(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性で可撓性の基板の一面上に光電変換層を挟んで基板側に第１電極層、反対側に透明な第３電極層が設けられており、前記第１電極層は基板の他面上に形成されている第２電極層と基板を貫通する接続孔の内面で接続され、前記第３電極層は基板の他面上に形成されている第４電極層と基板を貫通する集電孔の内面で接続されている薄膜太陽電池の製造方法において、前記接続孔または前記集電孔の開孔は、前記基板より硬度の高い材料からなる押さえ治具の間に、前記基板を複数枚重ねてまたは前記基板と補助フィルムを重ねて挟み込み、剪断加工または切削加工してなされることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記剪断加工または切削加工は、前記基板と前記補助フィルムに同時に行われることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記剪断加工または切削加工は、前記基板と前記補助フィルムに同時に行われ、以降はこの開孔された補助フィルムを押さえ治具として働かせて、行われることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】
前記切削加工具はドリルであり、前記押さえ治具はドリル直径の孔が開けられた２枚の板であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項５】
前記押さえ治具はダイとストリッパープレートであり、前記剪断加工具はポンチであることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記基板と補助フィルムの合計厚さまたは前記複数基板の合計厚さは１００μｍ  以上であることを特徴とする請求項１ないし５に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項７】
前記補助フィルムは樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１ないし６に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項８】
前記補助フィルムは金属箔であることを特徴とする請求項１ないし７に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックフィルムなどの可撓性基板上にシリコンなどのＩＶ族元素を主成分とするアモルファス薄膜半導体からなる光電変換層が形成されてなる薄膜太陽電池の製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックフィルムなどの可撓性基板上に薄膜太陽電池を形成する場合には、基板の太陽電池の反対側面（裏面とする）にも電極を配置し、基板を貫通して接続することにより、基板面積に対する太陽電池面積の比を大きくすることができる等の特長を持たせることができる。
【０００３】
図８は裏面に電極を有する太陽電池の平面図である。図９は裏面に電極を有する太陽電池の製造工程順の図８におけるＸＸ断面図であり、（ａ）は接続開孔、（ｂ）は第１電極層と第２電極層成膜、（ｃ）は集電孔開孔、（ｄ）は光電変換層成膜、（ｅ）は第３電極層成膜、（ｆ）は第４電極層成膜、（ｇ）は切断部を示す図である。図８では、分図符号と工程符号を同一としてある。可撓性で絶縁性の基板１ａは、ポリイミド系のフィルムで厚さは５０μｍ  であるが、フィルムとしてはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはアラミド系のフィルム等を用いることができる。この基板１ａの所定位置に複数個の接続孔ｈ１を開ける（工程（ａ））。接続孔ｈ１の直径は１  ｍｍ  のオーダーである。次に、基板１ａの上に、第１電極層１ｂ（  この面を表面とする）  、それと反対側である裏面に第２電極層１ｃを順次成膜する。第１電極層１ｂと第２電極層１ｃの成膜順は逆でもよい。このとき、接続孔ｈ１の内面で第１電極層１ｂと第２電極層２ｃとが重なり、互いに導通する（工程（ｂ））。これら電極層としては、Ａｇを数１００ｎｍの厚さにスパッタにより形成してある。Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属をスパッタまたは電子ビーム蒸着等により成膜しても良く、金属酸化膜と金属の多層膜を電極層として形成しても良い。
