JP5147230B2 - 半導体基板の割断装置及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェハなどに光起電力素子などの素子構造を形成した半導体基板を、分割溝が形成された所定領域で割断する割断方法及び割断装置並びに該方法及び該装置を用いた太陽電池の割断方法及び太陽電池モジュールの製造方法に関するものである。

従来より、大面積の半導体基板からなる太陽電池セルを、小面積の太陽電池セルに分割し、複数の小面積の太陽電池セルをリード線等を用いて連結し、太陽電池モジュールを作製することが検討されている。

特許文献１及び特許文献２においては、太陽電池セルにレーザーまたはダイシングソーなどを用いて分割溝を形成し、この分割溝を利用して半導体基板を分割することにより太陽電池セルを製造する方法が開示されている。半導体基板を、分割溝が形成された所定領域で分割する場合、半導体基板の所定領域の内側部分を固定しておき、外側部分を下方に押圧して分割溝の部分で半導体基板を割断する方法が一般に採用されている。この場合、半導体基板の所定領域の外側部分全体を一度に押圧して割断しているが、半導体基板の所定領域のエッジ部分などに、割断の際の応力が集中して、ひび割れ等が生じ、歩留りが低下するという問題があった。
特開２００５−２３６０１７号公報 特開２００４−３１８３９号公報

本発明の目的は、半導体基板を分割溝が形成された所定領域で割断する際、半導体基板の一部に応力が集中してひび割れ等が生じるのを防止することができる半導体基板の割断方法及び割断装置並びに該方法または該装置を用いた太陽電池の割断方法及び太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の半導体基板の割断方法は、半導体基板を分割溝が形成された所定領域で割断する割断方法であって、半導体基板を固定する工程と、半導体基板の所定領域の外側部分を押圧して分割溝の部分で半導体基板を割断する工程とを備え、半導体基板の所定領域が１８０°未満の角度で隣接する一対の辺を少なくとも有しており、半導体基板を割断する際、一方の辺を他方の辺よりも先に押圧することを特徴としている。

本発明においては、半導体基板の所定領域が１８０°未満の角度で隣接する一対の辺を少なくとも有している。隣接する一対の辺のそれぞれは、必ずしも直線の辺である必要はなく、曲線を含む辺であってもよい。互いに接する部分において形成される角度が１８０°未満の角度であればよい。本発明において、１８０°未満の角度としているのは、このような角度で接している辺のエッジ部分において応力が集中しやすいからである。

本発明においては、半導体基板を割断する際、このような一対の辺の一方の辺を他方の辺よりも先に押圧することにより、応力が一対の辺のエッジ部分に集中するのを抑制し、ひび割れ等が生じるのを防止している。

すなわち、従来のように一対の辺を同時に押圧すると、一対の辺のエッジ部分に応力が集中し、この部分においてひび割れ等が発生しやすくなる。本発明では、一方の辺を他方の辺よりも先に押圧することにより、まず一方の辺全体に応力がかけられ、一方の辺の分割溝部分で割断が生じ始める。その後他方の辺に応力をかけることにより、他方の辺全体に応力を分散してかけることができ、他方の辺が割断し始める。このようにして複数の段階に分けて割断することにより、一方の辺と他方の辺の接するエッジ部分に応力が集中するのを抑制することができ、ひび割れ等の発生を防止することができる。

本発明の半導体基板の割断方法に従う好ましい実施形態においては、半導体基板の所定領域の内側部分を載置台の上に載せた後、載置台に載せた半導体基板の上方に配置させた割断刃を下方に移動させることにより、半導体基板の所定領域の外側部分を押圧して分割溝の部分で半導体基板を割断することを特徴としている。

