JP4544846B2 - 透明導電膜分析方法および透明導電膜品質管理方法ならびに太陽電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えば太陽電池のガラス基板上に形成される透明導電膜の分析方法に関するものである。

太陽電池や液晶表示装置には、透明なガラス基板上に透明導電膜が形成されている。このような透明導電膜は、膜厚を測定することによって品質管理がなされている（特許文献１参照）。
また、透明導電膜が形成されたガラス基板のヘイズ率を測定することによって品質管理がなされている。

特開平９−１３３５１７号公報（段落［０００２］〜［０００９］，及び図１〜図２）

しかしながら、透明導電膜は、その製膜条件にもよるが、表面に凹凸が残された形状となる。特に、太陽電池に用いられる透明導電膜は、光閉じ込め効果を狙って、積極的に凹凸が表面に形成される。凹凸の程度としては、例えば、０．８μｍの膜厚に対して、０．３μｍ程度の凹凸となっている。このように凹凸の程度が大きい透明導電膜では、膜厚測定のために光を照射しても、部分コヒーレントが生じて光の干渉が得られず、膜厚の測定ができないという問題がある。

一方、ヘイズ率の測定は一般に市販のヘイズメータによって行われており、その装置構成からいって製造ラインに組み込むことは困難である。特に、１ｍ角程度といった大型の太陽電池基板を一度に測定するヘイズメータは市販されておらず、実際には、抜き取り検査に頼らざるを得ない。これでは、歩留まりの低下を来たし、製品保証ができないという問題がある。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであって、光干渉法を用いずに膜厚を測定でき、簡便にヘイズ率を測定できる透明導電膜分析方法および透明導電膜品質管理方法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、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる透明導電膜分析方法によれば、光を表面に凹凸が形成された透明導電膜に照射し、反射した光を少なくとも２つの波長に分光し、これらの波長の光強度を演算することによって前記透明導電膜の膜厚を算出する透明導電膜分析方法において、前記透明導電膜は、太陽電池に用いられ、前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、前記膜厚は、膜厚と前記反射した光の赤、緑および青の各光強度との関係を予め得ておき、これら赤、緑および青の各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする。

発明者等は、異なる少なくとも２つの波長の反射光の強度を演算した値が膜厚に強い相関を有することを見出した。演算式としては、例えば、２番目に強い光強度を最も強い光強度で除したものに第１の定数を乗じ、これに第２の定数を加えたものである。
このように、反射光が得られれば、光の干渉が得られなくても、透明導電膜の膜厚を算出することができる。

本発明による透明導電膜分析方法によれば、光を表面に凹凸が形成された透明導電膜に照射し、反射した光を少なくとも２つの波長に分光し、これらの波長の光強度を演算することによって前記透明導電膜のヘイズ率を算出する透明導電膜分析方法において、前記透明導電膜は、太陽電池に用いられ、前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、前記ヘイズ率は、ヘイズメータによって実測されたヘイズ率に適合するように、前記反射した光の赤、緑および青の各光強度の線形結合とされ、かつ、前記各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする。

発明者等は、異なる少なくとも２つの波長の反射光の強度を演算した値がヘイズ率に強い相関を有することを見出した。演算式としては、例えば、これらの強度を線形結合したものである。
このように、反射光が得られれば、別途ヘイズメータを用意しなくても、透明導電膜のヘイズ率を算出することができる。

本発明による透明導電膜分析方法によれば、前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光されることを特徴とする。

透明導電膜に照射する光として白色光を用いることとすれば、一般に入手可能な安価な光源（蛍光灯等）を用いることができる。そして、白色光であれば当然、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長を有している。これら光の三原色を有する白色光の反射光を三原色に分光するには、一般のカラーカメラを用いれば良い。
このように、簡便な構成により、本発明の透明導電膜分析方法を実施することができる。

