JP4859414B2

JP4859414B2 - スクリーン印刷方法及び太陽電池素子

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Publication number: JP4859414B2
Application number: JP2005249319A
Authority: JP
Inventors: 智成坂元; 和輝久本; 大俊江藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007062079A

Description

本発明は、スクリーン印刷方法及びそれを用いて形成された太陽電池素子に関するものである。

従来のスクリーン印刷方法を図４に示す。

まず、スクレッパー１をスクリーン上に下降させ、スクリーン３上の一端部（印刷終了端部）にあるペースト４をスクリーン３に対して平行に移動させることによって他端部（印刷開始端部）に移動させる。その際、ペースト４の一部がスクリーン３のパターン孔に充填される。

そして、スクレッパー１を上昇させ、被印刷物５をスクリーン３から０．５〜３ｍｍ程度離れた位置に搬入し、印刷スキージ２をスクリーン３に押し付けることによってスクリーン３と被印刷物５に接触させ、その状態で印刷スキージ２をスクレッパー１と逆方向へ移動させることによりペースト４を被印刷物５に印刷する。この時、印刷されないペーストは印刷スキージにより掻き集められる。

その後、印刷スキージ２を上昇させて一連動作を完了する。

次の被印刷物があれば、前述した動作が繰り返し行なわれる。

しかしながら、上述のような印刷方式を用いて、生産性を向上するために印刷のサイクルタイムを短縮しようとすると、印刷時のスクレッパーの移動速度を速くすることが必要になる。その結果、ペーストがスクリーンのパターン孔部分に充填される時間が少なくなるので、パターン孔部分に充分ペーストが充填できずに所望の印刷形状が得られないといった問題が生じる場合がある。

この問題は、例えば、導電性ペーストを用いて配線を印刷しようとする場合には、配線の厚みが部分的に薄くなることに起因して抵抗値が大きくなるので、発熱といった配線の機能障害を誘発させることになる。特に、高密度の配線を印刷する場合は、比較的細いパターン孔にペーストを充填することになるので、スクレッパーの移動速度を速くすることが極めて困難であった。

そこで、本発明の目的は、印刷時間を短くしても印刷形状及び印刷厚みが安定した印刷物を得ることが可能となる印刷方法を提供する。

本発明の印刷方法では、所定のパターン孔を有するスクリーンを用いてペーストを被印刷物に印刷するスクリーン印刷方法であって、スクレッパーを用いて前記ペーストを前記パターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げる第１工程と、充填スキージを用いて前記塗り広げられたペーストを前記スクリーンに対して押圧するとともに、前記スクレッパーと同期させて移動させることによって、前記塗り広げられたペーストを前記パターン孔内に充填する第２工程と、印刷スキージを用いて前記充填されたペーストを前記被印刷物に印刷する第３工程と、を有して成り、前記充填スキージが前記スクリ−ンの厚みバラツキに対して追随可能な柔軟性を有する。

本発明の印刷方法では、前記スクレッパーはステンレス製であり、前記充填スキージはウレタンゴム製である。

また本発明の印刷方法では、前記第１工程において、前記スクレッパーは、前記スクリーンと所定の間隔を有した状態で該スクリーンの表面に対して略平行に移動し、前記第２工程において、前記充填スキージは、前記スクリーンに対して前記ペーストを押圧した状態で移動する。

さらに本発明の印刷方法では、前記ペーストは、金属粉末及び有機ビヒクルを有してなり、且つ、温度２５℃及びズリ速度１０ｓ^−１における粘度が２００Ｐａ・ｓ以上４００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。

またさらに本発明の印刷方法では、前記スクリーンのパターン孔は、そのアスペクト比が０．５以上であることを特徴とする。

さらにまた本発明の印刷方法では、前記スクレッパー及び前記充填スキージの移動速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする。

