(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き出しロールに巻かれた帯状可撓性のフィルム基板を略真空状態に維持された複数の成膜室に送り、前記成膜室に互いに対向して配置された接地電極と、ターゲット材を有する印加電極との間で放電させて、フィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を、設定された加熱下で形成し、前記金属薄膜が形成されたフィルム基板を巻取りロールで巻き取るようにした薄膜太陽電池の製造装置において、金属薄膜を形成する前記複数の成膜室の間にガイドロールを備えた中間室を設け、金属薄膜の成膜が可能な温度に設定された前記中間室上流側の成膜室の加熱手段の温度に対して前記中間室下流側の成膜室の加熱手段の温度をフィルム基板が前記ガイドロールに到達するまでにシワが発生する境界温度まで下がるよう低く設定することを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯状可撓性のフィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を形成する薄膜太陽電池の製造装置に関し、詳しくは、高温に設定された成膜室によるフィルム基板のシワの発生を防止した薄膜太陽電池の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、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。
【０００３】
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る。
【０００４】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【０００５】
上記の薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層および透明電極層が積層されてなる光電変換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の金属電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。
【０００６】
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法は、例えば（特許文献１、特許文献２）に記載されている。
【０００７】
前記特許文献２に記載された薄膜太陽電池の構成概念図を、図２は、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３はそれぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。
【０００８】
このため、素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔６７を介して背面の接続電極層６３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。
【０００９】
上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を図３（a）から（g）に示す。プラスチックフィルム７１を基板として（工程（a））、これに接続孔７８を形成し（工程（b））、基板の両面に第１電極層（下電極）７４および第３電極層（接続電極の一部）７３を形成（工程（c））した後、接続孔７８と所定の距離離れた位置に集電孔７７を形成する（工程（d））。上記工程（c）における第１電極層７４と第３電極層７３の形成は、後述する成膜装置において、基板７１を反転させて２段階に分けて形成を行い、接続孔７８の部分は、前記両電極層７４と７３とを成長形成することにより形成する。これにより、前記両電極層の電気的な接続を得る。
【００１０】
次に、第１電極層７４の上に、光電変換層となる半導体層７５および第２電極層である透明電極層７６を順次形成するとともに（工程（e））および工程（f））、第３電極層７３の上に第４電極層（接続電極層）７９を形成する（工程（g））。この後、レーザビームを用いて、基板７１の両側の薄膜を分離加工して図２に示すような直列接続構造を形成する。
【００１１】
前記図３の工程において、工程（a），（b）および（d）においては、大気中で基板に対して加工が行われるが、その他の工程は、後述する真空成膜装置において処理される。従って、上記工程の場合、工程（b）および（d）の後工程においては、基板は大気中で加工後、真空成膜装置の真空容器内に導入されることになる。また、上記工程（c）における第１電極層７４と第３電極層７３の形成は、前述のように、基板７１を反転させて２段階に分けて形成を行うので、反転させる際に、基板を一旦大気中に出し、再度真空容器内に導入されることになる。
【００１２】
