(57)【要約】  長尺の基板上に薄膜を形成する薄膜構造体の製造時において、基板に掛ける張力を適正値に保持して、薄膜構造体の特性低下、剥離、ハンドリング性を改善する。本発明は、長尺の基板２上にこの基板２よりも剛性の高い薄膜を形成する薄膜構造体の製造方法であり、基板２に略３ＭＰａ以下の範囲の張力を掛けて保持し、薄膜の形成時に基板２の膜が形成される部分に加熱手段のヒータ６を押し当てながら薄膜を形成している。
2010032530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を形成する薄膜構造体の製造方法であって、前記基板が樹脂材からなり、前記基板に略３ＭＰａ以下の範囲の張力を掛けて保持し、前記薄膜の形成時に前記基板の膜が形成される部分に加熱手段を押し当てながら薄膜を形成することを特徴とする薄膜構造体の製造方法。
【請求項２】
前記薄膜の膜厚が略１μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜構造体の製造方法。
【請求項３】
長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体であって、前記基板に所定値の張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる膜厚が略１μm以上の微結晶シリコンを備えたことを特徴とする薄膜構造体。
【請求項４】
長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体であって、前記基板に所定値の張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる微結晶シリコン太陽電池もしくはその多接合太陽電池を備えたことを特徴とする薄膜構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を形成する薄膜構造体の製造方法、及びこのような薄膜を有する薄膜構造体、特に微結晶シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ）太陽電池を備えた薄膜構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
住宅の屋根、ビルディング（ｂｕｉｌｄｉｎｇ）の屋上等に設置することにより、太陽光を利用して電力を発生する太陽電池は、その資源（太陽光）が無限であること、無公害であることから注目を集めている。そして、長尺の基板上に形成された複数の光電変換素子が直列接続されている太陽電池（光電変換装置）の代表例としては、薄膜太陽電池がある。
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などに取り付けて利用される業務用、一般住宅用にも需要が広がって来ている。【０００３】
かかる薄膜太陽電池は、非晶質シリコン太陽電池が主たるターゲット（ｔａｒｇｅｔ）であり、例えば特許文献１（特開２００４−６８１２６号公報）、特許文献２（特開平１１−１４５０６０号公報）、特許文献３（特開平９−６３９７０号公報）等に示されるように、長尺の樹脂基板上に製膜する方法が開示されている。かかる従来の製膜方法では、長尺の基板の張力として、１００Ｎ（３．９ＭＰa程度)のような値が採用されている。【０００４】
この張力の基準は、製膜時に皺の発生を防止するために張力を抑制し、もしくは皺の張り付きを防止するために張力を高くする、などといった点に留意している。
また、現在開発が進められている微結晶シリコン太陽電池、例えば特許文献４（特許３６５９５１５号公報）においては、効率向上のために、長尺のステンレス（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）製基板上への製膜において、張力の制御としては「たるまない程度」としての制御のみが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６８１２６号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５０６０号公報
【特許文献３】特開平９−６３９７０号公報
【特許文献４】特許３６５９５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、長尺の樹脂基板上に微結晶シリコン薄膜を形成する場合、非晶質シリコンと比べて膜厚が厚くなるため、応力の影響による基板の変形が大きくなる。
すなわち、
（１）基板の張力が強いと、加熱、製膜により基板の剛性が低下し、前記張力による幅方向に縮まる力により基板に皺ができる。
