JP5182610B2 - 薄膜太陽電池の製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、帯状可撓性のフィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を形成する薄膜太陽電池の製造装置に関し、詳しくは、フィルム基板を搬送する搬送手段を改良してロールによるフィルム基板の搬送シワの発生を防止した薄膜太陽電池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、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。
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、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３に示す。 図３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。
上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を図４（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。
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）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３に示すような直列接続構造を形成する。
前記 図４の工程において、工程（a），（b）および（d）においては、大気中で基板に対して加工が行われるが、その他の工程は、後述する真空成膜装置において処理される。従って、上記工程の場合、工程（b）および（d）の後工程においては、基板は大気中で加工後、真空成膜装置の真空容器内に導入されることになる。また、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、前述のように、基板７１を反転させて２段階に分けて形成を行うので、反転させる際に、基板を一旦大気中に出し、再度真空容器内に導入されることになる。
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、特許文献４に記載されている。
図５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を示す。図５に示す装置は、可撓性基板の巻出し用アンワインダー室９０と、金属電極層，光電変換層および透明電極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８０と、巻取り用ワインダー室９１とを備え、基板９２はコア８２から捲き出されコア８３にまきとられる間に、複数の成膜室８０で成膜されるように構成されている。共通室８１は複数の成膜室８０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。
図６に、前記特許文献４に記載された成膜室の概略構造の一例を示す。図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図を示す。断続的に搬送されてくる可撓性基板１００の上下に函状の下部成膜室壁体１２１と上部成膜室壁体１２２とを対向配置し、成膜室の封止時には、下部成膜室と上部成膜室からなる独立した処理空間を構成するようになっている。この例においては、下部成膜室は電源１４０に接続された高電圧電極１３１を備え、上部成膜室は、ヒータ１３３を内蔵した接地電極１３２を備える。
成膜時には、図６（ｂ）に示すように、上部成膜室壁体１２２が下降し、接地電極１３２が基板１００を抑えて下部成膜室壁体１２１の開口側端面に取付けられたシール材１４１に接触させる。これにより、下部成膜室壁体１２１と基板１００とから、排気管１４２に連通する気密に密閉された成膜空間１４３を形成する。上記のような成膜室において、高電圧電極１３１へ高周波電圧を印加することにより、プラズマを成膜空間１４３に発生させ、図示しない導入管から導入された原料ガスを分解して基板１００上に、例えば、光電変換層を膜形成することができる。
