JP5369011B2 - 溝加工ツール及びこれを用いた薄膜太陽電池の溝加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、集積型薄膜太陽電池を製造する際の溝加工方法、並びに、この溝加工に用いる溝加工ツールに関する。

薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。

従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。図８は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、図８（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２をスパッタリング法によって形成した後、光吸収層形成前の薄膜太陽電池基板に対してスクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｓを形成する。

その後、図８（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層３を蒸着法、スパッタリング法等によって形成し、その上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層４を形成する。そして、透明電極層形成前の薄膜太陽電池基板に対して、下部電極分離用の溝Ｓから横方向に所定距離はなれた位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｍ１を形成する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、絶縁層４の上からＺｎＯ：Ａｌ薄膜からなる上部電極としての透明電極層５を形成し、光電変換を利用した発電に必要な各機能層を備えた太陽電池基板とし、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層２にまで到達する電極分離用の溝Ｍ２を形成する。

上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、溝Ｍ１及びＭ２をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。

レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによってＮｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成する。この方法は、光吸収層形成後の薄膜太陽電池基板に対して溝を形成する場合、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。

メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２及び３で開示されているように、先端が先細り状となった金属針（ニードル）等の溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。現在ではこのメカニカルスクライブ法が多く行われている。

特開平１１−３１２８１５号公報 特開２００２−０９４０８９号公報 特開２００４−１１５３５６号公報

従来のメカニカルスクライブ法で使用される溝加工ツールは、特許文献２及び特許文献３に開示されているように、刃先の形状を先細りの針状にしてあるが、厳密には、薄膜太陽電池に圧接される部分は接触面積を広くするために平らとなるように先端を水平にカットした円錐台形状にしてある。

先端部分が円錐台形状の溝加工ツールを用いてスクライブすることにより、基板との接触面積が大きくなるので比較的安定して溝加工を行うことができる。しかしながら、加工する溝深さが少し深くなると、スクライブ時に円錐台形状の側面のテーパ面と基板との接触面積が大きくなり、摩擦抵抗が増大すると共に、一カ所の刃先で一挙に薄膜を削りとるものであるから、刃先に対する負荷が大きくなる。このような刃先に対する摩擦抵抗と負荷の増大によって薄膜が不規則に大きく剥がれてしまい、不必要な部分まで除去してしまうことがあり、太陽電池の特性及び歩留まりが低下するおそれがあった。また、摩擦抵抗や負荷の増大は刃こぼれや刃先の摩耗を助長し溝加工ツールの寿命を短縮するといった問題点もあった。
そこで、本発明の第１の目的は、加工する溝深さが少し深くなる場合でも、刃先と基板との接触面積が大きくならないようにして、摩擦抵抗による不規則な剥がれが発生しにくくすると共に、低負荷でスムーズに薄膜を削りとることのできる溝加工ツール、並びにこれ用いた溝加工方法を提供することにある。

さらに、刃先が摩耗したときに、溝加工ツールをホルダから取り外して研磨補修し、再度利用することができるなら経済的であるが、先端部分が円錐台形状であると、研磨することにより刃先の径が変化してしまうことになる。太陽電池基板では、スクライブラインの線幅を一定に維持して製品としての設計上予定された品質（光電変換効率等）の実現及び品質の均一性（再現性）をよくすることが重要であり、そのためには、薄膜の剥離度合を一定にする必要がある。

そこで、本発明の第２の目的は、既に摩耗した刃先についても、研磨によりスクライブラインの線幅を一定に維持して再度利用することができるようにした薄膜太陽電池用の溝加工ツールを提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明の集積型薄膜太陽電池用の溝加工ツールは、集積型薄膜太陽電池の表面の薄膜を剥離することにより溝を形成するための溝加工ツールであって、刃体ボディの下端に、複数の凹部、凸部が交互に一列に並ぶように形成され、この凸部の高さは、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置され、凸部の左右側面が平行に形成されるようにしている。