（２）基板の温度が高くて剛性が低下している状態で、製膜時のロール（ｒｏｌｌ）との間に強い力が働くと、ロール面で折れて「折れ皺」が発生する。
（３）高い温度の基板を急激に冷却すると、皺の部分に強い力が集中して前記「折れ皺」が発生する。
（４）張力を下げると、変形は少なくなるが、ロール間で基板がたるんでしまう。
等の問題がある。上記特許文献１〜４は、これらの点を考慮して基板の搬送方法に工夫を施したり、搬送系を特定の構成にしたりして、基板における皺の発生を抑制しているが、十分な効果を得ているとは言い難かった。また更に、製膜時に基板に部材が押し当てられている場合においては、製膜及び搬送時に基板の変形による皺は抑制できても、逆に張力を解放した際に皺ができ、以下の工程でトラブルの原因となる。【０００７】
一方、本願発明者らの検討の結果、基板の張力による変形が大きいと、初期特性が低下し、高温高湿試験のような環境試験での特性低下が大きいといった問題が発生し易いということが明らかになった。
また、太陽電池以外の場合においても、かかる張力による基板の変形が大きくなると、それ以降のプロセス（ｐｒｏｃｅｓｓ）においてハンドリング（ｈａｎｄｌｉｎｇ）が困難になり、あるいは剥離し易くなるといった問題が生ずることが明らかになった。【０００８】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、長尺の基板上に薄膜を形成する薄膜構造体の製造時において、基板に掛ける張力を適正値に保持することにより、薄膜構造体の特性低下、剥離、ハンドリング性を改善し、製品の品質及び信頼性の向上を図ることが可能な薄膜構造体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を形成する薄膜構造体の製造方法であって、前記基板が樹脂材からなり、前記基板に略３ＭＰａ以下の範囲の張力を掛けて保持し、前記薄膜の形成時に前記基板の膜が形成される部分に加熱手段を押し当てながら薄膜を形成している。【００１０】
本発明において、前記薄膜の膜厚が略１μm以上であることが好ましい。【００１１】
また、本発明は、前記製造方法により製造された薄膜構造体であり、次のように構成されている。
（１）長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体であって、前記基板に所定値の張力、例えば所定値を超えない張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる膜厚が略１μm以上の微結晶シリコンを備えている。
（２）長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体であって、前記基板に所定値の張力、例えば所定値を超えない張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる微結晶シリコン太陽電池もしくはその多接合太陽電池を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
一般に、長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体においては、基板に張力を掛けた状態で製膜し（この状態では薄膜は応力フリー）、その製膜後に基板への張力を解放すると、基板は縮み、フリーな状態に近づこうとする。しかし、薄膜は圧縮応力を受けるため、抵抗して変形しない。
以上の結果により、薄膜の変形が小さく、基板が縮む、すなわち基板が薄膜側に凸にカール（ｃｕｒｌ）されることになる。【００１３】
上述の如く、本発明は、長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を形成する薄膜構造体の製造方法であって、前記基板が樹脂材からなり、前記基板に略３ＭＰａ以下の範囲の張力を掛けて保持し、前記薄膜の形成時に前記基板の膜が形成される部分に加熱手段を押し当てながら薄膜を形成しているので、前記製膜後で張力の解放時における基板の縮み変形を縮小して、基板が薄膜側に凸にカールされるのを防止している。
すなわち、基板の張力を略３ＭＰa を超えない範囲で保持して薄膜を形成することにより、基板の縮み変形を縮小して、薄膜側と同等に変形させて基板が薄膜側に凸にカールされるのを防止しているため、薄膜構造体の特性低下、剥離、ハンドリング性を改善することができる。したがって、本発明の製造方法によれば、製品の品質を向上させることができるとともに、製品の信頼性を高めることができる。【００１４】
また、本発明において、前記薄膜の膜厚が略１μm以上で２μm程度であれば、より一層の効果が得られる。【００１５】
