JP3839750B2 - 光起電デバイスの製造装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電デバイスの製造方法及び装置に関し、更に、それらによって得られる光を電気に変換するための製品に関する。
【0002】
【背景技術】
光起電効果は、1839年、エドムント・ベクレルによって、光を受けた弱導電性溶液中の二つの同じ電極を横切って電圧が現れることに彼が注目した時に、初めて観察された。この光起電効果は、1870年代には、初めセレン等の固体で研究されており、1880年代までは、光を電気に変換する効率が1〜2%のセレン光電池が製造されていた。
【0003】
一世紀以上前の光起電力に関する初期の実験以来、光起電デバイス、即ち、太陽電池用の半導体の開発に多くの仕事がなされてきた。初期の仕事の多くは、例えば約100μの程度の比較的厚い膜が必要で、しかも、効率的に機能するためには、単結晶の形態又は単結晶に非常に近い形態の非常に高品質のものでなければならない結晶質シリコンを用いて行なわれた。シリコン電池を製造するための最も一般的な方法は、単結晶シリコン種結晶を溶融シリコンに接触させ、次いで、種結晶及び溶融物の双方を反対向きに回転させながら引き上げて溶融シリコンの持ち上がったメニスカスをもたらし、半径方向の成長を促進する単結晶円筒法によるものである。適当なドーピングで電池はN-型又はP-型半導体の何れかになり、約100 μのウェファーにスライスして接合部を形成すると太陽電池、即ち、光起電デバイスができる。加えて、インゴットのキャスティングによって結晶質シリコンを製造することができるが、その固化は、単結晶円筒の場合のようには容易に制御することができず、得られる製品が多結晶質構造である。光起電デバイスを製造するのにウェファーに切る必要がなく、しかも品質の良い結晶質シリコンリボンを直接製造することも行なわれてきた。溶融紡糸と称する他のアプローチには、所望の形状と太さを有する細口の型に外側に向かって広がるよう、溶融シリコンを紡糸ディスクに注ぐことが必要である。溶融紡糸に伴う高い回転速度が、形成速度を高めるが、結晶の質を劣化させる。
【0004】
より最近の光起電力に関する開発は、厚膜半導体よりもはるかに薄くなるよう、10μ未満の厚さを有する薄膜を伴うものである。斯かる薄膜半導体には、非晶質のシリコン、二セレン化銅インジウム、ヒ化ガリウム、硫化銅及びテルル化カドミウムがある。非晶質のシリコンは、米国特許第5,016,562 号によって開示されているように、プラズマ強化放電(plasma enhanced discharge)、又はグロー放電によって薄膜半導体にされてきた。薄膜半導体を製造するのに用いられる他の方法には、電着、スクリーン印刷、及び至近距離昇華(close-spaced sublimation)がある。至近距離昇華法は、テルル化カドミウムに関してを用いられており、ガラスシート基板を封止されたチャンバーに挿入した後、加熱することによって行なわれる。ガラスシート基板は、その周辺部で、原料物質であるテルル化カドミウムと通常2〜3mmの非常に接近した関係に支持される。加熱が、約450 〜500℃まで進行すると、テルル化カドミウムは、非常に緩慢に元素のカドミウムとテルルに昇華し始め、約650〜725℃の温度に達すると、昇華は、より高速になり、元素のカドミウムとテルルは、周辺部で支持されたガラスシート基板の下向きの面に、かなりの速度でテルル化カドミウムとして再結合する。続いて、チャンバーを開いてテルル化カドミウムが蒸着された基板を取り出す前に、加熱を停止する。このように、テルル化カドミウムの蒸着は、加工処理の初めには上昇し、加工処理の終わりには低下する変化する温度で行なわれる。更に、斯かる至近距離昇華が先に行なわれた最大面積は、約100平方センチ(100cm.2 square)である。
【0005】
基板の大きさを増やすことは、周辺部のみで支持された加熱された基板は中央部がたるむ傾向があるため、平面性の維持に問題を生じさせることがある。
テルル化カドミウム処理に関する更に完璧な解説が、"Harnessing SolarPower-The Photovoltaics Challenge" by Ken Zweibel, published by Plenum Press of New York and Londonに述べられている。
【0006】
【発明の目的】
本発明の目的は、比較的速い蒸着速度で高品質の半導体材料が蒸着された大きな、即ち、1000cm2 を越える面積のガラスシート基板を用いることにより達成された低コスト電力を生じさせることのできる改良された光起電デバイスの製造装置を提供することである。
本発明の上記の目的及び他の目的の実施にあっては、本発明による光起電デバイスの製造方法は、加工処理の間、定常状態で約650℃よりも高い温度に加熱された収容された環境を確立すること、及びカドミウム及びテルルの蒸気を収容された環境に導入することとによって行なわれる。太陽エネルギーを吸収するための半導体として機能するよう、基板の一方の面にテルル化カドミウムの層を連続高温蒸着するため、約550〜640℃の範囲の温度に加熱されたガラスシートを含むシート基板が、収容された環境内を搬送される。
