WO2012090745A1 - 太陽電池集電極形成装置及びその方法と塗布ヘッド - Google Patents

太陽電池集電極形成装置及びその方法と塗布ヘッド Download PDF

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solar cell
coating
collector electrode
electrode
discharge nozzle
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齊藤　忠之
田島　淳一
佐藤　和恭
直仁 植村
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株式会社Sat
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a solar cell collector forming apparatus and a solar cell collector, particularly a finger electrode forming method, for forming a collector electrode on a light incident surface using a coating head having a plurality of discharge nozzles having a long hole cross section.
  • the present invention relates to a structure of a coating head and a manufacturing method in consideration of the manufacturing method and assemblability.
  • Solar cells are a clean energy source and attracting attention from various countries from the viewpoint of preventing global warming, and their actual introduction has been actively conducted.
  • solar cells such as silicon-based, compound-based, organic-based, and dye-sensitized types, but the center of the present and for some time is a crystalline silicon-based solar cell.
  • the present invention relates to the formation of the collector electrode of this solar cell.
  • a solar cell is generally manufactured by forming a pair of electrodes for output extraction on a light incident surface and a back surface of a photoelectric conversion unit that generates a photogenerated carrier by light incidence.
  • the electrodes provided on the light incident surface are formed in a comb shape having a plurality of finger electrodes having a small line width and a bus bar electrode having a relatively large line width in order to minimize the area that blocks incident light. Is done.
  • the finger electrode is made narrow in order to make the area that blocks incident light as small as possible, the electric resistance of the electrode increases, resulting in a decrease in current efficiency, resulting in a decrease in conversion efficiency of the solar cell. . Therefore, in order to secure more current and allow more incident light to reach the photoelectric conversion part, development of a formation method that can make the finger electrode as narrow as possible and increase the electrode thickness Is desired.
  • the ratio of the electrode thickness to the electrode width in the finger electrode cross section is called the electrode aspect ratio
  • the development of an apparatus for forming an electrode with a high electrode cross section aspect ratio is an important issue for improving the efficiency of solar cells. It has become.
  • the screen printing method is capable of forming an electrode with a material having a relatively high viscosity, and is currently a mainstream process.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 in the electrode formation by the ink-jet method which has been attracting attention recently, in order to apply an electrode material having a very low viscosity, droplets landed on the solar cell substrate Is widely diffused on the substrate, it is difficult to ensure the line width, and the thickness cannot be obtained, so that only a very low electrode aspect ratio can be obtained.
  • Patent Document 3 there is a method of applying offset printing of intaglio, but it is basically only an improvement plan for screen printing, such as having consumables and being unable to guarantee transfer performance. It has a fatal defect and has not been put into practical use.
  • the coating head having the discharge nozzle hole is manufactured using the latest processing technology such as laser, but with the current processing accuracy, there are many variations, and the equipment is not widespread, so it becomes expensive, Development of a new coating head structure and manufacturing method that can achieve both accuracy and cost is desired.
  • the line width of the finger electrode formed by screen printing is about 100 microns, and in order to achieve an electrode width of 50 microns or less, which is expected by increasing the size of the cell and improving the light collecting ability,
  • the mask needs to be highly rigid and accurate, which increases the running cost during manufacture and is not desirable.
  • a dispenser or slit coater is filled with a coating solution in drawing means called a nozzle or a head and pressurized indirectly via air or the like, or by directly pressurizing the coating solution by means of a pump or the like. It discharges and forms an electrode on a cell.
  • the coating solution is pressurized as it passes through a narrow nozzle, and the pressure is released as soon as it is discharged from the nozzle. Therefore, the line width on the cell is increased to 5-6 times the nozzle diameter. However, the drawing ability is lower than that of the screen printing method.
  • the slit coater has the following problems although there is a possibility that a narrow electrode width can be achieved by applying a thin gap shim.
  • the first problem is that, as shown in FIG. 1, the finger electrodes for solar cells are formed in a straight line at intervals of 4 to 5 mm.
  • the number of slit openings for formation is extremely small, and it is necessary to apply a pressure larger than the pressure applied by a normal slit coater.
  • the coating solution discharged from the discharge slit hole greatly expands the line width by releasing the pressure.
  • maintaining the shape on the cell substrate that is, achieving a high electrode aspect ratio. This is a problem.
  • the first problem is how to discharge a high-viscosity coating solution without increasing the pressure in a narrow slit gap.
  • the second problem is that, as can be seen from FIG. 1, the mainstream crystalline solar cells are cut out from the silicon wafer. Therefore, in order to ensure the effective number of cells, the four corners are often cut out. For this reason, the finger electrode near the periphery becomes shorter toward the end.
  • the conventional slit coater cannot control the application of this part because it cannot control the presence or absence of discharge in the width direction. This is the second problem.
  • the third problem is the performance and price of the application head.
  • a very narrow discharge nozzle hole In order to apply a narrow wiring such as a finger electrode, a very narrow discharge nozzle hole must be manufactured with high accuracy.
  • discharge nozzle holes are manufactured with the help of high-grade processing equipment such as laser processing and wire electric discharge processing.
  • high-grade processing equipment such as laser processing and wire electric discharge processing.
  • the processing equipment represented by the above is very expensive and cannot be procured everywhere, the coating head is also expensive.
  • the present invention solves the above-mentioned problems, and at the same time, is for forming a finger electrode having a narrow width and a high cross-sectional aspect ratio, and can provide a highly reliable electrode forming apparatus. This also leads to the realization of a solar cell that achieves high photoelectric conversion efficiency.
  • a first feature of the present invention is a solar cell collector electrode forming apparatus that forms a plurality of finger electrodes and bus bar electrodes for collecting photogenerated carriers on a light incident surface of a photoelectric conversion unit that generates photogenerated carriers by light incidence. Then, the coating solution as an electrode material is discharged through a narrow discharge nozzle hole by a pressurizing means such as a pump to form a linear electrode on the cell. Only the electrode forming portion has an opening of the discharge nozzle hole, from which the coating solution is discharged, and a continuous electrode pattern is formed by relative movement of the cell substrate and the head.
  • the opening for electrode formation is very short, 3-5% in terms of the opening length, and the pressure in the slit gap is that of Hagen Poiseuille. Assuming that the law is obeyed, the internal pressure increases 20 to 30 times. In this case, even if the discharge nozzle hole is made fine, the pressure is released after discharge, resulting in an excessive electrode width.
  • the finger electrodes are composed of a plurality of linear wires, and the intervals are constant. Focusing on this feature, it was determined that even if the opening was made longer in the application direction, the drawing characteristics were less affected. That is, if it is a rectangular opening having a long side in the coating direction, or an elliptical opening having a long axis in the coating direction, without affecting the electrode width, by increasing the opening,
  • the basic idea of the present invention is that the pressure in the narrow coating solution supply channel can be reduced.
  • the coating solution when the coating solution is discharged from the coating head, if the solution reaches the discharge nozzle hole from the flow path and the discharge direction is perpendicular to the cell substrate surface, it will be in a jet state, and even if the pressure is lowered, the cell Due to the flow along the substrate surface, the width of the electrode formed is inevitably increased. In order to alleviate this situation, it is necessary to reduce the velocity vector component in the direction perpendicular to the substrate surface.
  • the problem can be solved by tilting the flow direction of the coating liquid reaching the discharge nozzle hole in the forward direction with respect to the coating direction. That is, the flow path direction in the slit gap is inclined in the forward direction with respect to the cell substrate surface.
  • the forward direction refers to a case where the flow of the substrate moves in a situation where the flow resistance is small with respect to the movement of the substrate
  • the reverse direction refers to a case where the substrate moves in the opposite direction.
  • the second feature of the present invention is that the length of the finger electrode can be controlled.
  • the cells constituting the photoelectric conversion unit which is the main part of the solar cell, are usually cut out from a silicon wafer, and in order to increase the utilization efficiency of the wafer, not a rectangle but a part of an arc is cut out. As shown, an octagon is often formed by cutting out four corners of the quadrilateral.
  • a coating solution is discharged from a slit coater with a normal discharge nozzle hole, it is discharged from each hole at the same time, so the finger electrodes that are formed have a constant length and can be handled at each corner of the solar cell. I can't.
  • the supply direction of the discharge nozzle holes arranged in the lateral direction in other words, by providing a slide valve perpendicular to the discharge direction, the control means for supplying and shutting off the coating solution to the discharge nozzle holes.
  • the supply port for the central finger electrode which occupies the majority, is open at the start of application, and the slide valve gradually shifts outward, so that the electrode application is performed sequentially. It will be done.
  • the application solution is discharged from all the discharge nozzle holes, and when the application finishes, the slide valve moves again from the outside to the inside, and a predetermined octagonal finger electrode pattern is applied. Will be.
  • the third feature is not a coating head using an expensive processing technique but a proposal of a coating head structure and a manufacturing method using a normal processing technique.
  • the processing accuracy of the discharge nozzle hole is higher than that of the conventional method, and the discharge is necessarily stable.
  • the coating head is reduced in price because it is based on ordinary means, not a special processing technique.
  • the conventional coating head needs to be replaced entirely, whereas the present invention According to this structure, it is possible to provide a coating head that can be partially replaced and is far superior to conventional ones in many respects.
  • the present invention provides a plurality of finger electrodes for collecting the photogenerated carriers and the plurality of finger electrodes on a light incident surface of a photoelectric conversion unit that generates photogenerated carriers by light incidence.
  • the solar cell substrate (cell) is moved and pressurized from an application head composed of a plurality of discharge nozzle holes having a long hole cross section.
  • the solar cell collector electrode forming apparatus is characterized in that the collector electrode material is discharged and formed in a lump.
  • a plurality of finger electrodes that collect the photogenerated carriers and a bus bar electrode that collects the photogenerated carriers collected by the plurality of finger electrodes on a light incident surface of a photoelectric conversion unit that generates a photogenerated carrier by light incidence In the production of a solar cell having a structure, while the solar cell substrate (cell) is moved, a pressurized collector electrode material is discharged and collectively formed from an application head composed of a plurality of discharge nozzle holes having a long hole cross section. It was set as the structure of the formation method of the solar cell collector electrode characterized by the above-mentioned.
  • the pressurized collector electrode material is discharged by a coating head whose major axis of the discharge nozzle hole having the long hole cross section coincides with the coating direction of the collector electrode.
  • the solar cell collector electrode forming apparatus is characterized by being formed in a lump.
  • the discharge flow direction from the discharge nozzle hole having each long hole cross section is inclined to the opposite side with respect to the moving direction of the substrate. It was set as the structure of the formation apparatus of the solar cell collector electrode characterized by having provided the coating head.
  • the discharge direction from the discharge nozzle hole having each long hole cross section for discharging the finger electrode material of the solar cell is opposite to the moving direction of the substrate.
  • the solar cell collector electrode forming method is characterized by using a coating head that is inclined to the surface.
  • each nozzle for forming each electrode so as to match an electrode pattern corresponding to the shape of the solar cell substrate (cell).
