JP2012062542A - Vacuum deposition device, method of manufacturing substrate and solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は真空蒸着装置、基板の製造方法および太陽電池に関する。さらに詳細には、本発明は、可撓性の基板上にパターニングされた薄膜を形成するための真空蒸着装置、パターニングされた薄膜が形成された基板の製造方法、および、パターニングされた薄膜または基板を備える太陽電池に関する。 The present invention relates to a vacuum evaporation apparatus, a substrate manufacturing method, and a solar cell. More particularly, the present invention relates to a vacuum deposition apparatus for forming a patterned thin film on a flexible substrate, a method of manufacturing a substrate on which a patterned thin film is formed, and a patterned thin film or substrate. It is related with a solar cell provided with.
近年、生産のための環境負荷が小さい太陽電池として薄膜太陽電池が注目されている。薄膜太陽電池には、複数の光電変換素子を基板の一方の面の上に複数形成し、各光電変換素子をその基板上にて直列に接続して使用されるものがある。このような構成は、集積型の薄膜太陽電池と呼ばれている。例えば、集積型の薄膜太陽電池が特許文献１（特公平５−７２１１３号公報）に提案されている。 In recent years, thin film solar cells have attracted attention as solar cells with a low environmental load for production. Some thin-film solar cells are used by forming a plurality of photoelectric conversion elements on one surface of a substrate and connecting the photoelectric conversion elements in series on the substrate. Such a configuration is called an integrated thin film solar cell. For example, an integrated thin-film solar cell is proposed in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 5-72113).
集積型薄膜太陽電池の構造は、スーパーストレート型ｐｉｎ構造とサブストレート型ｎｉｐ構造とに大別される。スーパーストレート型の太陽電池においては、発電のための光は基板を通過してから発電層すなわち半導体層に入射する。このため、スーパーストレート型太陽電池においては、透明または透光性の基板が採用され、形成される発電層にとって基板が光の入射側（以下「前面側」という）に配置される。この場合の半導体層には、基板側からｐ層、ｉ層、ｎ層の順に積層されるｐｉｎ構造が採用される（例えば、上記特許文献１）。これに対して、サブストレート型の太陽電池においては、発電のための光は、基板を通過せずに半導体層に入射する。このためサブストレート型の太陽電池においては、不透明な基板や透光性に乏しい基板を採用することが可能であり、基板は、形成される半導体層にとって光の入射側とは逆の側（「裏面側」）に配置される。この場合の半導体層には、基板側からｎ層、ｉ層、ｐ層の順に積層されるｎｉｐ構造が採用される。サブストレート型ｎｉｐ構造の直列接続構造を実現するためのパターニング加工を容易にする手法が特許文献２（特許４２４８３５１号明細書）に提案されている。 The structure of the integrated thin film solar cell is roughly classified into a super straight type pin structure and a substrate type nip structure. In a super straight type solar cell, light for power generation passes through a substrate and then enters a power generation layer, that is, a semiconductor layer. For this reason, in the super straight type solar cell, a transparent or translucent substrate is employed, and the substrate is disposed on the light incident side (hereinafter referred to as “front side”) for the power generation layer to be formed. In this case, a pin structure in which a p layer, an i layer, and an n layer are stacked in this order from the substrate side is employed as the semiconductor layer (for example, Patent Document 1). On the other hand, in a substrate type solar cell, light for power generation enters the semiconductor layer without passing through the substrate. For this reason, in a substrate type solar cell, it is possible to employ an opaque substrate or a substrate with poor translucency, and the substrate is on the side opposite to the light incident side (“ “Back side”). The semiconductor layer in this case employs a nip structure in which an n layer, an i layer, and a p layer are stacked in this order from the substrate side. Patent Document 2 (Japanese Patent No. 4248351) proposes a technique for facilitating a patterning process for realizing a series connection structure of a substrate type nip structure.
