JPWO2008001430A1 - スクリーン印刷機及び太陽電池セル - Google Patents

Abstract

ステージ面３に複数の吸着穴２を有し、このステージ面３上に載置された被印刷物２０を真空吸着によって支持固定する印刷ステージ１と、この印刷ステージ１上に支持固定された被印刷物２０に所定の電極パターンを形成するための印刷マスク４と、この印刷マスク４上に配した金属ペーストに所定の圧力を加えて被印刷物２０に印刷するためのスキージ３３とを備えたスクリーン印刷機において、被印刷物２０と印刷ステージ１との間に挟み込まれる多孔質体６を設け、小破片や印刷ペーストなどの異物によって被印刷物を破損させることを抑制でき、製造での良品率を向上させるようにしている。

Description

本発明は、太陽電池セルの電極形成に用いるスクリーン印刷機及びこのスクリーン印刷機を用いて作成される太陽電池セルに関するものである。

スクリーン印刷法は、太陽電池の電極形成や、液晶表示装置、プラズマディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイなどの表示装置の電極形成に用いられる。スクリーン印刷法では、所定のパターンが形成された印刷マスクを用い、この印刷マスクを印刷ステージ上に配置された印刷対象に対し所定の距離を置いて配置し、電極材料を含むペーストを印刷マスクの上に供給する。その後、スキージでペーストを印刷マスク上に延ばし、延ばされたペーストのうちメッシュの部分のみペーストが印刷対象上に供給される。そして、印刷対象上に供給されたペーストを電極材料に応じた所定の温度で焼成することによって、電極が形成される。

このようなスクリーン印刷に用いられる印刷ステージは、複数の吸着穴が形成されて印刷対象を載置するステージ面と、これら複数の吸着穴に連通しステージ面下の印刷ステージ本体内部に形成された真空導管とを有し、真空導管に接続された真空配管を用いて印刷対象を複数の吸着穴を有するステージ面に真空吸着することによって、印刷対象を位置決め固定する。

そして、このようなスクリーン印刷を用いて基板上に太陽電池セルの電極を形成する際、従来は、吸着穴が形成されたステージ面上に印刷対象を直接載置するようにしていたので、印刷中に太陽電池セルが破損すると太陽電池セルの小破片や印刷ペーストが印刷ステージの吸着穴から吸い込まれて吸着穴やその下方の真空導管に入り込んで自然乾燥等がなされた後、現基板を排出して後続の基板を印刷ステージに搬入するために吸着穴にエアーを吹き込んだりして強制的に真空を解除する際に、ペースト塊やセル小片が吸着穴から放出されてステージ面と基板の間に挟まって、印刷物である太陽電池セルの基板を破損するという問題があった。

特許文献１には、印刷物としてのプリント基板の下方にクッション効果のあるスポンジを設け、プリント基板に印刷するクリームハンダ量を均一にするとともに、プリント基板に搭載された部品を傷つけないようにすることが開示されている。

特開平０４−１９９８９５号公報

しかしながら、特許文献１では、印刷物の下にスポンジを設けることが示されているが、このようなスポンジを複数の吸着穴を有する印刷ステージと印刷物としての太陽電池セルの間に介在させた場合、吸着穴が塞がってしまい吸着動作をなし得なくなるので、上記のような真空吸着を用いた印刷ステージを有するスクリーン印刷機には適用することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小破片や印刷ペーストなどの異物によって被印刷物を破損させることを抑制でき、製造での良品率を向上させることができるスクリーン印刷機及び太陽電池セル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、本発明は、ステージ面に複数の吸着穴を有し、このステージ面上に載置された被印刷物を真空吸着によって支持固定する印刷ステージと、この印刷ステージ上に支持固定された被印刷物に所定の電極パターンを形成するための印刷マスクと、この印刷マスク上に配した金属ペーストに所定の圧力を加えて被印刷物に印刷するためのスキージとを備えたスクリーン印刷機において、前記被印刷物と印刷ステージとの間に挟み込まれる多孔質体を設けるようにしている。

本発明によれば、被印刷物と印刷ステージとの間に多孔質体を介在させるようにしたので、吸着を行いつつ吸着穴を塞ぐことができ、これによりステージ内部への異物の進入を防止でき、また印刷ステージ内部に進入していた異物が真空解除の際に、吹き上げられて印刷ステージと被印刷物の間に挟まり、引き続き印刷されて被印刷物を破損させることを確実に抑制できるので、製造での良品率が向上する。また、従来の製造工程を変更する必要もなく、安価に良質な製品を製造できるという効果を奏する。