一方、ロールツーロール方式は、水平方向に設けたロール間もしくは鉛直方向に段違いに設けたロール間に基板を連続的に移動させ、複数の成膜作業を連続的に行うので、量産性に優れている。その装置の構成は、鉛直方向に段違いに設けたロールに基板を連続的に移動させるものとしては、例えば、特許文献５に記載されている。
水平方向に設けたロール間に基板を連続的に移動させるロールツーロール方式の装置の構成については、スパッタリングによる成膜装置に関し、その概略構成を図７に示す。真空室としての反応室や、真空排気系や、スパッタガスの供給系などは図示を省略している。
図７に示した電極形成装置は、ともにフィルム基板を水平搬送するタイプであり、フィルム基板の巻出しロール１５１および巻取りロール１５２も、水平に配置されている。図７に示した装置では、接地電極を兼用したヒータ１５４とターゲットを有する印加電極１５５の間を、フィルム基板１５３が搬送される。フィルム基板１５３は、裏面側からヒータにより非接触で加熱されながら、スパッタリングにより電極形成が行われる。
なお、図７に示した電極形成装置においては、ターゲットを複数（３個）設けた例を示すが、これは、電極層が複数の材料の積層膜として形成される例であり、例えば、銀などの単一の金属で形成する場合には、ターゲットは一つでよい。
図７に示した装置によれば、ともに１回のフィルム基板搬送で、フィルム基板の片面の電極形成が可能である。両面に電極形成を行う場合には、片面の電極形成終了後、装置を大気開放状態として、フィルム基板を反転させてセットし、再び真空排気を行った後、フィルム基板の脱ガス処理を行ってから、電極形成を行う。
ところで、このようなフィルム基板を搬送する際、フィルム基板の幅がかなりの幅であることから搬送時に弛みあるいはシワ等が発生することからフィルム基板の巻き出しロールおよび巻取りロールの軸を縦置きにして、フィルム基板を縦置きの状態で搬送する方式が採用されている。この場合、接地電極を兼用したヒータとターゲットを有する印加電極の間をフィルム基板が搬送され電極形成が行われる。
このような、電極層の成膜を施す成膜室は、真空ポンプにより真空引きされた状態で、
ヒータにより約３００°Ｃまで加熱された状態で、成膜が施されている（特許文献６）。
特開平１０−２３３５１７号公報 特開２０００−２２３７２７ 特開平６−２９１３４９号公報 特開平８−２５０４３１号公報 特公平７−３８３７８号公報 特開２０００−３０７１３９号公報
この電極層を形成するための成膜室は、複数の成膜室に分けられ、巻き取り室に設けられたフィードロールとプレスロールによって、フィルム基板を一定速度および張力で搬送し巻取りロールで巻き取るようにしている。フィルム基板には前段の成膜室によってヒータによる約３００°Ｃ程度の高温で成膜が施されているため、フィルム基板の温度は、通常１７７°Ｃ程度であり、この加熱された状態のフィルム基板の表面をフィードロールとプレスロールによって、フィルム基板を搬送する際に搬送シワが発生する。
とくに、フィルム基板の片面に、発電層側（裏面とも呼ぶ）となる電極が設けられている場合には、反対側（背面とも呼ぶ）に電極を形成する製膜時に、フィルム面に比べて電極が設けられた電極面は放射率が低いことから、裏面製膜時と比較して背面製膜時はフィルムの温度履歴が大きく異なり、フィルム温度が冷めづらくなる。そして、フィルム温度が高い状態でフィルム基板の表面をフィードロールとプレスロールによって、引っ張ることになり、幅方向の張力分布が不均一となるため、搬送シワが発生してしまう不具合が生じていた。
特に、フィルム基板の幅方向が鉛直方向を向く姿勢で搬送する縦型搬送では、フィルム基板の自重による変形もあって、搬送シワがさらに大きくなっていた。
本発明は、上記課題を解決し、フィルム基板を搬送する駆動ロールによる搬送シワの発生を防止し、作業性の向上を図りうる薄膜太陽電池の製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、巻き出しロールに巻かれた帯状可撓性のフィルム基板を略真空状態に維持された成膜室に送り、前記成膜室に互いに対向して配置された接地電極と、ターゲット材を有する印加電極との間で放電させて、幅Ｎ ２ のフィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を、一定の加熱下で形成し、前記金属薄膜の表面に形成された幅Ｎ １ の発電領域は、Ｎ １ ＜Ｎ ２ であり、前記金属薄膜が形成されたフィルム基板を巻き取り室に設けられた巻取りロールで巻き取るようにした薄膜太陽電池の製造装置であって、前記巻取り室に、前記金属薄膜が形成された前記フィルム基板を一定の張力で搬送する一対の駆動ロールを設け、前記フィルム基板の幅方向両端部に対応する前記少なくとも一方の駆動ロールの両端部周面にそれぞれ弾性部材の層を形成し、両端の前記弾性部材の層間の長さＭ １ を前記発電領域の幅Ｎ １ よりも大きく、前記フィルム基板の幅Ｎ ２ よりも小さく設定したことにある。