また、上記課題を解決するためになされた本発明にかかる集積型薄膜太陽電池の溝加工方法は、集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、溝加工ツールの刃先で押圧しながら、太陽電池基板若しくは溝加工ツールを相対的に移動させて当該基板表面の薄膜を剥離し、太陽電池の上にスクライブラインを形成する集積型薄膜太陽電池の溝加工方法であって、溝加工ツールは、スクライブ装置のホルダに取り付けた刃体ボディの下端に、複数の凹部、凸部が一列に並ぶように形成され、この凸部の高さが、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置され、かつ、凸部の左右側面が平行に形成されたものを使用し、この溝加工ツールの刃先を前記移動方向に向けて配置し、一回の移動で複数の凸部により異なる深さの溝加工を同時に行うようにしている。
前記凸部の突出高さや数は、加工すべき溝の深さに対応して設定され、これにより、溝加工を行う際に、溝の浅い部分から深い部分にかけて、異なる２〜４個の刃先で順次薄膜が削られるようにする。これにより、複数の刃先で少しずつ溝加工を行うようにして、摩擦抵抗や負荷が大きくならないようにする。

本発明の集積型薄膜太陽電池製造方法にあっては、溝加工を行う際に、複数の凸部が刃先として形成されている形状の溝加工ツールを使用し、凸部の並ぶ方向を移動方向に向けて配置して、複数の凸部で同時に溝加工を行うようにしたので、溝部は複数の凸部で徐々に削られることになる。
すなわち、複数の凸部のうち、進行方向前方側にある凸部から溝加工を順次行うようにして、これにより溝加工時の摩擦抵抗を軽減して不規則な薄膜の剥離の発生をなくし、直線状できれいなスクライブラインを形成することができる。
また、溝加工ツールの凸部の左右側面が互いに平行な一対の面で形成されているので、刃先が摩耗したときに、凸部の頂面を研磨しても刃の左右幅の寸法に変化が生じることがなく、これにより研磨後であってもスクライブされる溝幅を研磨前と同じに維持することができ、研磨補修による再利用ができて経済的である。
また、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置されているので、例えば前部の凸部が摩耗した際には後部の凸部が前方側になるように溝加工ツールを反転させて取り付けることにより、研磨することなく使用することができ、或いは、溝加工ツールの往動の際に前部の凸部で加工し、復動の際に後部の凸部で加工することにより、溝加工ツールの往復動で加工することが可能となって加工時間の短縮を図ることができるといった効果がある。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）

上記歯車状に連続した凸部のうち、前後の凸部が中央の凸部を境として前後対称に形成されている構成とするのがよい。
これにより溝加工ツールを往復動させて溝加工する場合、或いは反転させた状態で取り付けて溝加工する場合に、前後の凸部による切削時の摩擦抵抗や負荷が同じ条件のもとで同じ寸法の溝を加工することができる。

本発明にかかる溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の一実施形態を示す斜視図。 本発明にかかる溝加工ツールの要部の斜視図。 上記溝加工ツールの要部の正面図。 上記溝加工ツールの要部の側面図。 本発明にかかる溝加工ツールによる溝加工時の状態を示す説明図。 本発明にかかる溝加工ツールの他の実施例を示す要部の側面図。 本発明にかかる溝加工ツールのさらに別の実施例を示す要部の側面図 一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。

以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づき詳細に説明する。
最初に、本発明の溝加工ツールを取り付けるスクライブ装置の全体構成について説明する。
図１は本発明にかかる溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す斜視図である。スクライブ装置は、略水平方向（Ｙ方向）に移動可能で、かつ、水平面内で９０度及び角度θ回転可能なテーブル１８を備えており、テーブル１８は実質的に太陽電池基板Ｗの保持手段を形成する。

テーブル１８を挟んで設けてある両側の支持柱２０，２０と、Ｘ方向に延びるガイドバー２１とで構成されるブリッジ１９は、テーブル１８上を跨ぐように設けてある。ホルダ支持体２３は、ガイドバー２１に形成したガイド２２に沿って移動可能に取り付けられ、モータ２４の回転によりＸ方向に移動する。

ホルダ支持体２３には、スクライブヘッド７が設けられており、スクライブヘッド７の
下部には、テーブル１８上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール８を保持するホルダ９が設けられている。ホルダ９は取り付け角度を調整することができるようにしてあり、この取り付け角度を調整することで、溝加工ツール８と太陽電池基板Ｗとの角度を調整できるようにしてある。

