JP4051639B2 - 薄膜光電変換素子の製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、薄膜太陽電池の製造装置の内、可撓性基板上にステッピングロール方式で薄膜を形成する薄膜光電変換素子の製造装置に関する。

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。

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。

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。

上記の薄膜太陽電池は、例えば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。

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は、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。

前記特許文献２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。

前記薄膜太陽電池の薄膜の製造方法としては、前述のように、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式がある。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。

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ことや装置がコンパクトとなるなどの点で優れており、その装置の構成は、例えば、特許文献３〜７に記載されている。

図４に、共通真空室内に成膜室を複数有するステッピングロール成膜方式の真空成膜装置の構成の一例の概念図を示す。図４に示す装置は、可撓性基板の巻出し用アンワインダー室２９０と、金属電極層（背面の接続電極層），光電変換層（ａ−Ｓｉ層）および透明電極層（ＩＴＯ層）などを形成するための複数個の独立した処理空間としてなる成膜室２８０と、巻取り用ワインダー室２９１とを備え、基板２０１はコア２８２から捲き出されコア２８３にまきとられる間に、複数の成膜室２８０で成膜されるように構成されている。共通室２８１は複数の成膜室２８０を内部に収めている。

成膜室ではスパッタ成膜またはプラズマ化学気相成長法（以下プラズマＣＶＤ法と記す）などにより成膜が行われる。例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜するステッピングロール方式では、成膜室開放−基板１フレーム移動−成膜室封止−原料ガス導入−圧力制御−放電開始−放電終了−原料ガス停止−ガス引き−成膜室開放からなる操作が繰り返される。

また、量産性を高める観点から、並行して搬送される２列の可撓性基板に同時に光電変換層を成膜するプラズマＣＶＤ法ステッピングロール方式が、本件出願人により提案されている（特許文献７参照）。

図２および図３に上記特許文献７に記載された装置を示す。図２は、前記装置の製膜時の状態を平面断面図として示し、図３は、製膜時の製膜室の状態を拡大図として示す。図２の薄膜光電変換素子の製造装置は、送り室１１、予備真空室１２、成膜用真空室１３、巻き取り室１４を備え、二つの可撓性基板１は、送り室１１から巻き取り室１４へ搬送される。成膜用真空室１３内には、高電圧電極２１とヒータ２３を有する接地電極２２が対向配置され、プラズマＣＶＤによりその間に停止した基板１の面上にａ−Ｓｉ系の薄膜を形成する。

図３に拡大して示すように、高電圧電極２１は蓋状で、その端面にシールブロック８を介して基板１が密着することにより、気密に保つことのできる成膜室５が形成される。高電圧電極２１は、各基板１に対して一つずつ備えられるが、その背面部で絶縁材料よりなる排気ブロック９を介して連結されている。排気ブロック９は高電圧電極２１とシール材９１を介することにより密着し、排気ブロック９に開けられた排気口７２、高電圧電極７１の背面部の開口２５を介して図示しない圧力制御機能を備えた排気系により各成膜室５は一括して成膜圧力に保たれる。

高電圧電極２１、接地電極２２の間への電圧の印加でプラズマ６が生じ、成膜が行われる。二つの成膜室５の間は、排気ブロック９により電気絶縁されているため、成膜室毎にプラズマ６の制御を行うことができる。成膜終了後、接地電極２２を矢印４１のように図２に示すアクチュエータ２４により上下に数十ｍｍ移動すると、接地電極２２に抑えられていた基板１も解放され、矢印４１の方向に移動する。

上記のように、接地電極２２を可動とすることにより成膜室５の開閉が可能である。成膜室５は放電空間が全体の５０％以上を占める非常にコンパクトな構造となっている。高電圧電極２１の配置としては１個の電極を中央に置き、その両面で放電をさせる構成も可能であるが、この場合は両面の膜厚を均等にする制御が困難である。そこで、図２に示すように左右別々の電極でそれぞれ独立に制御する方式を採用している。