  • the solar cell collector electrode forming apparatus is characterized in that the head is provided with an open / close valve capable of sequentially switching discharge / stop.
  • each of the discharge valves is provided by a mechanism capable of sliding in a direction perpendicular to the supply direction of the discharge flow path filled with the coating material.
  • the configuration of the solar cell collector electrode forming head is characterized in that the presence or absence of discharge from the nozzle hole can be controlled.
  • the solar cell collector electrode forming method using the coating head according to claim 7 is adopted.
  • the solar cell collector electrode forming apparatus according to any one of claims 1, 3, 4, and 6, wherein the coating head to be mounted is a thin layer obtained by cutting a block defining a gap between discharge nozzle holes and a discharge flow path. It was set as the structure of the solar cell collector electrode formation apparatus characterized by mounting the coating head which laminated
  • the solar cell collector electrode is formed by using the stacked application heads.
  • the plurality of discharge nozzle holes has a structure in which thin-layer spacers having discharge channels formed by cutting and blocks that define intervals are alternately stacked and fixed by stacking bolts.
  • the configuration of the coating head is characterized in that the discharge nozzle hole formed by the block and the spacer has a square cross-sectional shape.
  • a sliding valve is provided in a common supply flow path of the coating solution parallel to each fine discharge nozzle hole row, and each of the discharge nozzle holes is provided.
  • the configuration of the coating head is characterized in that the presence or absence of ejection can be controlled by opening and closing.
  • the multilayer coating head manufacturing method according to claim 11, claim 12, and claim 13 is used.
  • the open / close valve provided has a rotation axis parallel to the discharge port array for discharging the coating material, and has a notch on the side surface.
  • the solar cell collector electrode formation head is characterized in that it has a cylindrical shape and can control the presence or absence of discharge from each discharge nozzle hole by rotating the opening and closing valve.
  • the collector and the forming method of the collector electrode of the cell substrate of the solar battery of the present invention can be obtained by using the collector and the forming method of the collector electrode of the cell substrate of the solar battery of the present invention, particularly the finger electrode.
  • a finger electrode having a narrow electrode width and a large electrode cross-sectional aspect ratio can be obtained.
  • it can greatly contribute to the improvement of the photoelectric conversion efficiency of the manufactured solar cell.
  • the process apparatus and method of the present invention have no consumables, so the running cost can be greatly reduced.
  • the effective utilization efficiency of the electrode coating material can be increased in the formation of finger electrodes for solar cells.
  • the effective utilization efficiency is 1.5 times or more. This is advantageous when using expensive coating solutions such as silver.
  • the multi-layer coating head of the present invention is easy to clean and has a high recovery rate against troubles that cause coating defects such as clogging.
  • the multilayer coating head of the present invention can easily cope with changes in the finger electrode design of the solar cell, for example, changes in electrode width and electrode spacing.
  • the multi-layer coating head of the present invention can be manufactured by a conventional processing technique, and the price can be kept low. In the unlikely event that the thin layer spacer forming the nozzle is damaged, only the relevant part needs to be replaced, and the overall cost is low.
  • the multi-layer coating head of the present invention has a limited mechanism because of restrictions on the shape, etc., but the distance to the neighbor can be relatively large, and the application destination close to straight line drawing has a simple mechanism. Application deployment can be expected at a low price.
  • FIG. 5B is a schematic view of the embodiment of the present invention, in which the coating head is tilted to tilt the discharge direction of the coating solution from the discharge nozzle hole with respect to the substrate surface, thereby mitigating the collision.
  • FIG. (C) is a view schematically showing a state in which the coating head itself is not tilted, but the channel leading to the discharge nozzle hole is tilted to reduce the collision.
  • the embodiment of the present invention shows a discharge control mechanism for a region where the electrode coating length of the cell substrate is changed, and shows a configuration in which the coating solution fed from the pump is caused to flow from the end of the coating head.
  • FIG. 2 illustrates a basic structure of a solar cell that is an object of the present invention.
  • the solar cell includes a photoelectric conversion unit that generates a photogenerated carrier by the incidence of sunlight, and a pair of positive and negative electrodes for taking out the photogenerated carrier generated by the photoelectric conversion unit.
  • the pair of positive and negative electrodes is overwhelmingly often provided on the front and back surfaces of the photoelectric conversion unit, but in some cases, a pair of positive and negative electrodes may be provided on the back surface of the photoelectric conversion unit.
  • the one electrode is generally formed in a comb shape by combining a plurality of narrow finger electrodes and a wide bus bar electrode.
  • the finger electrode is an electrode that collects photogenerated carriers generated in the photoelectric conversion unit, and is arranged over almost the entire surface of the photoelectric conversion unit.
  • the bus bar electrode is an electrode for collecting photogenerated carriers collected by a plurality of finger electrodes, and is formed in a straight line so as to intersect the finger electrodes.
  • the photoelectric conversion unit can generate photogenerated carriers not only from the front surface but also from the back surface
  • the light incident surface of the photoelectric conversion unit includes not only the surface of the photoelectric conversion unit but also the back surface. included. Therefore, finger electrodes and bus bar electrodes are similarly formed on the front and back surfaces of the photoelectric conversion portion.
  • the photoelectric conversion unit has a semiconductor junction such as a pn or pin junction, and is a silicon semiconductor material such as single crystal silicon or polycrystalline silicon, an amorphous silicon material, a thin film semiconductor material such as CuInSe, or GaAs, InP. It is comprised from compound semiconductor materials, such as. Recently, an organic semiconductor material such as a dye-sensitized type has been studied.
  • a collector electrode of a solar cell is made of a conductive material, and a typical example is a conductive paste such as a thermosetting conductive resin using an epoxy resin as a binder and conductive particles as a filler.
  • the filler of the collector electrode is intended to obtain electrical conductivity, and at least one kind of metal particles selected from silver, copper, nickel, aluminum, tin, or the like, or an alloy or mixture thereof can be applied as a composition.
  • the binder of the collector electrode is mainly intended to adhere a filler, and in order to maintain reliability, it is required to be excellent in moisture resistance and heat resistance.
  • binder material examples include epoxy resin, acrylic resin, polyimide resin, phenol resin, urethane resin, silicon resin, and the like, and at least one kind or a mixture or copolymerization of these resins can be applied.
  • the photoelectric conversion part has high heat resistance like a crystalline semiconductor
  • an inorganic material that can be cured and fired at high temperature can be used as the binder.
  • metal particles such as silver and aluminum correspond to those composed of glass frit and organic vehicle.
  • the collector electrode of the solar battery cell particularly the finger electrode
  • Items required for the collector electrode of the solar battery cell, particularly the finger electrode are an increase in the opening area for light incidence and a reduction in resistance loss.
  • the mechanism in this apparatus is based on a table 3 provided on the base 1 with a vacuum suction groove for fixing the cell substrate 2 of the solar battery and a drive mechanism 4 capable of moving the table 3 to an arbitrary position.
  • the head side system is composed of a driving mechanism 6 that supports the substrate side system and the coating head 5 with micro holes and can move in the vertical direction to set the gap between the coating head 5 and the solar cell substrate 2.
  • the two systems are relative to each other by a portal frame 7 fixed on the base 1. That is, the entire head side system is fixed to the portal frame 7, and is configured to face the substrate side system fixed on the base 1.
  • a liquid supply system including a liquid feed pump 9 for supplying the coating solution from the coating solution tank 8 to the coating head 5 is combined to form a solar cell collector electrode forming apparatus.
  • the table 3 for fixing the cell substrate 2 has a groove formed on the surface so that the back surface of the substrate is adsorbed by the vacuum pump 10, and generates and fixes a negative pressure.
  • lift pins for lifting the substrate are incorporated for removing the cell substrate 2 after the electrodes are formed. This operation is usually performed using air pressure.
  • the drive mechanism 4 for moving the cell substrate 2 vacuum-fixed and fixed on the table 3 has a movement mechanism in only one direction.
  • a total of three axes of moving mechanisms in the in-plane rotation direction can be provided.
  • this moving mechanism a mechanism for servo-controlling a motor-driven ball screw mechanism is common, but there are also applications using a linear guide and a tunnel actuator.
  • a motor-driven ball screw mechanism is often used as the drive mechanism 6 that enables the head to move in the vertical direction.
  • a linear guide may be used.
  • an important element part in this apparatus is a liquid feed pump 9.
  • various types of pumps and the required performance item is that they are excellent in quantitativeness.
  • the electrode coating solution for solar cells generally has a high viscosity in order to increase the aspect ratio of the electrode cross-sectional shape as much as possible. Therefore, when the coating solution is discharged from the fine discharge nozzle hole 11, a large flow frictional resistance is generated, and the pressure in the coating head 5 is inevitably increased. Therefore, a high discharge pressure pump is required.
  • a bellows pump, a gear pump, or the like is applied, but a screw pump that is a rotary type and can be rotated forward and backward is suitable for intermittent application with application start and end.
  • the finger electrode forming operation of this device will be described.
  • the gap between the cell substrate 2 and the coating head 5 is set constant, and then coating is performed while moving the substrate side system. .
  • the head side system is fixed and the substrate side system moves.
  • the substrate side may be fixed and the head side may move.
  • the coating solution serving as the electrode material is sent to the coating head 5 by the liquid feed pump 9 and discharged from the minute discharge nozzle holes 11 positioned accurately at the finger electrode formation position.
  • various controls are mainly performed on the discharge flow rate of the liquid feeding pump 9.
  • FIG. 4 shows an example of the structure of the coating head 5.
  • This coating head is an example manufactured by wire electric discharge machining.
  • the coating head 5 is composed of three plates. That is, the nozzle plate 12 a including a plurality of narrow discharge nozzle holes 11, the cover plate 13 a that closes the discharge nozzle holes 11, and the nozzle plate 12 a, and the cavity 14 that functions as a tank that stores a coating solution from the liquid feed pump 9.
  • These are the three plates of the sealing plate 15 that serves to block the water.
  • the nozzle plate 12a and the sealing plate 15 may be integrated in structure, but when processing the discharge nozzle hole array 11 by wire electric discharge machining, it is necessary to open the ceiling portion of the cavity 14 as a wire passage, Inevitably, it has a three-body structure.
  • the end face of the nozzle plate 12a is cut with a wire having a constant thickness, and the degree of the long hole is determined by the cutting depth.
  • the shape of the discharge nozzle hole 11 is a long hole, and it is the first, second, and third aspects of the present invention that the direction of the long axis coincides with the application direction of the finger electrode to be applied.
  • FIG. 5 shows an example of another structure of the coating head 5.
  • This coating head is an example manufactured by laser processing.
  • the coating head 5 is composed of three plates. That is, a nozzle plate 12b including a plurality of narrow discharge nozzle holes 11, a cover plate 13b, and a cover plate 13c including the cavity 14.
  • a nozzle plate 12b including a plurality of narrow discharge nozzle holes 11, a cover plate 13b, and a cover plate 13c including the cavity 14.
  • an ellipse is pierced by a laser at a right angle to the longitudinal direction of the nozzle plate 12b.