図１は、この発明によるスクリーン印刷機を用いて形成された電極を有する太陽電池セルの上面図である。 図２は、図１の太陽電池セルの裏面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。 図４−１は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その１）。 図４−２は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その２）。 図４−３は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その３）。 図４−４は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その４）。 図４−５は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その５）。 図４−６は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その６）。 図４−７は、太陽電池セルの製造方法の手順の一例を示す断面図である（その７）。 図５−１は、裏アルミ電極を形成するための印刷マスクのパターンの一例を示す平面図である。 図５−２は、裏銀電極を形成するための印刷マスクのパターンの一例を示す平面図である。 図５−３は、表銀電極を形成するための印刷マスクのパターンの一例を示す平面図である。 図６は、この発明にかかるスクリーン印刷機の実施の形態を示す断面図である。 図７は、従来技術を示す断面図である。 図８は、この発明にかかるスクリーン印刷機の他の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 印刷ステージ
２ 吸着穴
３ ステージ面
４ 印刷マスク
４ａ 開口部
４ｂ マスク部
５ 真空導管
５ａ 真空配管
６ 多孔質フィルム（多孔質体）
７ 抑え板
８ 留め具
９ 固定テープ
２０ 被印刷物（太陽電池セル）
２１ 半導体基板
２２ Ｐ型シリコン基板
２３，２３ａ ｎ型拡散層
２４ 反射防止膜
２５ 表銀グリッド電極
２５ａ 表銀グリッド電極パターン
２６ 表銀バス電極
２６ａ 表銀バス電極パターン
２７ 裏アルミ電極
２７ａ 裏アルミ電極パターン
２８ 裏銀電極（銀ペースト）
２８ａ 裏銀電極パターン
２９ ｐ＋層
３１ 印刷マスク枠
３３ スキージ
５１ ペースト塊
５３ 基板破片
６１ クラック

以下に、本発明にかかるスクリーン印刷機及び太陽電池セル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。

この発明にかかるスクリーン印刷機の構成を説明する前に、太陽電池セルの構成およびその製造過程について説明する。

図１〜図３を用いてシリコン太陽電池セルの構成について説明する。図１は太陽電池セルの上面図であり、図２は太陽電池セルの裏面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。太陽電池セル２０は、図１〜図３に示されるように、半導体基板としてのｐ型シリコン基板２２と、このｐ型シリコン基板２２の表面の導電型が反転したｎ型拡散層２３と、高濃度不純物を含んだｐ＋層２９と、これらｐ型シリコン基板２２、ｎ型拡散層２３およびＰ＋層からなる光電変換機能を有する半導体基板２１と、この半導体基板２１の受光面に設けられ入射光の反射を防止する反射防止膜２４と、基板２１で発電された電気を局所的に集電するために受光面に設けられる表銀グリッド電極２５と、表銀グリッド電極２５で集電された電気を取り出すために表銀グリッド電極２５にほぼ直交して設けられる表銀バス電極２６と、半導体基板２１で発電された電気の取り出しと入射光の反射を目的として半導体基板２１の裏面のほぼ全面に設けられた裏アルミ電極２７と、この裏アルミ電極２７に生じた電気を集電する裏銀電極２８と、を備える。

このように構成された太陽電池セル２０では、太陽光が太陽電池セル２０の受光面側から半導体基板２１のｐｎ接合面（ｐ型シリコン基板とｎ型拡散層との接合面）に照射されると、ホールと電子が生成する。ｐｎ接合部の電界によって、生成した電子はｎ型拡散層２３に向かって移動し、ホールはｐ＋層２９に向かって移動する。これにより、ｎ型拡散層２３に電子が過剰となり、ｐ＋層２９にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型拡散層２３に接続した表銀バス電極２６がマイナス極となり、ｐ＋層２９に接続した裏銀電極２８がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。

つぎに、図４−１〜図５−３にしたがって、太陽電池セル２０の製造方法の一例について説明する。まず、図４−１に示されるように、表面処理（表面洗浄、表面に凹凸を付けるなど）を施したｐ型シリコン基板２２を用意する。ついで、図４−２に示されるように、リンを熱的に拡散させることによって導電型を反転させたｎ型拡散層２３ａをｐ型シリコン基板２２の表面に形成する。通常、リンの拡散源として、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）が用いられる。

ついで、ｐ型シリコン基板２２の一主面をレジストで保護した後、図４−３に示されるように、一主面のみにｎ型拡散層２３を残すように、ｐ型シリコン基板２２の表面をレーザなどでエッチングし、レジストを有機溶剤などを用いて除去する。その後、図４−４に示されるように、ｎ型拡散層２３の表面に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、酸化チタン膜などからなる反射防止膜２４をプラズマＣＶＤ法などの成膜法によって、一様な厚みで形成する。

