JP2020107798A - 溝加工ツールおよびこれを用いた薄膜太陽電池の溝加工方法ならびに溝加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集積型薄膜太陽電池を歩留まりよく製造することのできる太陽電池の溝加工ツールを提供する。【解決手段】棒状のボディ８１と、ボディ８１の先端に形成された円錐台状の刃先領域８２とからなり、刃先領域８２は、底面８３と底面８３からボディ８１に向かって延びる側面８４１とを有し、底面８３と側面８４１とによって形成される角部が第１刃先８５１をなし、底面８３からボディ８１に向かって環状溝部８６が形成されている溝加工ツールを用いて、薄膜太陽電池の薄膜に溝加工を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜太陽電池を製造する際に用いる溝加工ツールおよび溝加工ツールを用いた溝加工方法ならびに溝加工装置に関する。

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。薄膜太陽電池の一例として、カルコパイライト化合物半導体を光吸収層として用いるカルコパイライト化合物系薄膜太陽電池の製造方法について説明する。なお、カルコパイライト化合物とは、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）の他に、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳ２）等が含まれる。

図５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７（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１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２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５（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層３を蒸着法、スパッタリング法等によって形成し、その上に、ヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜等からなるバッファ層４をＣＢＤ法（ケミカルバスデポジション法）により形成し、その上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層５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２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５（ｃ）に示すように、絶縁層５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６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２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、電極分離用の溝Ｍ１およびＭ２をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。

レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによってＮｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成する。この方法は、光吸収層形成後の薄膜太陽電池基板に対して溝を形成する場合、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。

メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２および３で開示されているように、先端が先細り状となった金属針（ニードル）等の溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。

特開平１１−３１２８１５号公報 特開２００２−９４０８９号公報 特開２００４−１１５３５６号公報

特許文献２および３に開示されているようなメカニカルスクライブ法では、溝加工ツールの刃先の形状を先細りの針状にしてあるが、厳密には、薄膜太陽電池に圧接される部分は接触面積を広くするために平らとなるように先端が略水平にカットされている。すなわち、図６に示すように、先端部分が先細りの円錐台形状にしてある。このような形状の溝加工ツール８’を、薄膜太陽電池基板の溝を形成すべき薄膜（上下両電極や光吸収層等の各種機能層）に押しつけながら、スクライブ予定ラインに沿ってＹ方向へ相対的に移動させることで、溝加工を行うようにしている。
先端部分が先細りの円錐台形状の溝加工ツールを用いることにより、比較的安定して溝加工を行うことができる。その一方で、溝加工ツールを押しつける力が弱すぎると除去すべき薄膜が一部残ってしまい、逆に溝加工ツールを押しつける力が強すぎると除去すべき薄膜の下の層にダメージが生じてしまうため、太陽電池の性能および歩留まりが低下するといった問題点があった。

そこで、本発明は、薄膜太陽電池基板における光吸収層や電極膜等の各種機能層に溝を加工する際に、歩留まりよく、また、光電変換効率等の製品としての性能の低下を抑制して加工することのできる薄膜太陽電池の溝加工ツールおよびこの溝加工ツールを用いた溝加工方法ならびに溝加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の薄膜太陽電池用の溝加工ツールは、棒状のボディと、ボディの先端に形成された円錐台状の刃先領域とからなり、刃先領域は、底面と底面からボディに向かって延びる側面とを有し、底面と側面とによって形成される角部が第１刃先をなし、底面にはボディに向かって環状溝部が形成されており、底面と環状溝部の内周側面とによって形成される角部が第２刃先をなし、底面と環状溝部の外周側面とによって形成される角部が第３刃先をなしている。
また、上記課題を解決するためになされた本発明にかかる薄膜太陽電池の溝加工方法は、薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、溝加工ツールの刃先で押圧しながら、太陽電池基板と溝加工ツールを相対的に移動させて太陽電池基板の薄膜にスクライブラインを形成する集積型薄膜太陽電池の溝加工方法であって、本発明の溝加工ツールを用いて、溝加工ツールの底面を薄膜太陽電池基板の表面に押圧して溝加工を行う。
さらに、上記課題を解決するためになされた本発明にかかる薄膜太陽電池の溝加工装置は、本発明の溝加工ツールと、太陽電池基板が載置されるテーブルと、溝加工ツールの底面を前記太陽電池基板の表面に押圧した状態でスクライブさせるスクライブヘッドを備える。

