JPH11145495A

JPH11145495A - 太陽電池用ガラス基板およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11145495A
Application number: JP9302043A
Authority: JP
Inventors: Naoki Taneda; 直樹種田; Kazuo Sato; 一夫佐藤; Hiroko Takaoka; 博子高岡; Katsumi Kueda; 克巳久枝
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】充分な強度を有し、反り量が充分低減された太
陽電池用ガラス基板とその製造方法の提供。【解決手段】線膨張係数が３０×１０^-7Ｋ^-1以上のガラ
ス板１上に透明導電膜３を形成した後、これを熱処理し
その後急冷する強化処理を施す際、加熱時間を１５０秒
以下とし、急冷直前のガラス板の最高温度を６１０℃以
上６３０℃以下、面内温度分布を３０℃以内とする太陽
電池用ガラス基板４の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファスシリ
コン太陽電池に使用される太陽電池用ガラス基板および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アモルファスシリコン太陽電池は、下地
となるガラス板上に透明導電膜を形成したガラス基板
（以下太陽電池用透明導電ガラス基板と称する）を作成
し、このガラス基板上にｐ型、ｉ型およびｎ型の３層の
ａ−Ｓｉからなるアモルファスシリコン半導体層を積層
しその上に銀等の金属電極層を設けたものである。

【０００３】このような太陽電池用透明導電ガラス基板
は、低抵抗であるとともに、充分な透光性を有すること
が重要である。またアモルファス層の成膜プロセスやパ
ターニングプロセスを経るためには充分な平坦性を有し
反りの少ない形状であることが求められる。

【０００４】近年アモルファス太陽電池は電力用として
応用されてきている。この場合、上記の特性に加えて、
ガラス基板にはカバーガラスとしての機能も求められて
いる。すなわち太陽電池は屋外に設置されるため、取り
付け時の信頼性および耐久性を確保するために充分な強
度が要求される。

【０００５】一般にガラス板を強化するためには、ガラ
ス板を一旦高温に加熱した後、急冷することにより、ガ
ラス表面側に圧縮応力層を形成して内層との間に潜在応
力歪（引張応力）を形成してガラスを強化する急冷強化
方法（物理的強化方法）が実用化されている。

【０００６】こうしたガラス強化方法を太陽電池用ガラ
ス基板の製造に適用した例は特開平１−１０３８８２号
公報に述べられている。例えば３０５ｍｍ×３０５ｍｍ
×３ｍｍｔの透明導電ガラス基板に適用した場合に、図
３で定義される反り量は３％以内に収められることが知
られている。

【０００７】しかし、特開平１−１０３８８２号公報に
記載される３％の反りは、上記サイズのガラス板の最大
反り量に換算すると６ｍｍの反り量になるため建築部材
用の太陽電池モジュールを形成することは困難であっ
た。

【０００８】すなわち太陽電池用アモルファスシリコン
太陽電池の製造工程においては以下のような問題があっ
た。

【０００９】第１に基板が反ることにより吸盤によるチ
ャッキングが困難になるため基板を安定にハンドリング
することが不可能となっていた。

【００１０】第２にレーザーによるパターニングを行う
場合、反っている部分に焦点があわなくなるために、パ
ターニングが困難であった。特に反り量の大きい端部に
おいてはパターニングそのものが不可能であった。

【００１１】第３に反りにより、膜にクラックが入るた
め抵抗値が上昇してしまう。このためアモルファスシリ
コン太陽電池の特性そのものが低下してしまっていた。

【００１２】また特開平９−３６４００号公報によれば
透明導電膜のキャリア濃度を２×１０²⁰／ｃｍ³ に制御
し、かつ強化工程におけるガラスの加熱温度を６２５℃
とすることにより、ガラス基板の反り量を０．２％に抑
制でき、かつ膜中にクラックのない強化基板を再現性良
く得ることが知られている。しかしながら、得られる表
面残留応力は、２００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上３００ｋｇｆ
／ｃｍ² 以下であり、建築用の部材等、用途によっては
必ずしも充分な強度ではなかった。

