JP2924361B2 - 基板焼成方法 - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B29/00—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スクリーン印刷・焼結
式太陽電池基板の焼成工程などにおいて用いられる基板
焼成方法に関するものである。
式太陽電池基板の焼成工程などにおいて用いられる基板
焼成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】代表例として、スクリーン印刷・焼結式
太陽電池の製造プロセスについて述べる。図３（ａ）
は、スクリーン印刷工程で、スクリーン印刷機を用いて
太陽電池の膜成分のペースト１をスクリーン２を通して
ガラス基板３の上に印刷膜４を作る。次に図３（ｂ）の
乾燥工程で、ベルトコンベア５上の前記基板をヒータ６
で低温乾燥し、図３（ｃ）の焼成工程で、ベルト式電気
炉７で印刷膜４を焼結させる。このように印刷・乾燥・
焼成の各工程を繰り返すことにより、ＣｄＳ膜をはじめ
ＣｄＴｅ膜，Ｃ膜，Ａｇ＋Ｉｎ膜が順次連結形成され
る。焼成工程において用いられる一般的なベルト式電気
炉を図４に示す。
太陽電池の製造プロセスについて述べる。図３（ａ）
は、スクリーン印刷工程で、スクリーン印刷機を用いて
太陽電池の膜成分のペースト１をスクリーン２を通して
ガラス基板３の上に印刷膜４を作る。次に図３（ｂ）の
乾燥工程で、ベルトコンベア５上の前記基板をヒータ６
で低温乾燥し、図３（ｃ）の焼成工程で、ベルト式電気
炉７で印刷膜４を焼結させる。このように印刷・乾燥・
焼成の各工程を繰り返すことにより、ＣｄＳ膜をはじめ
ＣｄＴｅ膜，Ｃ膜，Ａｇ＋Ｉｎ膜が順次連結形成され
る。焼成工程において用いられる一般的なベルト式電気
炉を図４に示す。
【０００３】一定速度ｖで移動するコンベア８の上で、
基板１０を収納した焼成容器９は、一定の熱量を発生し
続ける熱源を持つマッフル１１により不活性ガス雰囲気
１２内で加熱される。電気炉に投入後、焼成容器９は徐
々に通常７００℃前後まで加熱され、マッフル１１内で
約１時間保持された後、出口付近で徐々に常温まで冷却
され、その後取り出される。図５に焼成容器９の構成を
示す。主として、耐熱製のセラミックで作られたボート
１３の中に基板１５と、基板１５の熱変形を防ぐための
中板１４を収納し、電気炉のヒータからの輻射光と膜成
分の蒸発を制御するための開口部を設けた蓋１６から構
成されている。
基板１０を収納した焼成容器９は、一定の熱量を発生し
続ける熱源を持つマッフル１１により不活性ガス雰囲気
１２内で加熱される。電気炉に投入後、焼成容器９は徐
々に通常７００℃前後まで加熱され、マッフル１１内で
約１時間保持された後、出口付近で徐々に常温まで冷却
され、その後取り出される。図５に焼成容器９の構成を
示す。主として、耐熱製のセラミックで作られたボート
１３の中に基板１５と、基板１５の熱変形を防ぐための
中板１４を収納し、電気炉のヒータからの輻射光と膜成
分の蒸発を制御するための開口部を設けた蓋１６から構
成されている。
【０００４】上記、従来の太陽電池焼成工法をはじめと
する図３のような焼成容器を用いた焼成工法は、特に１
２００cm2程度の大面積基板においては、基板の加熱効
率の点から必ずしも良好とは言えず、焼成容器及び基板
の進行方向前方と後方で大きな温度差が生じ、ＣｄＳ
膜、ＣｄＴｅ膜の溶融反応が不均一となり、その結果と
して、太陽電池の光・電圧変換効率等のバラツキの原因
となっていた。
する図３のような焼成容器を用いた焼成工法は、特に１
２００cm2程度の大面積基板においては、基板の加熱効
率の点から必ずしも良好とは言えず、焼成容器及び基板
の進行方向前方と後方で大きな温度差が生じ、ＣｄＳ
膜、ＣｄＴｅ膜の溶融反応が不均一となり、その結果と
して、太陽電池の光・電圧変換効率等のバラツキの原因
となっていた。
【０００５】以上の基本的な問題点に対して、輻射光を
基板上の任意の部位で制御する目的で、均熱加熱を実現
するために、マスキングを行なうことを特徴とするもの
（特願昭６２−３３０７２１号公報）がすでに提案さ
れ、これは焼成容器９の蓋にも適用できると考えられ
る。
基板上の任意の部位で制御する目的で、均熱加熱を実現