  • a YAG laser is used as a processing machine although it depends on the material of the target nozzle plate 12b.
  • the joint surface between the nozzle plate 12b and the two cover plates 13b and 13c does not have a great influence on the increase in internal pressure accompanying the flow of the coating solution, whereas in the structure of FIG. Since the nozzle plate 12a and the cover plate 13a are deformed so as to open their mouths against the internal pressure, the coating head structure of FIG. 5 is superior in terms of the sealing performance of the coating solution.
  • the collector electrode formation by the discharge nozzle hole 11 having a long hole cross section as shown here corresponds to Claims 1, 2 and 3 of the present invention.
  • the dispenser is often a single nozzle, and pressurizes and applies the coating solution through air.
  • air is a compressive fluid, and even if an excessive pressure is applied, the force applied to the coating solution itself can be suppressed. For this reason, the coating solution released from the nozzle can be applied to the substrate surface without spreading so much.
  • the dispenser cannot discharge.
  • the dispenser is not suitable when the electrode width is narrow and the aspect ratio of the electrode cross section is to be increased, as in the case of the finger electrode formation of the solar cell that is the subject of the present invention.
  • the slit coater can discharge even if the total opening area is secured even if the viscosity is 100 Pa ⁇ s or higher.
  • the slit coater has a great factor that it can directly pressurize the coating solution.
  • the pattern to be applied does not reach the entire surface as in the case of the finger electrode of the solar cell that is the subject of this time, and when it is localized, there are many closed portions and the number of openings is extremely small. For this reason, fluid friction resistance increases and the coating solution itself is exposed to high pressure. When discharging is performed in such a situation, the coating solution discharged from the narrow discharge nozzle hole 11 is released and spreads on the substrate or cannot be discharged.
  • the long axis of the discharge nozzle hole 11 coincides with the application direction. Further, depending on the physical properties of the coating material, particularly the viscosity, it may be a circular hole or a square instead of a long hole.
  • the pressure applied to the coating solution in the coating head 5 can be reduced by the cross-sectional shape of the long hole of the discharge nozzle hole 11 and brings about a good result in the shape of the formed electrode.
  • a width is required.
  • the discharge direction of the coating solution discharged from the nozzle is perpendicular to the substrate surface.
  • the substrate surface responds like a wall to the flow of the coating solution, and a so-called “jet” phenomenon occurs in the so-called hydrodynamic world. That is, after the coating solution collides with the wall, a velocity vector in all directions along the wall is generated and diffused. This is a behavior contrary to the purpose of narrowing the finger electrode.
  • the discharge direction of the coating solution from the coating head 5 is tilted with respect to the coating direction. It is effective.
  • the coating head 5 is tilted with respect to the substrate surface 2 here, as shown in FIG. 7C, the coating head 5 is kept upright as in the past, and the discharge nozzle holes in the coating head 5 are disposed. 11 may be inclined.
  • the collision energy of the coating solution can be mitigated, and only the velocity vector in the direction opposite to the coating direction can be obtained, which is extremely effective for narrowing the electrode width.
  • Embodiments 4 and 5 of the present invention correspond to the apparatus and method, respectively.
  • the cell substrate 2 of the crystalline solar cell that currently occupies most of the solar cell is usually made of a silicon wafer having a substantially circular shape, and has a rectangular shape as shown in FIG. As shown in FIG.
  • the finger electrodes 16 are formed in a straight line with a constant interval. However, in the above-described notch portion, the electrode length becomes shorter toward the outside of the wafer, and becomes a constant length in the central portion. Next, a mechanism corresponding to the application length of the finger electrode that is changed stepwise will be described.
  • FIG. 8 shows a structure for changing the coating length of the finger electrode 16.
  • the center of the coating head is a discharge nozzle hole 11, and a predetermined number of discharge nozzle holes 11 having a long cross-sectional shape are formed at predetermined intervals.
  • the slide valve 17 In the common flow path for supplying the coating solution to the discharge nozzle hole 11, there is a slide valve 17 that can move to the left and right, and the mechanism can move around the coating material supply port 18. That is, the slide valve is a piston-like valve that covers the cross section of the common flow path, has a role of closing the discharge nozzle hole 11, and cannot discharge when it is on the discharge flow path 23.
  • This slide valve 17 is a mechanism that moves left and right by a connected arm 21 from the drive of a symmetrical trapezoidal screw 20 attached to the coating head 5 via a linear guide 19.
  • the trapezoidal screw 20 is driven by a servo motor. As a result, patterning at the notch portion of the solar cell substrate becomes possible.
  • FIGS. This figure shows the coating procedure when the coating length of the electrode changes at the notch as shown in FIG.
  • the coating head 5 descends, sets a predetermined gap with the cell substrate 2, supplies a coating solution, moves the table 3 on which the cell substrate 2 is mounted, Start application.
  • the interval between the slide valves 17 is a substrate width which is not affected by the notch in the central portion.
  • the slide valve 17 is gradually moved to the left and right, and the number of drawn electrodes is sequentially increased. From the drawing of all the lines, the ejection becomes stable and continues until it hits the notch portion of the cell substrate 2.
  • FIG. 8 shows a structure in which the coating solution is put from the center of the coating head 5, but depending on the configuration of the head, it is not possible to put it from the center, but it must be put from both ends or one end of the coating head 5.
  • the configuration in this case is shown in FIG.
  • a hollow piston-like slide valve is used in the case where the coating solution is put from the center, when the coating solution is put from the end face, as shown in the figure. 17a hollow piston-like slide valve is used. 17a is used, and the flow path to the discharge nozzle hole is closed by the outer wall surface of the cylinder.
  • FIG. 9 shows a second structure for changing the coating length of the finger electrode 16. In this structure, instead of using a slide valve for discharge control, a rotating rod 33 having an oblique cutout 36 on the side surface is used.
  • the rotating rod 33 rotates in the direction of an arrow using a motor 34 fixed to the coating head 5 using a fixing jig 35.
  • the coating solution is supplied to the discharge nozzle hole 11 through the coating solution supply port 18 in the nozzle plate 12 as in FIG.
  • the side surface of the rotating rod 33 is disposed so as to be in contact with the discharge nozzle hole 11, and when the notch 36 of the rotating rod is positioned on the discharge nozzle hole 11, the discharge nozzle hole is open, and therefore the coating solution
  • the portion without the notch of the rotating rod 33 is positioned on the discharge nozzle hole 11, the discharge nozzle hole is blocked by the rotating rod 33, so that the coating solution is not discharged.
  • the notch 36 is formed obliquely, and by rotating the rotating rod 33, the discharge nozzle hole blocked by the rotating rod and the discharge nozzle hole opened by the notch can be sequentially changed.
  • the coating length of the finger electrode can be changed by coating while rotating.
  • FIGS. shows the coating procedure when the coating length of the electrode changes.
  • (a) shows the state immediately after the start of coating, where the notch 36 of the rotating rod 33 is located above the discharge nozzle hole 11a, and the portion where the notch of the rotating rod 33 is not located above the discharge nozzle hole 11b.
  • the coating solution is discharged from the discharge nozzle hole 11a, and the coating solution is not discharged from the discharge nozzle hole 11b.
  • the rotating rod 33 is rotated by a predetermined angle, and the number of discharge nozzle holes 11a in which the notch portion of the rotating rod is positioned is increased one by one, and the coating length is increased.
  • the rotating rod 33 is further rotated by a predetermined angle, and the number of discharge nozzle holes 11a in which the notch portion of the rotating rod is positioned is further increased by one on both sides, and the coating length is increased. Similarly, the coating length is increased.
  • the notch 36 of the rotating rod 33 is positioned above all the discharge nozzle holes, and the coating solution is discharged from all the discharge nozzle holes. When narrowing the coating length, an operation opposite to this operation may be performed.
  • the application length of the finger electrode can be changed by performing application while rotating the rotating rod 33.
  • the coating head 5 is a central device in the formation of the collector electrode of the solar cell, and that this performance and reliability are directly replaced by the performance and reliability of the apparatus.
  • the line width of the finger electrode of the current solar cell is around 100 microns, and the aspect ratio of the electrode cross section is not high. Furthermore, the problem of 'bleeding' around the electrodes caused by the manufacturing method has not been solved.
  • the proposed slit coater method for the purpose of reducing electrode width by half and greatly improving the electrode cross-section aspect ratio and eliminating 'bleeding' is sufficient, but the application head is the main device. Because of the lack of stability of 5, the ability value is at the same level as the conventional method.
  • the conditions that must be provided as the coating head 5 are listed as follows.
  • FIG. 11 shows a multilayer coating head structure based on the necessary conditions for the coating head 5.
  • FIG. 12 shows typical parts constituting the discharge nozzle hole 11 of the coating head.
  • the discharge nozzle hole 11 includes a thin layer spacer 24 formed by cutting and forming a discharge channel 23 including the discharge nozzle hole 11 between the block 22 and the two blocks 22 that define the interval between the finger electrodes, as shown in FIG.
  • the basic structure of the coating head 5 in which the gap is a long hole (rectangle) with a fine gap is completed.
  • the shape of the discharge nozzle hole 11 may be square.
  • Both the parts 22 and 24 are formed with a stacking bolt hole 25 and a coating solution supply channel hole 26 for stacking at a common position.
  • the pipe 27 for supplying the coating solution and the pipe 28 for discharging are connected to both sides, and the base of the stacking bolt 29 End plates 30 and 31 are attached.
  • the stacking bolt 29 is tightened to complete the assembly of the multilayer coating head.
  • the fourteenth aspect of the present invention relates to a method of manufacturing the coating head 5 by a conventional processing technique of cutting and grinding.
  • the target coating head 5 is required to have the same dimensions and accuracy as the inkjet head.
  • the coating solution to be coated is limited to an extremely low viscosity of about 10 mPa ⁇ s by inkjet coating, whereas the coating head 5 of the present invention discharges a coating solution having a viscosity of 100,000 mPa ⁇ s or more.
  • the problem of clogging of the nozzle holes which is also a problem during ink jet coating, becomes a major issue in terms of reliability.
  • the integrated coating head 5 made of a laser cord or the like is difficult to recover from clogging with respect to the fine ejection nozzle hole 11, and if the recovery cannot be performed, the entire coating head 5 must be replaced.
  • clogging occurs in the multilayer coating head 5 shown in FIG. 11, it is immediately decomposed and can be easily recovered by cleaning the individual thin layer spacers 24 and the individual blocks 22. . That is, as a method for cleaning one flat plate is extremely easy, clogging is eliminated in most cases. If the thin spacer 24 is damaged due to an error in handling such as a cleaning process, the original state can be recovered by replacing only one sheet.
  • the finger electrodes formed on the solar cell substrate can be thinned and the cross-sectional aspect ratio can be increased.
  • the photoelectric conversion efficiency is improved and an effective solar cell system can be provided.
  • a solar cell collecting electrode forming apparatus can be provided at low cost, and a stable and highly reliable process can be provided.