【００１３】そこで、本出願人は、特願平８−２９６８
４３号において、透明導電膜成膜時のガラスの温度を、
強化工程における熱処理時のガラス温度以下とし、か
つ、その温度差を９０℃以下とする、太陽電池用強化ガ
ラス基板の製造方法を提案した。かかる方法によれば、
充分な強度を有し、かつ、反り量が０．２５％以下のガ
ラス基板を提供できる。

【００１４】しかしながら、反り量０．２５％は、サイ
ズ３００ｍｍ×４００ｍｍのガラスに対しては０．６ｍ
ｍに相当するが、サイズ１０００ｍｍ×１０００ｍｍの
ガラスに対しては１．８ｍｍに相当する。レーザーによ
るパターニングを行う場合、基板が大きくなっても要求
される反り量（絶対値）は当然変わらない。従って、１
ｍ□以上の大サイズガラス基板の反り量（絶対値）を再
現性良く１ｍｍ以下程度に抑制するには、反り量を０．
１５％以下程度に抑える技術が求められていた。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点に鑑みなされたものであって、透明導電膜付き
ガラス基板の風冷強化条件を最適な範囲に制御すること
により、充分なガラス強度を得るとともに反り量を充分
低減して、実用上信頼性の高い太陽電池モジュールを形
成できる太陽電池用ガラス基板の製造方法および該方法
で得られる太陽電池用ガラス基板の提供を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス板上に
透明導電膜を形成する工程と、この透明導電膜が形成さ
れたガラス板を加熱処理しその後冷却空気を吹きつけて
急冷する強化工程とを有する太陽電池用ガラス基板の製
造方法であって、ガラス板として線膨張係数が３０×１
０^-7Ｋ^-1以上のガラス板を用い、前記強化工程の加熱処
理時において、ガラス板の加熱時間を１５０秒以下と
し、急冷直前のガラス板の最高温度を６１０℃以上６３
０℃以下、かつ面内温度分布を３０℃以内とすることを
特徴とする太陽電池用ガラス基板の製造方法を提供す
る。

【００１７】本発明者らは加熱による基板の反りのメカ
ニズムを検討したところ、ＳｎＯ₂膜とガラス基板の熱
膨張係数の差による熱応力によるものであること、そし
て、この熱応力を減じるためには、強化温度（急冷直前
の温度）と成膜温度をできるだけ近くすることが有効で
あることを見い出した。しかしながら、太陽電池の変換
効率に寄与する、光閉じこめ効果に優れたピラミッド状
の表面構造を有する透明導電膜を成膜するためには、成
膜温度は６００℃以上にすることはできない。また、充
分な強化応力を得るには、ガラスの強化温度は６１０℃
以上とすることが必要である。従って、反りの原因であ
る熱応力の発生を全くなくすことはできない。

【００１８】そこで、本発明者は、かかる条件の範囲の
中で、反りの発生をできるだけ抑制するため研究の結
果、以下に挙げる、強化工程の熱処理時における３つの
最適条件を見い出した。

【００１９】（１）加熱時間を１５０秒以下とするこ
と。

【００２０】基板が反るのは、膜とガラスの熱膨張係数
の差により発生する熱応力に起因し、その応力を開放す
るために基板が反る。ところが、６００℃でソーダライ
ムガラスは粘弾性体であることから、応力を開放し、基
板が反るまでには、一定の時間を要する。従って、ガラ
スを短時間で加熱し、充分に応力が開放される前に風冷
強化を行えば、基板の反り量を減らすことができる。よ
って、加熱時間（強化温度まで加熱する時間）は、１５
０秒以下、特に１２０秒以下であることが好ましい。

【００２１】（２）急冷直前のガラス板の最高温度を６
１０℃以上６３０℃以下とすること。

【００２２】強化工程で基板が破砕することなく、充分
な強化応力を得るためには、基板は６１０℃以上に加熱
する必要がある。また、反りを抑えるためには、強化温
度（急冷直前の温度）はできるだけ低温であることが望
ましい。これらの点から、ガラス板の最高温度（表面温
度）は６１０℃以上６３０℃以下であることが好まし
い。