また本発明の印刷方法では、前記被印刷物は、太陽電池素子用の半導体基板であることを特徴とする。

さらに本発明の印刷方法は、スクリーン印刷方法を用いて形成された太陽電池素子であることを特徴とする。

本発明のスクリーン印刷方法は、所定のパターン孔を有するスクリーンを用いてペーストを被印刷物に印刷するスクリーン印刷方法であって、スクレッパーを用いて前記ペーストを前記パターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げる第１工程と、充填スキージを用いて前記塗り広げられたペーストを前記スクリーンに対して押圧するとともに、前記スクレッパーと同期させて移動させることによって、前記塗り広げられたペーストを前記パターン孔内に充填する第２工程と、印刷スキージを用いて前記充填されたペーストを前記被印刷物に印刷する第３工程と、を有して成り、前記充填スキージが前記スクリ−ンの厚みバラツキに対して追随可能な柔軟性を有することから、充填スキージは、あらかじめ別部材（スクレッパー）で塗り広げられたペーストを単にパターン孔に充填するという役割を有するのみであるため、この充填処理を極めて効率的に行なうことが可能となり処理時間を大幅に短縮することができる。
のではない。

また本発明の印刷方法によれば、前記スクレッパーはステンレス製であり、前記充填スキージはウレタンゴム製であることから、よりさらに効率的に充填処理を行なうことが可能となり処理時間を大幅に短縮することができる。

さらに本発明の印刷方法によれば、前記第１工程において、前記スクレッパーは、前記スクリーンと所定の間隔を有した状態で該スクリーンの表面に対して略平行に移動し、前記第２工程において、前記充填スキージは、前記スクリーンに対して前記ペーストを押圧した状態で移動することから、ペーストの厚みが略均厚にできるので、さらに効率的に充填処理を行なうことが可能となり処理時間を大幅に短縮することができる。

また本発明の印刷方法によれば、充填スキージはスクレッパーと同期の動きを行なうようにしたことで、ペーストを塗り広げながら充填できるようになるので処理時間が大幅に短縮することができる。

さらに本発明の印刷方法によれば、スクリーンに対する前記ペーストの充填量が調整でき、充填スキージはスクリーンに対する充填角度が調整可能としたので、処理時間を速くしても印刷条件を調整できるので所望の印刷形状及び印刷厚みに形成することができる。

さらにまた本発明の印刷方法によれば、ペーストは、金属粉末及び有機ビヒクルを有し、且つ、温度２５℃及びズリ速度１０ｓ^−１における粘度が２００Ｐａ・ｓ以上４００Ｐａ・ｓ以下にしたので、被印刷物の印刷形状が保持できることにより所望の印刷物の機能を得ることができる。

またさらに本発明の印刷方法によれば、スクリーンのパターン孔は、アスペクト比を０．５以上にしたことにより微細な印刷が可能となるので、所望の印刷物の機能がより得ることができる。

さらにまた本発明の印刷方法によれば、スクレッパー及び充填スキージの移動速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ以上で処理することができるので生産性が向上する。

さらに本発明の印刷方法によれば、被印刷物が太陽電池素子である場合、導電性ペーストで形成された印刷パターンは膜厚が厚く、線幅を細く形成することで受光面積拡大による出力増加と印刷パターンの低抵抗化による電気的損失の防止することを達成できることより特性を向上させることができる。

以下、本発明について、図面を用いて詳説する。

本発明の印刷方法の一実施形態について、図１を用いて説明する。１はスクレッパー、２は印刷スキージ、３はスクリーン、３ａはパターン孔、４はペースト、５は被印刷物、６は充填スキージを示す。以下、被印刷物５として、太陽電池用の半導体基板を用いた場合について説明する。

本実施形態において、この充填スキージ６はスクレッパー１に固定され、充填スキージ６とスクレッパー１が同期して動作する構造となっている。これにより、比較的に簡素・軽量な機構となるため充填スキージ６を高速で移動させても安定した動作が可能となり印刷の精度が向上させることができる。この場合において、充填スキージ６及びスクレッパー１の移動速度は同一に設定される必要はなく、ペースト４の粘度に応じて適宜設定すれば良い。