本発明の半導体基板の割断装置は、上記本発明の割断方法を用いた割断装置であり、半導体基板を分割溝が形成された所定領域で割断するための割断装置であって、半導体基板の所定領域の内側部分を載せるための載置台と、載置台に載せた半導体基板の上方の位置から下方に移動することによって、半導体基板の所定領域の外側部分を押圧して分割溝の部分で半導体基板を割断するための割断刃とを備え、半導体基板の所定領域が１８０°未満の角度で隣接する一対の辺を少なくとも有しており、半導体基板を割断する際、一方の辺が他方の辺よりも先に押圧されるように一方の辺の外側部分を押圧する割断刃の部分に凸部が設けられていることを特徴としている。

本発明の割断装置においては、半導体基板を割断する際、一方の辺が他方の辺よりも先に押圧されるように一方の辺の外側部分を押圧する割断刃の部分に凸部が設けられている。割断刃に設けられたこの凸部により一方の辺が他方の辺よりも先に押圧されることで、上記本発明の割断方法と同様に、一方の辺と他方の辺が接するエッジ部において応力が集中するのを抑制することができ、ひび割れ等が生じるのを防止することができる。

本発明の割断装置においては、載置台上に載せた半導体基板の所定領域の内側部分を上方から載置台側に押しつけて、割断の際半導体基板の位置を固定するためのプレス部材をさらに備えることが好ましい。プレス部材を備えることにより、載置台上に載せた半導体基板の位置を容易に固定することができる。

本発明において、半導体基板に形成される分割溝の所定領域の形状は、環状であってもよいし、直線や曲線などの線状であってもよい。半導体基板の外周部分を環状に一括して割断する場合、分割溝が形成された所定領域の形状は環状となる。このような環状の所定領域を割断するための割断刃は、一般に環状に形成される。環状の割断刃を用いる場合、割断刃の内側には、載置台が貫通する大きさの孔が形成されていることが好ましい。

本発明の割断装置においては、凸部の内側端面に、下方に向かって広がるテーパーが形成されていることが好ましい。このようなテーパーを形成することにより、スムーズに所定領域の外側部分を折り曲げて分割溝の部分で割断することができる。

また、本発明においては、凸部が設けられていない部分であって、所定領域の外側部分を押圧する部分に、下方に向かって広がるテーパーが形成されていることが好ましい。テーパーを形成することにより、スムーズに外側部分を折り曲げ分割溝の部分で割断することができる。

本発明の割断装置において、凸部の高さは、特に限定されるものではないが、一般には０．５〜５０ｍｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは１〜１０ｍｍの範囲内である。

本発明の割断装置においては、凸部を設けることにより、凸部を設けた部分と、凸部を設けていない部分とで段階的に押圧することにより、少なくとも２段階に分けて押圧することができる。高さの異なる凸部を設けることにより、３段階以上に分けて押圧し、半導体基板を割断してもよい。

本発明の割断方法及び割断装置は、太陽電池セルを製造する際の半導体基板の周囲部分を除去したり、あるいは大面積の半導体基板を小面積の太陽電池に分割するのに用いることができる。従って、本発明において用いる半導体基板としては、太陽電池の素子構造が形成された半導体基板を挙げることができる。

本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、上記本発明の割断方法及び割断装置を用いる方法であり、半導体基板が、太陽電池の素子構造を形成した半導体基板であり、上記本発明の割断方法または上記本発明の割断装置を用いて半導体基板を割断する工程と、割断した複数の半導体基板を配列して電気的に接続することにより太陽電池モジュールを作製する工程とを備えることを特徴としている。

本発明の太陽電池モジュールの製造方法によれば、上記本発明の割断方法または割断装置を用いて半導体基板を割断しているので、半導体基板の割断の際のひび割れの発生を防止することができ、歩留り良く太陽電池モジュールを製造することができる。

本発明によれば、半導体基板を分割溝が形成された所定領域で割断する際、半導体基板の一部に応力が集中してひび割れ等が生じるのを防止することができる。

図１は、本発明に従う一実施形態の半導体基板の割断装置を示す側面図である。

図１を参照して、半導体基板１は、載置台２０の上に載せられており、上方からのロッド３１により保持されたプレス部材３０によって、載置台２０側に押しつけられることにより、その位置が固定されている。載置台２０は、その下方に設けられたロッド２１により支持されている。なお、半導体基板の固定方法はこれに限るものではない。