上述の各提案の集積型の薄膜太陽電池の構成を子細にみると、裏面電極層・半導体層・前面透明電極層が積層された光電変換層が基板上において光電変換部の各単位（以下、単位光電変換部という）に区切られている。各単位光電変換部は、基板上において直列接続されて集積型の薄膜太陽電池をなしている。その際の直列接続は、隣接する二つの単位光電変換部のうち、一方の単位光電変換部の前面透明電極層と、他方の単位光電変換部の裏面電極とを互いに電気的に接続して行われる。 Looking closely at the configuration of each of the proposed integrated thin-film solar cells, the photoelectric conversion layer in which the back electrode layer, the semiconductor layer, and the front transparent electrode layer are stacked is each unit of the photoelectric conversion unit (hereinafter, Unit photoelectric conversion unit). The unit photoelectric conversion units are connected in series on the substrate to form an integrated thin film solar cell. In this case, the series connection is performed by electrically connecting the front transparent electrode layer of one unit photoelectric conversion unit and the back electrode of the other unit photoelectric conversion unit to each other among two adjacent unit photoelectric conversion units. Is called.
集積型の薄膜太陽電池を作製する場合には、いくつかの技術課題を克服することが求められている。その課題のひとつに前面透明電極層の電気抵抗に関する課題がある。 When manufacturing an integrated thin film solar cell, it is required to overcome several technical problems. One of the problems is related to the electrical resistance of the front transparent electrode layer.
具体的には、薄膜光電変換素子には、前面透明電極層の材料としてＩＴＯ（スズドープ酸化インジウム）などの透明導電性材料が採用されている。しかし一般に、透明導電性材料は金属と比較して電気抵抗が高い。実際、金属の抵抗率が２〜２０μΩ・ｃｍ程度であるのに対し、透明電極層に用いる透明導電性材料の抵抗率は４００μΩ・ｃｍ程度である。直列接続された太陽電池モジュールにおいて前面透明電極層の電気抵抗が高いと、曲線因子（ＦＦ）が低下し光電変換効率（Ｅｆｆ）も低下する。 Specifically, a transparent conductive material such as ITO (tin-doped indium oxide) is employed as a material for the front transparent electrode layer in the thin film photoelectric conversion element. However, generally, the transparent conductive material has a higher electrical resistance than a metal. Actually, the resistivity of the metal is about 2 to 20 μΩ · cm, whereas the resistivity of the transparent conductive material used for the transparent electrode layer is about 400 μΩ · cm. When the electric resistance of the front transparent electrode layer is high in the solar cell modules connected in series, the fill factor (FF) decreases and the photoelectric conversion efficiency (Eff) also decreases.
前面透明電極層の電気抵抗を低減させる最も単純な解決策は、前面透明電極層の膜厚を増すことである。しかし、前面透明電極層の膜厚を増大させる手法は太陽電池においては採用しがたい。というのも、前面透明電極層に求められる技術的要件には電気的要件に加えて光学的要件も含まれるためである。具体的には、太陽電池の光電変換効率を高めるためには、発電に用いる波長域（おおむね４００ｎｍ〜１２００ｎｍ）の光を損失無く半導体層に吸収させることが必要となる。このため、半導体層より前面側に配置される前面透明電極層にはその波長域の光をできるだけ多く透過させることが要求される。より詳細には、前面透明電極層には、約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長域において反射を抑えること、および、約７００ｎｍより長波長側（近赤外域も含む）において吸収を抑えることが求められる。一方、透明導電性材料を用いる前面透明電極層を配置すると、前面透明電極層の両面は、一般には周囲の媒体と屈折率が整合しない界面または表面となる。そのような屈折率の不整合の面における反射を抑制するため、前面透明電極層の膜厚は、前面透明電極層それ自体の薄膜の干渉による低反射の条件が成立するように注意深く決定される。また、透明導電性材料はその材質自体の吸収も避けられない。これらの要因により、現状の透明導電性材料を用いる限り、前面透明電極層の膜厚を増大させる手法による電気抵抗の低減は必然的に発電のための光量の減少を伴う。このため、この手法を採用することはできない。なお、上述の発電に用いる波長域は、単数あるいは複数の半導体層の分光感度特性が敏感な範囲である。 