ついで、図４−５に示されるように、ｐ型シリコン基板２２の裏面に、スクリーン印刷法で裏アルミ電極パターン２７ａを形成する。このとき、図５−１に示される印刷マスク４を用いてアルミペーストがｐ型シリコン基板２２の裏面上に付着される。印刷マスク４は、樹脂で塞がれない電極パターンの形成位置に対応する開口部４ａと、それ以外の樹脂で塞がれたマスク部４ｂとを有し、開口部４ａのパターン形状に対応して電極が形成される。つぎに、裏アルミ電極パターン２７ａを乾燥した後、図４−６に示されるように、スクリーン印刷法を用いて裏面にさらに裏銀電極パターン２８ａを形成する。このとき、図５−２に示される印刷マスク４を用いて銀ペーストが、裏アルミ電極パターン２７ａが付着されたｐ型シリコン基板２２上に、開口部４ａに応じたパターンとして付着される。

裏銀電極パターン２８ａを乾燥させた後、表裏を反転させて、図４−７に示されるように、銀ペーストをスクリーン印刷法で、反射防止膜２４上に付着させ、乾燥させる。このとき、図２−３に示される印刷マスク４を用いて、銀ペーストが、反射防止膜２４上に付着される。これにより、反射防止膜２４上に表銀グリッド電極パターン２５ａと表銀バス電極パターン２６ａが選択的に形成される。

そして、表銀グリッド電極パターン２５ａ、表銀バス電極パターン２６ａ、裏アルミ電極パターン２７ａおよび裏銀電極パターン２８ａを含む表裏電極パターンを、同時に７００℃〜９００℃程度で数分間程度焼成する。この焼成により、ｐ型シリコン基板２２の表側では、表銀グリッド電極パターン２５ａと表銀バス電極パターン２６ａを構成する表銀ペースト中に含まれるガラス材料によって反射防止膜２４が溶融している間に、銀ペースト中の銀材料がｐ型シリコン基板２２上部のｎ型拡散層２３中のシリコンと接触して再凝固する。これにより、表銀電極（表銀グリッド電極２５、表銀バス電極２６）とシリコンのｎ型拡散層２３との間の導通が確保される。また、この焼成工程により、裏アルミ電極２７が形成されるとともに、裏アルミ電極パターン２７ａもｐ型シリコン基板２２中のシリコンと反応して、ｐ型シリコン基板２２と裏アルミ電極２７との間にｐ＋層２９が形成される。以上により、表銀グリッド電極２５、表銀バス電極２６、裏アルミ電極２７および裏銀電極２８が形成され、図１〜図３に示される構造を有する太陽電池セル２０が製造される。

つぎに、図６を用いてこの発明にかかるスクリーン印刷機の構成について説明する。図６は、図４−６に示した裏銀電極パターン２８ａを形成する際のスクリーン印刷機の状態を示している。このスクリーン印刷機は、印刷ステージ１と、印刷マスク４と、多孔質フィルム６と、抑え板７と、留め具８と、印刷マスク枠３１と、スキージ３３とを備えている。

印刷ステージ１は、被印刷物である太陽電池セル２０を載置固定するための複数の吸着穴２が形成されたステージ面３と、これら複数の吸着穴２に連通しステージ面３下の本体内部に形成された真空導管５とを有し、真空導管５は真空配管５ａを介して図示しない真空ポンプに接続されている。印刷ステージ１においては、真空ポンプを用いてステージ面３に載置された太陽電池セル２０を吸着穴２、真空導管５などを介して真空吸着することによって、太陽電池セル２０を位置決め固定する。

印刷ステージ１上に固定された太陽電池セル２０上には、印刷マスク枠３１間に張設された印刷マスク４が太陽電池セル２０に対して位置合わせされた状態で所定の間隔をあけて配置される。この印刷マスク４のスキージ３３側の面上に裏銀電極２８を形成するための銀ペーストを薄く広げておき、スキージ３３によって印刷マスク４に所定の押圧力を加えて、図中の矢印方向に摺動させることによって、印刷マスク４の開口部４ａを通して銀ペースト２８が太陽電池セル２０側に押出され、所望の電極パターンが印刷される。

ここで、本スクリーン印刷機においては、印刷ステージ１のステージ面３と、被印刷物である太陽電池セル２０との間に、紙や高分子フィルムなどの多孔質フィルム（多孔質体）６を介在させて太陽電池セル２０を真空吸着させるようにしている。多孔質フィルム６を印刷ステージ１に固定するための固定手段として、多孔質フィルム６の端部を固定する抑え板７と、この抑え板７を印刷ステージ１に対し固定する固定用留め具８を設けている。