本発明の溝加工ツールによれば、刃先領域の底面には、薄膜太陽電池基板に押圧される底面からボディに向かって環状溝部が形成されているので、環状溝部部が通過する箇所では刃先が３回通過するようになり、除去すべき薄膜の下の層にダメージを与えることなく、除去すべき薄膜を確実に除去したスクライブラインを形成することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
溝加工ツールは、底面の幅が底面の幅が３０μｍ以上、１００μｍ以下であるようにするのが好ましい。

溝加工ツールは、環状溝部の外周の幅が底面の幅の３０％以上、８０％以下であるようにするのが好ましい。

溝加工ツールが、超硬合金、または、ダイヤモンドで形成されているのが好ましい。
これにより、ツールの寿命が長く、変形も少ないことから、長期間にわたって精度よくスクライブ加工することができる。

本発明にかかる集積型薄膜太陽電池の溝加工装置の一実施形態を示す斜視図。 本発明にかかる溝加工ツールの斜視図。 上記溝加工ツールの底面拡大図。 本発明にかかる溝加工ツールの刃先領域の拡大図。 一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。 従来の溝加工ツールの一例を示す斜視図。

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。
図１は本発明にかかる溝加工ツールを用いた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、水平方向（Ｙ方向）に移動可能で、かつ、水平面内で９０度および角度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。ホルダ支持体２３は、ガイドバー２１に形成したガイド２２に沿って移動可能に取り付けられ、モータ２４の回転によりＸ方向に移動する。

ホルダ支持体２３には、スクライブヘッド７が設けられており、スクライブヘッド７の下部には、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８を保持するホルダ９が設けられている。

また、Ｘ方向およびＹ方向に移動することが可能な台座１２，１３にカメラ１０、１１がそれぞれ設けられている。台座１２、１３は支持台１３上でＸ方向に延設されたガイド１５に沿って移動する。カメラ１０、１１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１０、１１で撮影された画像はモニタ１６、１７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の表面には、位置を特定するためのアライメントマークが設けられており、カメラ１０、１１によりアライメントマーク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表面のアライメントマークを、カメラ１０、１１により撮像してアライメントマークの位置を特定する。特定されたアライメントマークの位置に基づいて、太陽電池基板Ｗ表面の載置時の方向ズレを検出し、テーブル１８を所定角度回転させることでズレを修正する。

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７を下降させて溝形成ツール８の刃先を太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態で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。

図２、図３および図４は、本発明において用いる溝加工ツール８を示す模式図である。図２は下方から見た斜視図であり、図３は溝加工ツール８の底面を底面側から見た拡大図であり、図４は溝加工ツール８の刃先領域を側面側から見た拡大図である。この溝形成ツール８は、実質的にスクライブヘッド７への取付部となる円柱状のボディ８１と、その先端部に一体的に形成された、円錐台状の刃先領域８２とからなり、超硬合金またはダイヤモンド等の硬質材料で造られている。刃先領域８２は、底面８３と、底面８３の外縁からボディ８１に向かって立ち上がった側面８４１とからなる。底面８３と側面８４１とによって形成される角部が第１刃先８５１となる。また、底面８３の中央部には底面からボディ８１に向かって延びる環状溝部８６が形成されている。底面８３と環状溝部の内周側面８４２とによって形成される角部が第２刃先８５２となり、。底面８３と環状溝部の外周側面８４３とによって形成される角部が第３刃先８５３となる

底面８３の幅Ｗ１は５０〜８０μｍが好ましいが、要求されるスクライブの溝幅に合わせて３０〜１００μｍとすることができる。また、環状溝部８６の外周の幅Ｗ２は底面８３の幅Ｗ１の３０％〜８０％、環状溝部の溝の幅Ｗ３は底面８３の幅Ｗ１の５％〜２０％、環状溝部８６の高さＨは３０μｍ以上が好ましい。また、刃先領域の中心を挟んで対向する側面８４１のなす角度、すなわち側面８４１を延長してできる円錐の頂角αの角度は、２０°〜７０°が好ましい。さらに、円柱状のボディ８１の直径は２〜４mm程度がよい。なお、溝形成ツール８のボディ８１は円柱状に限らず、断面四角形や多角形で形成することも可能である。また、環状溝部８６の形状は円形に限らず、楕円形や多角形であってもよい。