The simplest solution for reducing the electrical resistance of the front transparent electrode layer is to increase the thickness of the front transparent electrode layer. However, the method of increasing the film thickness of the front transparent electrode layer is difficult to employ in solar cells. This is because the technical requirements for the front transparent electrode layer include optical requirements in addition to electrical requirements. Specifically, in order to increase the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, it is necessary to absorb light in a wavelength region (generally 400 nm to 1200 nm) used for power generation into the semiconductor layer without loss. For this reason, the front transparent electrode layer disposed on the front side of the semiconductor layer is required to transmit as much light in the wavelength region as possible. More specifically, the front transparent electrode layer is required to suppress reflection in a wavelength range of about 500 nm to about 700 nm, and to suppress absorption on a longer wavelength side (including the near infrared range) than about 700 nm. On the other hand, when a front transparent electrode layer using a transparent conductive material is disposed, both surfaces of the front transparent electrode layer are generally interfaces or surfaces that do not match the refractive index of the surrounding medium. In order to suppress reflection at the surface of such refractive index mismatch, the film thickness of the front transparent electrode layer is carefully determined so that the condition of low reflection due to interference of the thin film of the front transparent electrode layer itself is satisfied. . Moreover, absorption of the transparent conductive material itself is inevitable. Due to these factors, as long as the current transparent conductive material is used, the reduction in electrical resistance by the method of increasing the film thickness of the front transparent electrode layer inevitably involves a reduction in the amount of light for power generation. For this reason, this method cannot be adopted. Note that the wavelength region used for power generation described above is a range in which the spectral sensitivity characteristics of one or more semiconductor layers are sensitive.
電気抵抗の課題を解決する別の手法として、前面透明電極層に代えて、または前面透明電極層に加えるようにしてごく薄い金属層を形成し、金属層を光が透過するようにする手法も考えられる。しかし実際にはこの手法も採用し得ない。例えば、抵抗率の低い銀（Ａｇ）を１０ｎｍ程度の小さい膜厚に形成した場合であっても透過率は７０％前後となる。それ以外の３０％ほどの光は光電変換に寄与しない。つまり、ごく薄い金属層を用いると、前面透明電極層の抵抗によるロスを軽減させるよりも光量の減少による影響が大きくなるため、同じ照射光量に対する発電量すなわち光電変換効率（Ｅｆｆ）はかえって低下する。 As another method for solving the problem of electrical resistance, there is also a method in which a very thin metal layer is formed instead of the front transparent electrode layer or added to the front transparent electrode layer, and light is transmitted through the metal layer. Conceivable. However, this method cannot actually be adopted. For example, even when silver (Ag) having a low resistivity is formed in a small film thickness of about 10 nm, the transmittance is about 70%. The other 30% of light does not contribute to photoelectric conversion. In other words, when a very thin metal layer is used, the effect of the light amount decrease becomes larger than the reduction of the loss due to the resistance of the front transparent electrode layer, so the power generation amount, that is, the photoelectric conversion efficiency (Eff) with respect to the same irradiation light amount decreases. .
