JP5205874B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池の製造方法に関し、特に、フィルム基板上に太陽電池を形成する方法に適用して好適なものである。
薄膜光電変換素子を生産性よく製造する方法として、長尺の高分子材料あるいはステンレス鋼などの金属からなる可撓性基板上に、ａ−Ｓｉを主材料とした光電変換層を含む各層を形成する方法がある。ここで、長尺の可撓性基板上に複数の層を成膜する方式として、各成膜室内を移動する可撓性基板上に成膜するロールツーロール方式と、成膜室内で停止させた可撓性基板上に成膜した後、成膜の終わった可撓性基板部分を成膜室外へ送り出すステッピングロール方式とがある。そして、可撓性基板の自重により下方への撓みや位置ズレが発生するのを防止するため、可撓性基板に張力を与えながら可撓性基板を搬送するとともに、膜質を向上させるために、可撓性基板を加熱しながら、ＣＶＤやスパッタなどの成膜処理が行われる（特許文献１）。ここで、ポリイミドなどの高分子材料からなるフィルム基板の耐熱性は低く、成膜処理に必要な温度によっては塑性変形を起こすことが知られている。
図４は、張力を加えながら熱処理した時のフィルム基板の塑性変形量を示す図である。
図４において、例えば、フィルム基板としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、８０ｇの張力をフィルム基板に与えながらフィルム基板の温度を室温から上昇させると、ガラス転移点でフィルム基板の伸び量が急激に上昇し、さらにフィルム基板の温度を室温に下降させても、フィルム基板の伸びは元には戻ることなく、フィルム基板に塑性変形が発生する。
図４において、例えば、フィルム基板としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、８０ｇの張力をフィルム基板に与えながらフィルム基板の温度を室温から上昇させると、ガラス転移点でフィルム基板の伸び量が急激に上昇し、さらにフィルム基板の温度を室温に下降させても、フィルム基板の伸びは元には戻ることなく、フィルム基板に塑性変形が発生する。
また、図５に示すように、塑性変形を一旦起こしたフィルム基板に対して（（１１）→（１２））、張力を小さくしてフィルム基板の熱処理を再び行うと、フィルム基板が収縮し、フィルム基板の塑性変形量が小さくなる（（１３）→（１４））。
特開平８−２８３４９１号公報
しかしながら、図６に示すように、フィルム基板の塑性変形量はロットごとに一定になることはなく、変形量がロットごとにばらつきを示す。このため、フィルム基板の塑性変形量を予め見込んで位置合わせを行っても、成膜時の位置のずれを完全に解消することはできず、太陽電池の特性の劣化を招くというという問題があった。
また、従来の太陽電池の製造プロセスでは、フィルム基板に与えられる張力は工程ごとに個別に設定され、塑性変形量が工程ごとに変化するため、成膜時の位置ずれが工程ごとに発生するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、膜質を劣化させることなく、可撓性基板の成膜時の位置ずれを抑制することが可能な太陽電池の製造方法を提供することである。
また、従来の太陽電池の製造プロセスでは、フィルム基板に与えられる張力は工程ごとに個別に設定され、塑性変形量が工程ごとに変化するため、成膜時の位置ずれが工程ごとに発生するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、膜質を劣化させることなく、可撓性基板の成膜時の位置ずれを抑制することが可能な太陽電池の製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、請求項１記載の太陽電池の製造方法によれば、可撓性基板に直列ホールを形成した後、前記可撓性基板に一定の張力を与えながら前記可撓性基板に成膜処理を施して製造される太陽電池の製造方法であって、前記直列ホールを形成する前に、前記可撓性基板の成膜処理時と同一の張力を前記可撓性基板に与えながら前記可撓性基板の成膜処理温度より高く且つ前記可撓性基板のガラス転移点以上の温度で前記可撓性基板に熱処理を施すことを特徴とする。
これにより、可撓性基板が塑性変形を起こした状態で脱ガス処理などの第２の熱処理を行うことが可能となり、第２の熱処理におけるロットごとの可撓性基板の塑性変形量のばらつきを吸収することが可能となるとともに、第１の熱処理時に塑性変形を一旦起こした可撓性基板の塑性変形量が第２の熱処理時に変化しないようにすることができる。このため、第２の熱処理に必要な温度によっては可撓性基板が塑性変形を起こす場合においても、第２の熱処理に必要な温度を確保しつつ、可撓性基板の熱処理時の位置ずれを抑制することが可能となり、太陽電池の特性を向上させることができる。
また、可撓性基板が塑性変形を起こした状態で成膜処理を行うことが可能となり、成膜処理におけるロットごとの可撓性基板の塑性変形量のばらつきを吸収することが可能となるとともに、熱処理時に塑性変形を一旦起こした可撓性基板の塑性変形量が成膜処理時に変化しないようにすることができる。このため、成膜処理に必要な温度によっては可撓性基板が塑性変形を起こす場合においても、成膜処理に必要な温度を確保しつつ、可撓性基板の成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となり、太陽電池の特性を向上させることができる。
