(57)【要約】【課題】太陽電池を製造するための成膜を高速で効率的に行うことができるようにする。【解決手段】薄膜形成装置３０は、透明ガラス基板２を加熱プレート３３上に載置させて基板搬送手段３１により水平状態にして間欠搬送されるものであり、この透明ガラス基板２に多層薄膜を形成するためのインクジェット噴射装置４０は、電極４６ａ，４６ｂ間に設けた圧電セラミック４７により容積が変化するチャンバ４３に噴射通路４４を設けたインクジェットヘッド４１を走査ブロック４９に３個装着してシャトル部材５４によって走査させながら、薄膜材料溶液を透明ガラス基板２に塗布し、加熱プレート３３によりガラス基板２を加熱することによって、溶剤を揮発させると共に薄膜材料を硬化させることにより成膜する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の表面に多層薄膜を形成することにより製造される太陽電池の製造装置であって、
前記透明基板を水平状態にして搬送する基板搬送手段と、
前記多層薄膜の各層を形成するために、薄膜材料を溶剤に溶解乃至分散させた薄膜材料溶液が供給されて、前記多層薄膜を構成する各々の層毎の薄膜材料溶液を間欠的に噴射する複数種類の噴射ノズルと、
前記複数種類の噴射ノズルから、前記多層薄膜の各層を形成する薄膜材料溶液を噴射する噴射ノズルを選択して前記基板の搬送方向と直交する方向に移動させる噴射ノズル走査手段と、
前記基板搬送手段に装着され、前記透明基板と当接させることにより、この透明基板を加熱する基板加熱手段と
を備える構成としたことを特徴とする太陽電池の製造装置。
【請求項２】
前記噴射ノズルは、前記薄膜材料溶液が供給されるチャンバと、このチャンバから前記薄膜材料溶液を噴射させる噴射通路と、前記チャンバの容積を変化させる圧電素子からなるアクチュエータとで構成したことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造装置。
【請求項３】
前記噴射ノズル走査手段は、前記噴射ノズルを複数配列したインクジェットヘッドと、１または複数のインクジェットヘッドを装着した複数の走査ブロックと、これらの走査ブロックを前記走査方向にガイドするガイド手段と、前記各走査ブロックから所定の層の薄膜を形成する走査ブロックを選択して、前記ガイド手段に沿ってこの選択された走査ブロックを移動させる走査駆動手段とを備える構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の太陽電池の製造装置。
【請求項４】
前記ガイド手段の全長は、前記透明基板の全長に及ぶ走査範囲と、この走査範囲の両側に形成される他の走査ブロックを待機させる待機部とから構成したことを特徴とする請求項３記載の太陽電池の製造装置。
【請求項５】
透明基板を加熱プレート上に設置して、この加熱プレートを水平方向に搬送する間に、この透明基板の表面に向けて前記透明基板の搬送方向と直交する方向にインクジェット噴射装置を移動させながら、前記透明基板に向けて薄膜材料を溶剤に溶解乃至分散させた薄膜材料溶液を噴射させることによって、前記透明基板の表面に薄膜材料を均一に塗布する溶液塗布工程と、
前記加熱プレートによる前記透明基板の加熱により、溶剤を揮発させて、前記薄膜材料を加熱硬化させる硬化工程とからなり、
前記インクジェット噴射装置は、それぞれ異なる薄膜材料溶液を噴射する複数種類のものからなり、これら各インクジェット噴射装置により前記溶液塗布工程と前記硬化工程とを繰り返すことによって、多層の薄膜を順次積層する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかの製造装置を用いて、若しくは請求項５の製造方法により製造された太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透明基板に薄膜を多層に形成して、両端に電極を設けた積層型の太陽電池を製造するための製造装置及び製造方法並びに太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜系の太陽電池としては、例えば薄膜シリコン型のものがあり、この薄膜シリコン型太陽電池は、基本的にはｐ層とｎ層とからなる半導体と、これらｐ層とｎ層との間に介装される光活性層であるｉ層と積層したｐ‐ｉ‐ｎ接合を有するものから構成され、この積層体の表裏両面に電極を設ける構成としている。