半導体基板１の上方には、割断刃１０が配置されている。割断刃１０は、環状の形状を有しており、その内側にはプレス部材３０及び載置台２０が通る孔１０ｂが形成されている。環状の割断刃１０の下方面の内側には、凸部形成部材１１が取り付けられている。環状刃１０は、図示省略するロッドにより上方から支持されており、下方に移動可能なように設けられている。

図２は、割断刃１０及び凸部形成部材１１を示す拡大断面図である。図３は、割断刃１０の下方面を示す平面図である。図２及び図３に示すように、凸部形成部材１１の内側端面には、下方に向かって広がるテーパー１１ａが形成されている。

図３に示すように、割断刃１０の内側の孔１０ａは、略１２角形の形状を有しており、凸部形成部材１１は一辺おきに合計６箇所に取り付けられている。凸部形成部材１１は、ネジ１１ｂにより割断刃１０に取り付けられている。凸部形成部材１１が取り付けられていない割断刃１０の内側の下方端面には、テーパー１０ａが形成されている。このテーパー１０ａも、凸部形成部材１１のテーパー１１ａと同様に、下方に向かって広がる形状を有している。

割断刃１０には、上方から支持するロッドを通すための孔１２が３箇所に形成されている。

上述のように、割断刃１０の孔１０ｂは、略１２角形の形状を有しており、凸部形成部材１１が取り付けられている辺と凸部形成部材１１が取り付けられていない辺は、１８０°未満の角度で隣接している。本実施形態においては、およそ１６０°の角度で隣接している。凸部形成部材１１が設けられていない辺は、僅かに丸みを帯びた形状であるが、凸部形成部材１１の内側端の辺と接する部分における角度が、本発明における１８０°未満の角度となる部分である。

図２に示す、凸部形成部材１１の高さ、すなわち本実施形態における凸部の高さｈは、３ｍｍである。本発明における凸部の高さは、割断刃の下方への移動速度等を考慮して適宜設定することができるものであるが、上述のように、一般的には１〜１０ｍｍの範囲とするのが好ましい。

図４は、載置台２０を示す平面図である。図４に示すように、割断刃１０の孔１０ｂ内を通る大きさで孔１０ｂと相似の形状を有している。割断刃１０の孔１０ｂ及び載置台２０の形状は、後述する半導体基板の分割溝からなる所定領域の形状とほぼ一致する形状であることが好ましい。

載置台２０には、図１に示すロッド２１を通し載置台２０を支持するための孔２０ａが形成されている。

図５は、図１に示すプレス部材３０を示す平面図である。プレス部材３０も、割断刃１０の孔１０ａを通る大きさで孔１０ａと相似の形状を有していることが好ましい。

割断刃１０、凸部形成部材１１及び載置台２０の材質は、特に限定されるものではないが、本実施形態においてはステンレスから形成されている。図５に示すプレス部材の材質も特に限定されるものではないが、本実施形態ではエンジニアリングプラスチックなどのプラスチック部材から形成されている。

また、割断刃１０、載置台２０及びプレス部材３０を支持するロッドの材質も特に限定されるものではないが、本実施形態ではステンレスから形成されている。

図６は、半導体基板１としての太陽電池セルを示す平面図である。太陽電池セル１には、集電極１ａが形成されており、外周部分には、環状の所定領域２が形成されている。

図８は、太陽電池セル１の所定領域２の近傍を拡大して示す断面図である。太陽電池セル１の所定領域２の上方には、分割溝３が形成されている。分割溝３は、例えば、レーザー光などのエネルギービームを照射することにより形成することができる。レーザー光としては、ＹＡＧレーザーや、ＣＯ_２、ＫｒＦ、ＡｒＦ、ＸｅＣｌ等の気体レーザー、ＹＶＯ４等の固体レーザーなどを用いることができる。分割溝３の深さｄは、特に限定されるものではないが、太陽電池セル（半導体基板）１の厚みＴに対して、３５〜７０％とすることが好ましい。