  • the present invention solves the above-mentioned problems and at the same time forms a finger electrode having a narrow width and a high cross-sectional aspect ratio, and can provide a highly reliable electrode forming apparatus, while at the same time providing a higher photoelectric efficiency. This also leads to the realization of a solar cell that achieves conversion efficiency.

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Abstract

　 【課題】太陽電池のフィンガー電極材料を塗布溶液として吐出する複数のノズル孔をもつ塗布ヘッドを用いてセル基板上に直接にフィンガー電極を形成する形成装置及び形成方法と他分野に展開可能な生産性に優れ低価格で信頼性が高い塗布ヘッドを提供する。 【解決手段】太陽光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に光生成キャリアを収集する集電極、特にフィンガー電極の形成装置であり、電極材料となる塗布溶液を吐出する複数のノズル孔を備えた塗布ヘッドを用い、送液用ポンプ圧で電極パターンの描画を行うものである。光入射開口面の増加と電極配線抵抗の低減という目的から電極幅を低減し電極断面アスペクト比を増大させるため、長孔のノズル形状の塗布ヘッドを用い吐出流路をセル基板に対して塗布方向に傾けることで、吐出時の衝突エネルギを緩和して所期の電極パターンが得られ、光電変換効率が向上した太陽電池システムが実現できる。

Description

太陽電池集電極形成装置及びその方法と塗布ヘッド
　本発明は長孔断面をもつ複数の吐出ノズルを有する塗布ヘッドを用いて、光入射面に集電極を形成する太陽電池集電極の形成装置及び太陽電池集電極、とくにフィンガー電極の形成方法に関するものであり、加えて、製造法や組立性を考慮した塗布ヘッドの構造及び製造法に関する。
　太陽電池はクリーンなエネルギ源であることと、地球温暖化防止という視点から各国の注目が集まり、実際の導入も盛んに行われている。太陽電池は、シリコン系、化合物系、有機物系、色素増感型と多岐に渡っているが、現在及びここ暫くの間の中心は、結晶系のシリコン系太陽電池である。本発明は、この太陽電池の集電極の形成に関するものである。
　太陽電池は光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面及び背面に、出力取り出し用の一対の電極を形成することによって製作されるのが一般的である。この場合、光入射面上に設けられる電極は、入射光を遮る面積を出来るだけ小さくするために、複数の線幅が小さいフィンガー電極及び線幅が相対的に大きいバスバー電極を有する櫛形形状に形成される。
　しかし、入射光を遮る面積を出来るだけ小さくするために、フィンガー電極を狭幅にすると、電極の電気抵抗が増加することによって電流効率が低下し、その結果、太陽電池の変換効率の低下を招く。したがって、より多くの電流を確保し、より多くの入射光を光電変換部に到達させるためには、フィンガー電極を出来るだけ狭幅で、且つ、電極の厚さを大きくできるような形成法の開発が望まれている。
　即ち、フィンガー電極断面における電極の幅に対する電極の厚さの比を電極アスペクト比と呼んでおり、太陽電池の高効率化にとって、高電極断面アスペクト比の電極を形成する装置の開発が重要な課題となっている。
　現在に至るまで、太陽電池のフィンガー電極の形成はスクリーン印刷法によって、行われていた。スクリーン印刷法は比較的高粘度の材料による電極形成が可能であり、現段階では、主流のプロセスとなっている。
　しかし、スクリーン印刷法では、消耗品として考えられているスクリーン版の損耗や版離れの強制に起因する電極材料のセル基板に対する付着力の低下、パターンの乱れ等の問題がある上、印刷時に生じる‘にじみ’のために、線幅の狭小化には限界があり、電極アスペクト比の向上は期待できない状況にある。
　また、特許文献１及び特許文献２に示すように、最近注目を集めているインクジェット法による電極形成においては、非常に低い粘度の電極材料を適用するため、太陽電池セル基板上に着弾した液滴は基板上を広く拡散し、線幅の確保が難しい上、厚さも稼げないことより、非常に低い電極アスペクト比しか得られない。
　このような状態で、インクジェット法で対処するには、十数回の重ね塗りが必要であり、プロセスにおけるタクトに大きな課題を残す。また、金属粒子の凝集によって、インクジェットヘッドのノズルの目詰まりの懸念に加えて、吐出し易くするために、多量のバインダ等を含有するため、乾燥後のシート抵抗が大きく、二重の困難な技術的な課題を残している。
　また、特許文献３に示すように、凹版のオフセット印刷を適用する方法等があるが、根本的にはスクリーン印刷の改善案に過ぎず、消耗品を抱えること、転写性能が保証できないこと等の致命的な欠陥を有しており、実用化されていない。
　以上のような背景で、非常に狭小な長孔断面の吐出ノズル列から、塗布材料を高圧で押し出し、直接セル基板上に、塗布しようとする試みがある。ディスペンサ塗布のように、エアを介して間接的に塗布材料を加圧して吐出をさせる方式と、スリットコータのように、塗布材料を直接加圧して吐出させる方式の二つのタイプがある。これらの方法の現状レベルでは、加圧面積に対して開口部の面積が比較的大きい場合に限られており、太陽電池の集電極に期待されるような線幅が狭小で、厚さが比較的大きいパターンの形成は、今だかって実現していない。
　また、吐出ノズル孔を有する塗布ヘッドはレーザ等の最新加工技術を用いて製造されるが、現状の加工精度では、ばらつきも多く、また、設備も普及していないため、高価なものになり、精度と価格で両立できる新しい塗布ヘッドの構造と製造方法の開発が望まれている。
　しかしながら、スリットコータやディスペンサのように、塗布溶液を直接的あるいは間接的に、加圧して、細い空間から吐出させるには、以下に述べるような問題点がある。
　現状、スクリーン印刷で形成されるフィンガー電極の線幅は、約１００ミクロン前後であり、セルの大型化や集光能力の向上で期待される５０ミクロン以下の電極幅を達成するためには、スクリーンマスクを高剛性かつ高精度に対応する必要があり、製造時のランニングコストが上昇し、望ましいことではない。この代わりとして、マルチノズルディスペンサやスリットコータを適用しようとする動きがある。ディスペンサやスリットコータは、ノズルやヘッドと呼ばれる描画手段に、塗布溶液を充填し、空気などを介して間接的に加圧するか、あるいは塗布溶液をポンプ等の手段により、直接的に加圧することによって吐出し、セル上に、電極を形成するものである。
  ディスペンサの場合、狭小のノズルを通過する際に、塗布溶液は加圧され、ノズルから吐出された瞬間、圧力は開放されるため、セル上では、ノズル径の５～６倍の線幅に拡大し、スクリーン印刷法よりも、描画能力は低い。
  また、スリットコータでは、薄いギャップシムの適用によって、狭小な電極幅が達成できる可能性はあるものの、以下に述べるような問題点を抱えている。
　即ち、第一の問題点は、図１に示すような、太陽電池セル用のフィンガー電極は、４～５ｍｍ間隔で直線状に形成されるものであり、スリットコータの塗布幅に対して、電極形成のためのスリット開口部が極端に少なく、通常のスリットコータの加圧よりも、さらに大きな圧力を印加する必要がある。このため、前述のディスペンサと同じように、吐出スリット孔から吐出された塗布溶液は、圧力解放によって、線幅を大きく拡大してしまう。この緩和には、塗布溶液の粘度を下げることによって、狭小なスリットギャップ部分での流体摩擦抵抗を低減することが考えられるが、セル基板上での形状維持、即ち、高電極アスペクト比の達成という点で問題となる。まとめると、高粘度の塗布溶液を狭小なスリットギャップを如何に、圧力を上げずに、吐出出来るかというのが第一の課題である。
  第二の問題点は、図１からも分かるように、主流である結晶系の太陽電池セルはシリコンウェハから切り出して使う。そのために、有効なセルの取り数の確保から、四隅は切り欠いた形状となることが多い。このため、周辺に近いフィンガー電極は、端部ほど短くなる。従来のスリットコータでは、幅方向の吐出の有無をコントロールできないため、この部分の塗布に対応出来ない。これが、第二の問題点である。
  第三の問題点は、塗布ヘッドの性能と価格の問題である。フィンガー電極のような狭小な配線を塗布するためには、非常に狭い吐出ノズル孔を精度よく製作しなければならない。現状では、レーザ加工やワイヤ放電加工といった高級な加工設備の力を借りて、吐出ノズル孔を製作している。しかしながら、エネルギ分布や電位勾配の影響で、特に、深さ方向に、均一な吐出ノズル孔形成が非常に難しく、小径になればなるほど、加工誤差が大きくなっているのが現状である。さらに、前記に代表される加工設備は、非常に高価であり、どこでも、調達できるものではないため、塗布ヘッドも高価なものになっている。
特開２００４－２８１８１３　公開公報 特開２００９－１９３９９３　公開公報 特開２００８－１５９７９８　公開公報
　そこで、本発明は、上記の問題点を解決すると同時に、さらに、狭小幅で断面アスペクト比が高いフィンガー電極を形成するためのものであり、信頼性が高い電極形成装置を提供できると同時に、より高い光電変換効率を達成する太陽電池を実現することにも繋がるものである。
　本発明の第一の特徴は、光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に、光生成キャリアを集める複数のフィンガー電極およびバスバー電極を形成する太陽電池集電極形成装置であって、電極材料となる塗布溶液をポンプ等の加圧手段によって、狭小な吐出ノズル孔を通して吐出させ、セル上に直線状の電極を形成するところにある。電極形成の部分だけ、吐出ノズル孔の開口部があり、ここから、塗布溶液が吐出され、セル基板とヘッドの相対移動によって、連続的な電極パターンが形成される仕組みである。
　ところが、従来のスリットコータの全塗布幅に比べて、電極形成のための開口部は、開口長さに換算して、３～５％と非常に短く、スリットギャップ内の圧力がハーゲン・ポアズイユの法則に従うと仮定すると、内部圧力は２０～３０倍に増加する。これでは、せっかく吐出ノズル孔を微細にしても、吐出後に圧力が開放されて、過大な電極幅となってしまう。
