JP4000501B2 - 薄膜太陽電池の製造方法と同方法に使用する処理装置 - Google Patents
薄膜太陽電池の製造方法と同方法に使用する処理装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜太陽電池の製造方法と同方法に使用する処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源(太陽光)が無限であること、無公害であることから注目を集めている。
【0003】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられる。
【0004】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【0005】
両方式共に、複数のロールによる基板搬送手段を備え、前者は各成膜室内を連続的に移動する基板上に連続的に成膜する方式であり、後者は各成膜室内で同時に停止させた基板上に成膜し,成膜の終わった基板部分を次の成膜室へ送り出す方式を採用している。
【0006】
ステッピングロール方式の成膜装置は、隣接する成膜室間のガス相互拡散を防止できることから各薄膜の特性が安定して得られるなどの点で優れており、その装置の構成は、例えば、特開平6-292349号公報や特開平8-250431号公報に記載されている。
【0007】
ところで、上記薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層および透明電極層が積層されてなる光電変換素子(またはセル)が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の金属電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流100Vを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は100V以上が望ましく、実際には数10個以上の素子が直列接続される。
【0008】
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法の一例は、例えば特開平10−233517号公報や特願平11−19306号に記載されている。
【0009】
前記特願平11−19306号に記載された薄膜太陽電池の構成概念図を、図5に示す。図5は、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板61の表面に形成した単位光電変換素子62および基板61の裏面に形成した接続電極層63(後述する第3電極層と第4電極層とを含む層)はそれぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子62のアモルファス半導体部分である光電変換層65で発生した電流は、まず透明電極層66に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔67を介して背面の接続電極層63に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔68を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層64に達し、両素子の直列接続が行われている。
【0010】
上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程の一例を図6(a)から(g)に示す。プラスチックフィルム71を基板として(工程(a))、これに接続孔78を形成し(工程(b))、基板の両面に第1電極層(下電極)74および第3電極層(接続電極の一部)73を形成(工程(c))した後、接続孔78と所定の距離離れた位置に集電孔77を形成する(工程(d))。上記工程(c)における第1電極層74と第3電極層73の形成は、後述する成膜装置において、基板71を反転させて2段階に分けて形成を行い、接続孔78の部分は、前記両電極層74と73とを成長形成することにより形成する。これにより、前記両電極層の電気的な接続を得る。
【0011】
次に、第1電極層74の上に、光電変換層となる半導体層75および第2電極層である透明電極層76を順次形成するとともに(工程(e)および工程(f))、第3電極層73の上に第4電極層(接続電極層の一部)79を形成する(工程(g))。この後、レーザビームを用いて、基板71の両側の薄膜を分離加工して図5に示すような直列接続構造を形成する。
【0012】
図4は、前記薄膜太陽電池の製造工程の概略のフローチャートを示し、一部表現を変更して概括的に示す。
【0013】
図4に示す工程は、基板孔開け処理(直列接続孔と集電孔の形成)、第1、第3電極部形成、a−Si薄膜および第2、第4電極部形成、薄膜層パターニングによる直列接続形成、セル特性検査などの工程を含むが、この工程は、図5に示す構造形式の薄膜太陽電池に対応する工程である。他の形式、例えば基板の片面にのみに金属電極を形成する形式の薄膜太陽電池の場合には、図4における前段の4つの工程が異なり、後段の2つの工程は同一となる。即ち、基板の片面にのみに金属電極を形成する形式の薄膜太陽電池の場合の製造方法は、基板表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に直列に接続した太陽電池を形成する工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の薄膜太陽電池の製造方法においては、検査工程を経て出荷するまでの時間の短縮化の観点から下記のような問題があった。
【0015】
a−Si太陽電池セルは、一般に光劣化現象がみられる。実使用状態にあわせ、セル温度45℃〜50℃、光強度0.8〜1.0kW/m2の標準条件で光照射すると、通常500〜1000時間の光照射により、光劣化はそれ以上は進行せずにセル特性が安定化する。この時のセル効率を安定化効率と呼ぶ。従って、セルの特性は最終的には安定化効率で評価しなければならない。また、製品としてはセルを安定化してからでないと出荷できない。従来のセル特性検査では、セルの初期特性を評価した後、少数のサンプルを抽出して、その安定化効率の評価を行っていた。その理由は、評価に大きな面積と多大な時間が必要となるからである。例えば、安定化効率が10%のセルの年産10MWラインを考えると、毎日約28kWのセルが製造されるが、これらを標準条件で安定化させるために必要な照射面積は280m2が必要である。このように広い面積と長時間の光照射が必要となる。また、従来はセルの初期特性を評価した後の安定化効率評価に時間がかかるため、特性評価に基づき製造工程上の不備解消を目的とするフィードバックがかかりにくかった。