図８に示す太陽電池セル１において、主たる受光面は、下方面であり、ｎ型単結晶シリコン基板４の下方面には、ｉ型非晶質シリコン層５ｉ（厚み約５ｎｍ〜約２０ｎｍ）が形成されており、その上にはｐ型非晶質シリコン層５ｐ（厚み約５ｎｍ〜約２０ｎｍ）が形成されている。これによって、ｐｉｎ接合である半導体接合領域が形成されている。ｐ型非晶質シリコン層５ｐの上には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などからなる透明導電膜６（厚み約３０ｎｍ〜約１５０ｎｍ）が形成されている。

ｎ型単結晶シリコン基板４の上方面には、ｉ型非晶質シリコン層７ｉ（厚み約５ｎｍ〜約２０ｎｍ）、及びｎ型非晶質シリコン層７ｎ（厚み約５ｎｍ〜約２０ｎｍ）が順次積層して形成されている。ｎ型非晶質シリコン層７ｎの上には、透明導電膜８（厚み約３０ｎｍ〜約１５０ｎｍ）が形成されている。

上記太陽電池セルにおいては、ｎ型単結晶シリコン基板４とｐ型非晶質シリコン層５ｐとの間でｐｎ接合が形成されており、その接合界面に実質的に発電に寄与しない程度の厚みを有するｉ型非晶質シリコン層５ｉが挿入されている。

本実施形態においては、ｎ型単結晶シリコン基板を用いているが、ｐ型単結晶シリコン基板を用い、下方面にｉ型非晶質シリコン層及びｎ型非晶質シリコン層を形成し、上方面にｉ型非晶質シリコン層及びｐ型非晶質シリコン層を形成してもよい。また、ｎ型もしくはｐ型の結晶系半導体基板の表面に、ｐ型もしくはｎ型のドーパントをドープすることによりｐｎ接合を形成し太陽電池セルとしてもよい。また、本発明は、太陽電池セル以外の半導体基板にも適用することができるものである。

図６を参照して、太陽電池セル１の所定領域２には、図８に示すような分割溝３が形成されている。

図１を参照して、太陽電池セル１は、太陽電池セル１の所定領域２の内側部分が、載置台２０の上に位置するように載せられる。また、プレス部材３０は、太陽電池セル１の所定領域２の上に載せられ、太陽電池セル１を下方に押しつけて、太陽電池セル１の位置を固定する。

図１を参照して、次に、割断刃１０が下方に移動し、プレス部材３０が割断刃１０の孔１０ｂ内に挿入されるとともに、割断刃１０の下方面に取り付けられた凸部形成部材１１が、載置台２０及びプレス部材３０から外側に突き出た太陽電池セル１の部分に当接する。

図９は、割断刃によって太陽電池セル１を分割溝３が形成された所定領域２で割断するときの状態を示す断面図である。

図９（ａ）に示すように、割断刃１０が下方に移動すると、まず、割断刃１０の下方に設けられた凸部形成部材１１が太陽電池セル１の所定領域２の外側部分に当接する。

次に、さらに割断刃１０が下方に移動すると、図９（ｂ）に示すように、太陽電池セル１の所定領域２の外側部分がさらに押し下げられて曲がり、分割溝３の部分から所定領域２が割断され始める。

この状態において、図９（ｃ）に示すように、凸部形成部材１１が設けられていない部分においては、太陽電池セル１の所定領域２の外側部分は押し下げられておらず、割断されていない。

さらに割断刃１０が下方に移動すると、図９（ｄ）に示すように、凸部形成部材１１が設けられていない部分においても、太陽電池セル１の所定領域２の外側部分が押し下げられて曲がり、分割溝３の部分で割断され始める。