【0007】
【課題を解決する手段】
本発明は、
制御された環境を収容するための内部を有する包囲筐と、
包囲筐内に位置し、ハウジングを有するオーブンであって、ハウジングは、加熱チャンバーを形成し、加熱チャンバーは、制御された環境が、加熱チャンバー内にも及ぶように包囲筐の内部と連通しているオーブンと、
ガラスシートを含む基板を支持し、搬送するため、オーブンの加熱チャンバー内に互いに間隔をおいて配置された水平なロールであって、各々が、オーブンのハウジングを貫通してオーブンの加熱チャンバーから外側に延びる少なくとも一つの端部を有するロールを含むローラーコンベヤであって、更にオーブンのハウジングを貫通してオーブンの加熱チャンバーから外側に突出するロールの端部を回転駆動するため、包囲筐の内部でオーブンの外側に配置されたロール駆動機構を含むローラーコンベヤと、
基板がローラーコンベヤに載って搬送される間に、基板の上を向いた面に半導体材料の層として蒸着される加熱された蒸気を供給するため、オーブン内にある少なくとも一つの蒸着ステーションとを、
備えていることを特徴とする光起電デバイスの製造装置である。
【0008】
本発明の実施形態は以下のとおりである。
最初に言及した半導体材料の層との界面を有する他の半導体材料の追加の層を基板に蒸着させるための追加の蒸着ステーションを含んでいることを特徴とする。
二つの追加の蒸着ステーションを含む光起電デバイスの製造装置であって、
二つの追加の蒸着ステーションの一方が、最初に言及した半導体材料の層との界面を有するよう、最初に言及した半導体材料の層の前に、他の半導体材料の追加の層を基板に蒸着させ、
二つの追加の蒸着ステーションのもう一方が、もう一方の界面と間隔をおいて位置する他の界面を有するよう、最初に言及した半導体材料の層の後に、更に別の半導体材料の他の追加の層を基板に蒸着させる、
ことを特徴とする。
蒸着ステーションは、昇華して半導体材料の層として蒸着される加熱された蒸気を供給する原料物質を受容するため、オーブン内でローラーコンベヤの上方に位置する原料物質ホルダーを含んでいることを特徴とする。
蒸着ステーションの原料物質ホルダーは、上に開いたホルダートラフを含んでいることを特徴とする。
【0009】
蒸着ステーションは、原料物質ホルダーの上方に位置していて下に開いた形状を有する偏向要素を更に含んでいることを特徴とする。
原料物質ホルダーは、上に開いていて互いに間隔をおいて位置する関係にあるコンベヤロールと平行に延びる細長いホルダートラフと、ホルダートラフの上方に位置し、下に開いた形状を有する偏向要素とを含むことを特徴とする。
蒸着ステーションは、オーブン内の基板の温度に影響を与えることなしに温度を制御することのできる加熱蒸気供給部を含んでおり、加熱蒸気供給部は、搬送された基板の上向きの面に半導体材料の層として蒸着させるため、加熱蒸気を蒸着ステーションに供給する供給導管手段を有していることを特徴とする。
加熱蒸気供給部は、加熱蒸気を供給するためのヒーターと、加熱蒸気を、ヒーターから供給導管手段を通じて蒸着ステーションへと移送するためのキャリヤーガスのソースを含んでいることを特徴とする。
【0010】
加熱蒸気供給部は、加熱蒸気の別個の加熱蒸気成分を供給するための一対のヒーターを含み、加熱蒸気供給部は、加熱蒸気を、一対のヒーターから供給導管手段を通じて蒸着ステーションへと移送するためのキャリヤーガスのソースを更に含んでいることを特徴とする。
駆動機構は、制御された環境を収容した包囲筐内のオーブンから外側に突出したコンベヤロールの端部を駆動する連続駆動ループを含んでいることを特徴とする。
各コンベヤロールの両端部が、オーブンの両側でオーブンから外側に突出し、駆動機構は、制御された環境を収容した包囲筐内のオーブンの両側でコンベヤロールの端部をそれぞれ支持し、摩擦駆動する一対の連続駆動ループを含んでいることを特徴とする。
半導体材料の層が蒸着された基板を迅速に冷却し、それにより、基板のガラスシートを強化するため、蒸着ステーションの下流に位置する冷却ステーションを更に含んでいることを特徴とする。
本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連してとらえると、発明を実施するための最良の形態に関する以下の詳細な説明から容易に明らかとなろう。
【0011】
【発明を実施するための最良の形態】
