(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内に設けた平板状のヒータとスパッタ電極との間に、電気絶縁性を有するフィルム基板を搬送し、この基板の片面に電極薄膜を、または既に電極薄膜が形成された面の裏側面に電極薄膜を、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより形成する方法において、
前記平板状のヒータとスパッタ電極とが対向する成膜領域の前段に、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータをフィルム基板の電極薄膜を形成する側に設け、この第２のヒータの一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて設けることにより、フィルム基板を、まず第２のヒータで予備加熱した後、前記平板状のヒータと第２のヒータの両方で、さらに予備加熱し、しかる後に、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより電極薄膜を形成することを特徴とする薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の電極薄膜の形成方法において、スパッタリングによる電極薄膜製膜開始時における前記フィルム基板の温度を、少なくとも２５０℃とすることを特徴とする薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜太陽電池用の形成装置であって、電気絶縁性を有するフィルム基板の搬送手段と、フィルム基板を挟んで反応室内に設けた平板状のヒータおよびスパッタ電極と、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータとを有し、前記第２のヒータは、その一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて、フィルム基板の電極薄膜を形成する側に設けてなることを特徴とする薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成装置。
【請求項４】
請求項３記載の電極薄膜の形成装置において、前記第２のヒータは、前記スパッタ電極と対向する端面部に、膜付着防止用の防着板を備えることを特徴とする薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成装置。
【請求項５】
請求項３記載の電極薄膜の形成装置において、前記第２のヒータは、熱源として赤外線ヒータを備えることを特徴とする薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜太陽電池用の電極薄膜をスパッタリングにより形成する方法および形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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】
同一基板上に形成された複数の太陽電池素子が、直列接続されてなる太陽電池（光電変換装置）の代表例は、薄膜太陽電池である。
【０００４】
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とりつけて利用される業務用，一般住宅用にも需要が広がってきている。
【０００５】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いているものが一般的であった。近年、軽量化、施工性、量産性において、ポリイミドやポリアミド等のプラスチック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進められ実用化されている。さらに、フレキシブルな金属材料に絶縁被覆したフィルム基板を用いたものも開発されている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式や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。
【０００６】
上記の薄膜太陽電池は、電気絶縁性フィルム基板上に第１電極（下電極ともいう）、薄膜半導体層からなる光電変換層および第２電極（透明電極ともいう）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第１電極と隣接する光電変換素子の第２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第１電極と最後の光電変換素子の第２電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流１００Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ以上が望ましく、実際には数１０個以上の素子が直列接続される。
【０００７】
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の一例として、本願出願人により、いわゆるＳＣＡＦ（Series Connection through Apertures on Film ）型の薄膜太陽電池が提案されており、例えば特開平１０−２３３５１７号公報や特願平１１−１９３０６号に記載されている。
【０００８】
図４は、構造の理解の容易化のために、前記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池の構成を簡略化して斜視図で示したものである。図４において、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。なお、接続電極層６３は、製造工程上、図示しない第３電極層および第４電極層とからなる。
【０００９】
上記構成により、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。
【００１０】
上記薄膜太陽電池の製造工程において、まず、基板に接続孔を形成した後に、基板の両面に第１電極層および第３電極層（接続電極の一部）を、図５に示すようなロールツーロールスパッタリング装置により形成する。