以上のように、本実施形態においては、凸部形成部材１１が設けられている部分において分割溝３での割断が始まり、その後凸部形成部材１１が設けられていない部分において分割溝３での割断が始まる。このように、所定領域における隣接する一対の辺の一方の辺にまず応力をかけて割断し、次に他方の辺に応力をかけて割断することにより、両方の辺に同時に応力をかけた場合に生じる一対の辺のエッジ部分での応力集中を抑制することができる。このため、本発明によれば、分割溝で割断する際のひび割れの発生を防止することができる。

図７は、以上のようにして、図６に示す太陽電池セル１の所定領域２で割断し、周辺部分を取り除いた状態を示す平面図である。周辺の不要部分を取り除いた太陽電池１は、さらに図７に点線で示す部分で割断される。この部分の割断方法としては、分割溝を上記と同様にして形成し、基板を折り曲げることにより割断するが、直線部分で割断するので、本発明のように複数の段階に分けて応力をかけることにより割断する必要はない。割断の順序は特に限定されるものではなく、例えば、縦方向の分割溝に沿って太陽電池セルを２つに分割し、分割後のそれぞれの太陽電池セルを、横方向に折り曲げてそれぞれ分割することができる。

図１０は、分割後の太陽電池セルを示す図である。図１０に示すように、４つの小面積の太陽電池セル４１、４２、４３及び４４に分割される。このようにして分割された太陽電池セル４１〜４４は、例えば、図１１に示すように配列し、それぞれの太陽電池セルをタブ等を用いて半田付けして接続することにより、太陽電池モジュールとすることができる。

なお、太陽電池セルを割断するにあたっては、半導体基板にｐｎ接合を形成した後に割断することが好ましい。半導体基板を割断すると割断面に微小な欠陥が生じる可能性があるため、割断後にｐｎ接合を形成すると太陽電池の歩留り又は特性が低下するおそれがある。これを回避するために、割断工程はｐｎ接合形成後に行うことが好ましい。

図１２は、複数の太陽電池セルをタブにより直列に接続した状態を示す断面図である。図１２に示すように、太陽電池セル５１の上方面の電極と、隣接する太陽電池セル５１の下方面の電極とをタブ５２で接続することにより直列に接続することができる。

図１３は、図１２のように接続した太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。図１３に示すように、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セル５１をタブ５２を介して接続しており、このようにしてタブ５２により接続された太陽電池セル５１を、例えば、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂からなる充填材５３により封止する。充填材５３の上面上（光入射面側）には、表面保護用の透明ガラスからなる表面保護材５４が配置されている。また、充填材５３の下面側には、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、アルミニウム箔及びＰＥＴフィルムが積層されてなる裏面保護材５７が配置されている。また、５５は太陽電池の耐圧を高めるためのＰＥＴフィルムである。

上記のように大面積の太陽電池セルの周辺の不要部を取り除いた後、分割して小面積の太陽電池セルとし、その小面積の太陽電池セルを配列して電気的に接続し、太陽電池モジュールを製造する際において、本発明によれば、上述のように、大面積の周辺部を割断して取り除く際のひび割れ等の発生を防止することができ、不良品の発生を低減することができる。

なお、上記実施形態においては、同じ高さの凸部形成部材を設け、同じ高さの凸部を形成することにより２段階に分けて応力をかけて分割溝で割断する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、高さの異なる凸部を形成し、３段階以上の複数段階に分けて応力をかけて割断してもよい。

また、上記実施形態においては、凸部形成部材を取り付けて凸部を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、割断刃と一体的に形成された凸部であってもよい。このように凸部は、例えば割断刃を切削加工することにより形成することができける。

また、上記実施形態においては、環状の割断刃を用いて、半導体基板の周囲の環状の所定領域を割断しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、環状ではない線状の所定領域を割断する場合にも応用することができるものである。

