JP5334827B2

JP5334827B2 - 印刷機

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Publication number: JP5334827B2
Application number: JP2009288856A
Authority: JP
Inventors: 光徳中谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011126228A

Description

本発明は、印刷機に関する。

結晶系太陽電池セルの大量生産において、電極材料となる金属粒子を含んだペーストをスクリーン印刷法で印刷し、焼結して電極にする工程が採用される。太陽電池セルの受光面側の電極は、抵抗が低く電力ロスが低い方が望ましい。しかし、受光面側の電極の抵抗を低くするために受光面側の電極の幅を広くすると、太陽電池セルに入射する光が受光面側の電極により遮られて太陽電池セルの受光する光の量が減ってしまう。

また、太陽電池セルでは、受光面に、入射した光を閉じ込めるため反射防止膜やテクスチャー（凹凸構造）を設ける。このテクスチャー（凹凸構造）を設けた領域と受光面側の電極とが重なり合わないように両者を近接させて加工配置する高効率セルもある。

そこで、太陽電池セルの製造において、受光面側の電極の電力ロスを抑制したまま、電極を細線化するとともに、工程毎の重ね合せ精度を向上させるための工夫が要求されている。

結晶系太陽電池セルの大量生産を目指した製造工程では、金属粉末を含有するペーストを印刷法により基板に印刷し、その基板を乾燥、焼結することにより、基材上に電極を形成する。通常のスクリーン印刷において、受光面側の焼結後の低抵抗に維持した電極寸法は、100μｍ幅、厚み20μｍ、つまり、アスペクト比で0.2程度が限界である。これより幅を短縮するとともに電極断面積を維持した厚い電極を印刷することは困難である。

電極ペーストは、金属粒子、重金属酸化物（ガラスフリット）、樹脂成分、及び有機溶剤を含んでおり、印刷にじみを抑制するために有機成分でチクソ性を持たせている。しかし、このような電極ペーストによっても、十分に印刷にじみが抑制できず、電極の細線化が困難である。太陽電池セルの表面にはテクスチャー（凹凸構造）が設けられており、印刷にじみは、この凹部にペーストが流がれてしまうことによっても引き起こされる。

また、受光した光を効率良く閉じ込めてエネルギー変換を行うためには、受光面側に凹凸パターンを設けた後に表電極パターンを精度良く位置合せを行い印刷することが必要である。このとき、下地パターンへの印刷における位置合わせ精度が±２０μｍ以下と非常に要求が厳しくなっている。

スクリーンマスクを用いた印刷法において、印刷時にスキージゴムでマスク上の電極ペーストを掻き出して基板上にパターニングする。印刷時におけるマスクと基板との間隔を印刷ギャップと呼び、２ｍｍ程度平行になるように間隔をあけることでマスクの版離れをよくしている。但し、この手法では、スキージゴムでマスク上の電極ペーストを掻き出す際にマスクが伸びてしまうので、印刷における重ね合せ精度は悪くなる。

特許文献１には、太陽電池用基板上に形成された溝部に銀ペーストを減圧下で充填することが記載されている。具体的には、特許文献１では、印刷ステージ上に配した真空シールによってスクリーン製版と基板との間に空間を形成し、真空ポンプが、印刷ステージ上に吸気孔が形成された排気管を介して、スクリーン製版と基板との間の空間を減圧する。これにより、特許文献１によれば、溝部に銀ペーストを充填した際に、溝部内に気泡が残留しなくなり、充填量不足の箇所が存在しなくなるとされている。