また、Ｘ方向及びＹ方向に移動することが可能な台座１２，１３にカメラ１０，１１がそれぞれ設けられている。台座１２，１３は支持台１４上でＸ方向に延設されたガイド１５に沿って移動する。カメラ１０，１１は、手動操作で上下動することができ、撮像の焦点を調整することができる。カメラ１０，１１で撮影された画像はモニタ１６，１７に表示される。

テーブル１８上に載置された太陽電池基板Ｗには、前工程で形成され、表面から観察できるスクライブライン等が存在する。そのため、太陽電池基板Ｗをスクライブする場合、前工程で形成されたスクライブライン等をスクライブ位置を特定するためのマークとして利用する。例えば、スクライブされた下部電極層（Ｍｏ電極層）２の上に光吸収層３、及び絶縁層４が形成された太陽電池基板Ｗに上下電極コンタクト用の溝を形成する場合、下部電極層２に形成されたスクライブラインを溝形成位置特定のためのマークとして利用する。
すなわち、カメラ１０，１１により下部電極層２に形成されたスクライブラインを撮像することにより、太陽電池基板Ｗの位置を調整する。具体的には、テーブル１８に支持された太陽電池基板Ｗ表面から観察できる下部電極層２に形成されたスクライブラインを、カメラ１０，１１により撮像して下部電極層２に形成されたスクライブラインの位置を特定する。特定された下部電極層に形成されたスクライブラインの位置に基づいて、上下電極コンタクト用の溝を形成すべき位置（スクライブ位置）を割り出し、太陽電池基板Ｗの位置を調整することによりスクライブ位置を調整する。

そして、テーブル１８をＹ方向に所定ピッチで移動するごとに、ホルダ９を下降させて溝加工ツール８の凸部８３を太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態でＸ方向に移動させ、太陽電池基板Ｗの表面をＸ方向に沿ってスクライブ加工する。太陽電池基板Ｗの表面をＹ方向に沿ってスクライブ加工する場合は、テーブル１８を９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。

次に、本発明にかかる溝加工ツールについて説明する。
図２〜図５は、本発明にかかる溝加工ツール８の一実施例を示すものであって、図２は斜視図であり、図３は正面図であり、図４は側面図であり、図５は溝加工時の状態を示す。
この溝加工ツール８は、円柱状の刃体ボディ８１と、その下端部に放電加工等により一体的に形成された刃先領域８５とからなり、超硬合金又はダイヤモンド（焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）等）等の硬質材料で造られている。刃先領域８５は、互いに平行な側面８６，８７を備えた板状の形態にしてあり、その刃先領域８５の下端には、複数の凹部８２、凸部８３が交互に一列に並ぶように形成されている。

複数の凸部８３の高さは、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位となるように配置され、溝加工を行う際に、溝加工ツールの進行方向前方に位置する凸部から中央に位置する凸部にかけて、異なる高さの複数の凸部８３で順次薄膜が削られるようにしている。
本実施例では、図４に示すように緩やかな円弧を描くラインＡ１上に沿って中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位となるように前後対称的に配置したが、図６に示すように広角度のＶ字形ラインＡ２に沿って形成してもよい。また、凸部８３の下面は、前記円弧のラインＡ１、又はＶ字形のラインＡ２に沿って形成されているが、図７に示すように、溝加工ツール８をスクライブ装置に取り付けた状態で、太陽電池基板Ｗの表面に平行になるように形成してもよい。
また、本実施例では、図４に示すように、歯車状に連続した複数の凸部８３のピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が、中央部のピッチＰ１から前端側並びに後端側のＰ４にかけて漸次小さくなるように形成されている。しかしながらこれらピッチを等間隔で形成することも可能である。

上記溝加工ツール８をホルダ９に取り付けるに際して、凸部８３の並ぶ方向が図５に示すように、太陽電池基板Ｗに対して進行方向側に向くように配置し、複数の凸部８３で、本実施例では４個〜５個の刃先で同時に溝加工を行うようにしている。そのために、予め円柱状の刃体ボディ８１の直径やその下端に形成される凹部８２、凸部８３の寸法並びにその数が、加工すべき溝の深さや幅に対応して設定される。
具体的には、例えば凹部８２、凸部８３を含む刃先領域８５の左右幅Ｌ１は５０〜６０μｍが好ましいが、要求されるスクライブの溝幅に合わせて２５〜８０μｍとすることができる。また、刃先領域８５の有効高さ、すなわち刃先領域の左右側面８６，８７の最大高さＨは０．５ｍｍ程度が好ましい。さらに、刃先領域の凹部８２並びに凸部８３の全長Ｌ２が２〜３ｍｍ程度となるように円柱状の刃体ボディ８１の直径を設定するのがよい。また、凹部８２並びに凸部８３の数は実施図面では９個としたが、それ以上であっても、以下であってもよい。なお、溝加工ツール８の刃体ボディ８１は円柱状に限らず、断面四角形や多角形で形成することも可能である。