上述した溝加工ツール８を用いて加工を行う場合は、刃先領域８２の底面８３が太陽電池基板Ｗの表面に対して平行になるようにスクライブヘッド７に取り付ける。

本発明によれば、刃先領域８２に環状溝部８６が形成されているので、環状溝部８６が通過する箇所では、刃先が３回通過するため、溝加工ツールを太陽電池基板に押し付ける力を大きくすることなく、除去すべき薄膜を確実に除去したスクライブラインを形成することができる。

なお、上記実施例では、スクライブヘッド７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７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、太陽電池基板Ｗが固定された状態でスクライブヘッド７をＸ方向またはＹ方向に移動させてもよいし、スクライブヘッド７を移動させることなく、太陽電池基板ＷのみをＸ方向または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の構造のみに特定されるものではない。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、薄膜太陽電池の製造に用いることのできる溝加工ツール、溝加工方法および溝加工装置に適用することができる。

Ｗ 太陽電池基板
７ スクライブヘッド
８ 溝加工ツール
８１ ボディ
８２ 刃先領域
８３ 刃先領域の底面
８４１ 刃先領域の側面
８４２ 環状溝部の内周側面
８４３ 環状溝部の外周側面
８５１ 第１刃先
８５２ 第２刃先
８５３ 第３刃先
８６ 環状溝部

Claims (6)

1. 棒状のボディと、ボディの先端に形成された円錐台状の刃先領域とからなり、
   前記刃先領域は、底面と前記底面からボディに向かって延びる側面とを有し、
   前記底面と前記側面とによって形成される角部が第１刃先をなし、
   前記底面にはボディに向かって環状溝部が形成されており、
   前記底面と前記環状溝部の内周側面とによって形成される角部が第２刃先をなし、
   前記底面と前記環状溝部の外周側面とによって形成される角部が第３刃先をなしている薄膜太陽電池の溝加工ツール。
2. 底面の幅が３０μｍ以上、１００μｍ以下である請求項１に記載の溝加工ツール。
3. 前記環状溝部の外周の幅が前記底面の幅の３０％以上、８０％以下である請求項１に記載の溝加工ツール。
4. 前記溝加工ツールが、超硬合金またはダイヤモンドで形成されている請求項１に記載の溝加工ツール。
5. 薄膜太陽電池のスクライブ予定ラインに沿って、溝加工ツールの刃先で押圧しながら、前記薄膜太陽電池と溝加工ツールを相対的に移動させて前記薄膜太陽電池の薄膜にスクライブラインを形成する薄膜太陽電池の溝加工方法であって、
   前記溝加工ツールは、
   棒状のボディと、ボディの先端に形成された円錐台状の刃先領域とからなり、
   前記刃先領域は、底面と前記底面からボディに向かって延びる側面とを有し、
   前記底面と前記側面とによって形成される角部が第１刃先をなし、
   前記底面にはボディに向かって環状溝部が形成されており、
   前記底面と前記環状溝部の内周側面とによって形成される角部が第２刃先をなし、
   前記底面と前記環状溝部の外周側面とによって形成される角部が第３刃先をなしており、
   前記溝加工ツールの底面を前記薄膜太陽電池の薄膜の表面に押圧して、前記溝加工を行うことを特徴とする薄膜太陽電池の溝加工方法。
6. 棒状のボディと、ボディの先端に形成された円錐台状の刃先領域とからなり、
   前記刃先領域は、底面と前記底面からボディに向かって延びる側面とを有し、
   前記底面と前記側面とによって形成される角部が第１刃先をなし、
   前記底面にはボディに向かって環状溝部が形成されており、
   前記底面と前記環状溝部の内周側面とによって形成される角部が第２刃先をなし、
   前記底面と前記環状溝部の外周側面とによって形成される角部が第３刃先をなしている薄膜太陽電池の溝加工ツールと、薄膜太陽電池が載置されるテーブルと、前記溝加工ツールの底面を前記太陽電池の薄膜の表面に押圧した状態で溝加工を行うスクライブヘッドを備えた溝加工装置。

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