また、請求項２記載の太陽電池の製造方法によれば、前記成膜処理が、前記可撓性基板の表面に裏面電極を形成すると共に前記可撓性基板の背面に背面電極を形成する工程と、前記裏面電極の上に光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層の上に透明電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
これにより、脱ガス処理や成膜処理に必要な温度を確保しつつ、可撓性基板の脱ガス処理や成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となるとともに、複雑な配線プロセスを用いることなく、可撓性基板上に形成された光電変換層を直列接続することができる。このため、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、太陽電池から出力される電圧を上げることが可能となるとともに、太陽電池の特性を向上させることができ、品質のよい太陽電池を安価に提供することができる。
以上説明したように、本発明によれば、熱処理に必要な温度を確保しつつ、可撓性基板の熱処理時の位置ずれを抑制することが可能となり、太陽電池の特性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造方法の概略構成を示すブロック図である。
図１において、フィルム基板１１上には裏面電極層１２を介して光電変換層１３が積層され、光電変換層１３上には透明電極層１４が積層されている。また、フィルム基板１１の裏面には背面電極層１５が形成されている。なお、背面電極層１５としては、例えば、Ａｇ／ＺｎＯ積層構造およびＮｉ層、裏面電極層１２としては、例えば、Ａｇ／ＺｎＯ積層構造、フィルム基板１１としては、例えば、ポリイミドやポリエチレンなどの樹脂フィルム、光電変換層１３としては、例えば、アモルファスシリコンからなるｐｉｎ構造、透明電極層１４としては、例えば、ＩＴＯを用いることができる。また、光電変換層１３の厚みは、例えば、１μｍ程度、フィルム基板１１の厚みは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造方法の概略構成を示すブロック図である。
図１において、フィルム基板１１上には裏面電極層１２を介して光電変換層１３が積層され、光電変換層１３上には透明電極層１４が積層されている。また、フィルム基板１１の裏面には背面電極層１５が形成されている。なお、背面電極層１５としては、例えば、Ａｇ／ＺｎＯ積層構造およびＮｉ層、裏面電極層１２としては、例えば、Ａｇ／ＺｎＯ積層構造、フィルム基板１１としては、例えば、ポリイミドやポリエチレンなどの樹脂フィルム、光電変換層１３としては、例えば、アモルファスシリコンからなるｐｉｎ構造、透明電極層１４としては、例えば、ＩＴＯを用いることができる。また、光電変換層１３の厚みは、例えば、１μｍ程度、フィルム基板１１の厚みは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。
そして、背面電極層１５には、背面電極層１５を分割する溝１９が形成されるとともに、裏面電極層１２、光電変換層１３および透明電極層１４には、裏面電極層１２、光電変換層１３および透明電極層１４を分割する溝１８が溝１９と平行に互い違いに形成され、ユニットセルＵ１〜Ｕ４が構成されている。そして、フィルム基板１１には、分割された光電変換層１３を直列接続する直列ホール１６がユニットセルＵ１〜Ｕ４ごとに形成され、フィルム基板１１にて隔てられた背面電極層１５と裏面電極層１２とは直列ホール１６を介して互いに接続されている。
また、フィルム基板１１、裏面電極層１２および背面電極層１５には、光電変換層１３で発生した電荷を背面電極層１５側に集電する集電ホール１７がユニットセルＵ１〜Ｕ４ごとに形成され、光電変換層１３および透明電極層１４は集電ホール１７を介して背面電極層１５に接続されている。
ここで、各ユニットセルＵ１〜Ｕ４の直列ホール１６がその直下の背面電極層１５にそれぞれ接続されるとともに、直列ホール１６が接続された背面電極層１５にそれぞれ隣接する背面電極層１５に各ユニットセルＵ１〜Ｕ４の集電ホール１７が接続されるように、直列ホール１６および集電ホール１７の配置位置を決めることができる。
ここで、各ユニットセルＵ１〜Ｕ４の直列ホール１６がその直下の背面電極層１５にそれぞれ接続されるとともに、直列ホール１６が接続された背面電極層１５にそれぞれ隣接する背面電極層１５に各ユニットセルＵ１〜Ｕ４の集電ホール１７が接続されるように、直列ホール１６および集電ホール１７の配置位置を決めることができる。
これにより、フィルム基板１１上で分割された光電変換層１３を薄膜のみで直列接続することが可能となり、外部配線なしでインバータに適する電圧を得ることが可能となることから、並列接続のみでシステムを構成することができる。