【０００４】
次に、再び複数個の集電孔ｈ２を基板に開孔する。（工程（ｃ））。
次に、光電変換層１ｄを成膜する。光電変換層１ｄは薄膜半導体層であり、ａ−Ｓｉはその代表例である（工程（ｄ））。
次に、光電変換層１ｄの上に、第３電極層１ｅとして透明電極層を形成する。この工程を経て、例えば太陽電池に必要な層が全て積層される。透明電極層としてＩＴＯ、ＳｎＯ２  、ＺｎＯなどの酸化物導電層を用いるのが一般的である。膜形成時に接続孔ｈ１の周縁部をマスクで覆うなどして初めに形成した接続孔ｈ１部分には膜が形成されないようにする（工程（ｅ））。
【０００５】
次に、裏面に金属膜などの低抵抗導電膜からなる第４電極層１ｆを成膜する。この工程により、集電孔ｈ２の内面で第３電極層１ｅと第４電極層１ｆとが重なり、互いに導通させることができる。（工程（ｆ））。
以上の成膜工程の終了後、基板両面の積層を所定の形状に切断し、ユニットセルの多段直列接続からなる太陽電池を形成する（工程（ｇ））。図９（ｇ）では太陽電池が光照射され発電しているときに同じ電位となる電極層に同じハッチングを施してある。ユニットセルＵは集電孔ｈ２のみを有するように、切断部１ｇにより切断されており、集電孔ｈ２においてのみ第３電極層１ｅと裏側面の第４電極層１ｆと接続されている。一方、接続孔と１つのユニットセル中の集電孔とを有するように切断部１ｈにより切断されて裏面電極Ｅが形成される。接続孔ｈ１においてはユニットセルＵの下部電極（第１電極層１ｂ）と裏面電極Ｅ（第２電極層１ｃと第４電極層１ｆの２重層）とが接続されている。従って、任意のユニットセルＵｎ  に隣接し合う裏面電極Ｅｎ−１，ｎ  と裏面電極Ｅｎ，ｎ＋１  はＥｎ−１，ｎ  −Ｕｎ  −Ｅｎ，ｎ＋１  なる直列接続をなし、所定の多段直列接続された太陽電池を形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の開孔工程（工程（ａ）および工程（ｂ））において、従来は、パンチを用いる機械加工またはレーザー光などのエネルギービームを用いるレーザー加工によっていた。しかし、レーザー加工においては、ＹＡＧ  レーザーなど赤外レーザーの場合は熱加工であるため、熱による凹凸が孔の内面と周縁に形成され、電極層が分離してしまうことがあった。一方、エキシマレーザーなど短波長レーザーの場合は凹凸の形成されない加工が可能ではあるが、量産性に劣り、運転コストが高いことなどから適用が困難であった。
【０００７】
パンチを用いた機械加工においては、発明者らは量産性に富む連続開孔加工方法を既に提案した。図１０は従来の開孔装置の断面模式図である。巻き出しロールＲ１から送りだされた基板１ａは、順次、位置検出用孔開孔部Ｐ３、集電孔開孔部Ｐ２および接続開孔部Ｐ１で所定位置に所定数の位置検出孔、集電孔および接続孔を開けられ、洗浄装置で洗浄された後、巻き取りロールＲ２に巻き取られる。各種の孔位置に対応して基板１ａの搬送方向および搬送距離を任意に制御される。
【０００８】
図１１は従来の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図である。開孔部は断面が基板の孔形状のポンチＰと、ポンチＰと同じ断面形状の開孔部を有するストリッパープレートＰｓと同じ開口部を有するダイＤからなっている。ダイＤとストリッパープレートＰｓの上に搬送され停止した基板１ａをストリッパープレートＰｓが押さえてから、ポンチＰが基板１ａを貫通し、基板１ａに孔が開けられる。基板１ａ表面に傷を付けないように、ストリッパープレートＰｓと基板１ａの間には僅かな隙間Ｒを持たせている。
【０００９】
しかし、上記のパンチによる開孔では、孔の基板のダイ側に円周方向の溝が形成され、第２電極層および第４電極層が溝を被覆できず切れ目を生じ、孔を介した第１電極層と第２電極層、あるいは第３電極層と第４電極層の接続抵抗が著しく高くなることがあった。その結果、太陽電池の曲線因子が低下し、出力低下を来していた。