特開２００６−５４３７４号公報（図２参照）

特許文献１では、印刷ステージ上に吸気孔を形成し、この吸気孔を介してスクリーン製版と基板との間の空間を減圧して、溝部内の気泡残留阻止を行うことが示されているに過ぎない。また、特許文献１では、スクリーン製版と基板との間に、基板の厚さよりも大きな間隔のギャップ（印刷ギャップ）が設けられている。この印刷ギャップが大きいと、印刷におけるスクリーン製版と基板との重ね合せ精度は悪くなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被印刷物と印刷マスクとの重ね合わせ精度を向上できる印刷機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる印刷機は、被印刷物が載置される凹部と前記凹部の周辺に配された周辺部とを有し、前記被印刷物が前記凹部に載置されたときに前記周辺部の上面が前記被印刷物の表面と等しい高さになるように、前記被印刷物を支持固定する印刷ステージと、前記印刷ステージに支持固定された前記被印刷物に電極パターンを印刷するための印刷マスクと、を備え、前記周辺部は、前記周辺部の上面を前記印刷マスクに吸着させる真空吸着部と、前記周辺部の上面が前記真空吸着部により前記印刷マスクに吸着された状態で、前記被印刷物の表面と前記印刷マスクとの間の隙間を加圧する加圧部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、被印刷物と印刷マスクとの相対的な位置関係がずれにくいので、被印刷物と印刷マスクとの重ね合わせ精度を向上できる印刷機を得ることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機の断面構成を示す図である。図２は、実施の形態１における印刷ステージの構成を示す平面図である。図３は、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機で印刷された太陽電池セルの断面拡大図である。図４は、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機で印刷された電極の位置ズレを表した図である。図５は、実施の形態１における基板（セル）の表面における電極レイアウト図と裏面における電極レイアウト図とである。図６は、実施の形態１における太陽電池セルの製法を示す工程図である。図７は、先行技術を説明するための図である。図８は、先行技術を説明するための図である。図９は、比較例を説明するための図である。図１０は、先行技術を説明するための図である。図１１は、実施の形態２に係わるコンタクト印刷機で印刷された太陽電池セルの断面拡大図である。図１２は、実施の形態２における太陽電池セルの製法を示す工程図である。

以下に、本発明にかかる印刷機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、太陽電池セルの製造方法について説明する。

図６は、太陽電池セルの製造方法の一例（以下、製法Ａとする）を示す工程図である。図６に示すステップＳ１では、ｐ型不純物を低濃度で含むｐ型基板（図示せず）を準備し、そのｐ型基板に表面処理を施すことにより、ｐ型基板の表面にテクスチャー（凹凸パターン）を形成する。ステップＳ２では、熱拡散法などにより、ｐ型基板の表面及び裏面にｎ型不純物を拡散させて、ｎ層１５（図８参照）をｐ型基板における表面および裏面の近傍にそれぞれ形成する。ｐ型基板におけるｎ層１５が形成されなかった領域は、ｐ層１４（図８参照）として残る。ステップＳ３では、ドライエッチングなどにより、裏面側のｎ層１５を除去する。ステップＳ４では、ｎ層１５の表面に反射防止膜１６を形成する。このように、ｐ層１４、ｎ層１５、及び反射防止膜１６が順に積層されたセル（ワーク）１１が形成される。ステップＳ５では、スクリーン印刷法により、セル１１の表面及び裏面に電極を形成する。

次に、ステップＳ５における処理を、図５及び図７〜図１１を用いて説明する。図５（ａ）は、ステップＳ５が完了した状態の基板を表面側から見た場合における平面図である。図５（ｂ）は、ステップＳ５が完了した状態の基板を裏面側から見た場合における平面図である。

図６に示すステップＳ５では、セル１１の裏面上に裏アルミ電極１８と裏銀バス電極１７とを印刷し、その後、乾燥する（図５（ｂ）参照）。引き続いて、セル１１を上下反転し、セル１１の表面上に（反射防止膜１６上に）表電極１９と表銀バス電極２０とを印刷し、その後、乾燥し、焼成する。

次に、スクリーン印刷法で印刷を行うスクリーン印刷機の構成を、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、印刷を行う直前におけるスクリーン印刷機の断面構成を示し、図７（ｂ）は、印刷中におけるスクリーン印刷機の断面構成を示す。以下では、セル１１の表面上に表電極１９と表銀バス電極２０とを印刷する場合について例示的に説明するが、セル１１の裏面上に裏アルミ電極１８と裏銀バス電極１７とを印刷する場合についても同様である。