そして、太陽光のスペクトルの全域を吸収するために、２重，３重の積層構造としたものもある。いずれにしろ、光電変換効率を高めるために、この多層膜を構成する各層の膜厚が薄く、しかも均質な薄膜が形成されなければならない。
【０００３】
例えば、非特許文献１に、２層構造であるタンデムセルからなるシリコン光電変換層を有する太陽電池の製造方法が開示されている。この文献では、薄膜をプラズマＣＶＤ法により形成している。なお、このプラズマＣＶＤ法以外にも、一般的な薄膜形成法、例えば真空蒸着，スパッタリング，ＰＶＤ等によることもできる。
【非特許文献１】シャープ技報第９３号「シリコン結晶薄膜太陽電池の高効率化技術」西村和仁，奈須野善之，山本浩史，早川尚志（２００５年１２月）３２頁〜３５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述したように、プラズマＣＶＤ法によれば、ｐ層，ｉ層，ｎ層の順に繰り返し成膜を行うために、積層数に相当する反応室を設けたプラズマＣＶＤ装置を備える必要があり、このために装置構成が大掛かりになる。また、反応室内へのガスの封入及び真空化等の条件設定を厳格に制御する必要があること等から、積層数の多い膜構成を有する太陽電池の製造を高速化、効率化するのは困難である等の課題がある。
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、太陽電池を製造するための成膜を高速で効率的に行うことができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するために、本発明による透明基板の表面に多層薄膜を形成することにより製造される太陽電池の製造装置は、前記透明基板を水平状態にして搬送する基板搬送手段と、前記多層薄膜の各層を形成するために、薄膜材料を溶剤に溶解乃至分散させた薄膜材料溶液が供給されて、前記多層薄膜を構成する各々の層毎の薄膜材料溶液を間欠的に噴射する複数種類の噴射ノズルと、前記複数種類の噴射ノズルから、前記多層薄膜の各層を形成する薄膜材料溶液を噴射する噴射ノズルを選択して前記基板の搬送方向と直交する方向に移動させる噴射ノズル走査手段と、前記基板搬送手段に装着され、前記透明基板と当接させることにより、この透明基板を加熱する基板加熱手段とを備えることをその特徴とするものである。
【０００７】
多層薄膜を構成する各薄膜材料は溶剤に溶解乃至分散させて薄膜材料溶液とする。溶剤としては、例えばエチレングリコール等各種の有機溶剤が用いられ、前述した薄膜材料を所定濃度となるようにして溶剤と混合させることにより薄膜材料溶液が得られる。透明基板に形成される多層膜に応じた各種の薄膜材料溶液を噴射するために噴射ノズルが用いられる。透明基板に均一な薄膜を形成するために、この噴射ノズルは圧電素子をアクチュエータとするインクジェット式の噴射ノズルから構成するのが望ましい。インクジェット式噴射ノズルは、薄膜材料溶液が供給されるチャンバと、このチャンバから薄膜材料溶液を噴射させる噴射通路と、チャンバの容積を変化させる圧電素子からなるアクチュエータとから構成される。圧電素子に電圧を印加することによって、薄膜材料溶液を間欠的に噴射させる。
【０００８】