【００１０】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、孔周縁に溝がなく、太陽電池特性の低下を来さず、量産性に富み低コストの薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、絶縁性で可撓性の基板の一面上に光電変換層を挟んで基板側に第１電極層、反対側に透明な第３電極層が設けられており、前記第１電極層は基板の他面上に形成されている第２電極層と基板を貫通する接続孔の内面で接続され、前記第３電極層は基板の他面上に形成されている第４電極層と基板を貫通する集電孔の内面で接続されている薄膜太陽電池の製造方法において、前記接続孔または前記集電孔の開孔は、前記基板より硬度の高い材料からなる押さえ治具の間に、前記基板を複数枚重ねてまたは前記基板と補助フィルムを重ねて挟み込み、剪断加工または切削加工してなされることとする。
【００１２】
前記剪断加工または切削加工は、前記基板と前記補助フィルムに同時に行われると良い。
前記剪断加工または切削加工は、前記基板と前記補助フィルムに同時に行われ、以降はこの開孔された補助フィルムを押さえ治具として働かせて、行われると良い。
【００１３】
前記切削加工具はドリルであり、前記押さえ治具はドリル直径の孔が開けられた２枚の板である。
前記押さえ治具はダイとストリッパープレートであり、前記剪断加工具はポンチであると良い。
前記基板と補助フィルムの合計厚さまたは前記複数基板の合計厚さは１００μｍ  以上であると良い。
【００１４】
前記補助フィルムは樹脂フィルムであると良い。
前記補助フィルムは金属箔であると良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、次の実験事実を見いだしたことに基づいている。
従来の開孔装置（図１０）において、基板の厚さより小さい隙間Ｒを維持したまま、基板の厚さを増加させると孔の基板のダイ側に円周方向の溝が形成されなくなり、そのため電極層の被覆に切れ目がなくなり、接続抵抗が低下した。図２は本発明に係る接続抵抗の基板厚さ依存性のグラフである。基板厚さ１００μｍ  以上では接続抵抗が０．２Ω程度になっていることが判る。なお、用いた基板はポリイミドフィルムである。
【００１６】
また、基板を少なくとも２枚以上重ねて厚さ１００μｍ  以上とするか、または基板に金属箔を重ねた場合にも、同様に接続抵抗が低下した。
孔周縁部に溝が生じなくなる作用としては、このように被加工物の厚さが増加すると、被加工物の厚さに対するストリッパープレートと被加工物の距離（隙間）の比が小さくなり、またポンチとダイのクリアランスも実質的に小さくなるので、開孔時の被加工物の歪みの生ずる余地が小さくなり溝あるいはしわは生じないと推定できる。
実施例１
図１は本発明に係る実施例の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図である。開孔装置全体の構成は従来の装置と同じである。ストリッパープレートＰｓに補助フィルムＦとして、基板１ａと同じ材質で厚さも同じフィルムを取り付け、基板を従来と同様にダイＤと補助フィルムＦの間に搬送し開孔加工を行った。最初の孔は補助フィルムＦと基板１ａと両者に同時に開けられ、以降、孔の開けられた補助フィルムＦはストリッパープレートとして働かせた。
【００１７】
基板１ａとしては、本実施例では膜厚５０μｍ  のポリイミドフィルムを用いたが、ＰＥＮ  、ＰＥＳ  、ＰＥＴ  またはポリイミドなどの絶縁性プラスチックフィルムを用いることも出来る。また、膜厚は実施例では５０μｍ  のものを用いたがこの厚さに限定されるものではない。
図３は本発明の実施例における基板の位置検出用孔と接続孔の配置を示す平面図である。基板１ａには位置検出用孔ｈ３、接続孔ｈ１の順に開孔される。位置検出用孔ｈ３は太陽電池の所定のユニットのパターンの長さ間隔に開けられ、以降の搬送の位置決めに用いられる。
【００１８】