また、図１の太陽電池を製造する場合、フィルム基板１１に一定の張力を与えながらフィルム基板１１のガラス転移点以上の温度でフィルム基板１１の熱処理を行うとともに、その熱処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力を与えながらフィルム基板１１の成膜処理を行うことができる。
また、図１の太陽電池を製造する場合、フィルム基板１１に一定の張力を与えながらフィルム基板１１のガラス転移点以上の温度でフィルム基板１１の熱処理を行うとともに、その熱処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力を与えながらフィルム基板１１の成膜処理を行うことができる。
これにより、フィルム基板１１が塑性変形を起こした状態で成膜処理を行うことが可能となり、成膜処理におけるロットごとのフィルム基板１１の塑性変形量のばらつきを吸収することが可能となるとともに、熱処理時に塑性変形を一旦起こしたフィルム基板１１の塑性変形量が成膜処理時に変化しないようにすることができる。このため、成膜処理に必要な温度によってはフィルム基板１１が塑性変形を起こす場合においても、成膜処理に必要な温度を確保しつつ、フィルム基板１１の成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となり、太陽電池の特性を向上させることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造工程を示すブロック図である。
図２において、フィルム基板１１に一定の張力を与えながらフィルム基板１１のガラス転移点以上の温度でフィルム基板１のアニール処理を行う（Ｋ１１）。なお、このアニール処理で与える張力は、それ以降の処理でフィルム基板１にかかる最も強い張力に設定することができる。例えば、フィルム基板１１としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、フィルム基板１１のアニール処理の条件として、温度が２０℃→３５０℃（２〜３分）→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
図２において、フィルム基板１１に一定の張力を与えながらフィルム基板１１のガラス転移点以上の温度でフィルム基板１のアニール処理を行う（Ｋ１１）。なお、このアニール処理で与える張力は、それ以降の処理でフィルム基板１にかかる最も強い張力に設定することができる。例えば、フィルム基板１１としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、フィルム基板１１のアニール処理の条件として、温度が２０℃→３５０℃（２〜３分）→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
次に、金型プレスなどの方法にて、フィルム基板１１に直列ホール１６を形成する（Ｋ１２）。なお、この直列ホール１６の形成と同時にフィルム基板１１の位置を識別するためのマーク孔を形成することができる。
次に、アニール処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力をフィルム基板１１に与えながら、フィルム基板１１の真空加熱を行うことにより、フィルム基板１１の脱ガス処理を行う（Ｋ１３）。例えば、フィルム基板１１の脱ガス処理の条件として、温度が２０℃→３５０℃→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
次に、アニール処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力をフィルム基板１１に与えながら、フィルム基板１１の真空加熱を行うことにより、フィルム基板１１の脱ガス処理を行う（Ｋ１３）。例えば、フィルム基板１１の脱ガス処理の条件として、温度が２０℃→３５０℃→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
次に、アニール処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力をフィルム基板１１に与えながらスパッタ処理を行うことにより、Ａｇ／ＺｎＯ積層構造からなる裏面電極１２および背面電極１５をフィルム基板１１に形成する（Ｋ１４）。なお、この時のスパッタ処理の条件として、例えば、温度が２０℃→３００℃→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
次に、金型プレスなどの方法にて、フィルム基板１１に集電ホール１７を形成する（Ｋ１５）。
次に、レーザスクライブなどの方法にて、裏面電極１２を分割する溝１８を形成する（Ｋ１６）。
次に、金型プレスなどの方法にて、フィルム基板１１に集電ホール１７を形成する（Ｋ１５）。
次に、レーザスクライブなどの方法にて、裏面電極１２を分割する溝１８を形成する（Ｋ１６）。