するために、マスキングを行なうことを特徴とするもの
（特願昭６２−３３０７２１号公報）がすでに提案さ
れ、これは焼成容器９の蓋にも適用できると考えられ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法を用いて、焼成容器９の蓋を設計した場合、その加工
において、孔径または面積開口部に応じてドリル等を頻
繁に変えねばならず、生産性を考慮した場合には非効率
的であると言える。
法を用いて、焼成容器９の蓋を設計した場合、その加工
において、孔径または面積開口部に応じてドリル等を頻
繁に変えねばならず、生産性を考慮した場合には非効率
的であると言える。
【０００７】本発明は上記問題点を鑑み、孔径または面
積開口部の形状を一定にし、輻射光をピッチ幅と孔また
は面積開口部の配置の疎密により制御し最適化する手法
を提案し、前記手法による均熱化効果と同様の、または
それ以上の均熱化効果を発揮する基板焼成方法を提供す
ることを目的とするものである。
積開口部の形状を一定にし、輻射光をピッチ幅と孔また
は面積開口部の配置の疎密により制御し最適化する手法
を提案し、前記手法による均熱化効果と同様の、または
それ以上の均熱化効果を発揮する基板焼成方法を提供す
ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の基板焼成方法は、基板を収納する焼成容
器の蓋が直径または開口部面積が一様な複数個の孔を有
する前記蓋を介して基板を加熱する焼成方法において、
任意の時刻に対し、微小時間間隔Δτだけ進んだ時刻に
おける前記蓋のｘ−ｙ面内格子点（ｉ，ｊ）における温
度は
めに、本発明の基板焼成方法は、基板を収納する焼成容
器の蓋が直径または開口部面積が一様な複数個の孔を有
する前記蓋を介して基板を加熱する焼成方法において、
任意の時刻に対し、微小時間間隔Δτだけ進んだ時刻に
おける前記蓋のｘ−ｙ面内格子点（ｉ，ｊ）における温
度は
【０００９】
【数４】
【００１０】で表わされ、単位時間に基板に流入するＺ
方向の熱量ｑ（τ）は
方向の熱量ｑ（τ）は
【００１１】
【数５】
【００１２】となり、蓋の孔形状が差分格子上重ね合わ
されたとして、蓋の開口率Ｒ（ｉ,ｊ）を式（数５）の
輻射に関する項に乗じて得られる次式
されたとして、蓋の開口率Ｒ（ｉ,ｊ）を式（数５）の
輻射に関する項に乗じて得られる次式
【００１３】
【数６】
【００１４】において、蓋の孔径すなわち開口率Ｒ
（ｉ,ｊ）を一定に保ったまま、均熱また は所望する基
板状態が得られる孔ピッチ及び孔の配置を設定し、この
蓋を用いて基板を加熱することを特徴とするものであ
る。
（ｉ,ｊ）を一定に保ったまま、均熱また は所望する基
板状態が得られる孔ピッチ及び孔の配置を設定し、この
蓋を用いて基板を加熱することを特徴とするものであ
る。
【００１５】
【作用】上記のような構成によって、焼成工程で進行方
向前後で大きな温度差が生じる焼成容器に対して、熱容
量及び熱伝導率の合理的な定量評価手法と、これを用い
た伝熱解析手法、及び輻射熱制御用焼成容器蓋の設計手
法を用いることで、基板の均熱焼成を効率的に実現し、
かつ生産性に優れた焼成容器を作成することができる。
向前後で大きな温度差が生じる焼成容器に対して、熱容
量及び熱伝導率の合理的な定量評価手法と、これを用い
た伝熱解析手法、及び輻射熱制御用焼成容器蓋の設計手
法を用いることで、基板の均熱焼成を効率的に実現し、
かつ生産性に優れた焼成容器を作成することができる。
【００１６】
【実施例】（実施例１） 以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら
説明する。
説明する。
【００１７】図１は、本発明の第１の実施例における基
板の焼成容器蓋設計手法に関するフローチャートを示
す。まず、ＣＡＤデータに含まれる焼成容器及び基板形
状データを読み込み、これを解析用の計算用格子に変換
する。この解析格子は焼成容器蓋の孔ピッチに相当す
る。この時、焼成容器を構成する各パーツの熱定数は、
後で述べる手法によって別途、平均化し定数化されてい
る。解析の格子作成は、計算のために設けられた格子の
代表点に対し、熱定数を新たに割り付ける役割を行な
う。次にしかるべき炉の焼成条件（例えば、各ゾーン毎