スクリーン印刷機１００は、図７（ａ）に示すように、印刷ステージ１、印刷マスク６、スキージ９を備える。

印刷ステージ１は、凹部１ａ、周辺部１ｂ、及び底部１ｃを有する。凹部１ａには、セル（被印刷物）１１が載置される。周辺部１ｂは、凹部１ａの周辺に配されている。凹部１ａは、セル１１の厚さと略等しい深さを有している。これにより、印刷ステージ１は、セル１１が凹部１ａに載置されたときに周辺部１ｂの上面１ｂ１がセル１１の表面１１１と略等しい高さになる。

底部１ｃは、凹部１ａの下に配されている。底部１ｃの上面１ｃ１は、凹部１ａの底面でもあり、その上にセル１１が載置される面である。底部１ｃは、真空吸着部２を有する。真空吸着部２は、セル１１の裏面１１２を底部１ｃの上面１ｃ１に吸着させる。真空吸着部２は、底部１ｃの上面１ｃ１に形成された複数の穴２ａと、複数の穴２ａのそれぞれから底部１ｃ内を延びた真空経路２ｂとを有する。図示しない真空ポンプは、穴２ａ及び真空経路２ｂを介して気体を排出させる。これにより、印刷ステージ１は、セル１１が凹部１ａに載置されたときに周辺部１ｂの上面１ｂ１がセル１１の表面１１１と略等しい高さになるように、セル１１を真空吸着することにより支持固定する。

印刷マスク６は、印刷ステージ１に支持固定されたセル１１に電極パターンを印刷するためのマスクパターンを有している。すなわち、印刷マスク６は、セル１１の上方に位置する領域に、電極パターンに対応した開口パターンを有している。印刷マスク６は、周辺部１ｂの上面１ｂ１に対して間隔Ｇ１を隔てて離れた場所に配される。セル１１が凹部１ａに載置されたとき、印刷マスク６とセル１１の表面１１１との間隔（印刷ギャップ）Ｚも、間隔Ｇ１に略等しい。

スキージ９は、印刷マスク６上に金属ペースト７が塗布された際に、印刷マスク６に所定の押圧力を加えて、図中の矢印方向に摺動される。これにより、スキージ９は、印刷マスク６の開口パターンを通して金属ペースト７をセル１１側に押出し、電極パターンをセル１１の表面１１１に印刷する。

次に、スクリーン印刷機１００の動作を、図７を用いて説明する。

印刷の直前では、図７（ａ）に示すように、印刷マスク６上に金属ペースト７をスクレッパー８で薄くコートする。セル１１を印刷ステージ１の凹部１ａに載置した状態で穴２ａを通して真空吸着する。セル１１の裏面は、既に裏銀バス電極１７や裏アルミ電極１８が印刷乾燥されており、僅かながら穴２ａからの真空がセル１１の側方の大気へリークしている。

印刷中では、図７（ｂ）に示すように、印刷ギャップＺ（例えば、Ｚ＝２ｍｍ）でスキージ９を上方より押し付けて印刷方向に掻いて受光面側の電極パターンを印刷する。印刷ギャップＺ（例えば、Ｚ＝２ｍｍ）としているので、印刷マスク６が金属ペースト７の粘着力でセル１１に引っ張られることに打ち勝つことができる。

ここで、図７に示すスクリーン印刷法で印刷した場合、大きな総印荷重をかけてマスクを引っ張り下げながら、電極パターンをセル１１の表面に印刷する。例えば、印刷ギャップＺ＝１〜３ｍｍにおいて、総印荷重１００Ｎをかけてマスクを引っ張り下げながら印刷を行う。このように、セルに加わる総印荷重が大きいと、セル割れやパターン歪みが大きくなり、高精度な印刷が不可能になる。