次に、アニール処理でフィルム基板１１に与えられたのと同一の張力を与えながらＣＶＤまたはスパッタ処理を行うことにより、a−Ｓｉからなる光電変換層１３およびＩＴＯからなる透明電極層１４をフィルム基板１１の表面側に順次形成するとともに、フィルム基板１１の裏面側にＮｉ電極を形成する（Ｋ１７）。なお、この時のＣＶＤまたはスパッタ処理の条件として、例えば、温度が２０℃→３２０℃→２０℃、張力が１６ｋｇ／１０００ｍｍとなるように設定することができる。
次に、フォトエッチングなどの方法にて、直列ホール１６上の透明電極層１４が除去されるように透明電極層１４をパターニングする（Ｋ１７）。
次に、溝１８と平行に互い違いに配置されるようにして背面電極１５を分割する溝１９を形成する（Ｋ１９）。
これにより、脱ガス処理や成膜処理に必要な温度を確保しつつ、フィルム基板１１の脱ガス処理や成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となるとともに、複雑な配線プロセスを用いることなく、フィルム基板１１上に形成された光電変換層１３を直列接続することができる。このため、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、太陽電池から出力される電圧を上げることが可能となるとともに、太陽電池の特性を向上させることができ、品質のよい太陽電池を安価に提供することができる。
次に、溝１８と平行に互い違いに配置されるようにして背面電極１５を分割する溝１９を形成する（Ｋ１９）。
これにより、脱ガス処理や成膜処理に必要な温度を確保しつつ、フィルム基板１１の脱ガス処理や成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となるとともに、複雑な配線プロセスを用いることなく、フィルム基板１１上に形成された光電変換層１３を直列接続することができる。このため、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、太陽電池から出力される電圧を上げることが可能となるとともに、太陽電池の特性を向上させることができ、品質のよい太陽電池を安価に提供することができる。
図３は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造工程における張力を加えながら熱処理した時のフィルム基板の塑性変形量を示す図である。
図３において、例えば、フィルム基板１１としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、１６ｇの張力をフィルム基板１１に与えながらフィルム基板の温度を２０℃から３５０℃に上昇させ（１）、その後にフィルム基板１１の温度を２０℃に下降させると（２）、フィルム基板１１に塑性変形が発生する。そして、そのフィルム基板１１に１６ｇの張力を与えながら、ガラス転移点以下の温度範囲内でフィルム基板１１の温度を上下させても（３）、それ以降のフィルム基板１１の塑性変形量Ｒは誤差の範囲内でほぼ０にすることができ、それ以降の工程におけるフィルム基板１１の成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となる。
図３において、例えば、フィルム基板１１としてポリイミド（東レデュポン製カプトン２００ＥＮ）を用いた場合、１６ｇの張力をフィルム基板１１に与えながらフィルム基板の温度を２０℃から３５０℃に上昇させ（１）、その後にフィルム基板１１の温度を２０℃に下降させると（２）、フィルム基板１１に塑性変形が発生する。そして、そのフィルム基板１１に１６ｇの張力を与えながら、ガラス転移点以下の温度範囲内でフィルム基板１１の温度を上下させても（３）、それ以降のフィルム基板１１の塑性変形量Ｒは誤差の範囲内でほぼ０にすることができ、それ以降の工程におけるフィルム基板１１の成膜処理時の位置ずれを抑制することが可能となる。
Ｕ１〜Ｕ４ ユニットセル
１１ フィルム基板
１２ 裏面電極層
１３ 光電変換層
１４ 透明電極層
１５ 背面電極層
１６ 直列ホール
１７ 集電ホール
１８、１９ 溝
１１ フィルム基板
１２ 裏面電極層
１３ 光電変換層
１４ 透明電極層
１５ 背面電極層
１６ 直列ホール
１７ 集電ホール
１８、１９ 溝
Claims (2)
- 可撓性基板に直列ホールを形成した後、前記可撓性基板に一定の張力を与えながら前記可撓性基板に成膜処理を施して製造される太陽電池の製造方法であって、前記直列ホールを形成する前に、前記可撓性基板の成膜処理時と同一の張力を前記可撓性基板に与えながら前記可撓性基板の成膜処理温度より高く且つ前記可撓性基板のガラス転移点以上の温度で前記可撓性基板に熱処理を施すことを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 前記成膜処理は、前記可撓性基板の表面に裏面電極を形成すると共に前記可撓性基板の背面に背面電極を形成する工程と、前記裏面電極の上に光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層の上に透明電極を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
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