の輻射熱源温度，雰囲気温度，風速，基板搬送速度）を
与えると、後述の定式化法によって、焼成容器の温度分
布を算出し、その結果もとに次のステップで輻射光
（熱）量を制御する一定口径の孔の配置を仮設定する。
輻射光源と焼成容器及び基板の距離が比較的近い場合に
は、熱線を平行光と見なすことができ、従って輻射光
は、解析格子上に設けられた孔の分布密度に比例する。
計算機上で輻射光量の強弱を焼成容器蓋の孔の配置、つ
まり分布密度を変化させて、焼成容器が焼成炉に投入さ
れてから指定した時間まで熱解析シミュレーションを実
行し、その時刻での焼成容器の最大温度と最小温度の差
が最小になり均熱化されるまで、孔の配置を修正し熱解
析を繰り返す。次に、解析用の計算格子（孔ピッチ）を
段階的に変化させ、さらに熱解析を繰り返す。以上の作
業はプログラム的に可能である。すべての計算が終わっ
たところで最も均熱化されたケースを判断し、そのとき
の孔ピッチと孔位置から蓋形状を作成する。
板の焼成容器蓋設計手法に関するフローチャートを示
す。まず、ＣＡＤデータに含まれる焼成容器及び基板形
状データを読み込み、これを解析用の計算用格子に変換
する。この解析格子は焼成容器蓋の孔ピッチに相当す
る。この時、焼成容器を構成する各パーツの熱定数は、
後で述べる手法によって別途、平均化し定数化されてい
る。解析の格子作成は、計算のために設けられた格子の
代表点に対し、熱定数を新たに割り付ける役割を行な
う。次にしかるべき炉の焼成条件（例えば、各ゾーン毎
の輻射熱源温度，雰囲気温度，風速，基板搬送速度）を
与えると、後述の定式化法によって、焼成容器の温度分
布を算出し、その結果もとに次のステップで輻射光
（熱）量を制御する一定口径の孔の配置を仮設定する。
輻射光源と焼成容器及び基板の距離が比較的近い場合に
は、熱線を平行光と見なすことができ、従って輻射光
は、解析格子上に設けられた孔の分布密度に比例する。
計算機上で輻射光量の強弱を焼成容器蓋の孔の配置、つ
まり分布密度を変化させて、焼成容器が焼成炉に投入さ
れてから指定した時間まで熱解析シミュレーションを実
行し、その時刻での焼成容器の最大温度と最小温度の差
が最小になり均熱化されるまで、孔の配置を修正し熱解
析を繰り返す。次に、解析用の計算格子（孔ピッチ）を
段階的に変化させ、さらに熱解析を繰り返す。以上の作
業はプログラム的に可能である。すべての計算が終わっ
たところで最も均熱化されたケースを判断し、そのとき
の孔ピッチと孔位置から蓋形状を作成する。
【００１８】以下に、熱解析手法，焼成容器の熱定数の
定数化について、さらに詳しく説明する。
定数化について、さらに詳しく説明する。
【００１９】＜熱解析手法＞ 本発明で用いている熱解析手法は特願昭６２−３３０７
２１号公報で用いられている手法と基本的に同様である
が、今回取り扱うモデルにおいては、特にその仮定とし
て、（１）焼成容器内の肉厚ｚ方向の温度分布は、これ
と直交するｘ−ｙ面内の温度分布に比べて、薄板形状で
あるため無視でき、均一と考える。（２）焼成容器及び
基板の熱伝導はｘ−ｙ面内でのみ生じ、厚み方向ｚに関
しては平均化した値を用いる。（３）焼成容器及び基板
の熱容量についても、厚み方向Ｚに関して平均化した値
を用いる。
２１号公報で用いられている手法と基本的に同様である
が、今回取り扱うモデルにおいては、特にその仮定とし
て、（１）焼成容器内の肉厚ｚ方向の温度分布は、これ
と直交するｘ−ｙ面内の温度分布に比べて、薄板形状で
あるため無視でき、均一と考える。（２）焼成容器及び
基板の熱伝導はｘ−ｙ面内でのみ生じ、厚み方向ｚに関
しては平均化した値を用いる。（３）焼成容器及び基板
の熱容量についても、厚み方向Ｚに関して平均化した値
を用いる。
【００２０】以上の仮定により、２次元的な取り扱いが
可能となる。一般に知られる２次元伝熱解析において、
差分展開を行なったとき、任意の時刻τに対し、微小時
間間隔Δτだけ進んだ時刻におけるｘ−ｙ面内格子点
（ｉ，ｊ）の温度
可能となる。一般に知られる２次元伝熱解析において、
差分展開を行なったとき、任意の時刻τに対し、微小時
間間隔Δτだけ進んだ時刻におけるｘ−ｙ面内格子点
（ｉ，ｊ）の温度
【００２１】
【外１】
【００２２】は、（ｉ，ｊ）点の隣接格子点での温度
【００２３】