本発明の透明導電膜品質管理方法は、上記透明導電膜分析方法を用いて、透明導電膜の品質を管理することを特徴とする。

本発明による透明導電膜分析方法は、反射光さえ得られれば透明導電膜の膜厚またはヘイズ率を算出することができるので、簡便な光学系によって実現できる。したがって、この分析方法を実現する装置は、透明導電膜製造ラインに容易に組み込むことができる。これにより、透明導電膜の全数検査が可能となり、品質管理が極めて良好に行なわれる。

本発明の太陽電池は、上記透明導電膜品質管理方法によって品質管理された透明導電膜付きガラス基板を備えていることを特徴とする。

太陽電池に用いられる透明導電膜は、光閉じ込め効果を狙って、積極的に表面に凹凸が設けられているため、光の干渉が得られ難くなっている。本発明の透明導電膜分析方法を用いれば、反射光さえ得られれば膜厚またはヘイズ率を算出できるので、太陽電池に用いられる透明導電膜の品質管理に適している。
また、本発明による透明導電膜品質管理方法によって品質管理された太陽電池は、全数検査が可能となるため、歩留まりが向上し、製品保証が確実となる。

本発明の透明導電膜分析装置は、表面に凹凸が形成された透明導電膜に光を照射する光照射手段と、前記透明導電膜で反射した光を少なくとも２つの波長に分光する分光手段と、これら分光された光の強度を演算して前記透明導電膜の膜厚および／またはヘイズ率を算出する演算手段とを備え、前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、前記膜厚は、膜厚と前記反射した光の赤、緑および青の各光強度との関係を予め得ておき、これら赤、緑および青の各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られ、前記ヘイズ率は、ヘイズメータによって実測されたヘイズ率に適合するように、前記反射した光の赤、緑および青の各光強度の線形結合とされ、かつ、前記各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする。

透明導電膜において反射した光を少なくとも２つの波長に分光し、これらの波長の光強度を演算することによって透明導電膜の膜厚またはヘイズ率を算出することとしたので、反射光さえ得られれば、表面に凹凸が存在して干渉光が得られない透明導電膜であっても、膜厚またはヘイズ率を算出することができる。
このように、簡便な光学系によって膜厚またはヘイズ率を算出することができるので、製造ラインに容易に組み込むことができ、透明導電膜の全数検査が可能となる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に、太陽電池パネルに用いられる透明導電膜分析装置１０の構成を示す。
この透明導電膜分析装置１０には、約１ｍ角の透明ガラス基板に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、酸化亜鉛、酸化錫等の透明導電膜（TCO：Transparent
Conductive Oxide）が製膜された透明導電膜付きガラス基板１１が搬送される。この透明導電膜付きガラス基板１１は、透明導電膜が上面となるように搬送される。なお、透明導電膜とガラス基板との間に、ガラス基板からのアルカリ成分の拡散防止のため、下地膜としてＳｉＯ_２膜を製膜しても良い。
透明導電膜分析装置１０は、搬送コンベア１ａ、カラーラインセンサカメラ（分光手段）２ａ、ライン照明器（光照射手段）３ａ、調光器４ａ、光電スイッチ５ａ、ロータリーエンコーダ６ａ、画像処理装置（演算手段）７ａ、表示装置８ａを主として具備している。

搬送コンベア１ａには、透明導電膜付きガラス基板１１を搬送するための複数のローラ１Ａ−１，１Ａ−２，・・・が設けられている。これらのローラ１Ａ−１，１Ａ−２，・・・が同時に所定の回転速度で、所定方向に回転することによって、透明導電膜付きガラス基板１１が搬送方向Ｙへ向かって搬送される。

カラーラインセンサカメラ２ａ及びライン照明器３ａは、搬送コンベア１ａの上方に位置するように設置されている。
図２には、カラーラインセンサカメラ２ａ及びライン照明器３ａの位置関係が示されている。
ライン照明器３ａは、光源が蛍光灯とされており、白色光を照射する。このライン照明器３ａは、シート状の照射光Ｌ１を照射するようになっており、透明導電膜付きガラス基板１１の表面上に、このガラス基板１１の進行方向に直交するライン状（所定幅を有する線状）の光を照射する。照射された照射光Ｌ１は、透明導電膜付きガラス基板１１によって反射され、反射光Ｌ２としてカラーラインセンサカメラ２ａに入射する。