前記薄膜太陽電池の薄膜の製造方法としては、前述のように、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式がある。両方式共に、複数のロールによる基板搬送手段を備え、前者は各成膜室内を連続的に移動する基板上に連続的に成膜する方式であり、後者は各成膜室内で同時に停止させた基板上に成膜し，成膜の終わった基板部分を次の成膜室へ送り出す方式を採用している。
【００１３】
ステッピングロール方式の成膜装置は、隣接する成膜室間のガス相互拡散を防止できることから各薄膜の特性が安定して得られるなどの点で優れており、その装置の構成は、例えば、特許文献３、特許文献４に記載されている。
【００１４】
図４に、共通真空室内に成膜室を複数有するステッピングロール成膜方式の真空成膜装置の構成の一例を示す。図４に示す装置は、可撓性基板の巻出し用アンワインダー室９０と、金属電極層，光電変換層および透明電極層などを形成するための複数個の独立した処理空間としてなる成膜室８０と、巻取り用ワインダー室９１とを備え、基板９２はコア８２から捲き出されコア８３にまきとられる間に、複数の成膜室８０で成膜されるように構成されている。共通室８１は複数の成膜室８０を内部に収めている。
【００１５】
成膜室ではスパッタ成膜またはプラズマ化学気相成長法（以下プラズマＣＶＤ法と記す）などにより成膜が行われる。例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜するステッピングロール方式では、成膜室開放−基板フレーム移動−成膜室封止−原料ガス導入−圧力制御−放電開始−放電終了−原料ガス停止−ガス引き−成膜室開放からなる操作が繰り返される。
【００１６】
図５に、前記特許文献４に記載された成膜室の概略構造の一例を示す。図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図を示す。断続的に搬送されてくる可撓性基板１００の上下に函状の下部成膜室壁体１２１と上部成膜室壁体１２２とを対向配置し、成膜室の封止時には、下部成膜室と上部成膜室からなる独立した処理空間を構成するようになっている。この例においては、下部成膜室は電源１４０に接続された高電圧電極１３１を備え、上部成膜室は、ヒータ１３３を内蔵した接地電極１３２を備える。
【００１７】
成膜時には、図５（ｂ）に示すように、上部成膜室壁体１２２が下降し、接地電極１３２が基板１００を抑えて下部成膜室壁体１２１の開口側端面に取付けられたシール材１４１に接触させる。これにより、下部成膜室壁体１２１と基板１００とから、排気管１４２に連通する気密に密閉された成膜空間１４３を形成する。上記のような成膜室において、高電圧電極１３１へ高周波電圧を印加することにより、プラズマを成膜空間１４３に発生させ、図示しない導入管から導入された原料ガスを分解して基板１００上に、例えば、光電変換層を膜形成することができる。
【００１８】
一方、ロールツーロール方式は、水平方向に設けたロール間もしくは鉛直方向に段違いに設けたロール間に基板を連続的に移動させ、複数の成膜作業を連続的に行うので、量産性に優れている。その装置の構成は、鉛直方向に段違いに設けたロールに基板を連続的に移動させるものとしては、例えば、特許文献５に記載されている。
【００１９】
水平方向に設けたロール間に基板を連続的に移動させるロールツーロール方式の装置の構成については、スパッタリングによる成膜装置に関し、その概略構成を図６に示す。真空室としての反応室や、真空排気系や、スパッタガスの供給系などは図示を省略している。
【００２０】
図６に示した電極形成装置は、ともにフィルム基板を水平搬送するタイプであり、フィルム基板の巻出しロール１５１および巻取りロール１５２も、水平に配置されている。図７に示した装置では、接地電極を兼用したヒータ１５４とターゲットを有する印加電極１５５の間を、フィルム基板１５３が搬送される。フィルム基板１５３は、裏面側からヒータにより非接触で加熱されながら、スパッタリングにより電極形成が行われる。
【００２１】
なお、図６に示した電極形成装置においては、ターゲットを複数（３個）設けた例を示すが、これは、電極層が複数の材料の積層膜として形成される例であり、例えば、銀などの単一の金属で形成する場合には、ターゲットは一つでよい。
【００２２】
図６に示した装置によれば、ともに１回のフィルム基板搬送で、フィルム基板の片面の電極形成が可能である。両面に電極形成を行う場合には、片面の電極形成終了後、装置を大気開放状態として、フィルム基板を反転させてセットし、再び真空排気を行った後、フィルム基板の脱ガス処理を行ってから、電極形成を行う。
【００２３】
ところで、このようなフィルム基板を搬送する際、フィルム基板の幅がかなりの幅であることから搬送時に弛みあるいはシワ等が発生することからフィルム基板の巻き出しロールおよび巻取りロールの軸を縦置きにして、フィルム基板を縦置きの状態で搬送する方式が採用されている。この場合、接地電極を兼用したヒータとターゲットを有する印加電極の間をフィルム基板が搬送され電極形成が行われる。