また、本発明における割断方法は、別の装置を用いても実施することができる。例えば図３において、凸部形成部材１１の位置にそれぞれ第１の割断刃を配置し、隣接する凸部形成部材１１、１１の間の位置にそれぞれ第２の割断刃を配置し、第１の割断刃と第２の割断刃とをタイミングをずらして割断するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、半導体基板として太陽電池セルを例にして説明しているが、本発明は太陽電池セル以外の半導体基板を割断する際にも適用することができるものである。

本発明に従う一実施形態の活断装置を示す側面図。 凸部形成部材が取り付けられている部分を拡大して示す断面図。 図１に示す実施形態における割断刃を示す下方から見た平明図。 図１に示す実施形態における載置台を示す平面図。 図１に示す実施形態におけるプレス部材を示す平明図。 割断する前の太陽電池セルを示す平明図。 割断後の太陽電池セルを示す平面図。 太陽電池セルにおける分割溝が形成された所定領域の部分を拡大して示す断面図。 図１に示す実施形態において、太陽電池セルの所定領域の外側部分を割断する際の状態を示す部分拡大断面図。 図７に示す点線の部分で分割した後の太陽電池セルを示す平面図。 図１０に示す分割後の太陽電池セルの配列の一例を示す平面図。 太陽電池セルを配列しタブで直列に接続した状態を示す模式的断面図。 本発明に従い製造された太陽電池モジュールの一実施形態を示す断面図。

符号の説明

１…半導体基板（太陽電池セル）
２…半導体基板（太陽電池セル）の所定領域
３…分割溝
４…ｎ型単結晶シリコン基板
５…ｉ型非晶質シリコン層
５ｐ…ｐ型非晶質シリコン層
６…透明導電膜
７ｉ…ｉ型非晶質シリコン層
７ｎ…ｎ型非晶質シリコン層
８…透明導電膜
１０…割断刃
１０ａ…テーパー
１０ｂ…割断刃の孔
１１…凸部形成部材
１１ａ…凸部形成部材のテーパー
２０…載置台
３０…プレス部材
４１，４２，４２，４４…分割後の太陽電池セル
５１…分割後の太陽電池セル
５２…タブ
５３…充填材
５４…表面保護材
５５…ＰＥＴフィルム
５６…アルミニウム箔
５７…ＰＥＴフィルム

Claims (6)

1. 半導体基板を分割溝が形成された領域で割断するための割断装置であって、
   前記半導体基板の分割溝が形成された領域の内側部分を載せるための載置台と、
   前記載置台に載せた前記半導体基板の上方の位置から下方に移動することによって、前記半導体基板の分割溝が形成された領域の外側部分を押圧して前記分割溝の部分で前記半導体基板を割断するための割断刃とを備え、
   前記半導体基板の分割溝が形成された領域の内側部分が１８０°未満の角度で隣接する一対の辺を少なくとも有しており、前記載置台に載せた前記半導体基板の上方に配置させた割断刃を下方に移動させることにより前記半導体基板を割断する際、一方の辺が他方の辺よりも先に押圧されるように前記一方の辺の外側部分を押圧して前記分割溝の部分で前記半導体基板を割断する前記割断刃の部分に凸部が設けられていることを特徴とする半導体基板の割断装置。
2. 前記載置台上に載せた前記半導体基板の分割溝が形成された領域の内側部分を上方から前記載置台側に押し付けて、割断の際の前記半導体基板の位置を固定するためのプレス部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の割断装置。
3. 前記割断刃が環状であり、その内側に前記載置台が貫通する孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の割断装置。
4. 前記凸部の内側端面に、下方に向かって広がるテーパーが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板の割断装置。
5. 前記半導体基板が、太陽電池の素子構造を形成した半導体基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体基板の割断装置。
6. 前記半導体基板が、太陽電池の素子構造を形成した半導体基板であり、
   請求項２〜５のいずれか１項に記載の装置を用いて前記半導体基板を割断する工程と、
   割断した複数の前記半導体基板を配列して電気的に接続することにより太陽電池モジュールを作成する工程とを備えたことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。

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