搬送コンベア１ａに対する垂線Ｌ３と照射光Ｌ１とのなす角度α１、及び垂線Ｌ３と反射光Ｌ２とのなす角度α２の各々は、透明導電膜付きガラス基板１１に対する撮像条件を考慮して、１６〜２０°の程度の範囲内に収まるように設定されている。

図１に示されているように、カラーラインセンサカメラ２ａは、画像処理装置７ａからトリガ信号Ｔを受信すると、透明導電膜付きガラス基板１１の撮像領域を認識し、認識された撮像領域を撮像してパネル画像ＰＳを生成し、生成されたパネル画像ＰＳを画像処理装置７ａに送信する。この際に、カラーラインセンサカメラ２ａは、撮像した画像情報をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光の三原色に分光し、それぞれの輝度をパネル画像ＰＳとして画像処理装置７ａに送信する。
ライン照明器３ａからのライン状の照射領域を透明導電膜付きガラス基板の搬送に伴い走査することによって、透明導電膜付きガラス基板１１全体のパネル画像ＰＳが生成される。
調光器４ａは、照射光Ｌ１の強度が、所定強度となるように調節する。

光電スイッチ５ａは、撮像対象である透明導電膜付きガラス基板１１が所定位置に所在するか否かを検出する。光電スイッチ５ａは、その検出を行ったときに、透明導電膜付きガラス基板１１が所定位置にあることを通知する通知信号Ｎを画像処理装置７ａに送信する。

ローラ１Ａ−１，１Ａ−２，・・・には、ロータリーエンコーダ６ａが設けられており、ローラの回転速度および回転角を検出する。このロータリーエンコーダ６ａの出力は、パルス信号Ｐとして画像処理装置７ａに送信される。

画像処理装置７ａは、カラーラインセンサカメラ２ａにおいて分光されたＲ，Ｇ，Ｂの各輝度を演算して透明導電膜の膜厚およびヘイズ率を算出する演算手段を備えている。
画像処理装置７ａには、表示装置８ａおよび印字装置９ａが接続されており、画像処理結果が出力されるようになっている。

上記構成の透明導電膜分析装置１０によって、後述するように、透明導電膜の膜厚およびヘイズ率が測定される。このように、製造ライン上に透明導電膜分析装置１０が設けられているので、全ての透明導電膜付きガラス基板１１について検査が行われるようになっている。
その後、下流側に位置するプラズマＣＶＤ装置によってアモルファスシリコン薄膜を製膜することにより光電変換層が形成され、裏面電極等が取り付けられて太陽電池が製造される。

次に、上記構成の透明導電膜分析装置１０によって行われる透明導電膜の膜厚測定およびヘイズ率測定について説明する。
［膜厚測定］
透明導電膜付きガラス基板１１から反射した反射光は、カラーラインセンサカメラ２ａに撮像されることによって、光の三原色であるＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色に分光される。そして、撮像領域の各画素ごとに、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの輝度（強度）が画像処理装置７ａに取り込まれる。
そして、画像処理装置７ａにおいて、Ｒ，Ｇ，Ｂの各輝度を５０ｍｍ角の範囲で平均化した後に、以下の演算を行う。５０ｍｍ角で平均化したのは、後に図６のデータを示して説明するように、最も誤差が少ない結果が得られるからである。
画像処理装置７ａでは、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの輝度を下式により演算することによって透明導電膜の膜厚を算出する。
膜厚（μｍ）＝
（Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度のうち２番目に大きな値／Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度の最大値）×ａ＋ｂ
ここで、ａおよびｂは定数であり、透明導電膜の組成、膜厚、プロセス、下地膜の種類等によって変化し、予め膜厚とＲ，Ｇ，Ｂの輝度との関係を調べておくことによって決定される。
また、上記演算式についても、透明導電膜の組成等によって異なり、予め膜厚とＲ，Ｇ，Ｂの輝度との関係を調べておくことによって決定される。具体的には、Ｒ，Ｇ，Ｂの各輝度から最大値、中央値、最小値を決定し、これらを適宜組み合わせて実際の膜厚に最も適合する演算式を得る。