　この現象を防止するためには、電極幅に影響しないで、圧力を下げる状態で塗布を行う方法が最善である。前述したように、塗布溶液粘度の低減は、圧力低下に大きな寄与をするものの、吐出後の高アスペクト比を実現する形状維持性能を悪化させるため、出来れば採用したくない。
　フィンガー電極は複数の直線状の配線で構成されており、その間隔は一定である。この特徴に着眼し、塗布方向に開口部を長くとっても、描画特性には影響が少ないと判断した。すなわち、塗布方向に長辺をもつ矩形状の開口部か、もしくは、塗布方向に長軸をもつ楕円形状の開口部であれば、電極幅に影響をもたずに、開口部の増加によって、狭小な塗布溶液供給流路内の圧力は低下できるというのが、本発明の基本的な考え方である。
　また、塗布ヘッドから塗布溶液を吐出する場合、溶液が流路から吐出ノズル孔に至り、吐出する方向がセル基板面に対して直角の場合には、噴流の状態となり、圧力を下げてもセル基板面に沿う流れを生じるため、形成される電極幅は必然的に増加する。この状況を緩和するためには、基板面に対する直角方向の速度ベクトル成分を小さくすることが必要である。そのためには、吐出ノズル孔に至る塗布液の流動方向を、塗布方向に対して順方向に傾けることで、課題は解決できる。即ち、スリットギャップ内の流路方向をセル基板面に対して順方向に傾けるということである。この場合の順方向とは、塗布溶液の吐出流動を基準に考えると、基板の動きに対して、流動抵抗が少ない状況に動く場合を指し、逆方向とはその反対方向に動く場合を指す。
　本発明の第二の特徴はフィンガー電極の長さのコントロールが可能という点である。太陽電池の主幹である光電変換部を構成するセルは、通常、シリコンウェハから切り出しており、ウェハの利用効率を上げるために、矩形ではなく、円弧の一部分も切り欠いて使うため、図１に示したように、４辺形の４隅を切り欠いた、８辺形をなすことが多い。通常の吐出ノズル孔をもつスリットコータから塗布溶液を吐出する場合、一度に各孔から吐出されるため、形成されるフィンガー電極は長さが一定であり、太陽電池セルの各コーナー部での対応ができない。
　この課題に対して、横方向に並んでいる吐出ノズル孔の供給方向言い換えれば吐出方向に直角なスライドバルブを設けることにより、吐出ノズル孔への塗布溶液の供給および遮断をする制御手段によりこの課題を解決している。
　すなわち、８辺形のセルの場合、塗布開始時点では、大部分を占める中央部のフィンガー電極の供給口は開いており、徐々にスライドバルブが外側にシフトしていき、電極塗布が順々に行われていく。塗布の中間段階では、全ての吐出ノズル孔から、塗布溶液が吐出され、塗布終了時点に近くなると、再びスライドバルブが外側から内側に向かって移動し、所定の８辺形のフィンガー電極パターンが塗布されることになる。
　また、第三の特徴は、高価な加工技術を用いた塗布ヘッドではなく、通常の加工技術を用いた塗布ヘッド構造及び製造方法の提案である。この際、吐出ノズル孔の加工精度は従来の方法によるものより、レベルが高く、必然的に吐出も安定している。この結果、特殊な加工技術によるところなく、通常の手段によるため、塗布ヘッドは低下価格となる。また、太陽電池セルの設計変更、例えば電極間隔の変更等には柔軟に対応可能である他、損傷が起こった場合、従来の塗布ヘッドでは、全部を取り換える必要があるのに対して、本発明の構造によれば、部分的な取り換えで済み、多くの点で従来をはるかに凌駕する塗布ヘッドを提供できる。
　本発明は、上記の課題を解決するために、光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に、前記光生成キャリアを収集する複数のフィンガー電極及び当該複数のフィンガー電極が収集した前記光生成キャリアを収集するバスバー電極構造をとる太陽電池の製造において、太陽電池基板（セル）を移動させながら、長孔断面を有する複数の吐出ノズル孔よりなる塗布ヘッドから、加圧された集電極材料を吐出して一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成装置の構成とした。
　また、光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に、前記光生成キャリアを収集する複数のフィンガー電極及び当該複数のフィンガー電極が収集した前記光生成キャリアを収集するバスバー電極構造をとる太陽電池の製造において、太陽電池基板（セル）を移動させながら、長孔断面を有する複数の吐出ノズル孔よりなる塗布ヘッドから、加圧された集電極材料を吐出して一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成方法の構成とした。
　また、請求項１記載の太陽電池集電極形成装置において、長孔断面を有する吐出ノズル孔の長軸が集電極の塗布方向と一致した塗布ヘッドにより、加圧された集電極材料を吐出して、一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成装置の構成とした。
　また、請求項１及び請求項３記載の太陽電池集電極形成装置において、各長孔断面を有する吐出ノズル孔からの吐出流動方向が、基板の移動方向に対して、反対側に傾斜している塗布ヘッドを具備したことを特徴とする太陽電池集電極の形成装置の構成とした。
　また、請求項４に記載の太陽電池集電極形成装置において、太陽電池のフィンガー電極材料を吐出する各長孔断面を有する吐出ノズル孔からの吐出方向が、基板の移動方向に対して、反対側に傾斜している塗布ヘッドを用いることを特徴とする太陽電池集電極の形成方法の構成とした。
　また、請求項１、請求項３及び請求項４記載の太陽電池集電極形成装置において、前記太陽電池基板（セル）の形状に対応した電極パターンに合わせるように、各電極を形成する各ノズルの吐出／停止を順次、切替えることができる開閉バルブをヘッドに具備したことを特徴とする太陽電池集電極の形成装置の構成とした。
　また、請求項６に記載の太陽電池電極形成装置に用いられる塗布ヘッドにおいて、具備された開閉バルブは塗布材料で充填された吐出流路の供給方向に対して直角方向にスライドできる機構により各吐出ノズル孔からの吐出の有無を制御できることを特徴とする太陽電池集電極形成用ヘッドの構成とした。
　また、請求項６記載の太陽電池集電極形成装置において、請求項７記載の塗布ヘッドを用いた太陽電池集電極の形成方法の構成とした。
　請求項１、請求項３、請求項４及び請求項６記載の太陽電池集電極形成装置において、搭載される塗布ヘッドは吐出ノズル孔の間隔を規定するブロックと吐出流路を切削した薄層のスペーサを交互に積層スタックした塗布ヘッドを搭載したことを特徴とする太陽電池集電極形成装置の構成とした。
　また、請求項９記載の太陽電池集電極形成装置において、前記積層スタックした塗布ヘッドを用いた太陽電池集電極の形成方法の構成とした。
　また、複数の吐出ノズル孔と、この吐出ノズル孔に粘性塗布溶液を供給する吐出流路を持ち、吐出ノズル孔から塗布溶液を吐出してパターンを形成する塗布装置において、複数の吐出ノズル孔の間隔を規定するブロックと切削加工によって形成された吐出流路を持つ薄層のスペーサを交互に積層し、スタッキングボルトで固定した構造をもつことを特徴とした塗布ヘッドの構成とした。
　また、請求項１１記載の塗布ヘッドにおいて、ブロックとスペーサによって形成された吐出ノズル孔の断面形状が正方形であることを特徴とした塗布ヘッドの構成とした。
　更に、請求項１１および請求項１２に記載の積層型塗布ヘッドにおいて、微細な各吐出ノズル孔列に平行な、塗布溶液の共通供給流路内に、スライドするバルブを設け、各吐出ノズル孔の開閉により、吐出の有無を制御できることを特徴とした塗布ヘッドの構成とした。　　
　加えて、請求項１１、請求項１２及び請求項１３に記載の積層型塗布ヘッドの製造方法の構成とした。また、請求項６に記載の太陽電池集電極形成装置に用いられる塗布ヘッドにおいて、具備された開閉バルブは、塗布材料を吐出する吐出口列に平行な回転軸を有し、側面に切り欠きを有する円柱形状をしており、当該開閉バルブを回転することにより、各吐出ノズル孔からの吐出の有無を制御できることを特徴とする太陽電池集電極形成用ヘッドの構成とした。
　以上、詳述してきたように、本発明の太陽電池のセル基板の集電極、とくにフィンガー電極の形成装置ならびに形成方法を用いることによって、以下に述べるような効果が得られる。
　まず、第一に、従来のプロセス方法で得られたフィンガー電極よりも、本発明のプロセス装置ならびに方法を適用することによって、電極幅が狭小で電極断面アスペクト比が大きなフィンガー電極が得られ、配線抵抗の低減と入射光面積の増加が図られた結果、製作された太陽電池の光電変換効率の向上に大きな寄与ができる。
　第二に、フィンガー電極形成の従来の主流方式であるスクリーン印刷法に比べて、本発明のプロセス装置ならびに方法では消耗品が一切ないため、ランニングコストを大幅に低減できる。
　第三に、太陽電池のフィンガー電極形成において、電極塗布材料の有効利用効率を上げることができる。例えば、スクリーン印刷法と比較すると、１．５倍以上の有効利用効率となる。銀等の高価な塗布溶液を使う場合、有利になる。
　第四に、本発明のプロセスでは、塗布基板上に塗布溶液が乗るまで、完全密閉の流路を通るため、空気に曝されることがないため、材料の劣化や物性変化が少なく、プロセス管理がし易い。
　第五に、本発明の積層型塗布ヘッドは、目詰まりに代表される塗布不良を引き起こすトラブルに対して、洗浄がし易く、回復率も高い。
　第六に、本発明の積層型塗布ヘッドは、太陽電池のフィンガー電極設計の変更、例えば、電極幅や電極間隔の変更に対しても容易に対応できる。
　第七に、本発明の積層型塗布ヘッドは、従来の加工技術で製作可能であり、価格も低く抑えることができる。万一、ノズルを形成する薄層スペーサが損傷した場合には該当部分だけの取替ですみ、総合しても、低価格である。
　第八に、本発明の積層型塗布ヘッドは、形状等の制約から適用先は限界があるものの、隣との距離が比較的大きくとれ、直線描画に近いところの適用先には、簡単な仕組みと低価格で、適用展開が期待できる。