また、本発明は、前記少なくとも一方の駆動ロールの両端部周面に設けられた前記弾性部材の層の幅（Ｍ ２ −Ｍ １ ）／２は、前記発電領域が形成されない前記金属薄膜部の幅（Ｎ ２ −Ｎ １ ）／２よりも小さく設定したことにある。
さらに、本発明は、前記発電領域が形成されていない前記金属薄膜部を、前記駆動ロールの両端部で圧接し、前記駆動ロールの前記両端部の間が、前記発電領域に接触することなく前記フィルム基板を搬送することにある。
本発明は、一方の駆動ロールの両端部周面にそれぞれ弾性部材の層を形成したので、一対の駆動ロールによる搬送時に、弾性部材の層をフィルム基板の両端部に接触させてフィルム基板を搬送することになり、フィルム基板に生じる搬送シワの発生を防止することができる。
また、本発明は、搬送時にフィルム基板の駆動ロール圧接部をフィルム両端部の特定箇所に限定することにより、発電層領域を傷つけず、且つ搬送シワの発生を防止することができる。
以下、図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、太陽電池の製造装置における薄膜電極層形成の基本的構成部分のみを概念的に図示している。反応室、スパッタガス供給系、排気系あるいはフィルム基板搬送手段などは省略して説明する。
図１において、薄膜電極層の形成装置は、いわゆるロールツーロール方式と呼ばれるもので、帯状可撓性のフィルム基板１をロール状に巻いた巻き出しロール２を収納した送り室３と、電極層となる金属の薄膜を形成したフィルム基板１を巻き取る巻取りロール４を収納した巻取り室５と、前記送り室３と巻取り室５相互間に並設され、前記フィルム基板１に金属の薄膜を形成する複数の成膜室６と、前記複数の成膜室６の略中間位置に配設され、前記フィルム基板１を搬送するガイドロール７が設けられた中間室８を備えている。
前記巻き出しロール２および巻取りロール４は鉛直方向に配置され、フィルム基板１を立てた状態で、複数の成膜室６および中間室８を搬送するもので、各成膜室６には、フィルム基板１を通過させる開口が形成されている。前記送り室３と巻取り室５には、一定の速度でフィルム基板１の巻き出しおよび巻取りを行う駆動機構（図示せず）が内蔵されている。駆動機構は、例えば、巻取り室５にモータおよび減速機を内蔵し、一定の速度で巻取りロール４を回転させることで行うことができる。また、前記送り室３には、前記フィルム基板１が一定の張力を保持した状態で引き出されるように一定の制動を加える機構を備えても良い。前記送り室３と巻取り室５には、それぞれ複数の駆動用補助ローラ９，１０が設けられ、フィルム基板１の搬送が最適状態で維持されるように制御されている。前記送り室３と巻取り室５の制御は図示しない制御機構によって一定の速度を維持するように制御されている。
前記複数の成膜室６および中間室８には、図示しない真空装置が接続されて、少なくとも大気圧以下の一定の真空度を維持するように真空引きされている。また、前記複数の成膜室６には、それぞれ搬送されるフィルム基板１を挟んで、一方にはヒータ１１を内蔵した接地電極１２が配置され、他方には、直流電源Ｖに接続された高電圧電極１３が配置されている。前記ヒータ１１は通常３００°Ｃ程度の温度でフィルム基板１を加熱するものである。各成膜室６の接地電極１２と高電圧電極１３にはそれぞれ直流電源Ｖが接続され、接地電極１２と高電圧電極１３との間に高電圧を印加するものである。
前記高電圧電極１３はターゲットと呼ばれる、例えば、銀、アルミニウム、酸化亜鉛といった金属が用いられ、接地電極１２との間の放電に伴って金属イオンを生じさせ、スパッタリング法と呼ばれる真空蒸着法によってフィルム基板１の表面に、電極となる金属の薄膜を形成するものである。
前記中間室８は、前記複数の成膜室６の途中に配置されており、前段の成膜室６の出口から一定の距離Ｌにフィルム基板１を安定して搬送するためのガイドロール７が配置されている。ガイドロール７は複数のローラ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ（図示例では４個）で構成されており、フィルム基板１に張力を保持した状態で搬送するものである。ローラ７ｂは、フィルム基板１に一定のテンションを加えるものである。