次に、実際にＲ，Ｇ，Ｂの各輝度から透明導電膜の膜厚を算出した具体例を示す。
図３は、各サンプルに対するＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれの輝度をプロットしたものである。
サンプルごとに、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度が逆転することが示されている。このようなＲ，Ｇ，Ｂの輝度を、次のような式で演算した結果を図４に示す。
膜厚（μｍ）＝Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度のうち２番目に大きな値／Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度の最大値
すなわち、上式の場合、上述の演算式において、ａ＝１，ｂ＝０とされている。
図４は、横軸がサンプル数、縦軸が膜厚（μｍ）となっている。上記演算式に基づいてプロットしたものと、実際に膜厚を測定したものとが併せて示されている。
この図から、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度から演算される結果と、膜厚とが非常に強い相関を有しており、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度のうち２つの輝度を用いれば膜厚が算出できることがわかる。

［ヘイズ率測定］
ヘイズ率測定の場合も、膜厚測定の場合と同様に、撮像領域の各画素ごとに、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの輝度（強度）を画像処理装置７ａに取り込み、Ｒ，Ｇ，Ｂの各輝度を５０ｍｍ角の範囲で平均化した後に、以下の演算を行う。
ヘイズ率測定の演算も、透明導電膜の種類等によって異なり、予め膜厚とＲ，Ｇ，Ｂの各輝度との関係を調べておくことによって決定される。
発明者の知見によれば、各Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度の線形結合による演算式を用いれば、ヘイズメータによって実測されたヘイズ率に最も適合することがわかっている。

次に、実際にＲ，Ｇ，Ｂの各輝度から透明導電膜付きガラス基板１１のヘイズ率を算出した具体例を示す。
ヘイズ率は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各輝度を用いて、次式によって算出した。
ヘイズ率＝−０．０８６×Ｂ＋０．１３×Ｙ−２１×１００／Ｇ−０．２３×Ｇ＋１０×１００／Ｂ＋１０×１００／Ｒ＋１．２×（Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度のうち２番目に大きな値／Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度の最大値）＋２５
ここで、Ｙ＝０．３０×Ｒ＋０．５９×Ｇ＋０．１１×Ｂ
図５は、上式による計算値を横軸、ヘイズメータで測定した測定値を縦軸としてプロットしたものである。なお、ヘイズメータによるヘイズ率の測定は、ＪＩＳ Ｋ７３６１−１９９７に基づいて行われた。
この図からわかるように、プロットされた各点は、ｙ＝ｘの直線にほぼ近いものとなっている。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度に基づいて算出したヘイズ率は、ヘイズメータによって計測されたヘイズ率に非常に強い相関を有しており、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度の線形結合による演算式を用いればヘイズ率が算出できることがわかる。

図６には、カラーラインセンサカメラ２ａによって得られた画像について、所定の面積で平均した後に算出したヘイズ率について示されている。
図６（ａ）は、５ｍｍ角で平均したもの、（ｂ）は１０ｍｍ角で平均したもの、（ｃ）は５０ｍｍ角で平均したものである。
図６（ａ）の重相関係数は０．９００６、（ｂ）の重相関係数は０．９０９８、（ｃ）の重相関係数は０．９３３８となっている。これらから、５０ｍｍ角で平均した（ｃ）が重相関係数が最も大きくなっており、５０ｍｍ角で平均化すれば、最も計測値に近いヘイズ率が算出されることがわかる。

以上説明したように、本実施形態にかかる透明導電膜分析装置１０によれば、以下の効果を奏する。
白色光を透明導電膜に照射し、反射した光をＲ，Ｇ，Ｂの３波長に分光し、これらの波長の輝度を演算することによって透明導電膜の膜厚を算出することとしたので、反射光さえ得られれば、光の干渉が得られなくても、表面に凹凸を有する透明導電膜であっても膜厚を算出することができる。