なお、充填スキージ６は、図２に示すように、スクレッパー１と固定せず単独で動作させることも可能であるということは言うまでも無い。

＜第１工程＞
まず、図１（ａ）に示されるように、スクリーン３の表面と略平行に設置されているスクレッパー１が充填スキージ６と下降され、スクレッパー１をスクリーン３に対して平行に移動させて、スクリーン３上に平滑にペーストを塗り広げる。

ここで、スクリーン３及びスクレッパー１の間隔は、ペースト４の粘度に応じて適宜設定すれば良く、例えば０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍとする。

スクレッパー１及び充填スキージ６を水平に移動させる手段は、例えばエアーシリンダーやモータを用いることができ、ペースト４を平滑に塗り広げるにはスクレッパー１及び充填スキージ６の振動が生じないことが好ましい。これによれば、微細なパターン孔３ａのあるスクリーンを用いた場合にも、ペースト４に所望の圧力を加えることができ充填の不足を抑制することができる。

このスクレッパー１は、ペースト４の粘度に対抗して塗り広げることができる程度の剛性を有することが必要であり、例えば鉄などが好適に用いられる。また、ステンレスなど耐腐食性や耐薬品性を有するものを用いることがより好ましい。なお、スクレッパー１の表面を耐腐食性や耐薬品性を有する樹脂でコートしても良い。また、スクレッパー１のスクリーン３に対向する面は、ペーストの平滑性を向上させる観点から、最大表面粗さRｙが１μｍ以下であることが好ましい、さらに好ましくはRｙが０．５μｍである。

ペースト４としては、例えば、銀やアルミニウムからなる導電性金属粉末、有機バインダーと有機溶剤からなる有機ビヒクルを混合してなるものを用いることができる。

ここで、有機バインダーは、例えばセルロース系やアクリル系、ブチラール系等があり、有機溶剤は、例えばブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテート等がある。これらは４００℃程度で分解して揮散するため焼成後の電極にはその成分は残らない。

また、導電性ペーストにガラス粉末を含有させてもよく、ガラスフリットは、鉛、ホウ素、珪素等の酸化物を含み、３００〜６００℃程度の種々の軟化点をもつものがあるが、焼成後に一部は電極中に残り、シリコンと溶着するために電極と基板との間を接着する機能を持っている。

＜第２工程＞
次に、図１（ｂ）に示されるように、第２工程では、スクリーン３上に平滑になっているペースト４を充填スキージ６によってスクリーン３のパターン孔３ａ内にペースト４を充填する。

充填スキージ６は、スクリーン３の厚みバラツキ及び被印刷物５の表面の凹凸に対して追随可能なように柔軟性を有する材料を用いる。さらに、耐摩耗性及び耐溶剤性を併せ持つ材料が好ましく、ウレタンゴムが好適であるが特に限定するものではない。

また、この充填スキージ６を上下移動手段はエアーシリンダーを用いることができる。充填スキージ６の下降時のエアーシリンダーの駆動圧縮空気圧力を制御することにより、ペーストはスクリーンのパターン孔３ａへ充填する圧力を制御されるので、充填量を所望の量に制御することが可能となる。

充填スキージ６の上下の動作はエアーシリンダー以外にもモータを用いてもよく、特に限定するものではないが、充填量を微量調整が容易に可能となるという観点からは、数値制御を用いたモータが好ましい。さらに、充填量を制御可能となるという観点から充填スキージ６のペーストを押し付ける位置が制御できることがより好ましい。

また、充填スキージ６はスクリーンに対して接触角度が調整できるように設定されている。この調整方法としては、モータの移動量を調整する方法や、角度ゲージを設け、移動量を調整する方法がある。これらにより、用いられるペーストの粘度やスクリーンの印刷パターン等に合わせて最適の印刷条件を設定して印刷することが可能となる。

＜第３工程＞
次に、図１（ｃ）に示されるように、第３工程では、スクレッパー１と充填スキージ６を上昇させ、被印刷物５をスクリーン３から０．５〜３ｍｍ程度離れた位置に搬入し、印刷スキージ２をスクリーン３に下降し押し付けスクリーン３と被印刷物５に接触させ、印刷スキージ２をスクレッパー１と逆方向へ移動させることによりペースト４を被印刷物５に転写する。