図1を参照すると、全体を20で示すシステムが、図2乃至図5に示すような光起電デバイス22を製造するよう構成されている。この装置によって製造される種類の光起電デバイス22又は太陽電池は、ガラスシート26(図4)を含むシート基板24を含み、本明細書で以下により充分に説明するように、反対に向いた面28及び30を有している。低コストの電力を生じさせるため、基板24は、約1000平方センチより大きな広い面積のものであり、具体的に図示した実施態様は、約2フィート x4フィートになるように、60cm x 120cmの大きさを有している。半導体材料32(図4)を基板24の一方の面28に蒸着させ終わり、本明細書で以下により充分に説明する他の加工も終了した後、できあがった光起電デバイス22は、基板の対向する側面36の間を横方向に延びているように示されていて本明細書でやはり以下により充分に説明するように互いに直列に連結された電池34を有している。更に、電池34は、基板の対向する端40の間を長手方向に延びることもでき、それでもやはり、効率的に機能できることが認識さるべきである。基板の対向する端40にある電気端子38が、光起電フィールドの一部として基板の電気接続をもたらしている。図5により具体的に示すように、三つの光起電デバイス22が、太陽46から光を受け、それにより電気エネルギーを生じさせるよう、適当なフレーム42によって逆向きに支持され、地上支持体44によって適当な角度に配置される。
【0012】
図1に示すシステム20の加工処理は、建築の目的で用いる際の光学的特質を向上させるため、大気圧化学蒸着によって0.04μの厚さに付着させた酸化錫の膜48を有する5mm(3/16インチ)の厚さのガラスシート26を有する図4に示すようなシート基板24を用いて開始される。バリヤーを提供するため、二酸化珪素膜50が、大気圧化学蒸着により酸化錫膜を覆って0.02μの厚さに付される。
0.3μの厚さの弗素添加された他の酸化錫膜が、二酸化珪素膜50を覆って付され、弗素添加で反射能が向上した建築用途の反射膜として機能する。この第二の酸化錫膜50は、本明細書で以下に更に充分に説明するように、光起電デバイス22のための電極として機能する。ガラスシート26に蒸着させた膜48、50及び52を備えた斯かる基板24は、市販されており、図1に示すシステム20によって光起電デバイス22を製造することのできる出発製品である。
【0013】
図1を参照すると、システム20は、加工処理のためにシート基板を負荷する負荷ステーション54を含んでいる。負荷の後、基板は、任意の種類の市販のガラス洗浄及び乾燥ステーション56に移送される。コーナーコンベヤ58が、基板を、洗浄及び乾燥ステーション56からレーザースクライビングステーション60に移送し、レーザースクライビングステーションは、スクライブライン62(図4)の位置で酸化錫膜52を切断して電池34を互いに隔絶させる。スクライブした基板は、次いで、半導体の蒸着に先立って洗浄及び乾燥を行なうため、他の洗浄及び乾燥ステーション64に移送される。続いて、洗浄及び乾燥した基板は、初期レーザースクライビングが電池を隔絶したことを確認するため、試験/排除ステーション66に移送される。
【0014】
図1を続けて参照すると、システム20は、半導体の蒸着に備えて基板を約550 〜640 ℃の範囲の温度に加熱するための適当なヒーター68を含んでいる。しかる後、基板は、本発明に従って構成され、半導体材料の層を蒸着するための三つの蒸着ステーション74、76及び78を有するものとして開示されている蒸着ゾーン72を含む装置70に移送される。より具体的には、第一の蒸着ステーション74は、0.05μの厚さでN型半導体として作用する硫化カドミウム層80(図4)を蒸着する。図1に示す蒸着ステーション76は、1.6μの厚さでI型半導体として作用するテルル化カドミウム層82を蒸着する。しかる後、蒸着ステーション78は、0.1μの厚さでP型半導体として作用するテルル化亜鉛である他の半導体層84(図4)を蒸着する。半導体層80及び82は、N-I 型の一方の接合部を提供する界面81を有しており、半導体層82及び84は、I-P 型のもう一方の接合部を提供する界面83を有している。これらの界面81及び83は、通常、一原子の尺度で急激に変化するものではなく、移行領域において多数の原子層にわたっている。
【0015】
本発明の装置70は、更に冷却ステーション86を含むものとして図1に示されており、冷却ステーションは、本明細書で以下により充分に説明するように、ガラスシートを強化するため、半導体材料が蒸着されたガラスシート基板の速やかな冷却をもたらすものである。
図1に示すコーナーコンベヤ88が、冷却ステーション86から基板を受け、ピンホール補修ステーション90に移送する前に基板の追加の冷却を行なうこともできる。ピンホール補修ステーション90の適当なスキャナーが、基板に背面照明ゾーンを通過させ、次いで、適当な粘稠不導性材料で空隙を充填するコンピュータ制御のマルチヘッド送出システムに情報を伝送することにより、基板を走査して蒸着させた半導体層のピンホールを検知する。斯かる補修の後、基板は、第二のレーザースクライビングステーション92に移送され、このレーザースクライビングステーションは、半導体層80、82及び84を通じて、基板の対向する側面の間で、電極として作用する酸化錫層52のスクライブ62から離れた位置にスクライブ94(図4)を切る。ステーション92における半導体のスクライビングの後、基板は、コーナーコンベヤ96によって受け取られ、このコーナーコンベヤは、スクライビングによって離脱した半導体材料を除去するための適当な送風機及び真空装置を含んでいる。