【００２３】（３）急冷直前のガラス板の面内温度分布
を３０℃以内とすること。

【００２４】上述したように、強化工程におけるガラス
基板温度の最適範囲は狭い。そのため、１枚のガラス基
板の中に生じる温度分布はできるだけ小さい方が望まし
い。また、強化応力の絶対値は、冷却条件が同じであれ
ば冷却開始時の基板温度に依存するため、面内温度分布
（すなわち、最高温度と最低温度との差）が大きけれ
ば、１枚の基板の中で強化応力に分布が生じる原因とな
る。また、本発明においては６１０℃という低温で強化
しているため、風冷時に基板が破砕する可能性がある。
面内温度分布が大きければ、例えば、ガラス板の最高温
度（ガラス板中央部が最高であることが多い）は６１０
℃以上でも、最低温度（ガラス板端部が最低であること
が多い）は５８０℃未満となっている場合があり、この
ような場合には、端部から基板が割れる可能性がある。
以上のことから、面内温度分布は３０℃以内、特に２０
℃以内であることが好ましい。

【００２５】以上の３点により基板の反り量は抑えられ
るが、透明導電膜成膜時のガラス温度を、強化工程にお
ける熱処理時のガラス板の最高温度以下とし、かつ、そ
の温度差を９０℃以下とすると、さらに好ましい。ただ
し太陽電池用途として望ましい、光閉じこめ効果に優れ
たピラミッド状の表面構造を有するＴＣＯ膜を得るため
には５５０℃以上５８０℃以下での成膜が望ましい。

【００２６】また、強化工程において風冷を行う上下の
ブロアの冷却能力を調整し、ガラス板の反りを補正する
ことができる。具体的には、反ったガラス凹面側を急冷
し（風冷ブロアの風圧を大きくし）、凸面側を徐冷する
（風冷ブロアの風圧を小さくする）ように調整する。よ
り具体的には、膜形成面側の風冷ブロアの風圧を大きく
する。

【００２７】本発明は、また、ガラス板上に透明導電膜
が形成された太陽電池用ガラス基板において、表面残留
応力が２００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上８００ｋｇ／ｃｍ² 以
下であるとともに前記ガラス基板の反り量が０．１５％
以下であることを特徴とする太陽電池用ガラス基板を提
供する。

【００２８】本発明における「反り量」（％）とは、図
３のように、弦（対角）の長さに対する弧の長さの百分
率で示され、基板の２辺をａ（ｍｍ）、ｂ（ｍｍ）、対
角線の長さをｃ（ｍｍ）、反りをｄ（ｍｍ）とすると、
『（ｄ／（ｃ／２））×１００』（％）と定義される。
例えば、図３（Ａ）の例では（ｄ／２５０）×１００
（％）、図３（Ｂ）の例では、ｄ×１００（％）で示さ
れる。

【００２９】強化工程後の基板が波形状に変形した場合
は、山から山まで（あるいは谷から谷まで）の距離に対
する、谷の低部から山の頂部までの高さの比の百分率で
示される。

【００３０】太陽電池用ガラス基板において、表面残留
応力２００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上とすることにより屋外で
使用されたときも降雹や落石等に対する耐衝撃性を有
し、かつ静圧強度を高めることが可能となり、施工時に
おける破砕の問題も解決し、建築用部材として必要な強
度を有することが可能となる。

【００３１】さらに屋外で使用した際、直射日光に当た
ることから高温に熱せられるようになるが、この熱は周
辺取り付け部から逃げることになるため、基板面内で温
度分布が生じ面内における膨張の度合いが異なってく
る。これが原因でガラスが割れること（熱割れ）がある
が、表面に２００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の残留圧縮応力が
かかっていることにより割れにくくすることが可能とな
る。