先ず、位置検出用孔ｈ３を開け、以降基板１ａを所定の距離づつ搬送して停止し、フィルムの幅方向に１回のポンチ操作で複数個の接続孔ｈ１の列を形成した。これを所定の回数繰り返した後、位置検出用孔ｈ３を開ける。この位置検出用孔ｈ３の距離を１基本パターンの長さとしこの繰り返しにより長尺の基板１ａに多数の基本パターンを形成することができる。開孔後、同一の装置内で粘着ロールまたは、非接触の超音波などによるブローにより基板１ａ表面を清浄にした。
【００１９】
この面に第１電極層１ｂ、およびそれと反対側の面に第２電極層１ｃとしてＡｇをスパッタにより数百ｎｍ厚で形成した（図９（ｃ）  参照）。材料としては、この他ＡｌやＡｇ／  透明導電層などの多層構造膜などを用いることができる。第１電極層１ｂ、第２電極層１ｃどちらが先でもよいが、逆順が好ましい。
この後、同じ開孔装置に装着し、位置検出用孔ｈ３を位置検出センサにより検知し停止した後、集電孔ｈ２の列を所定数開けた。図４は本発明の実施例においてさらに集電孔が開けられた基板の平面図である。実施例では集電孔列の間隔を５ｍｍとしたが、この間隔は太陽電池パターンにより任意の値とすることができる。
【００２０】
なお、この場合の孔形状は必ずしも円である必要はなく、例えば太陽電池の特性を向上させるためには集電孔ｈ２の面積は出来るだけ小さく、しかも周辺の長さが出来る限り長くなる形状が良い。
実施例中では、１  動作で基板幅方向に１  ラインの孔形成を行ったが、複数ライン数として、その量産性を向上させることができる。
【００２１】
こうした工程を経たうえで、光電変換層１ｄとして薄膜半導体層を形成した。本実施例では通常のグロー放電分解法により堆積される水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）系の材料を用いてｎ−ｉ−ｐ  接合を形成した（図９（ｄ）  参照）。その上に第３電極層として透明電極層を形成した。この層にはＩＴＯ  、ＺｎＯ  などの酸化物導電膜を用いることができるが、本実施例ではスパッタによるＩＴＯ  膜を成膜した（図９（ｅ）  参照）。このとき、膜形成時にマスクで覆うなどして接続孔ｈ１には膜が形成されないようにする。次に太陽電池を形成した面とは反対側の基板面に金属膜などからなる第４電極層を最終的に成膜した。本実施例中では材料としてＮｉを用いたが、Ｎｉに限定されるものではない。成膜方法はスパッタである（図９（ｆ）  参照）。
【００２２】
最後に、直列構造を形成するため、ＹＡＧ  レーザーにより、表面の第１電極層から第３電極層までの３層と、裏面の第２、第４電極層の２層を切断し、所定のパターンとした。（図９（ｇ）  参照）。
図５は本発明に係る実施例で作製した太陽電池と従来の製造方法で作製した太陽電池の接続抵抗を示すグラフである。従来の製造方法に比較して、本発明の製造方法では、接続抵抗は小さく、そのばらつきも小さいことが判る。また、そのため太陽電池特性の曲線因子も０．５程度だったものが０．６程度と改善することができた。
【００２３】
以上は、補助フィルムを基板の上側としたが、ダイ上に取り付けその上に基板を搬送しても同様な効果が得られた。
実施例２
補助フィルムとして、Ａｌ箔およびＳＵＳ  箔を用いて、それぞれ実施例１と同様に太陽電池を作製した。接続抵抗とそのばらつきは実施例１と同様に低かった。
実施例３
図６は本発明に係る他の実施例の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図である。開孔用のドリルＤｒの直径の孔を予め開けた押さえ治具ＰａとＰｂとの間に隙間無く補助フィルムＦと基板１ａを挟み、ドリルＤｒで孔を開けた。
【００２４】
押さえ治具ＰａとＰｂとして厚さ１ｍｍのステンレス鋼板、基板１ａおよび補助フィルムＦとして膜厚５０μｍ  のポリイミドフィルムを用いた。ドリルの直径は１．０ｍｍとした。孔の周囲に溝は生じず、切削バリも殆どなく、この基板を用いた太陽電池の接続抵抗は実施例１と同様低かった。
実施例４
図７は本発明に係る２枚の基板に同時に開孔を行う場合の開孔装置の断面模式図である。
【００２５】
２つの巻き出しロールＲ１、Ｒ１１から別々に送り出された２枚の厚さ６０μｍ  の基板１ａおよび基板１１ａを重ねて開孔装置にに送り込み、２枚の基板に同時にポンチにより開孔を行った。各基板は巻き取りロールＲ２、Ｒ２１に巻き取られる。