【0016】
スパッタステーション98が、図1に示すコーナーコンベヤ96から基板を受け、半導体層全体並びにスクライブライン94の側面及び底面に、ニッケル層100(図4)を蒸着する。このニッケルスパッタは、直流磁電管スパッタによって行なうのが好ましく、次の蒸着物のための安定した接触面を提供するのに、ほんの約100 Åの厚さを要するだけである。しかる後、基板は、スパッタステーション102に移送され、このスパッタステーション102は、ニッケル層100一面に0.3μの厚さのアルミニウム層104を蒸着し、このアルミニウム層は、もう一方の電極として作用する酸化錫膜52のように、半導体層の反対側で電極として作用する。アルミニウム層104は、インライン複数カソード直流磁電管スパッタによって蒸着される。しかる後、基板は、他のスパッタステーション106によって受け取られ、スパッタステーション106は、アルミニウム層の酸化を防止するため、電極アルミニウム層104を覆って他のニッケル層108を付着させる。
【0017】
図1に示す第三のレーザースクライビングステーション110が、スパッタステーション106から基板を受け、次いで、半導体層だけでなく電極アルミニウム層104並びに電極アルミニウム層が隣接するニッケル層100及び108を通じてスクライブライン112(図4)を切り、基板の対向する側面の間に電池の隔絶を完成させる。このスクライビングステーションを出ると、送風機114が、モジュールステーション116に移送する前の基板から離脱した粒子を除去し、モジュールステーションは、得られた光起電デバイスを所定の照度下で試験し、基準と比較するため電気出力を測定して製品が満足すべきものであるか否かを決定する。次いで、満足な基板は、組立ステーション118に移送され、ここで、母線が、各基板の端に超音波溶接され、ワイヤリードが、配列になった光起電デバイスを接続するため、母線にハンダ付けされる。しかる後、光起電デバイス22は、封入ステーション120に移送され、ここで、取出ステーション124に移送する前に、適当な封入層122(図4)を付して硬化させる。続いて、完成した光起電デバイス22は、図5に関連して先に説明したように、電力を発生させる光起電配列を構成するため、パネルに組み立てる。
【0018】
システム20は、本発明の装置70を用いるのであれば、例示のステーション以外のステーションを用いて構成してもよいことが認識さるべきである。例えば、電池34を画成するためのレーザースクライビングステーション60、92及び110ではなく、写真平版パターン形成を用いて電池を得ることが可能である。
【0019】
図6及び図7を参照すると、本発明に係わる光起電デバイスの製造装置70は、先に説明したヒーター68とコーナーコンベヤ88との間を延びる包囲筐126を含んでいる。この包囲筐126は、図7に最も良く示すように、底部壁128、上部壁130、及び側壁132、その他、制御された環境を内包することのできる包囲された内部を提供するため、壁の間を封止する底部134及び上部シール136を含んでいる。包囲筐126の封止状態を維持するため、適当なファスナー又はクランプを利用することができる。
【0020】
図6に示すように、包囲筐126右側上流端は、入口弁138を含んでおり、加熱した基板24をヒーター68から受容するため、入口弁の作動機構140が、弁要素142を移動させて包囲筐を開く。しかる後、作動機構140は、弁要素142を閉じて包囲筐を封止する。本明細書で以下により充分に説明するような蒸着ゾーン72の蒸着ステーション74、76及び78での半導体の蒸着の後、蒸着ゾーン72の左側下流端のもう一つの弁144が、半導体材料が被覆された基板24を冷却ステーション86へと通過させるため、弁の作動機構146が弁要素148を開くよう、稼働する。この移送が行なわれる際、冷却ステーション86の下流端の更に別の弁150が、その作動機構152が弁要素154を包囲筐126に関して閉位置に配置させた状態で、閉じられる。先に説明したような連続加工処理ができるよう、基板24を冷却ステーション86へと移送した後、弁144が閉じ、しかる後、冷却された基板24を冷却ステーション86からコンベヤ88へと移送することができるよう、弁150が開く。
【0021】
