(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基板側より第１電極、光電変換層および第２電極が積層されてなる太陽電池が形成され、他の基板面には裏面電極が設けられており、基板を貫通する貫通孔の内壁面上で第１電極または第２電極が裏面電極に接続されてなる薄膜太陽電池の前記貫通孔を、ダイおよびダイ表面に対して垂直方向に運動するポンチにより形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記ポンチの先端部は前記貫通孔の平面図形状であるナイフエッジであり、このナイフエッジを、ダイ上の前記基板に垂直方向に押しつけることによって、ナイフエッジとダイがすれ違うことなく、前記基板から前記貫通孔の形状の部分を切断することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記貫通孔の形状の部分の切断は、前記ナイフエッジによる直接切断と、それに続く前記ナイフエッジの先端部と前記ダイの間に残した隙間内での基板の裂かれとからな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】
前記ナイフエッジの外側面は前記運動方向に平行な曲柱面をなしていることを特徴とする請求項１に記載の１または２薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】
前記切断時には、同時に前記ナイフエッジが殆ど隙間なく貫通する孔を有するストリッパープレートで基板をダイに押しつけていることを特徴とする請求項１ないし３に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載の薄膜太陽電池の製造方法を実施するポンチおよびダイを備えた薄膜太陽電池の製造装置において、前記ポンチの先端部は、少なくとも、前記運動方向に平行な曲面柱面をなし、曲面柱面の垂直断面は前記貫通孔の形状であるナイフエッジであり、前記ダイ表面の少なくともナイフエッジが接近したときにナイフエッジの近傍となる部分はナイフエッジの先端のなす面に平行な面であることを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
【請求項６】
前記ダイの表面および前記ナイフエッジの先端のなす面は平面であることを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項７】
前記ポンチが運動の下死点にあるとき、前記ナイフエッジの先端と前記ダイの間には基板の厚さより遙に小さい隙間があり、ポンチとダイは接触しないことを特徴とする請求項５または６に記載の薄膜太陽電池の製造装置。
【請求項８】
前記ダイの材質はポンチの材質より柔らかいことを特徴とする請求項５ないし７に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記ダイおよび前記ポンチの材質はハイス鋼または超硬度鋼であり、焼き入れの程度が異なっていることを特徴とする請求項８に記載の薄膜太陽電池の製造装置。
【請求項１０】
前記ポンチはその中が空洞である筒状であることを特徴とする請求項５ないし９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光電変換層が形成されてなり、基板の貫通孔を通して表裏の電極の接続が行われ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、基板の薄膜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、基板面積に対する薄膜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もたせることができる。図４は裏面に電極を有する薄膜太陽電池の透視平面図である。図５は裏面に電極を有する薄膜太陽電池の製造工程順の図４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電極層製膜、（ｃ）  は集電開孔、（ｄ）  は光電変換層製膜、（ｅ）  は第３電極層製膜、（ｆ）  は第４電極層製膜、（ｇ）  は切断部を示す図である。図５では分布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など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１ｍｍ  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を順次製膜する。第１電極層１ｂと第２電極層１ｃの製膜順は逆でも良い。このとき、接続孔ｈ１の内面で第１電極層１ｂと第２電極層１ｃとが重なり、互いに導通する（工程（ｂ）  ）。これらの電極層としては、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製膜しても良く、金属酸化膜と金属の多層膜を電極層としても良い。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を製膜する。光電変換層１ｄは薄膜半導体層であり、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）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、例えば薄膜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  （インジウムスズ酸化物）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ  などの酸化物透明導電体を用いるのが一般的である。膜形成時に接続孔ｈ１の周辺部をマスクなど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）  ）。
【０００３】
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を製膜する。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））。以上の製膜工程の終了後、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薄膜太陽電池を形成する（  工程（ｇ））。図５（ｇ）  では、薄膜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２電極層１ｆの二重層）  とが接続されている。従って、任意のユニットセル  Ｕｎ  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薄膜太陽電池を形成することができる。
【０００４】