ところで、サブストレート型の薄膜太陽電池において、直列接続のための構成として、いわゆるＳＣＡＦ（Ｓｅｒｉｅｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ Ｆｉｌｍ）構造の薄膜太陽電池が提案されている（例えば特許文献３：特開２００２−５７３５７号公報）。この構成においては、ある単位光電変換部の前面透明電極層からの電流を隣合う単位光電変換部の裏面の電極に接続するため、多数の集電孔が設けられる。このように配置される集電孔を利用する場合にも、上述の前面透明電極層の電気抵抗は問題となる。このような集電孔を用いる場合に検討される工夫としては、前面透明電極層の各部から集電孔までの距離が可能な限り一定になるように集電孔を配置することが考えられる。端的には、集電孔の数を増大させたり、集電孔それ自体のサイズを大きくしたりすることが望ましい。というのはこのようにすることによって、前面透明電極層を電荷が移動する距離が短くなり、前面透明電極層の透明導電性材料の電気抵抗を低減させたのと同様の効果が生じるためである。この電気抵抗の低減は、発電領域における曲線因子および光電変換効率を向上させる。しかし一方で、集電孔の数やサイズを増大させるのに伴って発電領域それ自体の面積の減少は避けられない。この面積の減少は、太陽電池セルの光電変換効率を低下させる要因となるため、ＳＣＡＦ構造であっても集電孔の配置、数、サイズの工夫による性能の改善効果には限界がある。 By the way, in a substrate type thin film solar cell, a thin film solar cell having a so-called SCAF (Series Connection through Structures on Film) structure has been proposed as a configuration for series connection (for example, Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-2002). 57357). In this configuration, a large number of current collecting holes are provided in order to connect the current from the front transparent electrode layer of a certain unit photoelectric conversion unit to the electrode on the back surface of the adjacent unit photoelectric conversion unit. Even when the current collecting holes arranged in this way are used, the electrical resistance of the front transparent electrode layer is a problem. As a device to be considered when using such current collecting holes, it is conceivable to arrange the current collecting holes so that the distance from each part of the front transparent electrode layer to the current collecting hole is as constant as possible. In short, it is desirable to increase the number of current collecting holes or increase the size of the current collecting holes themselves. This is because, by doing so, the distance that the electric charge moves through the front transparent electrode layer is shortened, and the same effect as reducing the electrical resistance of the transparent conductive material of the front transparent electrode layer is produced. . This reduction in electrical resistance improves the fill factor and photoelectric conversion efficiency in the power generation region. However, on the other hand, a reduction in the area of the power generation region itself is unavoidable as the number and size of the current collecting holes are increased. Since this reduction in area becomes a factor that reduces the photoelectric conversion efficiency of the solar battery cell, there is a limit to the effect of improving the performance by devising the arrangement, number, and size of the current collecting holes even in the SCAF structure.
これらの課題に対処すべく、本出願の発明者は、前面透明電極層に接して配置され、光電変換層に到達するように光を透過させる光透過領域が設けられたパターンをなす金属層をさらに備える薄膜太陽電池を提案している（本出願と同一出願人による特許出願：特願２０１０−０６０３５５号）。当該提案の薄膜太陽電池においては、前面透明電極層に接するように金属層を配置することによって前面透明電極層の電気抵抗に起因する上述の課題が解決される。しかしながら、このような金属層を効率よく形成する手法はこれまで知られていない。 In order to address these problems, the inventor of the present application forms a metal layer that is arranged in contact with the front transparent electrode layer and has a pattern provided with a light transmission region that transmits light so as to reach the photoelectric conversion layer. Further, a thin film solar cell is proposed (patent application by the same applicant as the present application: Japanese Patent Application No. 2010-060355). In the proposed thin film solar cell, the above-mentioned problem caused by the electrical resistance of the front transparent electrode layer is solved by arranging the metal layer so as to be in contact with the front transparent electrode layer. However, no method for efficiently forming such a metal layer has been known so far.
そこで、本出願の発明者は、光透過領域が設けられたパターンをなす金属層を効率よく形成する手法、特に前面透明電極層に接するように金属層を形成するための手法を種々検討した。本出願の発明者がその検討に際して注目したのは、透明電極層に接するように金属層を形成するための具体的な技術要件である。 Therefore, the inventors of the present application have studied various methods for efficiently forming a metal layer having a pattern provided with a light transmission region, particularly for forming a metal layer so as to be in contact with the front transparent electrode layer. The inventors of the present application focused on the specific technical requirements for forming the metal layer so as to be in contact with the transparent electrode layer.