図6、図7及び図8に最も良く示すように、本装置の蒸着ゾーン72は、包囲筐126内に位置していて加熱チャンバー160を形成するハウジング158を有するオーブン156を含んでおり、加熱チャンバーは、包囲筐126内の制御された環境が、加熱チャンバー内にも及ぶように包囲筐126の内部と連通している。このオーブンのハウジング158は、下部冷却プレート162及び上部冷却プレート164を含んでおり、下部及び上部冷却プレートは、それぞれ、適当な冷却剤が流通する冷却剤流路166及び168を有している。ハウジング158は、更に、適当な断熱材からなる下部断熱体壁170及び上部断熱体壁172を含むほか、やはり適当な断熱材からなる下側部断熱体174及び上側部断熱体壁176を含んでいる。これらの断熱体壁170、172、174及び176は、協働して加熱チャンバー160を形成し、この加熱チャンバーにおいて、本明細書で以下により充分に説明するように、半導体の蒸着が行なわれる。この半導体の蒸着は、図8に示すように断熱体180によって下部断熱体壁170に取り付けられた電気発熱体178と、上部断熱体壁172に埋め込まれた適当な電気抵抗発熱体182とによってもたらされる高温で行なわれる。
【0022】
図6及び図7を組み合せて参照すると、装置70は、先に説明したようにガラスシートを含む加熱された基板24を支持及び搬送するため、加熱チャンバー160内に互いに間隔をおいて配置された水平なロール186を有するローラーコンベヤ184を更に含んでいる。各ロール186は、図7に最も良く示すように、オーブンのハウジング158を貫通してオーブン156の加熱チャンバー160から外側に延びる少なくとも一つの端部188を有しており、その両端部がそうであるのが好ましい。より具体的には、ロールの端部188は、図8に示すように、下側部断熱体壁174及び上側部断熱体壁176の係合界面194におけるそれらの断熱体壁の半円形の開口190及び192によって協働的にもたらされる孔を通って外側に延びている。ロールの端部188は、ローラーコンベヤ184のロール駆動機構196によって駆動される。このロール駆動機構196は、図7に示すように、半導体の蒸着の間に基板24を搬送するため、包囲筐126の内部でオーブン156の外側に配置され、本明細書で以下により充分に説明するように、ロールの端部を回転駆動させる。
【0023】
装置70の蒸着ゾーン72は、図6に示し、先に述べたように、基板24がローラーコンベヤ184に載って搬送される間に、基板の上を向いた面に半導体材料の層として蒸着される加熱された蒸気を供給するため、オーブン156内に少なくとも一つの蒸着ステーション、好ましくは三つの蒸着ステーション74、76及び78を含んでいる。より具体的には、一つの蒸着ステーション74は、硫化カドミウム層80(図4)として蒸着される硫化カドミウムの加熱された蒸気を供給する一方、図6に示す蒸着ステーション76は、硫化カドミウムとの界面81を有するテルル化カドミウム層82(図4)として蒸着される加熱された蒸気を供給する。更に、図6に示す蒸着ステーション78は、テルル化カドミウム層82との界面83を有するテルル化亜鉛等の別の半導体層84として蒸着される加熱された蒸気を供給する。
【0024】
図7及び図8を組み合せて参照すると、蒸着ステーション74及び78の例示にもなる一蒸着ステーション76は、原料物質200、この例では、本装置によって蒸着される主要半導体材料であるテルル化カドミウムを受容するため、オーブン156内のローラーコンベヤ184に位置する原料物質ホルダー198を含むものとして開示されている。この原料物質は、オーブンチャンバー160の加熱状態によって昇華し、ローラーコンベヤ184によって支持された搬送された基板24に蒸着される元素の(elemental)カドミウム及びテルルの蒸気をもたらす。より具体的には、蒸着ステーション176の原料物質ホルダー198は、原料物質200を受容するため上向きに開いた少なくとも一つのホルダートラフ202を含んでおり、本明細書で以下により充分に説明するように、斯かるホルダートラフが複数あるのが好ましい。蒸着ステーションは、更に、原料物質トラフ202の上方に位置していて下向きに開いた形状を有する偏向要素204を含んでいる。図示のように、細長い形状を有し、上向きに開いてコンベヤのロールと平行に延びる複数のホルダートラフ202があり、それらの両端が、適当な支持体206によって、オーブンチャンバー160内で上側部断熱体壁176に取り付けられている。同様に、偏向要素204も、コンベヤロール186と平行に延びる細長い形状を有し、それらの両端が、支持体206によって、上側部断熱体壁176に取り付けられている。トラフ202及び偏向要素204は何れも、半導体の蒸着の間にオーブンが加熱される高温に耐えることができるよう、石英でできていることが好ましい。更に、偏向要素202は、蒸着のために加熱された蒸気を基板24の方に下方に向けるだけでなく、材料が上から下方に落下して蒸着されている半導体の質を損うことを防止するシールドの提供もする。また、図6に示すように、一対のバッフル207が、蒸着ステーション74から蒸着ステーション76へ基板24を搬送できるようにしているスリットを形成しているが、これらのバッフルは、加熱された蒸気がこれらのステーションの間を流れるのを制限する。もう一対の同様のバッフル207が、蒸着ステーション76と78との間で同様の機能をもたらす。
【0025】