前記送り室３に設けられた駆動用補助ローラ９は、フィルム基板１が弛まないように一定の張力を保持するもので、この場合、フィルム基板１は、一対のローラ９1，９2相互間を通過することにより、弛みが生じるのを防いでいる。
また、前記巻取り室５には、複数の駆動用補助ローラ１０と、フィルム基板１を一定の張力を保持して搬送するフィードロール１４とプレスロール１５からなる駆動ロール１６と、ガイドロール７と同様のガイドロール１７が設けられている。フィードロール１４は図示しないモータ等の駆動手段によって回転駆動されるもので、プレスロール１５が圧接されて一定の張力を維持するようにフィルム基板１を搬送するものである。
図２は、本発明による薄膜太陽電池の製造装置のプレスロールの構造を示す概念図であり、（ａ）はプレスロール１５の断面構成を、（ｂ）はプレスロール１５とフィルム基板1との寸法と接触位置をそれぞれ示している。図２（ｂ）において、フィルム基板１は、図１に示す薄膜電極層の形成装置によって、表面に金属箔膜２３が形成されるようになっており、その後、図示しないプラズマＣＶＤ装置により、半導体層からなる光電変換層が形成される発電領域２２を有している。
前記プレスロール１５は、図２（ａ）に示すように円筒状の回転体１８と、この回転体１８の軸線上に挿通された軸１９と、この軸１９と回転体１８の両端部内周面との間に設けられた軸受け２０とで構成され、前記回転体１８の両端部外周面には、一定の幅の弾性部材の層２１が設けられている。この弾性部材の層２１は、ゴム等の弾性を有する材料で形成されており、両側の弾性部材の層２１までの長さＭ1を、図２（ａ）（ｂ）に示すように前記フィルム基板１の電極となる発電領域２２の幅Ｎ1よりも大きく（Ｍ1≧Ｎ1）形成している。また両側の弾性部材の層２の端部までの長さＭ2≧フィルム基板１の幅Ｎ2に設定している。したがって、Ｍ1はＮ2よりも小さく、かつ、Ｍ1はＮ1よりも大きくＮ1≦Ｍ1≦Ｎ2設定している。弾性部材の層２１の幅（Ｍ2−Ｍ1）／２は、フィルム基板１の発電領域２２が形成されない金属薄膜部２３の幅（Ｎ2−Ｎ1）／２よりも大きく設定している。
上記実施の形態によると、まず、真空装置を作動させて複数の成膜室６および中間室８を真空状態に保持する。成膜室６はヒータ１１を内蔵した接地電極１２によって設定温度、約３００°Ｃに加熱され、高温度の真空状態に保たれている。そして、駆動装置の作動によって巻き出しロール２および巻取りロール４を回転させてフィルム基板１をフィルム搬送速度、約１ｍ／分で搬送する。巻き出しロール２から引き出されたフィルム基板１は複数の成膜室６および中間室８を経て巻取りロール４に巻き取られる。複数の成膜室６を通過するフィルム基板１は接地電極１２と高電圧電極１３の間を、立てた状態で通過し、接地電極１２と高電圧電極１３の放電によってフィルム基板１の片面に真空蒸着され、金属薄膜が形成される。
成膜室６で金属薄膜が形成されたフィルム基板１は巻取り室５に設けられたフィードロール１４とプレスロール１５からなる駆動ロール１６によって一定の張力を維持するように保持されて巻取り室５に搬送されて巻取りロール４に巻き取られる。このとき、プレスロール１５は両側の弾性部材の層２１によって、発電領域２２が形成されない金属薄膜部２３をフィードロール１４に圧接されてフィルム基板１を搬送するので、発電領域２２に直接、プレスロール１５のロール部分が接触する虞がない。よって、フィルム基板１に搬送シワを発生させる虞がない。
特に片面（裏面）にすでに金属薄膜を形成したフィルム基板１の反対面（背面）製膜時に際しても、発電領域２２に直接、プレスロール１５が接触する虞がないので、搬送シワの発生を防止することができる。こうして、両面に金属薄膜を形成したフィルム基板１は、半導体層を形成する次の工程に移る。
上記実施の形態によれば、プレスロール１５は両側の弾性部材の層２１によって、発電領域２２が形成されていない金属薄膜部２３をフィードロール１４に圧接されてフィルム基板１を搬送するので、発電領域２２に直接、プレスロール１５が接触する虞がなく、幅方向の張力分布が不均一とならないことから、フィルム基板１に搬送シワを発生させる虞がない。