また、白色光を透明導電膜に照射し、反射した光をＲ，Ｇ，Ｂの３波長に分光し、これらの波長の輝度を演算することによって透明導電膜のヘイズ率を算出することとしたので、反射光さえ得られれば、別途ヘイズメータを用意しなくても、透明導電膜のヘイズ率を算出することができる。

また、反射光さえ得られれば透明導電膜の膜厚またはヘイズ率を算出することができるので、簡便な構成で太陽電池製造ラインに容易に組み込むことができる。したがって、透明導電膜を有する太陽電池の全数検査が可能となり、品質管理が極めて良好に行なわれる。

なお、本実施形態において、Ｒ，Ｇ，Ｂの３波長を用いて膜厚およびヘイズ率を算出することとしたが、本発明は特にＲ，Ｇ，Ｂの３波長に限定されるものではなく、Ｒ，Ｇ，Ｂ程度に離れた波長であれば２波長の光を用いて膜厚およびヘイズ率を算出しても良く、あるいは、補色であるＣ（Cyan）、Ｍ（Magenta），Ｙ（Yellow）及びＧ（Green）の４波長を用いても良い。

本発明の透明導電膜分析装置を示した斜視図である。 図１の要部を示した側面図である。 反射光のＲ，Ｇ，Ｂの輝度をサンプルごとに示した図である。 本発明による演算式により算出した透明導電膜の膜厚を、計測値とともに示した図である。 本発明による演算式により算出した透明導電膜のヘイズ率を、計測値とともに示した図である。 所定面積ごとにＲ，Ｇ，Ｂの各輝度を平均化した後に演算したヘイズ率について、計測値とともに示した図である。

符号の説明

２ａ カラーラインセンサカメラ（分光手段）
３ａ ライン照明器（光照射手段）
１０ 透明導電膜分析装置
１１ 透明導電膜付きガラス基板

Claims (5)

1. 光を表面に凹凸が形成された透明導電膜に照射し、反射した光を少なくとも２つの波長に分光し、これらの波長の光強度を演算することによって前記透明導電膜の膜厚を算出する透明導電膜分析方法において、
   前記透明導電膜は、太陽電池に用いられ、
   前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、
   前記膜厚は、膜厚と前記反射した光の赤、緑および青の各光強度との関係を予め得ておき、これら赤、緑および青の各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする透明導電膜分析方法。
2. 光を表面に凹凸が形成された透明導電膜に照射し、反射した光を少なくとも２つの波長に分光し、これらの波長の光強度を演算することによって前記透明導電膜のヘイズ率を算出する透明導電膜分析方法において、
   前記透明導電膜は、太陽電池に用いられ、
   前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、
   前記ヘイズ率は、ヘイズメータによって実測されたヘイズ率に適合するように、前記反射した光の赤、緑および青の各光強度の線形結合とされ、かつ、前記各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする透明導電膜分析方法。
3. 請求項１又は２に記載の透明導電膜分析方法を用いて、透明導電膜の品質を管理することを特徴とする透明導電膜品質管理方法。
4. 請求項３記載の透明導電膜品質管理方法によって品質管理された透明導電膜付きガラス基板を備えていることを特徴とする太陽電池。
5. 表面に凹凸が形成された透明導電膜に光を照射する光照射手段と、
   前記透明導電膜で反射した光を少なくとも２つの波長に分光する分光手段と、
   これら分光された光の強度を演算して前記透明導電膜の膜厚および／またはヘイズ率を算出する演算手段と、
   を備え、
   前記透明導電膜は、太陽電池に用いられ、
   前記透明導電膜に照射する光は、白色光とされ、反射した光は、カラーカメラを用いて赤、緑および青の三色に分光され、
   前記膜厚は、膜厚と前記反射した光の赤、緑および青の各光強度との関係を予め得ておき、これら赤、緑および青の各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られ、
   前記ヘイズ率は、ヘイズメータによって実測されたヘイズ率に適合するように、前記反射した光の赤、緑および青の各光強度の線形結合とされ、かつ、前記各光強度から決定された最大値、中央値、最小値のうち前記最大値と前記中央値との比を含む演算式から得られることを特徴とする透明導電膜分析装置。

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