【外２】
【００２４】を用いて、
【００２５】
【数７】
【００２６】のように表わされる。
【００２７】ここで、λ，Ｃ，γは各々、媒体の比熱，
熱伝導率，密度であり、δ1，δ2は、各々ｘ，ｙ方向の
差分格子間隔を表わす。
熱伝導率，密度であり、δ1，δ2は、各々ｘ，ｙ方向の
差分格子間隔を表わす。
【００２８】次に、本発明の熱解析式においては、前記
仮定１を導入し、さらに、ｘ−ｙ面と直交するｚ軸方向
からの熱移動、すなわち、熱輻射や、熱伝達によってｚ
方向へ流入出する熱量に関しては、移流項の概念として
考慮し、方向性を無視することで、３次元の現象を２次
元問題として取り扱えるとすると、
仮定１を導入し、さらに、ｘ−ｙ面と直交するｚ軸方向
からの熱移動、すなわち、熱輻射や、熱伝達によってｚ
方向へ流入出する熱量に関しては、移流項の概念として
考慮し、方向性を無視することで、３次元の現象を２次
元問題として取り扱えるとすると、
【００２９】
【数８】
【００３０】が得られる。
【００３１】ここで、ｈは焼成容器厚さ、サフィックス
ａ〜ｄはボート，中板，ガラス基板，蓋の熱定数を表わ
す。またｑは、一般に時間τの関数として変化し、炉の
条件設定に従って容易に求められる。すなわち、δ1×
δ2の面積上にｚ方向に流入する熱量の計算例として、
ある時刻での炉の雰囲気温度を
ａ〜ｄはボート，中板，ガラス基板，蓋の熱定数を表わ
す。またｑは、一般に時間τの関数として変化し、炉の
条件設定に従って容易に求められる。すなわち、δ1×
δ2の面積上にｚ方向に流入する熱量の計算例として、
ある時刻での炉の雰囲気温度を
【００３２】
【外３】
【００３３】熱伝達率をα、輻射光源温度Ｔｗ、ステフ
ァン−ボルツマン定数をＣσ、焼成容器及び光源の輻射
率をε1，ε2とおくと、単位時間に流入するｚ方向の熱
量ｑは、
ァン−ボルツマン定数をＣσ、焼成容器及び光源の輻射
率をε1，ε2とおくと、単位時間に流入するｚ方向の熱
量ｑは、
【００３４】
【数９】
【００３５】で求められる。上記と同様の考え方で、容
器端面の差分要素に対しても定式化が可能である。
器端面の差分要素に対しても定式化が可能である。
【００３６】＜焼成容器蓋の設計手法＞ 輻射光源と焼成容器との関係において、焼成容器蓋の孔
形状が差分格子上に重ね合わされたとし、差分格子が代
表する領域面積δ1，δ2のうち孔径面積Ｓ0（ｉ，ｊ）
が占める割合で、開口率Ｒ（ｉ，ｊ）を定義する。すな
わち、
形状が差分格子上に重ね合わされたとし、差分格子が代
表する領域面積δ1，δ2のうち孔径面積Ｓ0（ｉ，ｊ）
が占める割合で、開口率Ｒ（ｉ，ｊ）を定義する。すな
わち、
【００３７】
【数１０】
【００３８】従って、蓋を用いた熱制御を行なう場合は、
（数９）で示すｚ方向の流入熱量のうち輻射に関する
項、すなわち右辺第２項にＲ（ｉ，ｊ）を掛ける必要が
ある。よってこの時、
（数９）で示すｚ方向の流入熱量のうち輻射に関する
項、すなわち右辺第２項にＲ（ｉ，ｊ）を掛ける必要が
ある。よってこの時、
【００３９】
【数１１】
【００４０】となる。蓋の孔径、すなわち開口率Ｒ
（ｉ，ｊ）を一定に保ったまま、ｚ方向から輻射によっ
て流入する熱量を孔の有無で自在に制御し、欲する基板
温度状態が得られるまでシミュレーションによる収束化
を行なうことで最適蓋形状（孔分布）が求められる。こ
のとき、格子形状（孔ピッチ）を疎から密に変化させる
ことにより、よりきめ細かい輻射熱量の制御ができ、ま
た、加工面から孔ピッチを選択するもできる。図２に上
記手法で具体的に求められた孔分布を有する焼成容器蓋
を例示する。色の濃い部分が一定口径の孔が分布してい
る部分である。
（ｉ，ｊ）を一定に保ったまま、ｚ方向から輻射によっ
て流入する熱量を孔の有無で自在に制御し、欲する基板
温度状態が得られるまでシミュレーションによる収束化
を行なうことで最適蓋形状（孔分布）が求められる。こ
のとき、格子形状（孔ピッチ）を疎から密に変化させる
ことにより、よりきめ細かい輻射熱量の制御ができ、ま
た、加工面から孔ピッチを選択するもできる。図２に上
記手法で具体的に求められた孔分布を有する焼成容器蓋
を例示する。色の濃い部分が一定口径の孔が分布してい
る部分である。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、本発明の熱解析手法，焼