結晶系太陽電池セルにおける集電極（フィンガー電極とバスバー電極）の構成例を示した図である。 太陽電池における基本構造を模式的に示した図である。 本発明の実施例である太陽電池集電極形成装置を示す構成図である。 本発明の実施例である複数の吐出ノズル孔を具備した、ワイヤ放電加工による一体型の塗布ヘッドの構成を示した図である。 本発明の実施例である複数の吐出ノズル孔を具備した、レーザ加工による一体型の塗布ヘッドの構成を示した図である。 本発明の実施例である塗布電極と吐出ノズル長孔の関係を示した図である。 （ａ）ディスペンサや従来のスリットコータのノズルやヘッドから、塗布溶液が基板面に吐出され、衝突する様子を模式的に示した図である。また、（ｂ）は、本発明の実施例である、塗布ヘッドを傾けることによって、吐出ノズル孔からの塗布溶液の吐出方向を基板面に対して傾け、衝突を緩和している様子を模式的に示した図である。（ｃ）は塗布ヘッド自体は傾けないないが、吐出ノズル孔に至る流路に傾きを与え、衝突を緩和する様子を模式的に示した図である。 本発明の実施例である、セル基板の電極塗布長が変わる領域に対する、吐出制御の機構を示した図である。 本発明のセル基板の端部で必要な、電極塗布長が変わる領域に対する、吐出制御の機構について連続的に動作を説明した図である。（ａ）は塗布開始直後を示し、（ｂ）は電極塗布範囲が拡大する時点、（ｃ）は電極塗布範囲が狭まって行く時点、（ｄ）は、塗布が完了する時点でのデバイスの動きを示している。 本発明の実施例である、セル基板の電極塗布長が変わる領域に対する、吐出制御の機構を示したもので、ポンプから送り込まれた塗布溶液を塗布ヘッドの端部から流入させる場合の構成を示した図である。 本発明の実施例である、積層型の塗布ヘッドの構造を示した図である。 本発明の実施例である、積層型の塗布ヘッドを構成する部品のうち、吐出ノズル孔を形成する２つのコンポーネントを示した図である。 本発明の実施例である、フィンガー電極の塗布長を変える第二の構造を示した図である。 本発明の実施例である、フィンガー電極の塗布長を変える第二の構造において一連の具体的な塗布動作を示した図である。
　以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載においては同一部分については同一符号を付している。
　図２に本発明の対象となる太陽電池の基本構造について説明する。太陽電池は、太陽光の入射により光生成キャリアを発生する光電変換部と、光電変換部で発生した光生成キャリアを取り出すための正負1対の電極とを備えている。正負1対の電極は光電変換部の表面及び裏面に設けられている場合が圧倒的に多いが、なかには、光電変換部の裏面に正負1対の電極が設けられる場合もある。光電変換部の表面に入射光から光生成キャリアを発生し、かつ、１対の電極のうち一方の電極が光電変換部の表面に設けられる場合、入射光を遮る面積をできるだけ小さくするために、前記した一方の電極は、複数の狭小のフィンガー電極と幅広のバスバー電極とを組み合わせて.くし型形状に形成されるのが一般的である。フィンガー電極は光電変換部で生成された光生成キャリアを集める電極であり、光電変換部の表面のほぼ全域にわたって配置されている。また、バスバー電極は、複数のフィンガー電極で集められた光生成キャリアの集電用の電極であり、フィンガー電極と交差するように、直線状に形成される。
　また、光電変換部がその表面のみならず裏面からの光入射により光生成キャリアを発生することができる場合には、光電変換部の光入射面には、光電変換部の表面のみならず裏面も含まれる。よって、光電変換部の表面及び裏面上にも同様にしてフィンガー電極及びバスバー電極が形成される。
　光電変換部はｐｎあるいはｐｉｎ接合などの半導体接合を有しており、単結晶シリコン、多結晶シリコン等のシリコン系半導体材料、非晶質シリコン系材料あるいはＣｕＩｎＳｅ等の薄膜半導体材料、あるいはＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体材料から構成されている。また、最近では、色素増感型等の有機半導体材料も検討されている。
　太陽電池の集電極は導電性材料によって構成され、代表的なものとしてエポキシ樹脂をバインダ、導電性粒子をフィラーとした熱硬化型導電性樹脂などの導電性ペーストがある。集電極のフィラーは電気伝導性を得ることを目的としており、組成として、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、錫等から選ばれる少なくとも1種類の金属粒子もしくはこれらの合金や混合体が適用できる。また、集電極のバインダはフィラーを接着することを主目的としており、信頼性を維持するためには、耐湿性や耐熱性に優れていることが要求される。これらの要件を満足するバインダの材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などが挙げられ、少なくとも一種あるいはこれらの樹脂の混合や共重合などを適用できる。
　また、光電変換部が結晶系半導体のように、高耐熱性を有する場合には、バインダとして、高温で硬化・焼成できる無機系の材料を用いることができる。例えば、銀やアルミニウムなどの金属粒子に、ガラスフリットおよび有機質ビークルなどから構成されるものが該当する。
　太陽電池セルの集電極、とくにフィンガー電極に要求される項目としては、光入射のための開口面積の増加と、抵抗損失の低減である。開口面積の増加に関しては、スクリーン印刷製造時によく見られた‘にじみ’の解消も含め、出来るだけ細い電極幅を実現した上で、電極厚さを出来るだけ厚く形成する、すなわち、高アスペクト比形状を達成することである。そのため、出来るだけ粒径の小さな導電性フィラーを用い、相対的に高い粘度で、吐出が出来れば、実現の可能性が大きくなる。
　図３を参照して、本発明の実施の形態に係る太陽電池集電極形成装置について説明する。本装置における機構については、ベース１の上に置かれた、太陽電池のセル基板２を固定する真空吸着用の溝がついたテーブル３とこのテーブル３を任意の位置に移動できる駆動機構４よりなる基板側システムと微小孔付き塗布ヘッド5を支え、塗布ヘッド５と太陽電池セル基板２との間のギャップを設定する上下方向に移動できる駆動機構６よりなるヘッド側システムよりなっており、これら２つのシステムはベース1上に固定された、門型フレーム７で相対的な位置関係を定められている。すなわち、ヘッド側システム全体は門型フレーム７に固定されており、ベース1上に固定されている基板側システムと対峙する仕組みとなっている。これらの機構に加えて、塗布ヘッド５に塗布溶液タンク８から塗布溶液を供給するための送液ポンプ９よりなる液供給システムを合わせて、太陽電池集電極形成装置となっている。
　個々の要素について説明する。セル基板２を固定するテーブル３は、真空ポンプ１０により、基板背面を吸着するため、表面に溝が形成されており、負圧を発生させ、固定する。また、電極形成後、セル基板２の取り外しのために、基板を持ち上げるリフトピンが内蔵されている。この動作は通常、空気圧を使って、実行される。
　テーブル３上に真空吸着固定されたセル基板２を移動させる駆動機構４は、最も簡単な場合には、1方向のみの移動機構をもち、最も自由度を持つためには、平面２方向と、面内回転方向の合計３軸の移動機構を持つことができる。この移動機構としては、モータ駆動のボールねじ機構をサーボ制御する仕組みが一般的であるが、リニアガイドの応用や、トンネルアクチュエータを利用するものもある。同様に、ヘッドの上下方向移動を可能とする駆動機構６も、モータ駆動のボールねじ機構がよく用いられる。場合によっては、リニアガイドを用いることもある。
　さらに、本装置で重要な要素部品は送液ポンプ９である。ポンプも様々な種類があり、要求される性能項目は、まず、定量性に優れていることである。回転型や往復動型など多い種類の中で、単位回転当たりの吐出流量や単位変位当たりの吐出量のばらつきが小さいことが重要である。同じような趣旨で、脈動が少ないことも必要である。次に、太陽電池の電極塗布溶液は前出したように、電極断面形状のアスペクト比をできるだけ大きくしたいために、一般的に粘度が高い。そのため、微細な吐出ノズル孔１１から塗布溶液を吐出する場合、大きな流動摩擦抵抗を生み、必然的に塗布ヘッド５内の圧力は高くなる。したがって、高吐出圧力のポンプが必要となる。また、電極形成に用いられる材料の中には、溶解や腐食などのポンプ材料を劣化させる要因を含んでいる場合も多いため、化学的な安定性も要求される。一般的には、ベローズポンプやギアポンプなどが適用されるが、回転型で、正逆回転可能な、スクリューポンプは、塗布開始と終了がある間歇塗布には好適である。
　本装置のフィンガー電極形成動作について説明する。液供給システムによって、塗布ヘッド５に塗布材料が供給される状態で、セル基板２と塗布ヘッド５の間のギャップが一定に設定された後、基板側システムを移動させながら塗布を行うものである。この場合は、ヘッド側システムが固定され、基板側システムが移動する仕組みであるが、基板側が固定され、ヘッド側が移動する場合もある。電極材料となる塗布溶液は送液ポンプ９によって塗布ヘッド５に送られ、フィンガー電極形成位置に正確に位置決めされた微小な吐出ノズル孔１１から吐出される。安定な吐出を得るために、送液ポンプ９の吐出流量を主に様々な制御が実施される。
　図４に塗布ヘッド５の構造の一実施例を示す。この塗布ヘッドはワイヤ放電加工により製作された例である。まず、塗布ヘッド５は３つのプレートで構成されている。すなわち、複数の狭小な吐出ノズル孔１１を含むノズルプレート１２ａ、吐出ノズル孔１１を塞ぐカバープレート１３ａ及びノズルプレート１２ａ内にあり、送液ポンプ９からの塗布溶液を貯めるタンクの役割を果たすキャビティ１４を塞ぐ役目のシーリングプレート１５の３つのプレートである。ノズルプレート１２ａとシーリングプレート１５は構造上、一体でも構わないが、ワイヤ放電加工で吐出ノズル孔列１１を加工する際、ワイヤの通路として、キャビティ１４の天井部分を開放しておく必要があり、必然的に３体構造となったものである。一定厚さのワイヤでノズルプレート１２ａの端面を切削し、切削深さによって、長孔の程度が決定される。この吐出ノズル孔１１の形状が長孔であり、この長軸の方向が塗布するフィンガー電極の塗布方向と一致させることが、本発明における請求項１、請求項２及び請求項３である。
　図５に、塗布ヘッド５の別の構造の実施例を示す。この塗布ヘッドはレーザ加工によって製作された例である。この例も塗布ヘッド５は３つのプレートで構成されている。すなわち、複数の狭小な吐出ノズル孔１１を含むノズルプレート１２ｂ，カバープレート１３ｂ、前記のキャビティ１４を含むカバープレート１３ｃである。この構造では、ノズルプレート１２ｂの長手方向に直角にレーザによって長円を索孔する。対象となるノズルプレート１２ｂの材料にもよるが、通常は、ＹＡＧレーザが加工機として用いられる。本構造では、塗布溶液の流動に伴う内圧の増加に対して、ノズルプレート１２ｂと２枚のカバープレート１３ｂおよび１３ｃの接合面が大きな影響を持たないのに対して、図４の構造では、増加する内圧に対してノズルプレート１２ａとカバープレート１３ａが口を開くような変形をするために、塗布溶液のシール性という点からは、図５の塗布ヘッド構造の方が優れている。ここで示したような、長孔断面をもつ、吐出ノズル孔１１による集電極形成が本発明の請求項１、請求項２及び請求項３に該当する。
　ここで、吐出ノズル孔１１の断面形状を長孔にする理由について説明する。ディスペンサは、一つのノズルの場合が多く、空気を介して塗布溶液を加圧し塗布する。この場合、空気は圧縮性流体であり、過剰な圧力を印加しても、塗布溶液自体にかかる力は、抑えられる。このため、ノズルから解放された塗布溶液はそれ程拡がらずに、基板面に塗布できる。