本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、図２において、フィルム基板１の発電領域２２が形成されない金属薄膜部２３の幅（Ｎ2−Ｎ1）／２の範囲内に、図２Ａに示すように弾性部材の層２１の幅（Ｍ2−Ｍ1）／２が入るようにすれば、さらにシワ防止に効果がある。また、巻取り室５に設けられたフィードロール１４とプレスロール１５からなる駆動ロール１６のうちプレスロール１５に本発明を適用したが、他のロール部分に適用することも可能である。
また、上記実施の形態では、片面に金属薄膜を形成する薄膜電極層の形成装置に適用したが、両面に金属薄膜を形成する薄膜電極層の形成装置に適用することもできる。また、フィルム基板１を水平状態で搬送する薄膜電極層の形成装置に適用することもできる。さらに、金属薄膜を形成したフィルム基板上に半導体層を形成する光電変換層の形成装置に適用することもできるなど、その他、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜、変形して実施し得ることはいうまでもない。
本発明の薄膜太陽電池の製造装置の実施の形態による薄膜電極層の形成装置を示す構成図である。 本発明の薄膜太陽電池の製造装置の実施の形態によるプレスロールの構造を示したもので、（ａ）はプレスロールの断面構成を示す概念図、（ｂ）はプレスロールとフィルム基板との寸法と接触位置を示す概念図である。 図２（ｂ）に示すプレスロールとフィルム基板との寸法と接触位置の関係の変形例を示す概念図である。 従来の薄膜太陽電池の構成概念図を示す斜視図である。 従来の薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を示し、（ａ）〜（ｇ）は各工程を示す概念断面図である。 従来のステッピングロール成膜方式の真空成膜装置の構成を示す概念断面図である。 従来の成膜室の概略構造の一例を示し、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図である。 従来のスパッタリングによる成膜装置を示す概念図である。
符号の説明
１ フィルム基板
２ 巻き出しロール
３ 送り室
４ 巻取りロール
５ 巻取り室
６ 成膜室
７ ガイドロール
８ 中間室
９，１０ 駆動用補助ローラ
１１ ヒータ
１２ 接地電極
１３ 高電圧電極
１４ フィードロール（駆動ロール）
１５ プレスロール（駆動ロール）
１６ 駆動ロール
１８ 回転体
２１ 弾性部材の層
２２ 発電領域
２３ 金属薄膜部

Claims (3)

  1. 巻き出しロールに巻かれた帯状可撓性のフィルム基板を略真空状態に維持された成膜室に送り、前記成膜室に互いに対向して配置された接地電極と、ターゲット材を有する印加電極との間で放電させて、幅Ｎ ２ のフィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を、一定の加熱下で形成し、
    前記金属薄膜の表面に形成された幅Ｎ １ の発電領域は、Ｎ １ ＜Ｎ ２ であり、
    前記金属薄膜が形成されたフィルム基板を巻き取り室に設けられた巻取りロールで巻き取るようにした薄膜太陽電池の製造装置であって、
    前記巻取り室に、前記金属薄膜が形成された前記フィルム基板を一定の張力で搬送する一対の駆動ロールを設け、前記フィルム基板の幅方向両端部に対応する前記少なくとも一方の駆動ロールの両端部周面にそれぞれ弾性部材の層を形成し、
    両端の前記弾性部材の層間の長さＭ １ を前記発電領域の幅Ｎ １ よりも大きく、前記フィルム基板の幅Ｎ ２ よりも小さく設定したことを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
  2. 前記少なくとも一方の駆動ロールの両端部周面に設けられた前記弾性部材の層の幅（Ｍ ２ −Ｍ １ ）／２は、前記発電領域が形成されない前記金属薄膜部の幅（Ｎ ２ −Ｎ １ ）／２よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造装置。
  3. 前記発電領域が形成されていない前記金属薄膜部を、前記駆動ロールの両端部で圧接し、前記駆動ロールの前記両端部の間が、前記発電領域に接触することなく前記フィルム基板を搬送することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造装置。
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