【００２４】
このような、電極層の成膜を施す成膜室は、真空ポンプにより真空引きされた状態で、ヒータにより約３００°Ｃまで加熱された状態で、成膜が施されている（特許文献６）。
【特許文献１】特開平１０−２３３５１７号公報
【特許文献２】特開２０００−２２３７２７号公報
【特許文献３】特開平６−２９２３４９号公報
【特許文献４】特開平８−２５０４３１号公報
【特許文献５】特公平７−３８３７８号公報
【特許文献６】特開２０００−３０７１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
この電極層を形成するための成膜室は、複数の成膜室に分けられ、フィルム基板を一定の速度で搬送している。各成膜室には、接地電極を兼用したヒータとターゲットを有する印加電極が配置され、ヒータによりフィルム基板を約３００°Ｃに加熱した状態で、スパッタリングにより電極形成が行われている。このヒータ温度が形成電極の膜質に与える影響として、フィルム基板の両面にてフィルムと電極との付着力がある。発電層を形成する側（裏面とも呼ぶ）では、光路長を稼ぐために、電極表面のモフォロジーがある。
一方で、フィルム温度が高温になると、それに伴い、中間室や巻取室のガイドロールにて、高温フィルムとガイドロールが接触する際に搬送シワが発生し易くなる傾向がある。
従来、フィルム幅０．５ｍ、搬送速度１．０ｍ／分においては、各ヒータの設定温度は３００°Ｃとしており、充分な付着力と、太陽電池特性に効果的な表面粗さが得られていた。
ところが、量産性を高めるため、フィルム幅１．０ｍで電極形成を行ったが、一般的に幅方向長さが長くなると、搬送シワが発生し易くなる傾向があり、中間室や巻取室のガイドロールにて搬送シワが発生するという課題が発生している。
とくに、フィルム基板の片面に、発電層側（裏面とも呼ぶ）となる電極が設けられている場合には、反対側（背面とも呼ぶ）に電極を形成する製膜時に、フィルム面に比べて電極が設けられた電極面は放射率が低いことから、裏面製膜時と比較して背面製膜時はフィルムの温度履歴が大きく異なり、フィルム温度が冷めづらくなる。そして、フィルム温度が高い状態で中間室あるいは巻取室のガイドロールと接触することによって搬送シワが発生し易くなる傾向が生じていた。
【００２６】
本発明は、上記課題を解決し、ガイドロールによる搬送シワの発生を防止し、作業性の向上を図りうる薄膜太陽電池の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、上記課題を解決するため、巻き出しロールに巻かれた帯状可撓性のフィルム基板を略真空状態に維持された複数の成膜室に送り、前記成膜室に互いに対向して配置された接地電極と、ターゲット材を有する印加電極との間で放電させて、フィルム基板の面上に電極となる金属薄膜を、設定された加熱下で形成し、前記金属薄膜が形成されたフィルム基板を巻取りロールで巻き取るようにした薄膜太陽電池の製造装置において、金属薄膜を形成する前記複数の成膜室の間にガイドロールを備えた中間室を設け、金属薄膜の成膜が可能な温度に設定された前記中間室上流側の成膜室の加熱手段の温度に対して前記中間室下流側の成膜室の加熱手段の温度をフィルム基板が前記ガイドロールに到達するまでにシワが発生する境界温度まで下がるよう低く設定することにある。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１によれば、金属薄膜の成膜に伴ってフィルム基板に生じる搬送シワの発生を防止することができる。片面に電極が形成された背面製膜時に際してもフィルム基板に生じる搬送シワの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、太陽電池の製造装置における薄膜電極層形成の基本的構成部分のみを概念的に図示している。反応室、スパッタガス供給系、排気系あるいはフィルム基板搬送手段などは省略して説明する。
【００３０】
図１において、薄膜電極層の形成装置は、いわゆるロールツーロール方式と呼ばれるもので、帯状可撓性のフィルム基板１をロール状に巻いた巻き出しロール２を収納した送り室３と、電極層となる金属の薄膜を形成したフィルム基板１を巻き取る巻取りロール４を収納した巻取り室５と、前記送り室３と巻取り室５相互間に並設され、前記フィルム基板１に金属の薄膜を形成する複数の成膜室６1，６2，６3（図示例では、第１の成膜室６1、第２の成膜室６2、第３の成膜室６3の３つの成膜室から構成されている。）と、前記複数の成膜室６1，６2，６3の略中間位置（第１の成膜室６1および第２の成膜室６2と、第３の成膜室６3の間、）に配設され、前記フィルム基板１を搬送するガイドロール７が設けられた中間室８を備えている。
【００３１】