　しかしながら、相対的に力が弱く、ノズルに至るまでの、流動摩擦抵抗が大きい場合には、塗布が不可能となる。例えば、塗布溶液の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上の非常に高い場合やノズル孔の直径が非常に小さい場合には、ディスペンサでは吐出ができなくなる。本発明の対象となる太陽電池のフィンガー電極形成の場合のように、電極幅が狭く、且つ電極断面のアスペクト比を高くしたい場合には、ディスペンサは不適である。
　一方、スリットコータでは、スリットギャップが狭くても、トータルの開口面積が確保されている場合には、粘度が１００Ｐａ・ｓ以上の高粘度でも、吐出が可能である。スリットコータはディスペンサと異なり、塗布溶液を直接加圧できることが大きな要因である。しかし、今回の対象となる太陽電池のフィンガー電極の場合のように、塗布するパターンが全面に至らず、局所的な場合には、閉じている部分が多く、開口部は極めて少なくなる。このため、流動摩擦抵抗が増大し、塗布溶液自体が高圧に曝されることになる。このような状況で、吐出を行うと、狭小な吐出ノズル孔１１から出た塗布溶液は解放されて、基板上で拡がってしまうかもしくは、吐出不能となる。
　塗布溶液の材料物性,とくに粘度に関しては、太陽電池のフィンガー電極を考えた場合、塗布後の断面形状の維持の点から、高く選定する必要がある。また、電極幅を小さくする必要があるため、吐出ノズル孔１１の短辺は出来るだけ小さくしたい。このような、制約条件の下では、電極幅や断面形状に影響が薄い塗布方向、すなわち、長辺を長くとることにより、見掛けの開口面積を増加させ、塗布溶液にかかる圧力を減少させることが本発明の目的となる。このような、状況を作り出すことによって、高粘度の塗布溶液を用いて、電極幅が小さく、断面アスペクト比も優れたフィンガー電極を形成できることが明らかとなった。図６に、形成されるフィンガー電極と塗布ヘッドの吐出ノズル孔１１の位置関係を模式的に示す。この図から分かるように、吐出ノズル孔１１の長辺の軸は塗布方向と一致している。また、塗布材料の物性、とくに粘度によっては、長孔ではなく、円孔や正方形であってもよい。
　塗布へッド５内の塗布溶液にかかる圧力は吐出ノズル孔１１の長孔断面形状で緩和でき、形成される電極の形状に好結果をもたらすことが明らかとなったが、さらに、狭小な電極幅が要求されている。図７（ａ）に模式的に示すように、通常のディスペンサやスリットコータはノズルから吐出する塗布溶液の吐出方向は基板表面に対して直角である。この場合、基板面は塗布溶液の流れに対して壁のような対応をし、所謂、流体力学の世界でいう、‘噴流’現象を生じる。すなわち、塗布溶液は壁に衝突後、壁に沿う全方向の速度ベクトルを生じ、拡散展開する。このことは、フィンガー電極形成の際の狭小化という目的に反する挙動となる。
　衝突後の塗布溶液の拡散展開を少しでも緩和するためには、図７（ｂ）に示したように、塗布方向に対して、塗布ヘッド５からの塗布溶液の吐出方向を倒れこむ方向に傾けることが、効果がある。ここでは、塗布ヘッド５を基板面２に対して傾けた状況を示しているが、図７（ｃ）に示すように、塗布ヘッド５は従来通り、直立させ、塗布ヘッド５内の吐出ノズル孔１１に至る吐出流路１５を傾けても構わない。吐出流路２３をセル基板面２に対して傾けることによって、塗布溶液がもつ衝突エネルギを緩和でき、塗布方向の反対方向の速度ベクトルしかもたないため、電極幅の狭小化にとっては、極めて有効な実施形態であり、本発明における請求項４及び請求項５が装置及び方法として、それぞれ該当する。
　現在、太陽電池の大部分を占めている結晶太陽電池のセル基板２は、通常、略円形形状をしたシリコンウェハから作られ、実装上の関係から、図１に示したような矩形形状をベースとして、４隅を切り欠いた形状をしている。フィンガー電極１６は、一定間隔をもちながら、直線状に形成される。しかし、前記した切り欠き部では、ウェハの外側にいくほど、電極長は短くなり、中央部では一定の長さとなる。段階的に変化させるフィンガー電極の塗布長さへの対応機構について次に説明する。
　図８に、フィンガー電極１６の塗布長を変える構造について示す。塗布ヘッドの中心は、吐出ノズル孔１１であり、所定の間隔で所定の本数の断面形状が長孔の吐出ノズル孔１１が形成されている。この吐出ノズル孔１１に塗布溶液を供給する共通の流路の中に、左右に移動可能なスライドバルブ１７が存在し、塗布材料供給口１８を中心に移動できる仕組みである。すなわち、スライドバルブは、共通流路の断面を覆うピストン状のバルブであり、吐出ノズル孔１１を閉塞する役割をもっており、吐出流路２３の上にある場合は、吐出ができない。
　このスライドバルブ１７は、リニアガイド１９を介した、塗布ヘッド５に付属した左右対称の精密台形ねじ２０の駆動から、連結したアーム２１によって、左右に動くしくみである。また、台形ねじ２０の駆動はサーボモータでなされる。この結果、太陽電池セル基板の切り欠き部でのパターニングは可能となる。
　一連の具体的な塗布動作について図９（ａ）～（ｄ）を用いて説明する。この図は、図１に示したような、電極の塗布長が切り欠き部で変わる際の塗布手順を示したものである。まず、（ａ）は塗布開始直後を示しており、塗布ヘッド５が下降し、セル基板２との所定のギャップを設定後、塗布溶液を供給し、セル基板２を搭載したテーブル３を動かし、塗布を開始する。その時、スライドバルブ１７の間隔は、中央部の切り欠きの影響がない基板幅となっている。次に、（ｂ）では、スライドバルブ１７を左右に徐々に動かし、電極の描画本数を順次増やしていく。全本数の描画からは安定した吐出になり、セル基板２の切り欠き部に当たるまで続く。（ｃ）（ｄ）では、スライドバルブ１７を次第に中央に戻していき、描画を中止する電極の本数を順次増やしていく。この際には、送液ポンプ９の吐出流量を減らしていく必要がある。具体的には、供給流路２３に設定した圧力センサ３２の値を監視し、ポンプの回転数にフィードバックする形で制御が行われる。塗布完了の時点で、塗布ヘッド５を上げ、塗布溶液の供給も停止し、終了となる。これらが本発明の請求項６、請求項７及び請求項８に関する実施例である。
　また、図８は、塗布溶液を塗布ヘッド５の中央から入れる構造であるが、ヘッドの構成によっては、中央部から入れられないで、塗布ヘッド５の両端部もしくは片端部から入れなければならない場合がある。この場合の、構成を図１０に示す。中央部から塗布溶液を入れていた場合のスライドバルブ１７が中実のピストン状の構造に対して、端面から塗布溶液を入れる場合には、図からも分かるように、中空のピストン状のスライドバルブ１７ａを使うところに特徴があり、円筒の外壁面で吐出ノズル孔への流路を閉塞する。これが、本発明の請求項１２の実施例に該当する構造である。
なお、図９に示した吐出制御用スライドバルブ１７は円柱形状をしているが、それに限ったものではなく、角柱形状でもよい。また、吐出制御用スライドバルブの材料は、スムーズな動作を可能にするため低膨張材であるスーパーインバーセラミックの使用が望ましい。また、吐出制御用スライドバルブや当該スライドバルブと摺動する吐出流路の内面は、耐摩擦性向上のためダイヤモンドライクカーボンコーティングやメッキコーティングを施すことが望ましい。
図１３に、フィンガー電極１６の塗布長を変える第二の構造について示す。本構造では吐出制御用のスライドバルブを用いるかわりに側面に斜めの切り欠き３６を有する回転ロッド３３を用いる。当該回転ロッド３３は、塗布ヘッド５に固定治具３５を用いて固定されたモータ３４を用いて矢印の方向に回転する。塗布溶液は、図１０と同じようにノズルプレート１２にある塗布溶液供給口１８を通して吐出ノズル孔１１に供給される。回転ロッド３３の側面は、吐出ノズル孔１１に接するように配置されており、回転ロッドの切り欠き３６が吐出ノズル孔１１の上に位置するときには、当該吐出ノズル孔は開放されているため塗布溶液が吐出され、回転ロッド３３の切り欠きの無い部分が吐出ノズル孔１１の上に位置するときには、当該吐出ノズル孔は回転ロッド３３によってふさがれてしまうため、塗布溶液が吐出されない。当該切り欠き３６は斜めに形成されており、回転ロッド３３を回転することにより、回転ロッドによりふさがれる吐出ノズル孔と切り欠きにより開放さる吐出ノズル孔を順次変えることができるので、回転ロッド３３を回転しながら塗布を行うことでフィンガー電極の塗布長を変えることができる。
一連の具体的な塗布動作について図１４（ａ）～（ｄ）を用いて説明する。この図は、図９と同様に、電極の塗布長が変わる際の塗布手順を示したものである。まず（ａ）は塗布開始直後を示しており、吐出ノズル孔１１ａの上には回転ロッド３３の切り欠き３６が、吐出ノズル孔１１ｂの上には回転ロッド３３の切り欠きの無い部分が位置しており、吐出ノズル孔１１ａからは塗布溶液が吐出され、吐出ノズル孔１１ｂからは塗布溶液が吐出されない。次に（ｂ）では、回転ロッド３３を所定の角度だけ回転し、回転ロッドの切り欠き部が上に位置する吐出ノズル孔１１ａの数が両側にひとつずつ増え、塗布長が広がる。次に（ｃ）では、さらに回転ロッド３３を所定の角度だけ回転し、回転ロッドの切り欠き部が上に位置する吐出ノズル孔１１ａの数がさらに両側にひとつずつ増え、塗布長が広がる。同様にして塗布長をひろげていき、（ｄ）では、すべての吐出ノズル孔の上に回転ロッド３３の切り欠き３６が位置し、すべての吐出ノズル孔から塗布溶液が吐出される。塗布長を狭める際には、この動作と逆の動作を行えば良い。このように、回転ロッド３３を回転させながら塗布を行うことで、フィンガー電極の塗布長を変えることができる。
　次に、狭小微細な吐出ノズル孔群１１をもつ、塗布ヘッド５に要求される項目について検討する。塗布ヘッド５は、太陽電池の集電極形成において、中心デバイスであり、この性能や信頼性が、そのまま、装置の性能や信頼性に置き換わると言っても過言ではない。現在の太陽電池のフィンガー電極の線幅は１００ミクロン前後であり、電極断面のアスペクト比も高くはない。さらに、製造法に起因する電極周辺の‘にじみ’の課題は解決されていない。電極幅を半減し、且つ電極断面アスペクト比を大幅に向上させ、‘にじみ’解消の目的で、提案されたスリットコータ方式の形成方法は、可能性は十分であるものの、メインデバイスである塗布ヘッド５の安定性不足のため、実力値としては、従来の方式と同レベルである。
　この原因は、ひとえに、塗布溶液を吐出するノズル孔１１の加工法の困難さによるところが大きい。具体的には、微細孔をレーザ加工やワイヤ放電加工であけるのが常識的な考えであるが、両者とも、材質や形状の制約が大きく、たとえば、レーザによって索孔されたノズルの厚さ方向の径分布は概して良くないし、厚さの制約も大きい。孔形状が本発明で提案しているような長孔になると、ばらつきはさらに大きくなることが推定される。また、ワイヤ放電加工についても、ワイヤが設定される開口面を必要とし、孔形状もきれいではない。しかも、これらの加工設備は高価なため、どこででも加工できるものではない。さらに、フィンガー電極の間隔の変更等の対応には最初から作り直す必要があり、結果、塗布ヘッド５は加工精度が良くないにも拘わらず、非常に高価なものになってしまう。