【００３２】また表面残留応力８００ｋｇｆ／ｃｍ² 以
下とすることにより、ガラスが自然に割れる、いわゆる
自爆を抑制することができるとともに、万一破砕した際
も砕片が充分に大きいことから、屋根等に取り付けた際
の崩落を防ぐことが可能となる。

【００３３】反り量を０．１５％以下とすることにより
膜面に生じるクラックを防ぐことが可能となり、抵抗の
面内分布のない安定した特性を得ることが可能となると
ともに、その後のハンドリングが安定的にでき、かつ精
度の良いレーザーパターニングが可能となる。

【００３４】ガラス板の厚さは、２．８ｍｍ以上６ｍｍ
以下であることが好ましい。２．８ｍｍ以上とすること
により反り量が充分に抑制され、６ｍｍ以下とすること
により取扱い性、透光性および重量の点で実用性の向上
が図られる。

【００３５】透明導電膜の膜厚は、５００ｎｍ以上１２
００ｎｍ以下であることが好ましい。５００ｎｍ以上と
することにより抵抗値を充分小さく抑えられ、１２００
ｎｍ以下とすることによりガラス基板の変形量を充分小
さく抑えられる。

【００３６】ガラス板の線膨張係数はＳｎＯ₂ 膜等の透
明導電膜の線膨張係数に近いほどよいが、３０×１０^-7
Ｋ^-1より小さいと強化が困難となる。したがって風冷強
化の必要上、線膨張係数は３０×１０^-7Ｋ^-1以上のガラ
ス板を用いる。特に、４０×１０^-7〜１２０×１０^-7Ｋ
^-1、さらには、７０×１０^-7〜１００×１０^-7Ｋ^-1が好
ましい。

【００３７】ガラス板の種類としては、特に限定され
ず、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケー
トガラスその他各種ガラスが使用できる。入手の容易さ
や価格等の点からソーダライムシリケートガラスが適当
である。また、良好な結果が得られることから、歪み点
が４９０〜５３０℃であるガラス板を用いることが好ま
しい。

【００３８】なお、ソーダライムシリケートガラス等の
ナトリウムを含有するガラスや低アルカリを含有するガ
ラスの場合には、図１に示したように、ガラス表面から
のナトリウムの溶出を防止するためにアルカリバリア層
が必要であるが、このようなナトリウム成分を含まない
ガラスの場合にはアルカリバリア層は不要である。

【００３９】図１は本発明が適用される太陽電池の断面
図である。ソーダライムシリケートガラス等からなる下
地ガラス板１上にアルカリバリア層２が形成され、その
上に透明導電膜３（以下、ＴＣＯ膜という）が積層され
る。これらにより太陽電池用ガラス基板４（以下、単に
ＴＣＯ基板という）が構成される。ＴＣＯ基板４のＴＣ
Ｏ膜３上にｐ型、ｉ型およびｎ型の３層のａ−Ｓｉから
なるアモルファスシリコン素子層５を積層し、その上に
アルミニウム電極層６が形成される。

【００４０】図２に、ＴＣＯ基板４を製造する装置の構
成を示す。下地ガラス板１は適当なコンベヤ手段により
常圧ＣＶＤ装置７内に搬入される。このＣＶＤ装置７内
でまずＳｉＨ₄ からなる反応ガスＡが供給されガラス板
１上にＳｉＯ₂ からなるアルカリバリア層２が形成され
る。

【００４１】続いて同じＣＶＤ装置７内で、ＳｎＣｌ₄
とＨＦとからなる反応ガスＢを供給してＦを含むＳｎＯ
₂ からなるＴＣＯ膜３を積層しＴＣＯ基板４を形成す
る。ＴＣＯ膜は好ましい構造の膜が得やすいことからＣ
ＶＤ法で形成することが好ましい。

【００４２】その後このＴＣＯ基板４を加熱炉８内に搬
入し所定の温度に加熱し、これを急速に引き出して常温
まで冷却する。このとき冷却空気を吹きつけてもよい。
これによりＴＣＯ基板が強化される。