図9を参照すると、蒸着ステーション76aの他の実施態様が、オーブン156内の基板24の温度に影響を与えることなしに温度を制御することのできる加熱蒸気供給部208を含んでいる。加熱蒸気供給部は、コンベヤ184によって搬送された基板24に蒸着させるための加熱蒸気を供給する手段を提供する供給導管210を含んでいる。より具体的には、この実施態様は、ヒーター212を含むものとして図示されており、このヒーターで、原料物質200、例えばテルル化カドミウムを加熱して導管200を通じてオーブン156に供給するカドミウム及びテルルの加熱された蒸気を提供する。このヒーター212は、オーブン156及び包囲筐126双方の外側に位置し、蒸着用の加熱蒸気を供給するため、導管210が包囲筐及びオーブン内に延びているものとして示されている。しかしながら、ヒーター212は、包囲筐126内のオーブン156の外側に配置することも、例えば、断熱体及び/又は基板から離れた位置を用いることにより、基板24の温度に影響を与えることなしにオーブンの加熱チャンバー160内に配置することもできることが認識さるべきである。更に、窒素等のキャリヤーガスのソース214が、制御弁216を通じて供給され、加熱された蒸気をヒーター212からオーブン156へと移送するのを助ける。外側に配置された原料物質ヒーター212の他の利点は、蒸着に必要な原料物質の加熱を行なうのに、オーブン156の温度とは独立に、ヒーターを容易に制御できることである。
【0026】
図10を参照すると、オーブン156内にある蒸着ステーション76bの別の実施態様が、やはり加熱蒸気供給部208を含むものとして示されており、加熱蒸気供給部は、それぞれ元素のカドミウム及びテルルを互いに独立に加熱するための一対の原料物質ヒーター212’を含んでいる。これらのヒーターは、好ましくは、ソース214から導管枝210’及び210”とそれぞれ連携する制御弁216’及び216”を通じて供給される窒素等のキャリヤーガスを用いることにより、加熱された蒸気を導管210を通じてオーブン156の内部に供給する。
図6に示すように、駆動機構196は、推進リーチ220及び回帰リーチ222を有する連続駆動ループ218を含んでいる。図7に示す好ましい構成には、オーブンの対向する側面においてコンベヤロールの端部188をそれぞれ支持し、回転駆動する一対の駆動ループ218がある。この駆動ループ218は、駆動チェーンによって具現化することが好ましく、駆動チェーンは、図6に示すように、その上流端が駆動スプロケット224により受けとめられ、その下流端が駆動スプロケット226によって受けとめられている。図7に示すような包囲筐側壁132に付した上部支持体228が、一対の駆動ループ218の推進リーチ220を支持する一方、下部支持体230が、駆動ループの回帰リーチ222を摺動可能に支持する。シールを貫通して包囲筐126内に延びる適当な電動機駆動の駆動シャフトが、駆動チェーンを受けとめる駆動スプロケット220を反時計回りの向きに回転駆動させて上部推進リーチ220を右向きに移動させ、それにより、コンベヤロール186を反時計回りに摩擦駆動させて基板24を左向きに搬送する。図7に示す位置決め要素232が、ロールの端部188と係合して、コンベヤロール186を、蒸着ゾーン72及び冷却ステーション86の双方を通って装置の長さに沿って位置決めする適当なローラーを含んでいるのがよい。
【0027】
本発明による包囲筐内の制御された環境と異なり、周囲雰囲気内にあるガラスシート加熱炉が、米国特許第3,934,970号、第3,947,242号、及び第3,994,711 号に開示されている。これらの炉は、本発明のローラーコンベヤと同様の態様で、ロールが、連続駆動ループ、即ち、チェーンによって摩擦駆動されるローラーコンベヤを有している。
図6を参照すると、冷却ステーション86は、下部送風ヘッド234及び上部送風ヘッド236を含んでおり、これらの送風ヘッドは、ローラーコンベヤ184の下及び上にそれぞれ位置し、半導体材料を蒸着した基板24を速やかに冷却することにより基板のガラスシートを強化する窒素等の急冷ガスを供給するためのノズルを有している。より具体的には、この急速な冷却は、ガラスシートの反対に向いた面を圧縮状態に、それらの面の間のガラスシート中央部を引張状態にする。
【0028】
上記の装置70内で光起電デバイスを製造する方法は、真空に吸引することによりオーブン156内に収容された環境を確立すること、又は包囲筐126内の別の制御された環境を確立することによって始まる。この制御された又は収容された環境は、雰囲気中の可変量水蒸気のような制御された半導体蒸着を混乱させる単数又は複数の可変要素がない限り、適当な不活性ガスを又は酸素と共に不活性ガスを含んでいるのがよい。先に述べたように、包囲筐126内、したがってオーブン156内にも収容された制御された環境を生じさせる真空装置を有することもできる。最も良い結果を得るため、真空の程度を変化させることができる。例えば、先に説明したように加工処理の間に供給される加熱された半導体材料の蒸気の平均自由行路が短い点、及び蒸着が行なわれている基板の意図する側の反対側への蒸気の移動及び蒸着が少ない点で、5トルの真空のほうが、1トルの真空よりも良いことが分っている。一方、蒸着速度は、圧力が低い方が速く、加えて、蒸着の均一性は圧力と温度の両方に依存する。更に、収容された環境は、テルル化カドミウムがオーブンの壁に蒸着しないように約650℃よりも高い範囲の温度に加熱され、迅速な蒸着に適した充分に速い速度で原料物質200であるテルル化カドミウムを昇華させるよう、材料ホルダー198は、約700 ℃に加熱されるのが最も好ましい。