前記巻き出しロール２および巻取りロール４は鉛直方向に配置され、フィルム基板１を立てた状態で、複数の成膜室６1，６2，６3および中間室８を搬送するもので、各成膜室６1，６2，６3には、フィルム基板１を通過させる開口（図示せず）が形成されている。前記送り室３と巻取り室５には、フィルム基板１に一定の張力をかける機構（図示せず）が内蔵されている。駆動機構は、例えば、巻取り室５にモータおよび減速機を内蔵し、一定の速度で巻取りロール４を回転させることで行うことができる。また、前記送り室３には、前記フィルム基板１が一定の張力を保持した状態で引き出されるように一定の制動を加える機構を備えても良い。前記送り室３と巻取り室５には、それぞれ補助ロール（ガイドロール）９，駆動ロール１０が設けられ、駆動ロール１０によりフィルム基板１の搬送が最適状態で維持されるように制御されている。前記送り室３と巻取り室５の制御は図示しない制御機構によって一定の速度を維持するように制御されている。
【００３２】
前記複数の成膜室６1，６2，６3および中間室８には、図示しない真空装置が接続されて、少なくとも大気圧以下の一定の真空度を維持するように真空引きされている。また、前記複数の成膜室６1，６2，６3には、それぞれ搬送されるフィルム基板１を挟んで、一方には加熱手段としてのヒータ１１1，１１2，１１3，１１4，１１5，１１6を内蔵した接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6が配置され、他方には、直流電源Ｖに接続された高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6が対向して配置されている。前記ヒータ１１1，１１2，１１3，１１4，１１5，１１6は、それぞれ図示しないヒータ用電源に接続されており、前記ヒータ１１1，１１2は約３００°Ｃ程度の温度に設定され、約３００°Ｃ程度の温度でフィルム基板１を加熱し、前記ヒータ１１3，１１4は約２００°Ｃ程度の温度に設定され、約２００°Ｃ程度の温度でフィルム基板１を加熱し、前記ヒータ１１5，１１6は約１００°Ｃ程度の温度に設定され、約１００°Ｃ程度の温度でフィルム基板１を加熱するものである。
各成膜室６1，６2，６3の接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6と高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6には、それぞれ直流電源Ｖが接続され、接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6と高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6との間に高電圧を印加するものである。
前記高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6は、接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6との間の放電によって導入ガスがイオン化され、銀、アルミニウム、酸化亜鉛などのターゲットをスパッタすることによってフィルム基板１の表面に、電極となる金属の薄膜を形成するものである。前記高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6は、電極となる金属を取付けても良く、あるいは薄膜を形成する金属そのもので電極を構成しても良い。
【００３３】
前記中間室８は、前記第１の成膜室６1および第２の成膜室６2と、第３の成膜室６3の間に配置されており、前段の成膜室６1，６2の出口から一定の距離Ｌにフィルム基板１を安定して搬送するためのガイドロール７が配置されている。ガイドロール７は複数のローラ７ａ，７ｂ，７ｄ（図示例では３個）で構成されており、フィルム基板１に張力を保持した状態で搬送するものである。ローラ７ｂは、７ｃの位置まで移動自在に支持されており、フィルム基板１に押圧されることにより、フィルム基板１にテンションを加えるものである。
【００３４】
前記第１の成膜室６1を出たフィルム基板１の温度は通常、１７７°Ｃに達しており、この温度を、第２の成膜室６2でシワが発生する境界温度１７０°Ｃ、あるいはそれ以下の温度まで下げるために、前記第１の成膜室６1で約３００°Ｃの加熱手段であるヒータ１１1，１１2の温度を第２の成膜室６2では約２００°Ｃのヒータ１１3，１１4温度に設定している。
そして、中間室８の下流側の第３の成膜室６3では約１００°Ｃのヒータ１１5，１１6温度に設定されている。
【００３５】
上記実施の形態によると、まず、真空装置を作動させて複数の成膜室６1，６2，６3および中間室８を真空状態に保持する。前記第１の成膜室６1はヒータ１１1，１１2を内蔵した接地電極１２1によって約３００°Ｃで加熱され、高温度の真空状態に保たれて金属箔膜が形成される。そして、駆動装置の作動によって巻き出しロール２および巻取りロール４を回転させてフィルム基板１をフィルム搬送速度、約１ｍ／分で搬送する。巻き出しロール２から引き出されたフィルム基板１は第２の成膜室６2で約２００°Ｃのヒータ１１3，１１4温度で加熱されながら金属箔膜が形成される。第２の成膜室６2で温度がさげられてからフィルム基板１はガイドロール７が設けられた中間室８に入り、ガイドロール７によって張力を保たれながら、第３の成膜室６3に送られる。第３の成膜室６3では約１００°Ｃに設定されたヒータ１１5，１１6によって加熱されながら金属箔膜が形成される。