アモルファスシリコン光電変換層を有する太陽電池の場合には、ｐ層，ｉ層，ｎ層が順次積層されてｐ‐ｉ‐ｎ接合積層構造が形成されるが、このｐ‐ｉ‐ｎ接合積層構造は２層構造，３層構造等とすることができる。また、アモルファスシリコン型以外の薄膜系、例えば化合物系の太陽電池等として構成することもできる。いずれにしろ、各層を構成する薄膜が噴射ノズルから薄膜材料溶液を噴射させ、加熱プレートによって透明基板を加熱することにより溶剤を揮発させるようにして除去して、透明基板には薄膜材料のみを析出させる。
【０００９】
透明基板の所定の範囲に薄膜材料を薄くかつ均等に塗布される。このために、透明基板と噴射ノズルとを相対移動させるようにする。透明基板若しくは噴射ノズルのいずれか一方を固定し、他方を可動にすることも考えられるが、効率的な塗布を行うためには、透明基板及び噴射ノズルを共に移動させる。透明基板の搬送方向に対して、噴射ノズルはこの搬送方向と直交する方向に走査させる。透明基板の搬送は基板搬送手段により行うが、この透明基板の搬送は所定のピッチを有する間欠送りとする。一方、噴射ノズルの走査は連続的若しくは間欠的に行うようにする。
【００１０】
噴射ノズルを構成するチャンバと噴射通路とはライン状またはマトリックス状に複数設けたインクジェットヘッドとして構成し、これを走査ブロックに装着して、この走査ブロックを走査駆動手段によりガイド手段にそって走査方向に駆動する。走査ブロックには、１個のインクジェットを設けても良いが、それぞれ異なる薄膜材料溶液を塗布する複数のインクジェットヘッドを装着することができる。多層薄膜のうち、所定の薄膜を形成する際には、そのインクジェットヘッドを装着した走査ブロックが作動することになるが、他の走査ブロックは所定の待機部に待機させる。従って、ガイド手段は、透明基板の幅寸法と一致する走査範囲と、この走査範囲から外れた位置に待機させる走査ブロックの待機部とから構成する。従って、ガイド手段の全長は、透明基板の幅方向における全長分の走査範囲と、この走査範囲の両側に設けた所定長さ分の待機部とから構成する。
【００１１】
また、太陽電池の製造方法としては、透明基板を加熱プレート上に設置して、この加熱プレートを水平方向に搬送する間に、この透明基板の表面に向けて前記透明基板の搬送方向と直交する方向にインクジェット噴射装置を移動させながら、前記透明基板に向けて薄膜材料を溶剤に溶解乃至分散させた薄膜材料溶液を噴射させることによって、前記透明基板の表面に薄膜材料を均一に塗布する溶液塗布工程と、前記加熱プレートによる前記透明基板の加熱により、溶剤を揮発させて、前記薄膜材料を加熱硬化させる硬化工程とからなり、前記インクジェット噴射装置は、それぞれ異なる薄膜材料溶液を噴射する複数種類のものからなり、これら各インクジェット噴射装置により前記溶液塗布工程と前記硬化工程とを繰り返すことによって、多層の薄膜を順次積層することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
構成が簡単な装置を用いて、高速で効率的に、しかも安価に太陽電池を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に薄膜シリコン型太陽電池１の積層構造の一例が示されている。この薄膜シリコン型太陽電池１は、透明ガラス基板２上に透明電極３が形成されており、この透明電極３には、それぞれアモルファスシリコン光電変換層を構成するボトムセル層４とトップセル層５との２層のセル層が積層されている。さらに、トップセル層５上には背面電極６及び反射層７が形成されている。
【００１４】
透明電極３は、ＳｉＯ２薄膜１０と、ＺｎＯＡｌ薄膜１１とから構成される。ボトムセル層４は下層側から順にｐα‐Ｓｉ：Ｈ薄膜１２と、ｉα‐Ｓｉ：Ｈ薄膜１３と、ｎα−Ｓｉ：Ｈ薄膜１４とから構成され、またトップセル層５は下層側からｐα‐Ｓｉ：Ｈ薄膜１５と、ｉμｃ‐Ｓｉ：Ｈ薄膜１６と、ｎα−Ｓｉ：Ｈ薄膜１７の順に形成されている。さらに、背面電極６はＺｎＯＡｌ薄膜１８からなり、反射層７はＡｇ薄膜１９とＡｌ薄膜２０との積層体である。図１には、これら各層の薄膜材料及びそれらの膜厚の一例とが記載されている。