【0029】
加工処理は、上記の主要半導体材料のためのカドミウム及びテルルの加熱された蒸気の導入によって進行する。約550 〜640 ℃の範囲の温度に加熱されたガラスシート26を含むシート基板24のこの収容された環境内での搬送は、太陽エネルギーを吸収するための半導体として機能するよう、先に説明したように、基板の一方の面28へのテルル化カドミウム層の連続的な高温蒸着をもたらす。このテルル化カドミウム層82は、図4に示すように、硫化カドミウム層80との界面81を有し、テルル化カドミウム層のガラスシート側に隣接したN-I 接合部を提供している。同様に、テルル化カドミウム層82のテルル化亜鉛層84又は他のP-型半導体との界面83は、できあがった光起電デバイスがN-I-P 型のものであるようにP-I接合部を提供する。
【0030】
先に説明したように、加工処理は、基板24が収容された環境内で水平に方向付けされ、基板の一方の面28がその上にテルル化カドミウムを蒸着するように上向きになっており、基板のもう一方の面30が下向きになっており水平に搬送するようにその外面において支持されている。基板のこの支持は、基板の上向きの面28にテルル化カドミウムの層を蒸着させる間、ローラーコンベヤ184の水平に延びるロール186によって行なうことが好ましく、斯かる支持は、ガラスシートが柔らかく、加熱された状態ではたるむ傾向があるにもかかわらず平面状態を保ちながら、比較的大きなガラスシート基板を半導体蒸着に連続して供することを可能にする。
【0031】
加工処理は、図6に関連して先に説明したように、三つの蒸着ステーション74、76及び78を通して進行し、半導体層80、82及び84各々を、層80と層82とが互いに界面81を有し、層82と層84とが互いに界面83を有するように蒸着する。先に述べたように、テルル化カドミウム層82の前に硫化カドミウム層を基板面28に蒸着させ、テルル化カドミウム層の後に他のP-型の半導体層84を蒸着させた場合に最良の結果が得られる。
上記のように半導体材料を蒸着させた後、加熱された基板は、冷却ステーション86内でガラスシートを強化する圧縮応力をもたらす速度で速やかに冷却される。より具体的には、この加工処理は、基板24が約570 ℃〜600 ℃の範囲の温度に加熱された状態でテルル化カドミウムを蒸着し、しかる後、基板を約600 ℃〜640 ℃の範囲の温度に加熱し、この温度から急冷を行なってガラスシートを強化する圧縮応力をもたらすことにより行なうことが好ましい。斯かる加工処理は、ガラスシートを強化する圧縮応力の増強を容易にするため冷却に先立って充分に加熱された状態をもたらしながらも、ガラスシートがたるみがちになるような高温に置かれる時間を短縮する。
【0032】
上記の装置及び加工処理により製造されたできあがりの光起電デバイス22は、基板24の一方の面28に蒸着されたテルル化カドミウムの薄膜層82を有しており、この薄膜層は、約1〜5μの範囲の有効な厚さを有し、約1/2 〜5μの範囲の大きさの結晶を有している。テルル化カドミウムのこの薄膜層82は、先に説明したように約650 ℃より高い温度に加熱されてカドミウム及びテルルの蒸気が導入される収容された環境内で、ガラスシートが約550 〜640 ℃の範囲の温度に加熱されている間に基板の一方の面に蒸着されるため、基板の一方の面に対する高められた結合力を有している。この蒸気の導入は、一方の基板面28へのテルル化カドミウムの層80としての蒸着をもたらす。
更に、光起電デバイス22は、電極及び互いに分離されているが半導体層にわたって直列に接続された電池を提供するため、その上に蒸着された他の半導体層及び膜に関して図4に関連して先に説明した構成を有している。焼戻温度から冷却することによる基板のガラスシート26の熱強化は、テルル化カドミウムの基板の一方の面28への高められた付着力をもたらすことが、重視さるべきである。
【0033】
上記の記載から明らかなように、説明した方法及び装置は、低コスト発電をもたらすことのできる光起電デバイスを製造するものである。
本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明したが、以下の請求項によって規定されるように、本発明による他の方法、装置及び光起電デバイスが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による光起電デバイスの製造システムの模式平面図である。