また、本発明は、長尺の基板上に該基板よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体であって、前記基板に所定値の張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる微結晶シリコンを備え、あるいは前記基板に所定値の張力を掛けて保持した状態で形成した前記薄膜からなる膜厚が略１μm以上の微結晶シリコン太陽電池もしくはその多接合太陽電池を備えているので、優れた品質を有し、かつ高い信頼性を有する薄膜構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜構造体の製造方法を実施する薄膜製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る薄膜構造体の製造方法において掛けた張力と基板の変形との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は図１に示す成膜室を模式的に拡大した断面平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線から見た正面図である。
【図４】図３におけるグリップローラとその付属装置の一例を模式的に示す斜視図である。
【図５】図４のグリップローラとその付属装置を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る薄膜構造体及びその製造方法について、図面を参照しながら、その実施形態に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る薄膜構造体の製造方法を実施する薄膜製造装置の概略構成図である。
本実施形態に係る薄膜製造装置は、図１に示すように、ロールツーロール方式を採用しており、巻出しローラ３ａ及びガイドローラ（ｇｕｉｄｅ  ｒｏｌｌｅｒ）３ｂが収容される巻出し室３と、巻取りローラ４ａ及びガイドローラ４ｂが収容される巻取り室４と、これら巻出し室３及び巻取り室４の間で基板２の搬送方向に沿って配置される複数の成膜室１とを備えている。巻出しローラ３ａには、樹脂材からなる長尺の基板２が巻かれている。この長尺の基板２は、巻出し室３内に設けられた巻出しローラ３ａからガイドローラ３ｂを通って、複数の成膜室１内を貫通し、巻取り室４内に設けられたガイドローラ４ｂを経て、巻取りローラ４ａに巻取られるようになっている。このため、長尺の基板２は、巻出しローラ３ａと巻取りローラ４ａとによって、所定値の張力が掛けられた状態で保持されている。
【００１９】
巻出し室３及び巻取り室４のそれぞれに隣接する成膜室１と、互いに隣接する各成膜室１には、ゲートバルブ（仕切り弁、ｇａｔｅ  ｖａｌｖｅ）５がそれぞれ設置されており、該ゲートバルブ５により各室が分離され、反応ガスが互いに混ざらないようになっている。なお、原料ガスは、図示しないマスフローコントローラ（Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）などによって流量を調整されて、各成膜室１内に供給されるように構成されている。
また、各成膜室１内には、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で基板２に薄膜を形成するために、基板２に押し付けられた加熱手段のヒータ６と、該ヒータ６に対向して一定の間隔を置いて配置された高周波電極７が設けられている。この高周波電極７には、整合器を介して図外の高周波電源が接続されている。また、各成膜室１内には、圧力制御バルブ８を介して排気系９がそれぞれ接続されている。
【００２０】
したがって、成膜時には、各成膜室１に原料ガスが導入された後、圧力制御バルブ８及び排気系９によって各成膜室１内の圧力が制御され、その後に高周波電極７とヒータ６との間に高周波電流を印加し、発生したプラズマ（ｐｌａｓｍａ）で基板２の所定部分に薄膜を形成することによって、長尺の基板２上に当該基板２よりも剛性の高い薄膜を有する薄膜構造体が得られることになる。
なお、各成膜室１はゲートバルブ５で仕切り、基板２は固定した状態で成膜を行うものとしたが、各成膜室１の間にゲートバルブ５の代わりにガスゲートを設けて基板２を連続的に搬送しながら薄膜を形成しても良い。また、ガスの組成が同じであれば、ゲートバルブ５やガスゲートを設けなくても良い。
【００２１】
上記基板２には、樹脂材としてポリイミド（ＰＩ）基板を用いているが、それ以外にポリアミド、ポリイミドアミド、ＰＥＮ、ＰＥＩ、ＰＥＴなどの樹脂製の基板２を用いることも可能である。