また、印刷マスク６が伸びるので、電極パターンの位置決め精度は大きく劣化する。製法Ａ（図６参照）で製作されたセル１１の受光面側はピラミッド形状を理想としているため、凹凸による段差が約１０μｍもある（図８参照）。そして、印刷される金属ペーストの厚さも同じレベルすなわち約１０μｍであるので、凹部へペースト流動性によって流れて印刷にじみが顕在化する。図８はその状態を示す図であり、電極幅Ｌ２は、例えば、設計幅が１００μｍであるのに対して、仕上がり幅が１５０μｍになる。すなわち、大幅な印刷にじみが発生し、受光面電極によるカバー率が大きくなり、太陽電池セルの受光面積が減る結果、太陽電池セルの変換効率が下がる。

さらに、図７に示すスクリーン印刷法で印刷した場合、電極の仕上がり位置が設計位置から例えば２０μｍ以上大きくずれる。この結果の一例を図１０に示す。このように電極の仕上がり位置が設計位置から大きくずれると、例えば、図１１に示すような、反射防止膜１６における平坦な部分であるテラス部１３の幅が２００μｍ以下で設計したい場合に、位置決め精度が±４０μｍであれば、表グリッドの仕上り幅Ｌ３を１２０μｍ以下にしなければならなくなる。

次に、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機の構成を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機の断面構成を示す。図２は、実施の形態１における印刷ステージの構成を示す平面図である。以下では、上記のスクリーン印刷機１００と区別するために本実施の形態にかかる印刷機をコンタクト印刷機と呼ぶ。また、以下では、上記のスクリーン印刷機１００と異なる部分を中心に説明する。

図１に示すコンタクト印刷機２００は、印刷ステージ２０１を有する。印刷ステージ２０１は、周辺部２０１ｂを有する。周辺部２０１ｂは、真空吸着部２０４、加圧部２０５、及びシール部２０３を有する。

真空吸着部２０４は、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１に形成された溝２０４ａと、溝２０４ａから周辺部２０１ｂ内を延びた真空経路２０４ｂとを有する。図示しない真空ポンプは、溝２０４ａ及び真空経路２０４ｂを介して気体を排出させる。これにより、真空吸着部２０４は、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１を印刷マスク６ｉに吸着させる。このため、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１と印刷マスク６ｉとの間隔Ｇ２≒０となるので、印刷マスク６ｉとセル１１の表面との間隔（印刷ギャップ）Ｚ≒０となる。この結果、セル１１と印刷マスク６ｉとがずれにくくなるので、セル１１と印刷マスク６ｉとの重ね合わせ精度を向上できる。

また、溝２０４ａは、例えば、図２に示すように、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１に垂直な方向から見た場合に、凹部１ａを囲むように延びていてもよい。この場合、真空吸着部２０４は、印刷マスク６ｉに対して少なくとも４方向に均等な力で吸着できるので、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１を印刷マスク６ｉに安定して吸着させることができる。

加圧部２０５は、空間１ａ２から周辺部２０１ｂ内を延びた加圧経路２０５ｂを有する。空間１ａ２は、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１が真空吸着部２０４により印刷マスク６ｉに吸着された状態におけるセル１１の表面１１１と印刷マスク６ｉとの隙間まで延びている。

シール部２０３は、セル１１の裏面１１２と底部１ｃの上面１ｃ１との隙間をシールする。シール部２０３は、吸着漏れ防止材２０３ａを有する。吸着漏れ防止材２０３ａは、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１に垂直な方向から見た場合に、周辺部２０１ｂの内側でセル１１をその外縁に接しながら囲むように延びている（図２参照）。吸着漏れ防止材２０３ａは、例えば、柔軟性のあるシリコーンゴム等の高分子樹脂で形成されている。