【００１１】
図５に示すスパッタリング装置は、直流高周波スパッタリング装置の一例で、反応室１４の中に、複数のターゲット付陰極８とヒータ９とを備え、その間を絶縁性基板５が、巻き出しロール１２から、巻取りロール１３に向けて搬送される。なお、前記ターゲットと基板との間には、図示しない放電電極が設けられる。また、部番６は巻き出し室を、７は巻取り室を、１５は搬送用のロールを示す。
【００１２】
図５に示す装置により、フィルム基板５の片面に、製膜面と反対側からヒータで加熱を行いながら、第１電極層を形成する。次にフィルム基板を反転させ、フイルム基板の裏面にも、製膜面の反対側（第１電極層側）からヒータで加熱を行いながら、第３電極層を形成することにより、表裏両面への電極薄膜の形成が行われる。
【００１３】
従来、製膜領域のみでヒータ加熱して薄膜形成を行っていたが、第１電極層および第３電極層のフイルム基板との接合面、あるいは積層電極の界面部分での薄膜付着力に問題があることが判明し、この問題を解決するために、製膜領域部にフィルム基板が搬送される前に、フィルム基板を予備加熱することが提案されている（特開平１１−２１４３３１号公報参照）。
【００１４】
図６は、基板加熱用ヒータ設定温度（略基板温度と同等）と電極付着力との関係を実験した結果を示す。図６から明らかなように、電極薄膜の付着力は、その電極形成基板温度が上昇するほど、大きいものとなることが明らかであり、前記特開平１１−２１４３３１号公報においては、図７に示す装置によりフィルム基板を予備加熱することが提案されている。
【００１５】
図７に示す装置においては、反応室内に設けた平板状のヒータ９とスパッタ電極８との間に、電気絶縁性を有するフィルム基板５を搬送し、電極薄膜を平板状のヒータ９で加熱しつつスパッタリングにより形成する方法において、平板状のヒータ９とスパッタ電極８とが対向する成膜領域の前段に、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータ１７をフィルム基板の電極薄膜を形成する側に設けることにより、製膜領域にフィルム基板が搬送される前に、フィルム基板を予備加熱するようにしている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開平１１−２１４３３１号公報に記載された薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成方法においては、下記のような問題があった。
【００１７】
図８に、フィルム基板の予備加熱から製膜に至るまでの、従来の方法におけるフィルム基板温度の推移について計算した一例を示す。図８において、○は第１電極層、□は第３電極層形成中の基板温度の推移であり、赤外線ランプ（ＩＲランプ）により、予備加熱した後、製膜領域にフィルム基板を搬送し、製膜面の反対側からヒータ加熱した際の各基板温度の推移を示す。予備加熱は、ＩＲランプからの放射により、製膜面側から非接触で行った。
【００１８】
図８によれば、ロールツーロール装置で、まずＩＲランプにより基板が加熱され約２００℃に到達するものの、予備加熱ゾーンを過ぎるとフィルム基板の熱容量が小さいために、基板温度が、かなり低下する。その後、基板が製膜ゾーンに搬送されてくると、電極薄膜が堆積し始め、製膜ゾーンでは製膜面と反対側からのヒータの放射による基板加熱と、製膜面側へのスパツタリングによる高エネルギー粒子の衝突のため、基板の温度が次第に上昇し、最終段では、約３００℃に達する。
【００１９】
上記のように、従来の予備加熱方法では、製膜面側からＩＲランプなどにより加熱したフィルムが製膜ゾーンに入るまでに、ヒータの存在しない領域を通過するため、基板温度が５０ないし８０℃程度低下し、この状態で製膜を開始することになる。特に、製膜初期領域の基板温度が十分上昇しきらないために、好適な薄膜付着力が得られず、薄膜太陽電池の耐環境性に問題があった。
【００２０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、第１電極層や第３電極層の製膜時基板温度を好適な温度に上昇可能とし、薄膜電極層の付着力を向上して信頼性を向上した薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成方法および形成装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、請求項１の発明によれば、反応室内に設けた平板状のヒータとスパッタ電極との間に、電気絶縁性を有するフィルム基板を搬送し、この基板の片面に電極薄膜を、または既に電極薄膜が形成された面の裏側面に電極薄膜を、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより形成する方法において、前記平板状のヒータとスパッタ電極とが対向する成膜領域の前段に、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータをフィルム基板の電極薄膜を形成する側に設け、この第２のヒータの一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて設けることにより、フィルム基板を、まず第２のヒータで予備加熱した後、前記平板状のヒータと第２のヒータの両方で、さらに予備加熱し、しかる後に、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより電極薄膜を形成する。
【００２２】
前記請求項１の発明によれば、フィルム基板の予備加熱が連続的に行なわれて、途中で冷却されることないので、後述するように、第１電極層や第３電極層の電極薄膜形成開始時における基板温度を、十分なまでに上昇させることが可能となり、各電極薄膜層の付着力が向上し、長期使用により剥離が生ずることのない薄膜太陽電池が得られる。
【００２３】
また、前記請求項１記載の電極薄膜の形成方法において、スパッタリングによる電極薄膜製膜開始時における前記フィルム基板の温度を、少なくとも２５０℃とする（請求項２の発明）。前記図６に示すように、基板温度２５０℃以上において付着力の向上が著しく、信頼性が向上する。
【００２４】