　以上の背景をもとに、塗布ヘッド５として具備しなければならない条件を列挙すると次のようになる。
　（１）吐出ノズル孔の加工精度が十分であること。
　（２）吐出ノズル孔の長孔形状のうち、とくに、短辺の寸法ばらつきが非常に小さいこと。
　（３）吐出ノズル孔の加工に特殊な方法を使わずに、必然的に低価格であること。
　（４）電極幅や電極間隔の変更等に迅速且つ安価に対応できること。
　（５）吐出ノズル孔の目詰まり等のトラブルに容易に対処できること。
　（６）部分的な損傷に対して、該当部分の取り換えで可能なこと。
　前記の塗布ヘッド５の必要条件に基づいた積層型の塗布ヘッド構造を図１１に示す。また、この塗布ヘッドの吐出ノズル孔１１を構成している代表的な部品を図１２に示す。まず、吐出ノズル孔１１は図１２に示す、フィンガー電極の間隔を規定するブロック２２と２枚のブロック２２の間で、吐出ノズル孔１１も含む吐出流路２３を切削形成した薄層スペーサ２４を積層することによって、隙間が微細な長孔（長方形）となる塗布ヘッド５の基本構造が出来上がる。もちろん、塗布溶液の物性、特に粘度の値によっては、吐出ノズル孔１１形状が正方形になることもある。これらの両部品２２、２４には、共通した位置に、積層するためのスタッキングボルト孔２５および、塗布溶液供給流路孔２６が形成されている。これらの２つの部品を交互に積層し、所定の個数を積層し終わったら、両側に塗布溶液を供給するための配管２７および排出するための配管２８を接続するためと、スタッキングボルト２９の台座となる端板３０、３１を取り付け、最後に、ノズル面を調整後、スタッキングボルト２９を締めて積層型の塗布ヘッドの組立が完了する。前記の概念を織り込んだのが、本発明の請求項１１、請求項１２及び請求項１３である。
　この構造では、全てが切削や研削といった従来の加工法によっており、全てが基準平面に対して垂直方向の加工であるために、平行度さえ留意すれば、どのような加工設備でも対応可能である。また、長孔ノズルの短辺に相当する薄層スペーサ２４は通常、ステンレス鋼板の圧延材であり、非常に正確な厚さと少ないばらつきを持っており、空間形成でできた吐出ノズル孔１１は、レーザ加工等の最先端の加工技術による索孔よりもはるかに正確である。さらに、この方法で製作された塗布ヘッドは、どの加工方法で作られた塗布ヘッドよりも安価であり、純粋の製造価格は、他の方法および構造と比較して、１／１０以下となる。本発明の請求項１４は、切削及び研削の従来の加工技術による塗布ヘッド５の製造法に関するものである。
　また、仕様変更にともなう、電極間隔や電極幅の変更に対してもフレキシブルに対応でき、同一基板内での、仕様値の変更にも対応できるのは、レーザ等の索孔による一体型ヘッドでは全く対応できないのと好対照である。
　太陽電池のフィンガー電極に要求される寸法諸元は非常に厳しく、これを実現するデバイスに要求される精度も厳しいものがある。対象とする塗布ヘッド５は、インクジェットヘッドと同レベルの寸法諸元と精度が要求される。一方、塗布対象となる塗布溶液は、インクジェット塗布が１０ｍＰａ・ｓ程度の極めて低い粘度に限定されるのに対して、本発明対象の塗布ヘッド５は粘度１００，０００ｍPa・ｓ以上の塗布溶液を吐出する必要がある。この場合、インクジェット塗布の際にも問題となるノズル孔の目詰まりの問題が信頼性の上で大きな課題となる。レーザ索孔等で作る一体型の塗布ヘッド５は微細な吐出ノズル孔１１に対して、目詰まり回復の手段が難しく、回復ができない場合には、塗布ヘッド５全体を交換せざるを得ない。これに対して、図１１に示した積層型の塗布ヘッド５では目詰まりが起こった場合、直ちに分解して、個々の薄層スペーサ２４の洗浄及び個々のブロック２２の洗浄によって、容易に回復できる。すなわち、平板１枚の洗浄のため、方法として、極めて容易であり、殆んどの場合、目詰まりは解消する。万一、洗浄工程等のハンドリングの誤りによって、薄層のスペーサ２４が破損した場合には、１枚だけを交換すれば、原状回復が可能である。
　前記した、各構造及び方法の採用によって、太陽電池セル基板に形成されるフィンガー電極を細く、断面アスペクト比を大きく形成できる。その結果、光電変換効率が向上し、有効な太陽電池システムを提供できる。また、本発明のヘッド構造を採用することによって、太陽電池集電極の形成装置を安価で提供でき、安定で信頼性が高いプロセスを提供できる。
　本発明は、前述の問題点を解決すると同時に、さらに、狭小幅で断面アスペクト比が高いフィンガー電極を形成するためのものであり、信頼性が高い電極形成装置を提供できると同時に、より高い光電変換効率を達成する太陽電池を実現することにも繋がるものである。
　１　　　太陽電池集電極形成装置の機構部分のベース
　２　　　太陽電池のセル基板
　３　　　セル基板吸着搭載テーブル
　４　　　テーブルを移動させるための駆動機構（ステージアクチュエータ）
　５　　　塗布ヘッド
　６　　　ヘッド～基板間ギャップ調整用移動機構（垂直軸アクチュエータ）
　７　　　ヘッド固定用門型フレーム
　８　　　塗布溶液タンク
　９　　　送液ポンプ
１０　　　基板吸着用真空ポンプ
１１　　　吐出ノズル孔
１１ａ　　吐出ノズル孔
１１ｂ　　吐出ノズル孔
１２　　　ノズルプレート（ａ）（ｂ）
１３　　　カバープレート（ａ）（ｂ）（ｃ）
１４　　　塗布溶液液だめ用キャビティ
１５　　　シーリングプレート
１６　　　フィンガー電極
１７　　　吐出制御用スライドバルブ
１８　　　塗布溶液供給口
１９　　　リニアガイド
２０　　　精密台形ねじ駆動機構
２１　　　連結アーム
２２　　　フィンガー電極間隔を規定するブロック
２３　　　吐出流路
２４　　　薄層スペーサ
２５　　　スタッキングボルト孔
２６　　　共通塗布溶液供給流路孔
２７　　　塗布溶液供給配管
２８　　　塗布溶液排出配管
２９　　　スタッキングボルト
３０　　　締結台座用端板（１）
３１　　　締結台座用端板（２）
３２　　　圧力センサ
３３　　　回転ロッド
３４　　　モータ
３５　　　固定治具
３６　　　切り欠き

Claims (15)

  1. 　光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に、前記光生成キャリアを収集する複数のフィンガー電極及び当該複数のフィンガー電極が収集した前記光生成キャリアを収集するバスバー電極構造をとる太陽電池の製造において、太陽電池基板（セル）を移動させながら、長孔断面を有する複数の吐出ノズル孔よりなる塗布ヘッドから、加圧された集電極材料を吐出して一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成装置。
  2. 　光入射により光生成キャリアを発生する光電変換部の光入射面上に、前記光生成キャリアを収集する複数のフィンガー電極及び当該複数のフィンガー電極が収集した前記光生成キャリアを収集するバスバー電極構造をとる太陽電池の製造において、太陽電池基板（セル）を移動させながら、長孔断面を有する複数の吐出ノズル孔よりなる塗布ヘッドから、加圧された集電極材料を吐出して一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成方法。
  3. 　請求項１記載の太陽電池集電極形成装置において、長孔断面を有する吐出ノズル孔の長軸が集電極の塗布方向と一致した塗布ヘッドにより、加圧された集電極材料を吐出して、一括形成されることを特徴とする太陽電池集電極の形成装置。
  4. 　請求項１及び請求項３記載の太陽電池集電極形成装置において、各長孔断面を有する吐出ノズル孔からの吐出流動方向が、基板の移動方向に対して、反対側に傾斜している塗布ヘッドを具備したことを特徴とする太陽電池集電極の形成装置。
  5. 　請求項４に記載の太陽電池集電極形成装置において、太陽電池のフィンガー電極材料を吐出する各長孔断面を有する吐出ノズル孔からの吐出方向が、基板の移動方向に対して、反対側に傾斜している塗布ヘッドを用いることを特徴とする太陽電池集電極の形成方法。
  6. 　請求項１、請求項３及び請求項４記載の太陽電池集電極形成装置において、前記太陽電池基板（セル）の形状に対応した電極パターンに合わせるように、各電極を形成する各ノズルの吐出／停止を順次、切替えることができる開閉バルブをヘッドに具備したことを特徴とする太陽電池集電極の形成装置。
  7. 　請求項６に記載の太陽電池電極形成装置に用いられる塗布ヘッドにおいて、具備された開閉バルブは塗布材料で充填された吐出流路の供給方向に対して直角方向にスライドできる機構により各吐出ノズル孔からの吐出の有無を制御できることを特徴とする太陽電池集電極形成用ヘッド。
  8. 　請求項６記載の太陽電池集電極形成装置において、請求項７記載の塗布ヘッドを用いた太陽電池集電極の形成方法。
  9. 　請求項１、請求項３、請求項４及び請求項６記載の太陽電池集電極形成装置において、搭載される塗布ヘッドは吐出ノズル孔の間隔を規定するブロックと吐出流路を切削した薄層のスペーサを交互に積層スタックした塗布ヘッドを搭載したことを特徴とする太陽電池集電極形成装置。
  10. 請求項９記載の太陽電池集電極形成装置において、前記積層スタックした塗布ヘッドを用いた太陽電池集電極の形成方法。
  11. 　複数の吐出ノズル孔と、この吐出ノズル孔に粘性塗布溶液を供給する吐出流路を持ち、吐出ノズル孔から塗布溶液を吐出してパターンを形成する塗布装置において、複数の吐出ノズル孔の間隔を規定するブロックと切削加工によって形成された吐出流路を持つ薄層のスペーサを交互に積層し、スタッキングボルトで固定した構造をもつことを特徴とした塗布ヘッド。
  12. 　請求項１１記載の塗布ヘッドにおいて、ブロックとスペーサによって形成された吐出ノズル孔の断面形状が正方形であることを特徴とした塗布ヘッド。
  13. 　請求項１１および請求項１２に記載の積層型塗布ヘッドにおいて、微細な各吐出ノズル孔列に平行な、塗布溶液の共通供給流路内に、スライドするバルブを設け、各吐出ノズル孔の開閉により、吐出の有無を制御できることを特徴とした塗布ヘッド。　　
  14. 　請求項１１、請求項１２及び請求項１３に記載の積層型塗布ヘッドの製造方法。
  15. 請求項６に記載の太陽電池集電極形成装置に用いられる塗布ヘッドにおいて、具備された開閉バルブは、塗布材料を吐出する吐出口列に平行な回転軸を有し、側面に切り欠きを有する円柱形状をしており、当該開閉バルブを回転することにより、各吐出ノズル孔からの吐出の有無を制御できることを特徴とする太陽電池集電極形成用ヘッド。
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