上記構成において、溝加工を行う際に図５に示すように基板Ｗの光吸収層３、及び絶縁層４からなる薄膜は複数の凸部８３で徐々に削られることになる。
すなわち、基板Ｗに接触して作用する複数の凸部８３の刃先のうち、進行方向前方側にある上段の刃先から順次下段側にある刃先によって徐々に削られ、これにより溝加工時の摩擦抵抗や負荷が著しく軽減されて不規則な薄膜の剥離の発生をなくすることができ、直線状できれいなスクライブラインを形成することができる。

また、溝加工ツールの凸部８３の左右側面８６，８７が互いに平行に形成されているので、刃先が摩耗したときに、凸部８３の頂面を研磨しても刃の左右幅の寸法に変化が生じることがなく、これにより研磨後であってもスクライブされる溝幅を研磨前と同じに維持することができ、研磨補修による再利用ができて経済的である。

さらに、歯車状に連続した凸部８３のうち、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置され、かつ、前後の凸部が中央の凸部を境として前後対称に形成されているので、例えば前部の凸部が摩耗した際には後部の凸部が前方側になるように溝加工ツールを反転させて取り付けることにより、研磨することなく使用することができる。
また、溝加工ツールの往動の際に前部の凸部で加工し、復動の際に後部の凸部で加工することにより、溝加工ツールの往復動で同寸法の溝を加工することができ、加工時間の短縮を図ることができる。

上記の実施例では、スクライブヘッド７をＸ方向に移動させることでスクライブ加工を実行したが、スクライブヘッド７と、太陽電池基板Ｗとが相対的に移動できれば足りることから、太陽電池基板Ｗが固定された状態でスクライブヘッド７をＸ方向及びＹ方向に移動させてもよいし、スクライブヘッド７を移動させることなく、太陽電池基板ＷのみをＸ方向及びＹ方向に移動させてもよい。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものではない。例えば、実施例では、溝加工ツール８の凸部８３における刃先の角度を直角より少し大きな鈍角で形成してツール製作上の難易度を緩和したが、直角に形成することも可能である。その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、カルコパイライト化合物系半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造方法、及び、これに用いることのできる溝加工ツールに適用することができる。

Ｗ 太陽電池基板
７ スクライブヘッド
８ 溝加工ツール
８１ 刃体ボディ
８２ 凹部
８３ 凸部
８５ 刃先領域
８６，８７ 凸部の左右側面
９ ホルダ

Claims (3)

1. 集積型薄膜太陽電池の表面の薄膜を剥離することにより溝を形成するための溝加工ツールであって、
   刃体ボディの下端に、複数の凹部、凸部が交互に一列に並ぶように形成され、この凸部の高さは、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置され、凸部の左右側面が平行に形成されている集積型薄膜太陽電池用の溝加工ツール。
2. 前記複数の凸部のうち、前後の凸部が中央の凸部を境として前後対称に形成されている請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池用の溝加工ツール。
3. 集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、溝加工ツールの刃先で押圧しながら、太陽電池基板若しくは溝加工ツールを相対的に移動させて当該基板表面の薄膜を剥離し、太陽電池の上にスクライブラインを形成する集積型薄膜太陽電池の溝加工方法であって、溝加工ツールは、スクライブ装置のホルダに取り付けた刃体ボディの下端に、複数の凹部、凸部が一列に並ぶように形成され、この凸部の高さが、中央に位置する凸部から前後の凸部が漸次上位に位置するように配置され、かつ、凸部の左右側面が平行に形成されたものを使用し、この溝加工ツールの刃先を前記移動方向に向けて配置し、一回の移動で複数の凸部により異なる深さの溝加工を同時に行うことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の溝加工方法。

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