透明電極層に接するようにして形成されて透明電極層の電気抵抗を低下させる効果を発揮するような金属層は、所定のパターンとなるように形成される。そのようなパターンを形成するための一つの手法として、全面に金属層を形成した後に、その金属層を例えばエッチングによって除去する手法が考えられる。しかしながら、そのような除去を伴う手法はいくつかの理由によって好ましいものとはならない。その一つの理由は、生産効率が低下するためである。少なくとも全面に金属層を形成する工程と金属層の一部を除去する工程とを行う必要があり、これら２工程が新たに必要となる。エッチングなどの除去の工程を用いる限り、金属層の下にその時点までに形成されている構造物（下地構造物）に影響を与えることなく金属層のみの除去を要することも問題となる。例えばその除去の工程がエッチングであれば、金属層のパターン形成の際には、下地構造物のエッチング耐性を考慮する必要が生じる。したがって、全面に金属層を形成しその後に除去を伴う手法は、太陽電池のためにパターンを有する金属層を形成する手法として好ましいとはいえない。 The metal layer formed so as to be in contact with the transparent electrode layer and exhibiting the effect of reducing the electric resistance of the transparent electrode layer is formed to have a predetermined pattern. As one method for forming such a pattern, a method may be considered in which after a metal layer is formed on the entire surface, the metal layer is removed by etching, for example. However, approaches involving such removal are not preferred for several reasons. One reason is that production efficiency decreases. It is necessary to perform a step of forming a metal layer on at least the entire surface and a step of removing a part of the metal layer, and these two steps are newly required. As long as a removal process such as etching is used, it is also necessary to remove only the metal layer without affecting the structure (underlying structure) formed under the metal layer up to that point. For example, if the removal process is etching, it is necessary to consider the etching resistance of the underlying structure when forming the pattern of the metal layer. Therefore, it can not be said that a technique in which a metal layer is formed on the entire surface and then removed is not preferable as a technique for forming a metal layer having a pattern for a solar cell.
ここで、除去する工程を必要とせずに前面透明電極層よりも前面側に金属層のグリッド電極を形成する手法として、金属コロイド溶液などを透明電極層の面に印刷してグリッド電極やバスバー電極を形成する手法が提案されている（特許文献４：特開２００３−２９７１５８号公報）。この手法は、形成後の金属層を除去するプロセスを伴わないために、除去を用いることによる課題を生じさせない手法ではある。しかしながら、印刷によってグリッド電極やバスバー電極を形成しようとすると、印刷の塗布や乾燥工程が一様となりにくく、太陽電池の出力のばらつきを増大させる。したがって、この提案の手法は量産性を高めにくいという問題点がある。また、このような印刷を用いて集積型の太陽電池を作製する場合には、単位光電変換部を集積するための配線を接続するための精密な位置合わせも必要となる。加えて、印刷によって精細なパターンとなるように電極を形成することは、それ自体が困難である。さらには、特許文献４の提案では、金属コロイド溶液自体が非常に高価であるという課題もある。 Here, as a technique for forming a grid electrode of the metal layer on the front side of the front transparent electrode layer without requiring a removal step, a metal colloid solution or the like is printed on the surface of the transparent electrode layer and the grid electrode or bus bar electrode Has been proposed (Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 2003-297158). Since this method does not involve a process of removing the metal layer after formation, this method does not cause a problem due to the use of the removal. However, when the grid electrode and the bus bar electrode are formed by printing, the printing application and drying process are difficult to be uniform, and the output variation of the solar cell is increased. Therefore, this proposed method has a problem that it is difficult to increase mass productivity. Further, when an integrated solar cell is manufactured using such printing, precise alignment for connecting wirings for integrating the unit photoelectric conversion units is also required. In addition, it is difficult in itself to form electrodes so as to have a fine pattern by printing. Furthermore, the proposal of Patent Document 4 has a problem that the metal colloid solution itself is very expensive.