印刷スキージ２上下移動及び水平移動も前述のスクレッパー１及び充填スキージ６と同様の手段が用いられる。

以上のような第１工程〜第３工程を有して印刷することによって、例えばスクレッパー１及び充填スキージ６の移動スピードを１００ｍｍ／ｓｅｃ以上と比較的高速にした場合においても、スクリーン内のパターン孔３ａにペーストを充分に充填することが可能であり、印刷に要する時間を大幅に短縮することができる。

また、厚膜印刷を目的として粘度が極めて高いペーストを用いた場合においても、あらかじめスクレッパーでスクリーン上にペーストを平滑化することによって、充填スキージでスクリーンのパターン孔３ａ内にペーストを充填しやすくなり、その充填量バラツキを抑えることができる。その結果、印刷スキージによる印刷によって、印刷後の図形に欠損部が生じたり、印刷パターンの膜厚が薄くなったりすることを抑制し、印刷後の図形を精度良く形成することが可能となる。

特に、図３に示すように、太陽電池素子７の受光面側に設けられる電極は、複数本設けられた長細い副電極９と、副電極９に対して略垂直に設けられ副電極よりも線幅の広い主電極８とによって電極パターンが構成され、受光面積を大きくするため電極線幅を細くすることが求められるような場合に好適に用いることができる。例えば、副電極９を、線幅が３０μｍ以上１２０μｍ以下、線長が１０ｃｍ以上、主電極８を、線幅が０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下、線長が１０ｃｍ以上で構成した場合であっても、本発明の方法を用いることによって、副電極９の線切れがなく膜厚を厚く印刷することが可能となる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述の実施形態における太陽電池の電極に代えて、各種電極に適用することができるのは言うまでも無い。

まず、比抵抗が１．５Ωcmのシリコン基板５（半導体基板）の受光面側に、リンを拡散させて拡散層を形成し、拡散層の上に反射防止膜として８５０Åの窒化シリコン膜を形成した。

このシリコン基板５に、ズリ速度１０ｓ-1で粘度３００Ｐａ・ｓの銀ペーストを用いて、上記スクリーン印刷方法によって電極を形成した。

スクリーンとして、スクリーン厚みが７５μｍ、乳剤部の厚みが２０μｍ、パターン孔３ａのアスペクト比が０．５で、２３０メッシュのものを用いた。また、スクリーン開口率は６０％とし、乳剤としてジアゾ系感光性乳剤を用いた。ここで、アスペクト比とは、パターン孔３ａの長手方向を印刷方向とした際、パターン孔３ａの短手方向の幅に対するスクリーンの厚みを示すものである。

また、印刷スキージとして、ゴム硬度７０度の樹脂製のものを用いた。

スクレッパーの速度を種々変更し、実施例１〜５とした。図３に示された矢印方向に印刷スキージを移動し、印刷パターンである主電極８と副電極９を形成した。

他方、充填スキージを用いないものを、比較例１〜５とした。

なお、充填スキージ及び印刷スキージの印圧は、ともに０．１５ＭＰａとした。

なお、ペーストの粘度測定には、レオメータ(Ｐｈｙｓｉｃａ社製、タイプ：ＭＣＲ−３００)を用いた。測定条件は２５℃の一定温度下、６０秒間ズリ速度をかけ、６０秒後の粘度の測定を行った。評価に用いるデータは、ズリ速度１０ｓ^−１時点での粘度を用いた。

このように印刷された上記基板を乾燥後、最高温度が７００℃で１０分程度焼成を行い、顕微鏡にて、焼成されたパターンの副電極に欠損部が生じていないかを観察した。また、印刷、乾燥及び焼成後の副電極の膜厚を、触針式表面粗さ計(東京精密社製、ＳＵＲＦＣＯＭ１４００)を用いて測定した。