【0016】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、製造した太陽電池セルの安定化効率のデータを製造工程のオンタイムで比較的簡易に得ることができ、かつセル特性の評価に基づく製造工程への早期フィードバックを可能とする薄膜太陽電池の製造方法と同方法に使用する処理装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法において、
前記光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程は、ステッピングロール方式薄膜形成装置を用いて薄膜を形成する工程とし、前記太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程のタクトタイムと、前記ステッピングロール方式薄膜形成装置により太陽電池を形成する工程のタクトタイムとが略同一となるように、光照射強度と照射時間等の光劣化処理条件を選定して光劣化処理を行うことを特徴とする(請求項1)。
【0018】
従来のセル特性検査では、セルの初期特性を評価した後、少数のサンプルを抽出して、その安定化効率の評価を行っていたが、上記方法により、太陽電池セルの安定化効率のデータを製造工程のオンタイムで比較的簡易に得ることができ、かつセル特性の評価に基づく製造工程への早期フィードバックが可能となる。
【0019】
また、前記製造方法において、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程のタクトタイムと、ステッピングロール方式薄膜形成装置により太陽電池を形成する工程のタクトタイムとが略同一となるように、光照射強度と照射時間等の光劣化処理条件を選定して光劣化処理を行うことにより、前記製造工程のオンタイムでの安定化効率のデータ取得を可能ならしめ、後述する請求項4のロール搬送手段共有化に関わる発明のリーズナブルな実現をも可能とする。
【0020】
また、請求項2の発明によれば、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む太陽電池の製造方法に使用する薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置であって、薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段と、光劣化処理用の光照射手段と、薄膜太陽電池の冷却手段とを備えたものとする。上記のように、薄膜太陽電池の他の製造工程と同様のロール搬送を用いた構成とすることにより、光劣化効率安定化処理装置が無理なく薄膜太陽電池の量産ラインに組み込まれて、容易に処理が可能となる。また後述するように、薄膜太陽電池を冷却することにより、同一の光照射強度の場合の安定化に要する時間が少なくてすみ、タクトタイムの短縮が可能となる。
【0021】
さらに、請求項3の発明のように、電気絶縁性可撓性基板に直列接続孔を形成する工程と、この基板の表面および裏面に第1電極層および第3電極層を形成する工程と、基板に集電孔を形成する工程と、第1電極層の表面上に光電変換層と透明電極層(第2電極層)を形成し,第3電極層の表面上に第4電極層を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法に使用する薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置であって、薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段と、光劣化処理用の光照射手段と、薄膜太陽電池の冷却手段とを備えたものとすることもできる。
【0022】
また、請求項4の発明によれば、請求項2または3に記載の光劣化効率安定化処理装置であって、光劣化効率安定化処理の後、引き続いて、太陽電池セルの特性検査ができるように装置を構成し、かつ薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段とを、光劣化効率安定化処理工程と特性検査工程とで兼用するように構成したものとする。光劣化工程の搬送系とこの工程の後工程であるセル特性検査工程の搬送系とを共通とすることにより、各装置で独立に搬送系を有するよりも装置コストを低減できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【0024】
図1は請求項1の発明に関わる実施例の製造工程のフローチャートである。製造した太陽電池の構成は、図5に示すものと同一である。基板61としては膜厚30〜50μmのポリイミドを用いた。プラスチックフィルム基板としては、アラミド、PEN,PES,PETなどを用いてもよい。コアに巻かれたプラスチック基板61はロールツーロール方式パンチ装置により複数の直径0.5〜2mmの直列接続孔68を形成する。
【0025】
次に、このプラスチック基板をロールツーロール方式電極形成装置に装着し、一面に第1電極層64およびその反対面に後述する第4電極層とで接続電極層を構成する第3電極層63を数百nm厚で形成する。電極材料にはAgを用いたが、Alなどの金属材料、ITO,ZnOなどの透明導電膜、およびその複合膜などを用いてもよい。次に、ロールツーロール方式パンチ装置により直列接続孔68と所定の距離離れた位置に直径0.5〜2mmの集電孔67を形成する。
【0026】
上記のように、直列接続孔68、第1電極層64および第3電極層63、集電孔67が形成されたプラスチック基板をステッピングロール方式薄膜形成装置に装着し、第1電極層64の上に、光電変換層65、透明電極層66を順次積層して太陽電池部分を形成する。このとき、直列接続孔68には膜が形成されないようにした。さらに、ステッピングロール方式薄膜形成装置内にて連続して光電変換層65、透明電極層66を順次積層した面とは反対面の第3電極層上に第4電極層を最終的に形成した。
【0027】
次に、YAGレーザにより、所定のパターンで太陽電池部分およびその反対面の第3,4電極層63の分離加工を行う。このとき、太陽電池部分を分離する位置と第3,4電極層63を分離する位置をずらすことにより、集電孔および直列接続孔を介して一面上で互いに絶縁分離されている単位太陽電池が直列に接続される。これにより、所定の位置に所定の大きさ、本実施例では面積40cm×80cmの直列接続構造セルが多数作り込まれたロールが得られた。