成容器蓋の設計手法を用いることで、きわめて高精度か
つ合理的な太陽電池基板の焼成工程の最適化を図ること
ができる。すなわち本発明の手法を適用することで膜成
分の溶融温度付近での最大温度差は、従来、１２５℃か
ら８０℃程度に抑えられ、これに伴って太陽電池の光・
電圧変換効率のばらつきが１０％程低減される効果を確
認した（当社製品基板）。
成容器蓋の設計手法を用いることで、きわめて高精度か
つ合理的な太陽電池基板の焼成工程の最適化を図ること
ができる。すなわち本発明の手法を適用することで膜成
分の溶融温度付近での最大温度差は、従来、１２５℃か
ら８０℃程度に抑えられ、これに伴って太陽電池の光・
電圧変換効率のばらつきが１０％程低減される効果を確
認した（当社製品基板）。
【００４２】さらに、本発明の方法によれば、蓋の孔加
工が１種類のツール（例えばドリル）でできるので大幅
に加工の生産性が向上する。
工が１種類のツール（例えばドリル）でできるので大幅
に加工の生産性が向上する。
【図１】本発明の一実施例におけるガラス基板加熱方法
の焼成容器蓋形状設計フロー図
の焼成容器蓋形状設計フロー図
【図２】本発明の手法により求められた最適蓋孔分布図
【図３】従来のスクリーン印刷・焼結式の太陽電池の製
造プロセスの説明図
造プロセスの説明図
【図４】従来の基板焼成方法の平面断面図
【図５】従来の焼成容器の構成図
１ ペースト ２ スクリーン ３ 基板 ４ 印刷膜 ５ ベルトコンベア ６ ヒータ ７ ベルト式電気炉
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04 H01L 21/324
Claims (1)
- 【請求項１】 基板を収納する焼成容器の蓋が直径また
は開口部面積が一様な複数個の孔を有する前記蓋を介し
て基板を加熱する焼成方法において、任意の時刻に対
し、微小時間間隔Δτだけ進んだ時刻における前記蓋の
ｘ−ｙ面内格子点（ｉ，ｊ）における温度は 【数１】 で表わされ、 単位時間に基板に流入するＺ方向の熱量ｑ（τ）は 【数２】 となり、 蓋の孔形状が差分格子上重ね合わされたとして、蓋の開
口率Ｒ（ｉ,ｊ）を式（数２）の輻射に関する項に乗じ
て得られる次式 【数３】 において、蓋の孔径すなわち開口率Ｒ（ｉ,ｊ）を一定
に保ったまま、均熱または所望する基板状態が得られる
孔ピッチ及び孔の配置を設定し、この蓋を用いて基板を
加熱することを特徴とする基板焼成方法。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP3260003A JP2924361B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 基板焼成方法 |
| KR1019920018315A KR970005735B1 (ko) | 1991-10-08 | 1992-10-07 | 기판소성방법 |
| US07/957,790 US5379228A (en) | 1991-10-08 | 1992-10-08 | Heat treatment method |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP3260003A JP2924361B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 基板焼成方法 |
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| JPH05102508A JPH05102508A (ja) | 1993-04-23 |
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Family Applications (1)
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- 1992-10-08 US US07/957,790 patent/US5379228A/en not_active Expired - Lifetime
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