ここで、仮に、加圧部２０５及びシール部２０３が設けられていない場合を考える。この場合、図９に破線で示すように、セル１１の側面１１３と凹部１ａの内側面１ａ１との間の空間１ａ２から真空吸着用の穴２ａへの真空リーク経路１０がある。このため、印刷マスク６ｉの上方の大気に対して空間１ａ２が負圧になることに伴いセル１１と印刷マスク６ｉとの隙間も負圧となる。これにより、スキージ９で掻きだされる瞬間の金属ペースト７が隙間へ引き込まれ、顕著な印刷にじみを引き起こす。その結果、図８で示す電極の仕上がり幅Ｌ２は例えば２００μｍにもなり、電極のエッジにおける平滑性も極めて悪くなる。

それに対して、本実施の形態では、図示しない加圧ポンプは、加圧経路２０５ｂを介して空間１ａ２を加圧する。これにより、印刷マスク６ｉの上方の大気に対して空間１ａ２が陽圧になることに伴いセル１１と印刷マスク６ｉとの隙間も陽圧となる。すなわち、加圧部２０５は、空間１ａ２を加圧することにより、セル１１の表面１１１と印刷マスク６ｉとの隙間を加圧する。これにより、スキージ９で掻きだされる瞬間の金属ペースト７が隙間へ引き込まれにくくなるので、印刷にじみを抑制できる。その結果、電極の仕上がり幅Ｌ２を細くすることができ、電極のエッジにおける平滑性の劣化を抑制できる。

また、シール部２０３の吸着漏れ防止材２０３ａは、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１に垂直な方向から見た場合に、周辺部２０１ｂの内側でセル１１をその外縁に接しながら囲むように延びている（図２参照）。これにより、空間１ａ２から真空吸着用の穴２ａへの真空リーク経路１０（図９参照）が形成されにくくなり、加圧部２０５が空間１ａ２を効率的に加圧するようにできる。

本実施の形態では、図６に示すステップＳ５におけるコンタクト印刷機による処理が次の点で、上記のスクリーン印刷機１００による処理と異なる。印刷時に、印刷ギャップＺ≒０として、セルを印刷ステージへ真空吸着させ、印刷マスクを印刷ステージにおける周辺部へ真空吸着させ、低印荷重で電極パターンの印刷を行う。スキージを用いた印刷を完了した後に、スキージアップを行い、セル及び印刷マスクの真空吸着を大気解放し、印刷マスクの印刷ヘッドと印刷ステージとの間を広げるように印刷マスクを上に上げる。そして、セルを載せた印刷ステージを移動してアンローディングを行うとともに、次に処理すべきセルのローディングを行う。この間に金属ペースト７を印刷マスクの全面にコートする。

以上のように、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機で印刷すると、太陽電池セルのグリッド電極を印刷する際にセルと印刷マスクとの相対的な位置関係がずれにくいので、セルと印刷マスクとの重ね合わせ精度を向上できる（図４参照）。例えば、図７に示すスクリーン印刷機で印刷した場合における電極パターンの位置ずれ量が最大３５μｍである（図１０参照）のに対して、実施の形態１にかかるコンタクト印刷機で印刷した場合における電極パターンの位置ずれ量が最大２０μｍまで低減している（図４参照）。

また、セルに加わる総印荷重を低減でき、スキージ端と中央部とで均一に低荷重をかけながら、電極パターンの印刷を行うことができる。これにより、セル割れやパターン歪みを低減できる。

さらに、太陽電池セルのグリッド電極を印刷する際における印刷にじみを抑制して細く（図３におけるＬ１＜図８におけるＬ２）印刷できる。コンタクト印刷機で印刷された太陽電池セルは、安価で大量生産が容易なので印刷法やマスクや印刷機をそのまま使用でき、表電極の抵抗を増加させずに電極面積を減らして変換効率が高い太陽電池セルを提供することができる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかるコンタクト印刷機では、加圧部２０５の動作が実施の形態１と異なる。すなわち、加圧部２０５は、周辺部２０１ｂの上面２０１ｂ１が真空吸着部２０４により印刷マスク６ｉに吸着された状態で、第１の状態と第２の状態とを切替可能に構成されている。第１の状態は、空間１ａ２を加圧することにより、セル１１の表面１１１と印刷マスク６ｉとの隙間を加圧する状態である。第２の状態は、空間１ａ２を減圧することによりセル１１の表面１１１を印刷マスク６ｉに吸着させる状態である。加圧部２０５は、例えば、第１の状態と第２の状態とを切替えるための切替機構（図示せず）を含む。