その結果を表１に示す。

表１に示すように、充填スキージ有の実施例１~５においては図形パターンに欠損部がなく、膜厚も１５μｍ以上と速度を上昇させても厚膜印刷が可能であった。充填スキージ無の比較例１~５においては速度が２５ｍｍ／ｓｅｃの比較例１においては欠損部がなく、膜厚は１８μｍであったが、速度が上昇するに従い、欠損部が増え、膜厚が薄くなる傾向にあった。これより、実施例１~５において、高速印刷が可能になる。

また、この結果の中で、スクレッパーの速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であること、印刷後の図形パターンに欠損部がないこと、膜厚が１５μｍ以上であることが高速厚膜印刷の好適な条件であることが分かった。

次に、上記例において、スクレッパー速度を１００ｍｍ／ｓｅｃに固定し、ペースト粘度を種々変更して、実施例６〜１０及び比較例６〜１０とした。そして、これらについて、上述と同様の評価を行なったものを表２にまとめた。

粘度が２００〜４００Ｐａ・ｓの条件である実施例７、８及び９においても、欠損部が観察されず、副電極の膜厚も１５μｍ以上であり、厚膜印刷が可能であった。しかしながら充填スキージ無の比較例７、８及び９においては、欠損部が発生し、膜厚も薄くなる傾向であった。また、粘度が４００Ｐａ・ｓを超える場合は充填スキージの有無に関わらず、欠損部を生じ、粘度が２００Ｐａ・ｓより小さい場合は膜厚が１５μｍを下回った。ペーストの粘度が２００〜４００Ｐａ・ｓの場合に厚膜かつ高速印刷が可能となる。

本発明のスクリーン印刷方法を説明する断面図であり、（ａ）はスクレッパーを用いてペーストをパターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げる第１工程、（ｂ）は塗り広げられたペーストを充填スキージを用いてパターン孔内に充填する第２工程、（ｃ）は充填されたペーストを印刷スキージを用いて被印刷物に印刷する第３工程、を示す図である。本発明のスクリーン印刷方法に用いられるスクリーン印刷機、特に充填スキージ及びスクレッパーが互いに固定されていないものを示す図である。本発明のスクリーン印刷方法を用いて形成された太陽電池素子を示す平面図である。従来のスクリーン印刷方法に用いられていたスクリーン印刷機を示す図である。

符号の説明

１：スクレッパー
２：印刷スキージ
３：スクリーン
３ａ：パターン孔
４：ペースト
５：被印刷物（半導体基板）
６：充填スキージ
７：太陽電池素子

Claims

所定のパターン孔を有するスクリーンを用いてペーストを被印刷物に印刷するスクリーン印刷方法であって、
スクレッパーを用いて前記ペーストを前記パターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げる第１工程と、
充填スキージを用いて前記塗り広げられたペーストを前記スクリーンに対して押圧するとともに、前記スクレッパーと同期させて移動させることによって、前記塗り広げられたペーストを前記パターン孔内に充填する第２工程と、
印刷スキージを用いて前記充填されたペーストを前記被印刷物に印刷する第３工程と、を有して成り、
前記充填スキージが前記スクリ−ンの厚みバラツキに対して追随可能な柔軟性を有するスクリーン印刷方法。
前記スクレッパーはステンレス製であり、前記充填スキージはウレタンゴム製であることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷方法。
前記第１工程において、前記スクレッパーは、前記スクリーンと所定の間隔を有した状態で該スクリーンの表面に対して略平行に移動し、
前記第２工程において、前記充填スキージは、前記スクリーンに対して前記ペーストを押圧した状態で移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン印刷方法。
前記ペーストは、金属粉末及び有機ビヒクルを有してなり、且つ、温度２５℃及びズリ速度１０ｓ^−１における粘度が２００Ｐａ・ｓ以上４００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスクリーン印刷方法。
前記スクリーンのパターン孔は、そのアスペクト比が０．５以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスクリーン印刷方法。
前記スクレッパー及び前記充填スキージの移動速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスクリーン印刷方法。
前記被印刷物は、太陽電池素子用の半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリーン印刷方法。