ところで、高電圧電極２１が成膜用真空室１３の空間に露出するが、高電圧電極２１に高周波電力を印加した場合でも成膜中の製膜用真空室１３の圧力を０．１Ｐａ以下に保つことにより成膜用真空室１３の室内での放電は抑制される。しかしながら、排気ブロック９の中の圧力は成膜時で１０〜１００Ｐａとなるため二つの高電圧電極間で容易に放電してしまう。電極間の位相を調整制御する方法もあるが、現実には問題があり、二つの高電圧電極間の放電を避けるため排気ブロック９を絶縁物とし、長さを１００ｍｍ以上としている。

特開平１０−２３３５１７号公報 特開２０００−２２３７２７号公報（特願平１１−１９３０６号） 特開平６−２９２３４９号公報 特開平７−６９５３号公報 特開平７−２２１０２５号公報 特開平８−２５０４３１号公報 特開平８−２９３４９１号公報

ところで、上記従来の薄膜光電変換素子の製造装置においては、下記のような問題があった。

排気ブロック内の放電を防止するために、高電圧電極間の排気ブロック長さを、前述のように従来装置においては、１００ｍｍ以上とする必要がある。その分、成膜用真空室の幅が広くなり、真空室の容積が増し大型の排気系が必要となり、真空室製作のコストも含め装置の全体コストが増大する問題がある。排気ブロック内の放電は、多量のフレークを発生させ、排気系の故障・停止といったトラブルの要因となる。

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、排気ブロック内の放電の抑制により、装置寸法とコストの低減を図り、総合的に量産コストの低減を図ることにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、並行して搬送される２列の可撓性基板の間に，各基板にそれぞれ対応して設けられ，基板面に平行な背面部と基板に気密に接触可能な端面を備える側壁部とを有し，かつ前記背面部は開口を有してなる二つの高電圧電極と、この高電圧電極に対向して前記各基板の外側にそれぞれ設けられ，基板加熱用のヒータを有する二つの接地電極と、前記二つの高電圧電極の背面部間に設けられ，シール材により前記背面部の開口と気密に連通する貫通孔を有し，かつこの貫通孔に連通する真空排気口を有する電気絶縁体からなる排気ブロックとを備え、前記高電圧電極と各基板との間に形成される成膜空間に成膜用のガスを導入して，高電圧電極と接地電極間への高周波電圧の印加によって前記基板と高電圧電極間に放電を発生させ，各基板の一面上に薄膜を形成するように構成した薄膜光電変換素子の製造装置において、
前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたことを特徴とする（請求項１）。

上記請求項１の構成により、ガス中で起こる排気ブロック内の二つの高電圧電極間の放電を抑制でき、放電に影響されない安定した薄膜形成ができる。

さらに、前記排気ブロックの構成材料としては、請求項２の発明のように、フッ素樹脂，ガラスまたはセラミックスの内の少なくともいずれか一つの材料が適用でき、例えば隔壁のみをセラミックスとし他をフッ素樹脂にするなど、複数の材料から構成することもできる。

この発明によれば、前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたものとすることにより、ガス中で起こる排気ブロック内の二つの高電圧電極間の放電を抑制でき、装置の幅寸法の低減とコスト低減を図ることができる。

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。
図１は本発明の実施例の概略構成を示し、成膜時の状態を拡大して示す。図１において、図２および図３に示す部材と同一の部材には同一の記号を付して説明を省略する。図１に示す装置においては、図示しないが、図２に示す装置と同様に、送り室１１、予備室１２、成膜用真空室１３、巻き取り室１４を備え、２つの可撓性基板１は、送り室１１から巻き取り室１４へ搬送される。

成膜用真空室１３内には、高電圧電極２１とヒーター２３を兼ねた接地電極２２が対向配置され、プラズマＣＶＤにより、その間に停止した基板１の面上にａ−Ｓｉ系の薄膜を形成する。図１に示すように高電圧電極２１は蓋状で、その端面を、シールブロック８を介して基板１に密着することにより、気密を保つことができる成膜室５が形成される。

