを接触させた場合に生成する硫酸塩の第一のモル分率が、M1=R2SO4/(R2SO4+R’SO4)で表され、
前記第一の基板表面を5000nm以上研磨して露出した第一の露出面に300℃以上でSO2ガスを接触させた場合に生成する硫酸塩の第二のモル分率が、M2=R2SO4/(R2SO4+R’SO4)で表され、
Rは、NaおよびKの少なくともいずれかであり、
R’は、Mg、Ca、Sr、およびBaの少なくともいずれかであり、
前記第一のモル分率M1と前記第二のモル分率M2との比M1/M2が1.00以上である、
請求項1に記載のガラス基板。 - 前記ガラス基板を矩形状に切り出し、6つの面を鏡面研磨し、厚さが1.1mmであり、一辺の長さが30mmである第一の試験片を作製し、前記第一の試験片を、90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量を第一の溶出量Z1[μg]とし、
前記第一の基板表面を5000nm以上研磨し、研磨後に前記ガラス基板を矩形状に切り出し、6つの面をさらに鏡面研磨し、厚さが1.1mmであり、一辺の長さが30mmである第二の試験片を作製し、前記第二の試験片を、90℃に維持された濃度1モル/リットルの希塩酸に20時間浸漬させる耐酸性試験を実施した時の溶出量を第二の溶出量Z2[μg]とした場合、
前記第一の溶出量Z1と前記第二の溶出量Z2との比Z1/Z2が0.8以下である、
請求項1または請求項2に記載のガラス基板。 - 前記第一の基板表面のビッカース硬度を第一のビッカース硬度Hv1[N/mm2]とし、
前記第一の基板表面を5000nm以上研磨して露出した露出面のビッカース硬度を第二のビッカース硬度Hv2[N/mm2]とした場合、
前記第一のビッカース硬度Hv1と前記第二のビッカース硬度Hv2との比Hv1/Hv2が1.00以上である、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガラス基板。
ただし、ビッカース硬度の測定は、露点が−50℃の雰囲気であり、押し込み荷重が0.98Nである条件下、JIS Z 2244に記載の方法で実施される。 - Al2O3の含有量が、酸化物基準の質量百分率で、7%以上20%以下である、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガラス基板。 - 前記ガラス基板の27Al−MAS NMRスペクトルにおいて、
20ppm以上85ppm以下の範囲の積算強度を第一の積算強度αとし、
10ppm以上40ppm以下の範囲の積算強度を第二の積算強度βとし、
−20ppm以上15ppm以下の範囲の積算強度を第三の積算強度γとした場合、
α/(α+β+γ)が0.9以上である
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のガラス基板。 - 前記第一の基板表面から5000nm以上の深さにおいて、下記酸化物基準の質量百分率で、
SiO2を45%以上75%以下、
Al2O3を7%以上20%以下、
MgOを0%以上15%以下、
CaOを0%以上15%以下、
SrOを0%以上18%以下、
BaOを0%以上18%以下、
Na2Oを1%以上20%以下、
K2Oを0.1%以上20%以下、
ZrO2を0%以上10.5%以下含み、
Na2O+K2Oが1.1%以上30%以下であり、
MgO+CaO+SrO+BaOが1%以上40%以下である
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のガラス基板。
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