【0028】
次に、セル効率の安定化工程に進んだ。用いた装置の概略構成を図2に示す。巻出しロール31から巻出されたセル基板32は水冷または電子冷却機構を備えた冷却プレート33まで送られ、そこで複数のキセノンランプ34の光を用いてセル面を一定時間照射した後、巻取りロール35に巻取った。本実施例では冷却プレート33のサイズは60cm×100cmとし、セル1枚毎に処理を行った。キセノンランプ34は出力5kWのランプを4個使用し、光学系により集光して用いた。
【0029】
集光した光強度と安定化効率に達する時間については、図3に示す関係が得られた。標準の温度45℃では光照射1時間以内で安定化効率に達するには7kW/m2以上の光を照射する必要があった。セルの温度を25℃に下げると光照射1時間以内で安定化効率に達するには光強度4kW/m2以上の光を用いれば良い。太陽電池を形成する工程までのタクトタイム15分に合わせるためには、光強度は4.5〜5.5kW/m2、光照射中のセル温度は20℃〜30℃とすればよい。この連続光照射工程後に、セル特性検査を行ってセルの安定化効率を評価し、所定の特性以上の良品のみ切り出してモジュール化を行った。
【0030】
また、光劣化工程の処理時間が太陽電池製造工程のタクトタイムとほぼ同じに設定できたことから、製造工程のオンタイムでの安定化効率の取得を可能ならしめ、光劣化工程の搬送系とこの工程の後工程であるセル特性検査工程の搬送系とを共通にすることがリーズナブルに実現できた。さらに、光劣化処理を25℃で行っているため、途中の冷却のためのキャンロールなどの設備も必要でなく、そのままセル特性検査に移行できた。
【0031】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法において、
前記光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程は、ステッピングロール方式薄膜形成装置を用いて薄膜を形成する工程とし、前記太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程のタクトタイムと、前記ステッピングロール方式薄膜形成装置により太陽電池を形成する工程のタクトタイムとが略同一となるように、光照射強度と照射時間等の光劣化処理条件を選定して光劣化処理を行うこととしたことにより、製造した太陽電池セルの安定化効率のデータを製造工程のオンタイムで比較的簡易に得ることができ、かつセル特性の評価に基づく製造工程への早期フィードバックができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の薄膜太陽電池の製造方法の実施例を示すフローチャート
【図2】 本発明の光劣化処理による効率安定化処理装置の実施例の概略構成図
【図3】 光照射強度と安定化効率に達するまでの光照射時間との関係図
【図4】 従来の薄膜太陽電池の製造方法の一例を示すフローチャート
【図5】 薄膜太陽電池の構成の一例を示す斜視図
【図6】 薄膜太陽電池の製造工程の一例を示す図
【符号の説明】
31:巻出しロール、32:セル基板、33:冷却プレート、34:キセノンランプ、35:巻取りロール。
Claims (4)
- 電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法において、
前記光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程は、ステッピングロール方式薄膜形成装置を用いて薄膜を形成する工程とし、前記太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程のタクトタイムと、前記ステッピングロール方式薄膜形成装置により太陽電池を形成する工程のタクトタイムとが略同一となるように、光照射強度と照射時間等の光劣化処理条件を選定して光劣化処理を行うことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 - 電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極層,光電変換層,透明電極層の薄膜を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む太陽電池の製造方法に使用する薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置であって、薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段と、光劣化処理用の光照射手段と、薄膜太陽電池の冷却手段とを備えたことを特徴とする薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置。
- 電気絶縁性可撓性基板に直列接続孔を形成する工程と、この基板の表面および裏面に第1電極層および第3電極層を形成する工程と、基板に集電孔を形成する工程と、第1電極層の表面上に光電変換層と透明電極層(第2電極層)を形成し,第3電極層の表面上に第4電極層を形成する工程と、パターニングにより複数の太陽電池セルを電気的に接続して直列接続の太陽電池を形成する工程と、太陽電池の光劣化処理による効率安定化処理工程と、太陽電池セルの特性検査を行う工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法に使用する薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置であって、薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段と、光劣化処理用の光照射手段と、薄膜太陽電池の冷却手段とを備えたことを特徴とする薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置。
- 請求項2または3に記載の光劣化効率安定化処理装置であって、光劣化効率安定化処理の後、引き続いて、太陽電池セルの特性検査ができるように装置を構成し、かつ薄膜太陽電池の巻出し用ロールと、巻取り用ロールと、薄膜太陽電池に所定の張力をかけるための搬送手段とを、光劣化効率安定化処理工程と特性検査工程とで兼用するように構成したことを特徴とする薄膜太陽電池の光劣化効率安定化処理装置。
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