例えば、図１２に示す太陽電池セルの製造方法（以下、製法Ｂとする）で製造されたセル１１の表面１１１（反射防止膜１６の表面）には、図１１に示す非常に平坦なテラス部１３と、テクスチャー（凹凸パターン）を有するテクスチャー１２とが形成されている。このテラス部１３に電極パターンを印刷する際に、切替機構（図示せず）が、加圧経路２０５ｂが加圧ポンプ（図示せず）に接続された状態から加圧経路２０５ｂが真空ポンプ（図示せず）に接続された状態へ切り替える。切り替えられた後、真空ポンプ（図示せず）は、加圧経路２０５ｂを介して空間１ａ２を減圧する。これにより、セル１１の表面１１１を印刷マスク６ｉに強固に吸着させることができる。この結果、印刷する際に基板（セル）と印刷マスクとの位置関係がさらにズレにくくなるので、基板（セル）と印刷マスクとの重ね合わせ精度はさらに向上する。また、テラス部１３と印刷マスクとが強固に吸着されるので、印刷にじみも抑制できる。

次に、製法Ｂについて、製法Ａと異なる部分を中心に説明する。

図１２に示すステップＳ１６では、セル１１の表面におけるテラス部を形成すべき領域を選択的に覆う保護膜パターン（テラス保護膜）を形成する。ステップＳ１７では、保護膜パターン（テラス保護膜）を除去する。

以上のように、本発明にかかる印刷機は、太陽電池セルの製造方法に有用であり、特に、結晶系太陽電池セルの大量生産に適している。

１，２０１印刷ステージ
２真空吸着部
６，６ｉ印刷マスク
７金属ペースト
８スクレッパー
９スキージ
１０真空リーク経路
１１セル
１２テクスチャー部
１３テラス部
１４ｐ層
１５ｎ層
１６反射防止膜
１７裏銀バス電極
１８裏アルミ電極
１９表電極
２０３シール部
２０４真空吸着部
２０５加圧部

Claims

被印刷物が載置される凹部と前記凹部の周辺に配された周辺部とを有し、前記被印刷物
が前記凹部に載置されたときに前記周辺部の上面が前記被印刷物の表面と等しい高さにな
るように、前記被印刷物を支持固定する印刷ステージと、
前記印刷ステージに支持固定された前記被印刷物に電極パターンを印刷するための印刷
マスクと、
を備え、
前記周辺部は、前記周辺部の上面を前記印刷マスクに吸着させる真空吸着部と、
前記周辺部の上面が前記真空吸着部により前記印刷マスクに吸着された状態で、前記被
印刷物の表面と前記印刷マスクとの間の隙間を加圧する加圧部と
を有する
ことを特徴とする印刷機。
前記真空吸着部は、
前記周辺部の上面に形成された溝と、
前記溝から前記周辺部内を延びた真空経路と、
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の印刷機。
前記溝は、前記周辺部の上面に垂直な方向から見た場合に、前記凹部を囲むように延び
ている
ことを特徴とする請求項２に記載の印刷機。
前記被印刷物の側面と前記凹部の内側面との間の空間は、前記隙間まで延びており、
前記加圧部は、前記空間から前記周辺部内を延びた加圧経路を有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の印刷機。
前記加圧部は、前記周辺部の上面が前記真空吸着部により前記印刷マスクに吸着された
状態で、前記空間を加圧することにより前記隙間を加圧する第１の状態と、前記空間を減
圧することにより前記被印刷物の表面を前記印刷マスクに吸着させる第２の状態とを切替
可能に構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の印刷機。