また、基板２の厚さは、コストの面から５０μm程度としているが、それ以外のサイズのものを選んでも良い。さらに、基板の幅は３０ｃｍとしているが、５０ｃｍ、１ｍ、２ｍ程度と制御可能であれば任意の幅のものを用いることも可能である。
成膜室１で成膜される薄膜の膜厚は、略1μm以上とする。例えば、成膜するのが微結晶シリコンのシングルセルの場合には、薄膜の膜厚さ２μmのときに、ｎ層、ｐ層の厚さを１０〜３０ｎｍとし、残りがｉ層の厚さとなる。
【００２２】
一方、成膜時において、上記基板２には所定値を超えない張力、すなわち具体的には、基板２の張力を略３ＭＰａ以下の範囲で保持した状態で薄膜を形成している。これによって、成膜後に行われる張力の解放時における基板２の縮み変形を縮小して、基板２が薄膜側に凸にカールされるのを防止している。
すなわち、基板２の張力を略３ＭＰa 以下の範囲である２ＭＰａで保持して薄膜を形成することにより、基板２の縮み変形を縮小しているため、薄膜側と同等に変形して基板２が薄膜側に凸にカールされるのを防止し、薄膜構造体の特性低下、剥離、ハンドリング性を改善することが可能となる。
なお、本実施形態に係る薄膜構造体の製造方法においては、基板２を小さい張力で保持することから、基板２のたるみや落下などを生じる可能性がある。そこで、このような基板２の落下などを防止するため、本実施形態の薄膜製造装置には、図３〜図５に示すようなグリップローラ１１を追加して設けることも可能である。
すなわち、各成膜室１の基板入口及び基板出口の外側には、図３（Ａ）に示すように、基板２を挟む一対のグリップローラ１１がそれぞれ設けられている。これらグリップローラ１１は、基板２の鉛直方向上側の端部と基板２の鉛直方向下側の端部の両方に配置されている。一方、基板２の両面側には、成膜室１の壁１０を形成する断面コ字状の壁部１０ａ，１０ｂが互いに対向して配設されている。これら壁部１０ａ，１０ｂは、成膜する際に、その先端部が基板２の表面に密着するまで移動可能に構成されており、壁部１０ａ，１０ｂの先端部には、成膜室１内を気密状態にするためのシール材（図示せず）が取付けられている。
【００２３】
グリップローラ１１は、図３（Ｂ）に示すように、水平方向に対して斜めに配置されている。すなわち、上側のグリップローラ１１は、ローラの回転方向を基板２の搬送方向（すなわち、水平方向）に対して上方に角度θＵを付けることで傾けて配置されている。このように、上側のグリップローラ１１の回転方向と基板２の搬送方向との間に角度θＵを付けると、基板２が水平方向に搬送される際に、基板２を上方に持ち上げる力が発生して、基板２の鉛直方向における位置を精度高く維持することが可能となる。この角度θＵは、０．１°〜６°が好ましい。角度θＵが大きいほど基板２を持ち上げる力は大きくなるが、角度θＵが６°を超えるかまたはローラ自身の静止摩擦力を超えると、基板２を持ち上げる力はほとんど向上しなくなる。
また、下側のグリップローラ１１も、ローラの回転方向を基板２の搬送方向（すなわち、水平方向）に対して下方に角度θＬを付けることで傾けて配置されている。このように、下側のグリップローラ１１の回転方向と基板２の搬送方向との間に角度θＬを付けると、基板２が水平方向に搬送される際に、基板２の表面に皺が発生するのをより防ぐことが可能となる。この角度θＬは、０．１°〜６°が好ましい。角度θＵとθＬは同じ角度でもよいし、異なる角度でもよい。
【００２４】
次に、グリップローラ１１とその付属装置の構成について説明する。
一対のグリップローラ１１は、図４及び図５に示すように、一対のローラ支持用軸２１の下端にそれぞれ回転可能に取付けられている。一方のローラ支持用軸２１の上端は、ローラ固定片２２の下面に固定され、他方のローラ支持用軸２１の上端は、ローラ可動片２３の下面に固定されている。
ローラ固定片２２の上面には、回転支持部材２４が設けられ、ローラ可動片２３の上面には、コ字状のハンドル部材２５の一端が設けられている。ハンドル部材２５の他端は、回転支持部材２４とヒンジ２６を支点に回転可能に取付けられている。そして、ヒンジ２６を支点にローラ可動片２３を回転させることで、一対のグリップローラ１１間で基板２を挟んだり、一対のグリップローラ１１間の距離を離したりできるように構成されている。回転支持部材２４とハンドル部材２５の他端側とは、引っ張りバネ２７で結合されており、一対のグリップローラ１１間で基板２を挟んだ状態のときに、引っ張りバネ２７の長さが一番短くなるように構成されている。基板２に対する一対のグリップローラ１１の加圧力は、引っ張りバネ２７の強さにより調整可能である。
【００２５】