【図2】図2は、本発明に従って構成された光起電力デバイスの平面図である。
【図3】図3は、光起電デバイスのシート構造を示す図2の線3−3の方向に沿う光起電デバイスの端面図である。
【図4】図4は、図3と同じ方向に沿う光起電デバイスの断面図であるが、基板のガラスシートに蒸着した半導体材料及び他の材料の構成を拡大規模で、部分的に切り欠いて示す図である。
【図5】図5は、光起電デバイスが、光を吸収し、それにより、電力を供給するのに利用される態様を示す図である。
【図6】図6は、図1の線6−6に沿う長手方向断面の立面図であり、複数の蒸着ステーションを有する蒸着ゾーンを含み、更に、蒸着ゾーンの下流に位置する冷却ステーションを含む本発明の装置を示す。
【図7】図7は、更に蒸着ステーションの構成を示す図6の線7−7の方向に沿う断面図である。
【図8】図8は、更に蒸着ステーションの構成を示す図7の線8−8の方向に沿う部分切欠立面図である。
【図9】図9は、蒸着ステーションの他の実施態様を示す概略図である。
【図10】図10は、蒸着ステーションの更に別の実施態様の概略図である。
【符号の説明】
20 システム
22 光起電デバイス
26 ガラスシート
24 シート基板
32 半導体材料
34 電池
46 太陽
48 酸化錫膜
48、50、52 膜
54 負荷ステーション
56 ガラス洗浄及び乾燥ステーション
60 レーザースクライビングステーション
62 スクライブライン
64 洗浄及び乾燥ステーション
66 試験及び排除ステーション
Claims (8)
- 制御された環境を収容するための内部を有する包囲筐と、
包囲筐内に位置し、ハウジングを有するオーブンであって、ハウジングは、加熱チャンバーを形成し、加熱チャンバーは、制御された環境が、加熱チャンバー内にも及ぶように包囲筐の内部と連通しているオーブンと、
ガラスシートを含む基板を支持し、搬送するため、オーブンの加熱チャンバー内に互いに間隔をおいて配置された水平なロールであって、各々が、オーブンのハウジングを貫通してオーブンの加熱チャンバーから外側に延びる少なくとも一つの端部を有するロールを含むローラーコンベヤであって、更にオーブンのハウジングを貫通してオーブンの加熱チャンバーから外側に突出するロールの端部を回転駆動するため、包囲筐の内部でオーブンの外側に配置されたロール駆動機構を含むローラーコンベヤと、
基板がローラーコンベヤに載って前記加熱チャンバーを抜けて連続的に搬送される間に、基板の上を向いた面に半導体材料の層として蒸着される加熱された蒸気を供給するため、オーブン内にある少なくとも一つの蒸着ステーションとを、備えており、
前記蒸着ステーションは、昇華して半導体材料の層として蒸着される加熱された蒸気を供給する原料物質を受容するため、オーブン内でローラーコンベヤの上方に位置する原料物質ホルダーを含んでいることを特徴とする光起電デバイスの製造装置。 - 最初に言及した半導体材料の層との界面を有する他の半導体材料の追加の層を基板に蒸着させるための追加の蒸着ステーションを含んでいることを特徴とする請求項1記載の光起電デバイスの製造装置。
- 二つの追加の蒸着ステーションを含む光起電デバイスの製造装置であって、二つの追加の蒸着ステーションの一方が、最初に言及した半導体材料の層との界面を有するよう、最初に言及した半導体材料の層の前に、他の半導体材料の追加の層を基板に蒸着させ、二つの追加の蒸着ステーションのもう一方が、もう一方の界面と間隔をおいて位置する他の界面を有するよう、最初に言及した半導体材料の層の後に、更に別の半導体材料の他の追加の層を基板に蒸着させる、ことを特徴とする請求項1記載の光起電デバイスの製造装置。
- 蒸着ステーションの原料物質ホルダーは、上に開いたホルダートラフを含んでいることを特徴とする請求項3記載の光起電デバイスの製造装置。
- 蒸着ステーションは、原料物質ホルダーの上方に位置していて下に開いた形状を有する偏向要素を更に含んでいることを特徴とする請求項4記載の光起電デバイスの製造装置。
- 原料物質ホルダーは、上に開いていて互いに間隔をおいて位置する関係にあるコンベヤロールと平行に延びる細長いホルダートラフと、ホルダートラフの上方に位置し、下に開いた形状を有する偏向要素とを含むことを特徴とする請求項1記載の光起電デバイスの製造装置。
- 駆動機構は、制御された環境を収容した包囲筐内のオーブンから外側に突出したコンベヤロールの端部を駆動する連続駆動ループを含んでいることを特徴とする請求項1記載の光起電デバイスの製造装置。
- 各コンベヤロールの両端部が、オーブンの両側でオーブンから外側に突出し、駆動機構は、制御された環境を収容した包囲筐内のオーブンの両側でコンベヤロールの端部をそれぞれ支持し、摩擦駆動する一対の連続駆動ループを含んでいることを特徴とする請求項1記載の装置。
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