複数の成膜室６1，６2，６3を通過するフィルム基板１は接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6と高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6の間を、鉛直方向に立てられた状態で通過し、接地電極１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6と高電圧電極１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6の放電によってフィルム基板１の片面に真空蒸着され、金属箔膜が形成される。そして、複数の成膜室６1，６2，６3および中間室８を経て巻取りロール４に巻き取られる。こうして、フィルム基板１は、フィルム温度を下げられてからガイドロール７等によって引かれるので、搬送シワの発生を阻止することができる。
【００３６】
特に片面（裏面）にすでに金属箔膜を形成したフィルム基板１の反対面（背面）製膜時に際しても、搬送シワの発生を防止することができる。こうして、両面に金属箔膜を形成したフィルム基板１は、半導体層を形成する次の工程に移る。
【００３７】
上記実施の形態によれば、中間室８に設けられたガイドロール７、および巻取り室５に設けられたガイドロール１０によって引かれる前の段階で、ヒータ１１3，１１4，１１5，１１6の温度を順次下げながら、薄膜加工を施しているので、フィルム基板１の搬送シワの発生を防止することができる。特に片面（裏面）にすでに金属箔膜を形成したフィルム基板１の反対面（背面）の製膜時に際しては、特に搬送シワの発生を防止することができる。背面製膜時には、ヒータ１１1，１１2温度を約３００°Ｃに設定し、ヒータ１１3，１１4，１１5，１１6の温度を約１００°Ｃに設定することにより、搬送シワの発生を抑制することができる。
【００３８】
本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、上記実施の形態では、第１の成膜室６1では、ヒータ１１1，１１2の温度を約３００°Ｃに設定し、第２の成膜室６2ではヒータ１１3，１１4温度を約２００°Ｃに設定し、そして、中間室８の下流側の第３の成膜室６3ではヒータ１１5，１１6温度を約１００°Ｃに設定したが、上流側から下流側に向けてヒータ温度を段階的に下げていれば、ヒータ温度は、任意に設定することができ、ガイドロール７，１０による搬送シワの発生を阻止することができる。
【００３９】
さらに、上記実施の形態では、片面に金属箔膜を形成する薄膜電極層の形成装置に適用したが、両面に金属箔膜を形成する薄膜電極層の形成装置に適用することもできる。また、フィルム基板１を水平状態で搬送する薄膜電極層の形成装置に適用することもできるなど、その他、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜、変形して実施し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の薄膜太陽電池の製造装置の実施の形態による薄膜電極層の形成装置を示す構成図である。
【図２】従来の薄膜太陽電池の構成概念図を示す斜視図である。
【図３】従来の薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を示し、（ａ）〜（ｇ）は各工程を示す概念断面図である。
【図４】従来のステッピングロール成膜方式の真空成膜装置の構成を示す概念断面図である。
【図５】従来の成膜室の概略構造の一例を示し、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図である。
【図６】従来のスパッタリングによる成膜装置を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  フィルム基板
２  巻き出しロール
３  送り室
４  巻取りロール
５  巻取り室
６1，６2，６3  成膜室
７  ガイドロール
８  中間室
９  補助ロール（ガイドロール）
１０  駆動ロール
１１1，１１2，１１3，１１4，１１5，１１6  ヒータ（加熱手段）
１２1，１２2，１２3，１２4，１２5，１２6  接地電極
１３1，１３2，１３3，１３4，１３5，１３6  高電圧電極
【図１】
0005169068.tif 000002
【図２】
0005169068.tif 000003
【図３】
0005169068.tif 000004
【図４】
0005169068.tif 000005
【図５】
0005169068.tif 000006
【図６】
0005169068.tif 000007