高電圧電極２１は、各基板１に対して一つずつ設けられるが、その背面部２１ａで例えばフッ素樹脂材料よりなる排気ブロック９０を介して連結されている。高電圧電極２１の背面部２１ａの各開口２５を連通する排気ブロック９０内の貫通孔に、各開口２５と等距離の位置に隔壁９２を設ける。また、真空排気口７３が、各開口２５にまたがって連通して設けられ、真空排気口７３から各成膜室５を真空排気するように構成される。

排気ブロック９０は高電圧電極２１と、シール材９１を介して密着固定され、排気ブロック９０に開けられた真空排気口７３、高電圧電極２１の背面部２１ａの開口２５を介して、図示しない圧力制御機能を備えた排気系に接続される。これにより各成膜室５は一括して成膜圧力に保たれる。

なお、高電圧電極２１と接地電極２２との間の放電空間には、接続筒２６を介して熱の遮蔽体２７が、高電圧電極２１面と密着させずに電気的に接続した状態で、接地電極２２と放電可能な電極距離を保って固定される。また、遮蔽体２７は、高電圧電極２１の側面部との間に隙間８０を設けるものとし、成膜用のガスが前記隙間８０から前記背面部の開口２５に流通可能に構成される。上記のように、遮蔽体２７を設けることにより、主に基板から高電圧電極に輻射により伝達する熱量を減少させることが可能となる。また、加熱された成膜用のガスが直接、高電圧電極の背面部開口に流入することを防止するので、従来装置に比較して、排気ブロックのシール部の温度が低く抑えられ、装置のシールの安全性が向上し、シール材料の選択範囲が広がる他寿命の向上が図られる。

上記構成において、接地電極２２と遮蔽体２７との間への電圧の印加により、プラズマ６が生じ、成膜が行われる。２つの成膜室５の間は、排気ブロック９０により電気絶縁されているため、成膜室毎にプラズマ６の制御を行うことができる。

本発明の実施例の概略構成を示す部分拡大図 従来の薄膜光電変換素子の製造装置の平面断面図 従来の薄膜光電変換素子の製造装置の部分拡大図 ステッピングロール方式の成膜装置の一例の概略構成を示す図 薄膜太陽電池の概略構成を説明する斜視図

符号の説明

１：基板、５：成膜室、６：プラズマ、８：シールブロック、１３：成膜用真空室、１５：真空室壁体、２１：高電圧電極、２２：接地電極、２３：ヒータ、２５：開口、２６：接続筒、２７：遮蔽体、７３：真空排気口、９０：排気ブロック、９１：シール材、９２：隔壁。

Claims (2)

1. 並行して搬送される２列の可撓性基板の間に，各基板にそれぞれ対応して設けられ，基板面に平行な背面部と基板に気密に接触可能な端面を備える側壁部とを有し，かつ前記背面部は開口を有してなる二つの高電圧電極と、この高電圧電極に対向して前記各基板の外側にそれぞれ設けられ，基板加熱用のヒータを有する二つの接地電極と、前記二つの高電圧電極の背面部間に設けられ，シール材により前記背面部の開口と気密に連通する貫通孔を有し，かつこの貫通孔に連通する真空排気口を有する電気絶縁体からなる排気ブロックとを備え、前記高電圧電極と各基板との間に形成される成膜空間に成膜用のガスを導入して，高電圧電極と接地電極間への高周波電圧の印加によって前記基板と高電圧電極間に放電を発生させ，各基板の一面上に薄膜を形成するように構成した薄膜光電変換素子の製造装置において、
   前記排気ブロックは、その貫通孔内にガスの導通を遮断する隔壁を備え、かつ前記真空排気口は、前記隔壁により区分された各貫通孔にまたがって連通して設けたことを特徴とする薄膜光電変換素子の製造装置。
2. 請求項１に記載の薄膜光電変換素子の製造装置において、前記排気ブロックは、フッ素樹脂，ガラスまたはセラミックスの内の少なくともいずれか一つの材料からなることを特徴とする薄膜光電変換素子の製造装置。

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