【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（ｃ））において、従来はポンチを用いる打抜き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  レーザーなどの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辺に形成され、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。
【０００５】
ポンチを用いた打抜き加工において、我々は量産性に富む連続開孔加工方法を既に提案した。図６は薄膜太陽電池の製造装置における開孔装置の断面模式図である。巻出しロール  Ｒ１  から送り出された基板１ａは、順次、位置検出開孔部Ｐ３、集電開孔部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。
【０００６】
図７は従来の薄膜太陽電池の製造装置の開孔部の拡大模式図である。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上に搬送され停止した基板１ａは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を打抜き（  貫通し）  、基板１ａに孔が開けられる。しかし、上記ポンチによる開孔は剪断加工であり、ダイの穴内壁面と上面、およびポンチの側面と底面、それぞれの面のなす稜は、切断が容易に行えるように、鋭いエッジ状に形成されている。そのため、比加工物は切断時には両面から同時に切れ目が入るが、切断孔径はポンチの径により定まる。そのため、ポンチの径より大きい径のダイ側の切れ目は切断に至らず、孔の外周部の基板のダイ側面に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、薄膜太陽電池の曲線因子が低下し、出力低下をきたしていた。
【０００７】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、接続孔や集電孔での接続抵抗が低く、薄膜太陽電池特性の良好な薄膜太陽電池を製造でき、量産性に富む薄膜太陽電池の製造方法および製造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述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基板側より第１電極、光電変換層および第２電極が積層されてなる太陽電池が形成され、他の基板面には裏面電極が設けられており、基板を貫通する貫通孔の内壁面上で第１電極または第２電極が裏面電極に接続されてなる薄膜太陽電池の前記貫通孔を、ダイおよびダイ表面に対して垂直方向に運動するポンチにより形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記ポンチの先端部は前記貫通孔の平面図形状であるナイフエッジであり、このナイフエッジを、ダイ上の前記基板に垂直方向に押しつけることによって、ナイフエッジとダイがすれ違うことなく、前記基板から前記貫通孔の形状の部分を切断することとする。
【０００９】
前記貫通孔の形状の部分の切断は、前記ナイフエッジによる直接切断と、それに続く前記ナイフエッジの先端部と前記ダイの間に残した隙間内での基板の裂かれとからなると良い。
前記ナイフエッジの外側面は前記運動方向に平行な曲柱面をなしていると良い。
【００１０】
前記切断時には、同時に前記ナイフエッジが殆ど隙間なく貫通する孔を有するストリッパープレートで基板をダイに押しつけていると良い。
上記の薄膜太陽電池の製造方法を実施するポンチおよびダイを備えた薄膜太陽電池の製造装置において、前記ポンチの先端部は、少なくとも、前記運動方向に平行な曲柱面をなし、曲柱面の垂直断面は前記貫通孔の形状であるナイフエッジであり、前記ダイ表面の少なくともナイフエッジが接近したときにナイフエッジの近傍となる部分はナイフエッジの先端のなす面に平行な面であることとする。
【００１１】
前記ダイの表面および前記ナイフエッジの先端のなす面は平面であると良い。前記ポンチが運動の下死点にあるとき、前記ナイフエッジの先端と前記ダイの間には基板の厚さより遙に小さい隙間があり、ポンチとダイは接触しないと良い。
前記ダイの材質はポンチの材質より柔らかいと良い。
【００１２】
前記ダイおよび前記ポンチの材質はハイス鋼または超硬度鋼であり、焼き入れの程度が異なっていると良い。
前記ポンチはその中が空洞である筒状であると良い。
本発明によれば、ナイフエッジを、ダイ上の基板に垂直方向に押しつけることによって、切断するようにしたため、基板貫通孔の周縁には、従来はナイフエッジとダイがすれ違うために生じていた溝や切れ目は形成されなくなる。従って、貫通孔の内面や周縁部を被覆する電極層に切れ目は生じず、薄膜太陽電池の内部抵抗は高くはならない。
【００１３】
また、ポンチを直接ダイに当てないようにしたため、ポンチは基板のみを加工することになり、ポンチとダイの摩耗は極めて少なくなり、これらの交換の頻度は少なくなり、量産に適するようになる。さらに、ダイの材質をポンチ材質よりも柔らかい材料にすることより摩耗はより一層少なくなる。
また、ポンチはダイとすれ違うことがないため、ダイの表面は最も簡便には背面であれば良く、ダイの作製のコストは低く抑えることが出来る。
【００１４】
また、ポンチの中を中空としたため、貫通孔部の切断された断片は、ポンチの中を順次押し上げられ、ポンチの外に排出されるので、ダイに断片排出の機構を設ける必要はない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は本発明に係る実施例の薄膜太陽電池の製造装置の開孔部の拡大模式図である。
ダイＤ１の基板１ａに面する面は平面であり、ポンチＰｉはこの平面に垂直（運動方向Ｖ）に運動する。ダイＤ１にはポンチＰｉの通過する孔または窪みは形成されていない。
【００１６】
また、ポンチＰｉの外側面はダイ表面（平面）すなわち基板に対して垂直であり、先端形状はナイフエッジＮｅであり、ポンチＰｉの中は空洞としてある。
この実施例では、ダイＤ１にはポンチＰｉともハイス鋼を使用し、ポンチＰｉとダイＤ１の焼き入れ条件をかえ、ダイＤ１の方を柔らかくした。
ストリッパープレートＰｓは基板１ａをダイ表面に押しつけ、切断時に基板が歪み貫通孔が変形することを防止している。