【００４３】ＴＣＯ膜の成膜から強化のプロセスとして
は、成膜したＴＣＯ基板をいったん室温まで冷却して、
改めて強化炉（上述の加熱炉８）に投入するオフライン
法と、成膜したＴＣＯ基板を室温まで冷却することな
く、そのまま強化炉（上述の加熱炉８）に投入するイン
ライン法、の２つの方法が採用可能である。

【００４４】ＴＣＯ膜として、フッ素が含有されたＳｎ
Ｏ₂ を例示したが、これ以外にもアンチモンが含有され
たＳｎＯ₂ やＳｎが含有されたＩｎ₂ Ｏ₃ 等の電気伝導
性の良好な透明金属酸化物を使用できる。なお抵抗特性
に係るキャリア濃度は、フッ素等の含有元素のドープ量
を調整することにより変化させることができる。また、
このようなＴＣＯ膜は、ＣＶＤ法に限らず、スパッタ
法、真空蒸着法、スプレー法その他適当な方法を用いて
形成できる。

【００４５】

【実施例】ソーダライム基板（３００ｍｍ×４００ｍｍ
で厚みは４ｍｍ）上にフッ素含有の酸化錫透明導電膜を
常圧ＣＶＤ法により成膜した。成膜温度は、表１のよう
に、５５０〜５７０℃の間で変化させた。次いでそれぞ
れについてＴＣＯ基板の強化を行った。強化装置はロー
ラー搬送型の装置を用い、炉の設定温度は６５０〜７１
０℃の間で変化させた。成膜から強化工程を、実施例４
および６はインライン法により行い、実施例４と６以外
は、オフライン法により行った。強化工程において、ガ
ラス板の加熱時間、面内温度分布（急冷直前のガラス板
の面内温度分布）、最高温度（急冷直前のガラス板の最
高温度）、ガラス板の強化のためにガラス板全体に冷却
空気を吹きつける冷却ブロアの能力（単位はｋｃａｌ／
ｍ² ｈｒ℃）は、表１のように変化させた。強化工程終
了後の基板の反り量、表面残留応力（単位はｋｇｆ／ｃ
ｍ² ）は表１の通りであった。

【００４６】

【表１】

【００４７】基板の反り量（％）は図３（Ａ）のように
測定したものである。実施例４の『−』の符号は、基板
が逆方向（すなわち、透明導電膜側が凸となる方向）に
反ったことを示す。表面残留応力の測定方法はＪＩＳ−
Ｒ３２２２に示す測定法に準じて行った。

【００４８】実施例１〜４、および６で得られた強化Ｔ
ＣＯ基板のシート抵抗値は、面内１２４点の測定結果の
平均が各々１５〜１８Ω／□で、最大２５〜３５Ω／□
の部分が一、二点観察されるのみで、太陽電池用透明導
電基板として、面内均一性に優れ、充分低い抵抗値の基
板が得られた。また、ＳｎＯ₂ 膜面のクラックは生じて
いなかった。

【００４９】実施例５の強化ＴＣＯ基板については、目
視によりＳｎＯ₂ 膜面のクラックは端部にわずかに観察
されたが、端部を除いた中心部分のシート抵抗値は、面
内１２４点の測定結果の平均が１５〜１８Ω／□で、最
大５０Ω／□の部分が一、二点観察されるのみで、太陽
電池用透明導電基板として、面内均一性に優れ、充分低
い抵抗値の基板が得られた。太陽電池を形成する場合、
端部には別途取り出し用電極を設けるため、ＳｎＯ₂ 膜
面の端部のクラックは、太陽電池の構成上支障はなかっ
た。