さらに、前記請求項１の発明を実施するための装置としては、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請求項１記載の薄膜太陽電池用の形成装置であって、電気絶縁性を有するフィルム基板の搬送手段と、フィルム基板を挟んで反応室内に設けた平板状のヒータおよびスパッタ電極と、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータとを有し、前記第２のヒータは、その一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて、フィルム基板の電極薄膜を形成する側に設けてなるものとする。
【００２５】
また、前記請求項３の発明の実施態様として下記請求項４および５の発明が好ましい。第２のヒータの一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて設けたことにより、第２のヒータへの膜付着防止対策が必要であり、即ち、前記請求項３記載の電極薄膜の形成装置において、前記第２のヒータは、前記スパッタ電極と対向する端面部に、膜付着防止用の防着板を備えるものとする（請求項４の発明）。さらに、請求項３記載の電極薄膜の形成装置において、前記第２のヒータは、熱源として赤外線ヒータを備えるものとする（請求項５の発明）。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２７】
図１は、この発明の電極薄膜形成装置の実施例の概略構成を示す。図１において、前記図７に示す装置の構成部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付して詳細説明を省略する。
【００２８】
図１において、平板状のヒータ９とスパッタ電極８とが対向する成膜領域の前段に、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータ１７をフィルム基板の電極薄膜を形成する側に設け、この第２のヒータの一部を平板状のヒータ９の一部と対向させて設ける。これにより、フィルム基板５を、まず第２のヒータ１７で予備加熱した後、平板状のヒータ９と第２のヒータ１７の両方の重なり部分で、さらに予備加熱し、しかる後に、平板状のヒータ９で加熱しつつスパッタリングにより電極薄膜を形成する。
【００２９】
第２のヒータの熱源としては、赤外線ヒータが好ましいが、抵抗線加熱ヒータを用いることもできる。また、図１において、１８は、膜付着防止板であり、第２のヒータから若干張り出して取り付け、これにより第２のヒータへの膜付着防止を図る。膜付着防止板の材料としては、例えば、ステンレススティールが好ましい。
【００３０】
図１の構成において、フィルム基板温度の推移について計算した結果の一例を図２に示す。図２によれば、第２のヒータ１７による第１段階の予備加熱により、フィルム基板は、常温（２５℃）から、約９０℃まで上昇し、さらに第２段階の平板状のヒータ９と第２のヒータ１７の両面予備加熱により、約１８０℃にまで上昇する。
【００３１】
図３は、第２のヒータの加熱容量を図２より高めた場合の、フィルム基板温度の推移について計算した結果の一例を示す。この場合には、第１段階および第２段階の予備加熱により、フィルム基板は、常温（２５℃）から、製膜終了時の３００℃にまで上昇する。
【００３２】
上記のようにヒータ容量を変えたり、また、平板状のヒータ９と第２のヒータ１７との重なり幅を変えたりすることにより、電極薄膜形成開始時のフィルム基板温度を所望の温度とすることができる。このように、製膜中（特に製膜初期）の基板温度を効果的に上昇させることにより、電極薄膜層の付着力を、向上させることが可能となる。
【００３３】
なお、上記においては、主に、前記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池について記載したが、これに限定されるものではなく、絶縁性基板の片面上に第１電極層，光電変換層および透明電極層を備えた薄膜太陽電池の第１電極層の形成に適用しても、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、反応室内に設けた平板状のヒータとスパッタ電極との間に、電気絶縁性を有するフィルム基板を搬送し、この基板の片面に電極薄膜を、または既に電極薄膜が形成された面の裏側面に電極薄膜を、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより形成する方法において、前記平板状のヒータとスパッタ電極とが対向する成膜領域の前段に、フィルム基板予備加熱用の第２のヒータをフィルム基板の電極薄膜を形成する側に設け、この第２のヒータの一部を前記平板状のヒータの一部と対向させて設けることにより、フィルム基板を、まず第２のヒータで予備加熱した後、前記平板状のヒータと第２のヒータの両方で、さらに予備加熱し、しかる後に、平板状のヒータで加熱しつつスパッタリングにより電極薄膜を形成することにより、
電極薄膜形成開始時における基板温度を、十分高い温度に上昇させることが可能となり、各電極薄膜層の付着力が向上し、長期使用により剥離が生ずることのない信頼性の高い薄膜太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成装置の概略構成図
【図２】この発明に関わるフィルム基板温度の推移の計算結果の一例を示す図
【図３】図２とは異なるフィルム基板温度の推移の計算結果の一例を示す図
【図４】ＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の概略構成を示す斜視図
【図５】従来のスパッタリング装置の概略構成図
【図６】基板加熱用ヒータ設定温度と電極付着力の関係を示す図
【図７】従来の薄膜太陽電池用の電極薄膜の形成装置の概略構成図
【図８】従来の電極薄膜形成方法に関わるフィルム基板温度の推移の計算結果を示す図
【符号の説明】
５：フィルム基板、８：スパッタ電極、９：平板状のヒータ、１７：第２のヒータ、１８：防着板。
【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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