このように、本スクリーン印刷機においては、印刷ステージ１上に多孔質フィルム６を設けているので、被印刷物である太陽電池セル２０の吸着は行いながらも、ペーストやセル破片を吸着穴２に吸い込むことを防ぐことができる。したがって、印刷時に太陽電池セル２０の半導体基板２１が割れたり、ペーストが印刷ステージ１に付着したとしても、印刷ステージ１の真空配管系まで入ることはない。このため、連続印刷時に基板２１を真空吸着して印刷後に真空解除するためのエアーを強制的に吹き込んでも真空配管系統から、異物が吹き上がることがないので、印刷ステージ１上には異物もなくなり、基板２１が印刷時に破損することもなくなる。

多孔質フィルム６として、色々な材料を検討した結果を記す。多孔質フィルム６として採用できる判断基準は、基板２１が印刷時にずれたりしないことであり、真空圧元圧が６０ｋＰａ以上でステージ部で３０ｋＰａ以上あれば問題ないことを確認した。多孔質フィルム６の材料として、通常市販されている半紙、普通紙、クリーンペーパー、和紙、画用紙を試した結果、画用紙以外は使用できることが判った。紙の厚みとしては、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ厚までは問題なく、印刷できた。また、高分子フィルムで多孔質体として、日東電工製の高分子量ポリエチレン多孔質フィルム、サンマップは厚みが０．１ｍｍ〜２ｍｍまで問題なく印刷ができた。このような多孔質体６をスクリーン自動印刷機に採用した結果、太陽電池セル製造におけるセル割れ率が０．２％低減できた。

図７に、多孔質フィルム６を介在させずに太陽電池セル２０の基板２１を印刷ステージ１上に直接載置させた従来のスクリーン印刷機の構成を示す。この場合、真空配管系統である真空導管５や吸着穴２にペースト塊５１や基板破片５３が入り込んだり、真空吸着と真空強制解除時に吸着穴２を通過して印刷ステージ上にペースト塊５１、基板破片５３が載ったり、基板２１が割れたりした際に印刷ステージ１の表面が傷ついてステージ金属粉（図示せず）が印刷ステージ１の表面に載ったりして、基板２１にクラック６１が入り、基板の破損を誘発していた。

なお、図６の構成においては、抑え板７と基板２１の上側の表面高さを同じにしているが、この両者の表面高さの差異を±０．２ｍｍ以内にすれば、スキージ３３を押し付けてもペースト２８が基板２１に届かず印刷できなかったり、もしくは、基板２１にスキージ３３が衝突してマスク４を破ったり、基板２１の端を欠けさせるなどの不良は減る。

また、高精度に基板２１を位置決めして重ね印刷するタイプの印刷機の中には、印刷ステージ１にＣＣＤカメラもしくは受光センサーを埋め込んで基板２１の端の影をセンシングしているタイプのものがあるので、その際には、多孔質フィルム６を透明な材料とし、センサー光を透過させて動作を果たせるようにすることもできる。

図８は、図６のスクリーン印刷機における多孔質フィルム６を印刷ステージ１に固定するための固定手段としての抑え板７および留め具８の変わりに固定テープ９を設け、この固定テープ９によって多孔質フィルム６の端部を支持固定するようにしており、このような構成によれば、多孔質フィルム６を簡略な構成によって簡易に支持固定することができる。

以上のように、本発明にかかるスクリーン印刷機は、太陽電池セルなどの被印刷物に電極パターンを印刷するスクリーン印刷機に有用である。

Claims (9)

1. ステージ面に複数の吸着穴を有し、このステージ面上に載置された被印刷物を真空吸着によって支持固定する印刷ステージと、該印刷ステージ上に支持固定された被印刷物に所定の電極パターンを形成するための印刷マスクと、該印刷マスク上に配した金属ペーストに所定の圧力を加えて被印刷物に印刷するためのスキージとを備えたスクリーン印刷機において、
   前記被印刷物と印刷ステージとの間に挟み込まれる多孔質体を設けるようにしたことを特徴とするスクリーン印刷機。
2. 前記多孔質体が紙であることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷機。
3. 前記紙は、半紙または普通紙またはクリーンペーパーまたは和紙であることを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
4. 前記紙の厚みが０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
5. 前記多孔質体が高分子ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷機。
6. 前記多孔質体が透明であることを特徴とする請求項５に記載のスクリーン印刷機。
7. 前記多孔質体を固定する固定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載のスクリーン印刷機。
8. 前記固定手段の高さと、被印刷物表面の高さの差異が０．２ｍｍ以内であることを特徴とする請求項７に記載のスクリーン印刷機。
9. 前記請求項１〜８項のいずれか一つに記載のスクリーン印刷機によって電極を形成されたことを特徴とする太陽電池セル。

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