【００１５】
前述した各々の薄膜１０〜２０はそれぞれ固有の膜厚となるようにして透明ガラス基板２に積層される。この薄膜形成はインクジェット方式により行われる。即ち、前述した各薄膜材料を溶剤としてのエチレングリコールに溶解乃至分散させることによって薄膜材料溶液となし、この薄膜材料溶液をインクジェットノズルから噴射させる。ここで、薄膜１０〜２０においては、同一の素材もあるが、膜厚の制御等のために、濃度や噴射量の違い等から、同一の素材を含めてそれぞれ個別のインクジェットノズルを用いて噴射するように構成している。
【００１６】
図２及び図３に示した薄膜形成装置３０の全体構成を示す。薄膜形成装置３０は、透明ガラス基板２を水平状態にして搬送する基板搬送手段３１と、後述するインクジェット方式によって透明ガラス基板２の表面に薄膜材料の溶液を噴射させることにより塗布するインクジェット噴射装置４０とから構成される。基板搬送手段３１は搬送基台３２とその駆動手段とから構成され、搬送基台３２上には加熱プレート３３が取り付けられており、透明ガラス基板２はインク塗布面を上向きにして、加熱プレート３３に水平状態にして載置されるようになっている。
【００１７】
搬送基台３２の下部位置には一対からなるスライダ３４，３４が設けられており、これらスライダ３４をガイドするリニアガイド３５，３５が設置されている。このリニアガイド３５が搬送基台３２の搬送方向をガイドするものである。そして、搬送基台３２の搬送方向への駆動手段としては、リニアガイド３５と並行にリニアモータ駆動手段３６が設けられており、このリニアモータ駆動手段３６によって搬送基台３２がリニアガイド３５の延在方向に搬送されることになる。リニアモータ駆動手段３６は、可動側３６ａと固定側３６ｂとから構成される。
【００１８】
インクジェット噴射装置４０は、搬送基台３２の上部からこの搬送基台３２上に載置されている透明ガラス基板２に対して薄膜材料溶液を噴射させて、この透明ガラス基板２の所定の範囲において均一に塗布される。インクジェットヘッド４１の構成を図４乃至図６に示す。インクジェットヘッド４１は、図４に示したように、ヘッド本体４２に所定の間隔毎にチャンバ４３を形成し、このチャンバ４３には噴射通路４４が接続されており、噴射通路４４の下端部は噴射口４４ａとして開口している。一方、チャンバ４３の上部には可動隔膜４５が設けられ、この可動隔膜４５上には、上下一対の電極４６ａ，４６ｂと、両電極４６ａ，４６ｂ間に設けた圧電セラミック４７とからなる圧電アクチュエータが装着されている。従って、図４において、その左側に示したように、圧電セラミック４７が真っ直ぐな状態とした圧電アクチュエータの非作動状態から電極４６ａ，４６ｂ間に所定の電圧を作用させると、同図の右側に示したように、圧電セラミック４７が反るように変形する。その結果、チャンバ４３の容積が縮小して、噴射通路４４から薄膜材料溶液の液滴が噴射されることになる。従って、これらチャンバ４３，噴射口４４ａを有する噴射通路４４及び圧電アクチュエータから噴射ノズル４８が構成される。インクジェットヘッド４１には、図５に示したように、噴射ノズル４８はマトリックス状に所定の数だけ設けられている。
【００１９】
インクジェットヘッド４１は、図６に示したように、走査ブロック４９に３個装着されており、走査ブロック４９は４個設けられている。走査ブロック４９はガイド部材５０に透明ガラス基板２の搬送方向と直交する走査方向に移動可能に装着されている。即ち、ガイド部材５０には、この走査方向に向けたガイドレール５１が設けられており、各走査ブロック４９はガイドレール５１に装着されている。そして、走査ブロック４９を駆動するために、ガイド部材５０にはモータ５２により回転駆動されるボールねじ５３が設けられており、このボールねじ５３には走査駆動手段としてのシャトル部材５４が挿通されている。