開孔時の基板の厚さの合計が１００μｍ  を越えており（２枚の基板は互いに補助フィルムの役割を果たしている）いずれの基板の孔の周縁にも溝は生じず、接続抵抗は実施例１の同様に低かった。
【００２６】
複数基板を同時に開孔するために、量産性は向上した。
実施例５
実施例４においてどちらかの基板を補助フィルムに置き換え、基板を補助フィルムに同時に開孔すれば、同様に良質の開孔を実施できるので、これを実施した。
【００２７】
開孔時の基板と補助フィルムの厚さの合計が１００μｍ  を越えるようにしたので、基板の孔の周縁にも溝は生じず、接続抵抗は実施例１の同様に低かった。
補助フィルムを基板と同じ搬送ピッチで搬送してもよいが、補助フィルムの搬送ピッチを基板のそれより小さく、孔径より大きくすることにより補助フィルムの消費を抑えることができる（搬送のタイミングは基板と同期させる）。この実施例では、搬送ピッチを孔径の２倍とした。これより小さいと孔周縁部の強度が低下し、ストリッパープレートとしての作用が働かなくなることが判った。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁性で可撓性の基板の一面上に光電変換層を挟んで基板側に第１電極層、反対側に透明な第３電極層が設けられており、前記第１電極層は基板の他面上に形成されている第２電極層と基板を貫通する接続孔の内面で接続され、前記第３電極層は基板の他面上に形成されている第４電極層と基板を貫通する集電孔の内面で接続されている薄膜太陽電池の製造方法において、前記基板より硬度の高い材料からなる押さえ治具の間に、前記基板を複数枚重ねてまたは前記基板と補助フィルムを重ねて挟み込み、剪断加工または切削加工して開孔したため、追加した補助フィルムあるいは基板の厚さが押さえ治具の間の隙間を少なくし、また追加した補助フィルムあるいは基板の厚さに対する加工具と押さえ治具のクリアランスも小さくなり実質的に、基板の歪む余地は減少され、孔周縁の円周状溝の発生は抑制される。従って、孔周縁の電極層には切れ目は生ぜず、接続抵抗は大きくならず、曲線因子の良い太陽電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図
【図２】本発明に係る接続抵抗の基板厚さ依存性のグラフ
【図３】本発明の実施例における基板の位置検出用孔と接続孔の配置を示す平面図
【図４】本発明の実施例においてさらに集電孔が開けられた基板の平面図
【図５】本発明に係る実施例で作製した太陽電池と従来の製造方法で作製した太陽電池の接続抵抗を示すグラフ
【図６】本発明に係る他の実施例の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図
【図７】本発明に係る２枚の基板に同時に開孔を行う場合の開孔装置の断面模式図
【図８】裏面に電極を有する太陽電池の平面図
【図９】裏面に電極を有する太陽電池の製造工程順の図８におけるＸＸ断面図であり、（ａ）は接続開孔、（ｂ）は第１電極層と第２電極層成膜、（ｃ）は集電孔開孔、（ｄ）は光電変換層成膜、（ｅ）は第３電極層成膜、（ｆ）は第４電極層成膜、（ｇ）は切断部を示す図
【図１０】従来の開孔装置の断面模式図
【図１１】従来の開孔装置の開孔部の拡大断面模式図
【符号の説明】
１ａ  基板
１１ａ  基板
ｈ１  接続孔
ｈ２  集電孔
ｈ３  位置検出用孔
１ｂ  第１電極層
１ｃ  第２電極層
１ｄ  光電変換層
１ｅ  第３電極層
１ｆ  第４電極層
１ｇ  切断部
Ｅ    裏面電極
Ｕ    ユニットセル
Ｐ１  接続開孔部
Ｐ２  集電孔開孔部
Ｐ３  位置検出用孔開孔部
Ｐ    ポンチ
Ｄ    ダイ
Ｐｓ  ストリッパープレート
Ｆ    補助フィルム
Ｒ    隙間
Ｒ１  巻き出しロール
Ｒ１１巻き出しロール
Ｒ２  巻き取りロール
Ｒ２１巻き取りロール
Ｄｒ  ドリル
Ｐａ  押さえ治具
Ｐｂ  押さえ治具
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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