【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  またはアラ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できる。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２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には位置検出孔ｈ３、接続孔ｈ１の順に開孔される。位置検出孔ｈ３は薄膜太陽電池の所定のユニット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。この接続孔ｈ１形成の際にポンチの動作をダイ上数μｍ  上のところで停止させるようにポンチ操作を行う。このポンチ操作は、金型にストッパーなどを設けることにより、下死点を機械的に決める方法、またはプレス装置の下死点制御により制御する方法などにより可能である。下死点の設定は、用いられる基板１ａの厚さおよび材質により決定されるものである。それは基板により切断が完了する位置が異なるためである。本実施例で用いたポリイミドフィルム基板の場合、ダイ上１０μｍ  以下、好ましくは３  μｍ  以下に下死点を設定した場合に良好な接続孔ｈ１を形成することができた。
【００１９】
これを所定の回数繰り返した後、位置検出孔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の表面を清浄にした。
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５（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どちらが先でも良いが、第１電極層１ｂを先に形成するのがが好ましい。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。この場合も前記、接続孔ｈ１形成と同じ方法により形成することはいうまでもない。図３は本発明の実施例の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、この間隔は薄膜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、例えば薄膜太陽電池特性を向上させるためには集電孔ｈ２の面積はできるだけ小さく、しかも周辺の長さができる限り長くなる形状が良い。実施例中では、１動作で基板の横方向に１列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】
これらの工程を経た後、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５（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  膜を製膜した（図５（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。次に薄膜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電極層を最終的に製膜した。本実施例では材料としてＮｉを用いたが、Ｎｉに限定されるものではない。製膜方法はスパッタである（図５（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２電極層までの３層と、裏面の第２、４電極層の２層を切断し、所定のパターンとした。（図５（ｇ）  参照）。
本実施例で作製した接続孔ｈ１、集電孔ｈ２には背面側の溝の発生がなく、接続抵抗が平均値で０．２  Ωと小さく良好な孔形成ができたことが確認できた。その結果薄膜太陽電池特性の曲線因子も従来０．５  程度だったものが安定して０．６  程度に向上させることができた。
【００２３】
また、ポンチがダイに接触しないことから、従来の方式と比較してポンチ、ダイの摩耗を減少させることが可能となり、ダイの寿命を延ばすことも可能となった。次に従来のダイでは、加工するフィルム厚により、ポンチとダイのクリアランスを変化させて最適なクリアランスにより加工しなけらばならず、基板厚によりダイをかえる必要があったが、本発明によればフィルム厚によらず同じダイで良い。また、基板が薄くなるとクリアランスは狭くなる必要がある。つまり、フィルム厚５０μｍ  程度で片側３  μｍ  以下であるのに対して、フィルム厚２５μｍ  では片側１．５  μｍ  以下である必要がある。そのためダイの製造コストが上がるばかりか技術的にも非常に困難になってきてしまう。しかし、本発明によれば、フィルム厚によらず同じダイであること、クリアランスを気にせずダイが作製可能であることなどにより、ダイの製造コストを下げることが可能となる。その結果薄膜太陽電池のコストを下げることが可能となり、低コストの薄膜太陽電池を量産性良く安定して作製することが可能となる。
【００２４】
【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基板側より第１電極、光電変換層および第２電極が積層されてなる太陽電池が形成され、他の基板面には裏面電極が設けられており、基板を貫通する貫通孔の内壁面上で第１電極または第２電極が裏面電極に接続されてなる薄膜太陽電池の前記貫通孔を、ダイおよびダイ表面に対して垂直方向に運動するポンチにより形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記ポンチの先端部は前記貫通孔の平面図形状であるナイフエッジであり、このナイフエッジを、ダイ上の前記基板に垂直方向に押しつけることによって、ナイフエッジとダイがすれ違うことなく、前記基板から前記貫通孔の形状の部分を切断するようにしたため、貫通孔のダイ側には溝や切れ目は形成されず、貫通孔を被覆する電極層には欠損部は生じなくなる。従って、接続孔や集電孔での接続抵抗は低く、その影響による曲線因子の低下もなく薄膜太陽電池特性の良好な薄膜太陽電池を製造できる。
【００２５】
また、ポンチとダイが非接触で切断を行うので、これらの摩耗は少なく、寿命は長く、薄膜太陽電池の製造装置の稼働率は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例の薄膜太陽電池の製造装置の開孔部の拡大模式図
【図２】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３】本発明の実施例のさらに集電孔が開けられた基板の平面図
【図４】裏面に電極を有する薄膜太陽電池の透視平面図
【図５】裏面に電極を有する薄膜太陽電池の製造工程順の図４におけるＸＸ断面図
【図６】薄膜太陽電池の製造装置における開孔装置の断面模式図
【図７】従来の薄膜太陽電池の製造装置の開孔部の拡大模式図
【符号の説明】
１ａ  基板
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
１ｈ  切断部
ｈ１  接続孔
ｈ２  集電孔
ｈ３  位置検出孔
Ｄ    ダイ
Ｄ１  ダイ
Ｐｉ  ポンチ
Ｎｅ  ナイフエッジ
Ｐｓ  ストリッパープレート
Ｐ１  検出位置
Ｐ２  検出位置
Ｐ３  検出位置
Ｒ１  巻出しロール
Ｒ２  巻取りロール
Ｓ    検出器
【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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