従って、ボールねじ５３を回転駆動すると、ガイド部材５０に設けたガイドレール５５に沿ってシャトル部材５４は走査方向に移動するようになる。図７に示したように、シャトル部材５４にはソレノイドで出没動作が行われるプランジャ５６が設けられており、また各走査ブロック４９の上面部にはプランジャ５６が挿入される凹部５７が設けられている。従って、プランジャ５６をシャトル部材５４の内部に退入させた状態で、シャトル部材５４をいずれかの走査ブロック４９の上部位置に配置して、プランジャ５６を突出させて、凹部５７に係合させた状態で、シャトル部材５４をボールねじ５３に沿って移動させると、これに追従して走査ブロック４９が走査方向に移動することになる。
【００２０】
ガイド部材５０におけるガイドレール５１は、基板搬送手段３１の上部位置において、搬送基台３２に載置した透明ガラス基板２の幅方向の全長に及ぶことは当然として、その両側に所定の長さ分の延長部を備えている。即ち、透明ガラス基板２の全長に及ぶ範囲を走査範囲としたときに、この走査範囲の両側の部位は走査ブロック４９を待機させる待機部となっている。この待機部では、少なくとも２個の走査ブロック４９を待機させる長さとするが、走査ブロック４９を３個待機させることができるようにするのが望ましい
【００２１】
以上のように構成される薄膜形成装置３０によって、透明ガラス基板２には、薄膜１０〜２０が順次積層されて、薄膜シリコン型太陽電池１が製造される。インクジェット噴射装置４０を構成する各走査ブロック４９に設けた各インクジェットヘッド４１におけるチャンバ４３には、それぞれ薄膜１０〜２０を形成するための薄膜材料溶液が供給されるようになっており、また圧電セラミック４７を駆動するための電源が接続される。従って、各インクジェットヘッド４１には配管及び配線が接続されているが、簡略化のために、図示は省略する。なお、走査ブロック４９は４個設けられ、各走査ブロック４９には３個のインクジェットヘッド４１が設けられているので、合計１２個のインクジェットヘッド４１を備えているが、薄膜１０〜２０の総数は１１であるから、そのうちの１個のインクジェットヘッド４１は予備用のものとする。ただし、その必要がなければ、１個のインクジェットヘッド４１を取り外すようにしても良い。
【００２２】
基板搬送手段３１の搬送基台３２には加熱プレート３３が設けられており、透明ガラス基板２は、その薄膜積層面を上に向けた状態で、この加熱プレート３３に位置決めされた状態に載置される。そして加熱プレート３３によって透明ガラス基板２を加熱させた状態にして基板搬送手段３１を駆動することにより搬送させる。一方、インクジェット噴射装置４０においては、最初に塗布すべき薄膜材料溶液を充填しているインクジェットヘッド４１を設けた走査ブロック４９にシャトル部材５４を係合させて、走査方向の起点位置に配置しておく。透明ガラス基板２が塗布開始位置まで搬送されると、走査ブロック４９の最初に塗布すべき薄膜材料溶液を充填しているインクジェットヘッド４１の噴射ノズル４８を駆動して、薄膜材料溶液の液滴を透明ガラス基板２に噴射して、この薄膜材料溶液の塗布を開始する。
【００２３】
薄膜材料溶液を塗布するに当って、基板搬送手段３１による透明ガラス基板２の搬送は走査ブロック４９が走査方向の１回の走査動作が行われる毎に間欠的に行うようにする。ただし、走査ブロック４９はその走査方向に連続的に移動させる間に噴射ノズル４８からの所定のタイミング毎に液滴を噴射する。また、走査方向には、往復移動する間に、つまり行きと帰りとで逆方向に走査させるようにすることもでき、また１回の走査方向への移動の後に主走査方向に向けて透明ガラス基板２を移動させると共に走査ブロック４９を原点位置に復帰させるようにしても良い。そして、透明ガラス基板２を主走査方向の終端位置まで移動すると、透明ガラス基板２の全面にわたって第１層分の薄膜材料溶液が塗布される。
【００２４】