また、ハンドル部材２５の他端側には、レバー２８の一端がヒンジ２９を支点に回転可能に取付けられている。このヒンジ２９の回転軸は、ヒンジ２６の回転軸に対して垂直方向となるように配置されている。ローラ固定片２２は、固定用板３０の表面に固定されており、この固定用板３０の表面には、バー３１が突出して設けられている。このバー３１は、ヒンジ２６を回転させた時のレバー２８の他端の軌道上に位置している。すなわち、バー３１は、レバー２８の他端と接触してハンドル部材２５の回転を妨げる位置にある。また、ヒンジ２９を支点にしてレバー２８を回転させ、レバー２８の他端をバー３１から逃がした場合には、ハンドル部材２５が自由に回転できるように構成されている。
【００２６】
なお、グリップローラ１１は、図５に示すように、ローラの回転方向を基板２の搬送方向に対して上方に角度θＵを付けることで傾けて配置されている。グリップローラ１１の回転方向と基板２の搬送方向との間の角度θＵは、ある一定の角度に固定されていてもよいし、成膜中にも角度を変えることができるようになっていてもよい。角度θＵを変える場合は、グリップローラ１１の回転軸の中心点Ｏを支点にして、角度調整を行うように構成することが好ましい。中心点Ｏを支点にすることで、基板２に皺が発生したり、基板２が蛇行したりすることを防ぐことが可能となる。
これまで、上側のグリップローラ１１とその付属装置の構成について説明してきたが、下側のグリップローラ１１とその付属装置も上下逆になるが、同様の構成にすることができる。また、グリップローラ１１は、基板2との接触面がシリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性ゴム、ＰＴＦＥやポリイミド等の合成樹脂で作られていることが好ましい。ステンレス鋼や鉄にクロムめっきを施した素材であってもよい。
さらに、本実施形態の製造装置には、基板２の搬送及び停止、並びに各成膜室１の壁１０の移動を制御する制御手段(図示せず)が設けられている。この制御手段は、基板２の蛇行の程度に応じて、グリップローラ１１の角度θＵ、θＬを変化させて制御を行うことが可能である。
【００２７】
上記半導体層の成膜には、高周波電極７としてサイズが２５０ｍｍ角の電極を使用した。また、放電周波数は２７．１ＭＨｚ、上記のように膜厚は略２μｍとした。詳細な条件は、以下の表１に示すとおりである。
【００２８】
【表１】
2010032530.tif 000003
【００２９】
上記した大きさの張力を付与して得られた基板２の変形は、その曲率半径により図２に示されている。横軸は基板２の張力、縦軸は基板２の曲率半径としている。この図２に示されるように、基板２に印加する張力を減少させることで応力が減少し、曲率半径が増加する傾向が見られた。
また、後述する表２に示すように、張力が略３ＭＰaを超えると、歩留まり、湿潤試験の双方で、実用に供し得ないことが分かった。
【実施例】
【００３０】
本発明の実施の形態で示した条件で、ｉ層を成膜した微結晶シリコン太陽電池を形成した。他の層を含めた成膜条件は上記の表１に示されている。基板の張力は、０．６〜２０ＭＰａとした。
成膜時の基板２の張力、太陽電池の初期特性、歩留まり、湿潤試験後の特性は、以下の表２に示されている。この表２に示されるように、張力は３ＭＰa以下にすることで特性が安定すること、そしてハンドリングが改善されるために歩留まりが高くなること、耐候性に関しても安定化することが明らかになった。
なお、高温高湿試験は、温度８５℃、湿度８５％、試験時間１０００Ｈで、判断基準は特性低下がないこと、外観変化が無いこととした。【００３１】
【表２】
2010032530.tif 000004
【００３２】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更及び変形が可能である。
例えば、既述の実施の形態では、基板２上に形成される薄膜がｎ層、ｐ層、ｉ層のシングルセルで説明しているが、本発明は、シングル、トリプル、４層、５層のいずれのセルでも良い。
【符号の説明】
【００３３】
１  成膜室
２  基板
３  巻出し室
３ａ  巻出しローラ
４  巻取り室
４ａ  巻取りローラ
５  ゲートバルブ
６  ヒータ
７  高周波電極
８  圧力制御バルブ
９  排気系
【図１】
2010032530.tif 000005
【図２】
2010032530.tif 000006
【図３】
2010032530.tif 000007
【図４】
2010032530.tif 000008
【図５】
2010032530.tif 000009
【国際調査報告】
2010032530.tif 000010
2010032530.tif 000011
2010032530.tif 000012
2010032530.tif 000013
2010032530.tif 000014
2010032530.tif 000015
2010032530.tif 000016