【００５０】しかしながら、比較例５の強化ＴＣＯ基板
では、目視によりＳｎＯ₂ 膜全面にクラックが観察さ
れ、このためシート抵抗値は高く測定不能であった。

【００５１】比較例３および４の強化ＴＣＯ基板は、割
れてしまったため、シート抵抗値、反り量、表面残留応
力は測定不能であった。

【００５２】実施例１〜６、比較例２および５で得られ
た強化ＴＣＯ基板各々に対し、自動車用安全ガラス試験
方法（ＪＩＳ−Ｒ３２１２）に準じて鋼球２２７ｇの落
球試験により耐衝撃性を評価したところ、２２７ｇの鋼
球を１．０ｍの高さから落下したとき破砕しなかった。
比較例１のＴＣＯ基板は、２２７ｇの鋼球を１．０ｍの
高さから落下したとき破砕した。

【００５３】実施例１〜６で得られた強化ＴＣＯ基板の
ＳｎＯ₂ 膜をレーザーにより１００μｍ巾の溝を形成し
た後、プラズマＣＶＤ方によりアモルファスシリコン、
スパッタ法により銀電極を成膜し太陽電池を形成した。
これを１０枚屋外に放置したところ降雹や落石等により
ガラスの破砕や施工時における破砕等はなかった。さら
に熱割れや自爆することもなかった。

【００５４】実施例１は、冷却ブロア能力の調整が、実
施例３より的確に行われた例である。このように、上下
の冷却ブロア能力を調節することで、反り量を一段と低
減できることがわかる。

【００５５】

【発明の効果】本発明の太陽電池用ガラス基板は、反り
量が抑制され、強度も充分にあり、クラック発生も防止
される。

【００５６】本発明の太陽電池用ガラス基板を用いれ
ば、建築部材用として充分実用性の高い太陽電池モジュ
ールが得られ、製造中や運搬時および施工時の破損が抑
制され取扱い性が向上し、反り量が抑制されて信頼性の
高い機能が達成される。

【００５７】太陽電池モジュール化工程において安定的
にハンドリングすることができ、かつ精度の良いレーザ
ーパターニングが可能となる。また、反りに起因する抵
抗値の増大が抑制される。

【００５８】本発明の方法によれば、耐衝撃性に優れ、
かつ自爆の問題を防止することが可能な太陽電池用基板
を製造することができる。また、面内の抵抗分布を乱す
ことなく、反りを最小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の太陽電池の断面図。

【図２】本発明のガラス基板の製造装置の説明図。

【図３】ガラス基板の反り量の説明図。

【符号の説明】

１：下地ガラス板２：アルカリバリア層３：透明導電膜４：太陽電池用ガラス基板５：ａ−Ｓｉ素子層６：電極層

フロントページの続き (72)発明者久枝克巳神奈川県愛甲郡愛川町角田字小沢上原426 番１旭硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス板上に透明導電膜を形成する工程
と、この透明導電膜が形成されたガラス板を加熱処理し
その後冷却空気を吹きつけて急冷する強化工程とを有す
る太陽電池用ガラス基板の製造方法であって、ガラス板
として線膨張係数が３０×１０^-7Ｋ^-1以上のガラス板を
用い、前記強化工程の加熱処理時において、ガラス板の
加熱時間を１５０秒以下とし、急冷直前のガラス板の最
高温度を６１０℃以上６３０℃以下、かつ面内温度分布
を３０℃以内とすることを特徴とする太陽電池用ガラス
基板の製造方法。
【請求項２】透明導電膜成膜時のガラス温度を、強化工
程における熱処理時のガラス板の最高温度以下とし、か
つ、その温度差を９０℃以内とすることを特徴とする請
求項１に記載の太陽電池用ガラス基板の製造方法。
【請求項３】強化工程において風冷を行うために冷却空
気をガラス板両面に吹きつけるブロアの冷却能力を調整
し、ガラス板の反りを補正することを特徴とする請求項
１または２に記載の太陽電池用ガラス基板の製造方法。
【請求項４】ガラス板上に透明導電膜が形成された太陽
電池用ガラス基板において、表面残留応力が２００ｋｇ
ｆ／ｃｍ² 以上８００ｋｇｆ／ｃｍ² 以下であるととも
に前記ガラス基板の反り量が０．１５％以下である太陽
電池用ガラス基板。