ここで、インクジェットヘッド４１からは微小な噴射口４４ａを有する噴射ノズル４８から少量の液滴が噴射され、しかも所定の噴射圧をもって噴射されるから、薄膜材料溶液の噴射量を微細に制御でき、かつ透明ガラス基板２への密着性も良好となる。従って、塗布された溶液の厚みを薄くすることができ、しかも均一になり、塗布むらが発生するのを確実に防止でき、厚み管理も厳格に行うことができる。透明ガラス基板２に対しては、全面にわたって塗布することになるが、必ずしも全面ではなく、インクジェットヘッド４１を動作制御することによって、限定された領域に塗布を行うようにしても良い。
【００２５】
塗布が完了すると、透明ガラス基板２を加熱することによって、基板搬送手段３１を停止状態に保持し、加熱プレート３３による透明ガラス基板２の加熱を所定時間継続する。これによって、薄膜材料溶液中の溶剤が気化して除去され、透明ガラス基板２上には薄膜材料のみが残存して、加熱により硬化されることになる。これによって、透明ガラス基板２上に第１層目の薄膜、図１の構成では、ＳｉＯ２薄膜１０が成膜されたことになる。しかも、このＳｉＯ２薄膜１０の膜厚は数十ｎｍ〜数μｍというように極めて薄いものであり、かつ均一な膜厚が得られる。
【００２６】
透明ガラス基板２に第１層目の薄膜が形成されると、前述と同様にして、第２層目、第３層目の順に薄膜を形成して、最終層であるＡｌ薄膜２０まで成膜形成されると、薄膜シリコン型太陽電池１が製造されたことになる。
【００２７】
以上の工程において、透明ガラス基板２を加熱することによって、気化した溶剤を回収する必要はあるが、アルゴンガス雰囲気下にしたり、真空にしたり、プラズマを発生させたりする必要がないので、薄膜形成装置３０の構成を著しく簡略化することができる。また、透明ガラス基板２への薄膜材料の塗布と加熱とを繰り返すだけで順次薄膜を積層させることができるので、工数の点でも有利であり、薄膜シリコン型太陽電池１を効率的に製造できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】薄膜シリコン型太陽電池の構成説明図である。
【図２】本発明の実施の一形態を示す薄膜形成装置の構成を示す平面図である。
【図３】図２の正面図である。
【図４】噴射ノズルの構成説明図である。
【図５】インクジェットヘッドの底面図である。
【図６】インクジェットヘッドを３個装着した走査ブロックの構成説明図である。
【図７】走査ブロック及びその駆動手段であるシャトル部材とそのガイド部材との連結関係を示す構成説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  薄膜シリコン型太陽電池
２  透明ガラス基板
１０  ＳｉＯ２薄膜１０                １１，１８  ＺｎＯＡｌ薄膜
１２，１５  ｐα‐Ｓｉ：Ｈ薄膜        １３  ｉα‐Ｓｉ：Ｈ薄膜
１４，１７  ｎα−Ｓｉ：Ｈ薄膜        １６  ｉμｃ‐Ｓｉ：Ｈ薄膜
１９  Ａｇ薄膜                        ２０  Ａｌ薄膜
３０  薄膜形成装置                    ３１  基板搬送手段
３２  搬送基台                        ３３  加熱プレート
４０  インクジェット噴射装置          ４１  インクジェットヘッド
４３  チャンバ                        ４４  噴射通路
４６ａ，４６ｂ  電極                  ４７  圧電セラミック
４８  噴射ノズル                      ４９  走査ブロック
５０  ガイド部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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