以上の検討を踏まえ、本出願の発明者は、除去プロセスを伴わずにパターンを形成が可能であり、均質性の高い金属層の形成を行うことが可能な手法として、マスク蒸着法（いわゆるマスクデポ法）に着目した。マスク蒸着法は、蒸着の際に蒸着材料が飛行する空間に、その蒸着材料を遮蔽することが可能な膜または板（以下、総称的に「マスク」ともいう。）を配置し、その膜または板に開口を目的の形状に形成することによって、必要なパターンの膜または層を形成する手法である。その際に用いられるマスクは、特に形成される薄膜が金属層である場合には、金属製のマスク（メタルマスク）を用いることが有用である。 Based on the above examination, the inventor of the present application can form a pattern without a removal process, and as a technique capable of forming a highly homogeneous metal layer, a mask vapor deposition method (so-called mask deposition method) is used. Method). In the mask vapor deposition method, a film or a plate (hereinafter also collectively referred to as “mask”) capable of shielding the vapor deposition material is disposed in a space where the vapor deposition material flies during vapor deposition, and the film or This is a technique for forming a film or layer having a required pattern by forming an opening in a plate in a desired shape. As the mask used at that time, it is useful to use a metal mask (metal mask) particularly when the thin film to be formed is a metal layer.
ところが、マスク蒸着法を適用してロール状の基板を採用する太陽電池を量産しようとしたところ、発明者はある問題に直面した。マスク蒸着に用いるメタルマスクには蒸着の堆積物が蓄積する。問題となるのはその堆積物の量である。堆積物の量が過大であれば、パーティクルまたはダストが生じるばかりか、メタルマスクの開口形状が変わってしまったり、さらにはその目詰まりも生じうる。この点について補足して詳細に説明する。 However, the inventors faced a problem when trying to mass-produce solar cells employing a roll-shaped substrate by applying a mask vapor deposition method. Deposits of vapor deposition accumulate on the metal mask used for mask vapor deposition. The problem is the amount of deposits. If the amount of the deposit is excessive, not only particles or dust are generated, but the shape of the opening of the metal mask may be changed or clogged. This point will be supplementarily described in detail.
まず、ロール状に形成した基板を用いるのは、基板の面積を大面積化することによって生産効率を高めるためである。ロール状の基板としては、例えば１０００ｍを超えるような長尺の帯状の基板が採用される。なお、このような基板はウエブとも呼ばれる原反の基板であり、最終製品（例えば太陽電池）はその基板に複数配列して作製されてそこから切り出される。ロール状にして扱うような帯状の基板を採用すると、成膜などの各処理は、そのようなロール状の基板を必要に応じて展開した部分を対象にして施すことが可能となる。このため、帯状の基板を用いることは、大面積の基板を扱うことによって生産効率を高めるための有効な手法となる。ちなみに、枚葉基板すなわち一枚一枚の単位の基板を用いる手法によって大面積化による生産効率の向上を達成しようとしても、基板のみならずそれを収容する処理装置をも大型化する必要が生じ、各装置のフットプリント（設置面積）の点から効率的とは言い難い。 First, the reason why the substrate formed in a roll shape is used is to increase the production efficiency by increasing the area of the substrate. As the roll-shaped substrate, for example, a long strip-shaped substrate exceeding 1000 m is employed. Such a substrate is an original substrate also called a web, and a plurality of final products (for example, solar cells) are formed on the substrate and cut out from the substrates. When a band-shaped substrate that is handled in a roll shape is employed, each process such as film formation can be performed on a portion where such a roll-shaped substrate is developed as necessary. For this reason, using a strip-shaped substrate is an effective method for increasing production efficiency by handling a large-area substrate. By the way, even if it is attempted to improve production efficiency by increasing the area by using a single-wafer substrate, that is, a unit of each substrate, it is necessary to increase not only the substrate but also the processing apparatus that accommodates it. From the viewpoint of the footprint (installation area) of each device, it is difficult to say that it is efficient.
このような長尺の帯状の基板を対象にしてマスク蒸着法を採用して連続的に金属層を形成しようとすると、上述したようにメタルマスクへの堆積物がより大きな問題となるのである。というのは、金属層が形成される基板が長尺で大面積であるために、帯状の基板を対象にするメタルマスクには多量の堆積物が付着するためである。その堆積した金属材料は、パーティクルやダストの原因となって最終製品に付着すると電気的な異常を引き起こすおそれがある。 If a metal layer is continuously formed by using the mask vapor deposition method for such a long belt-like substrate, the deposit on the metal mask becomes a larger problem as described above. This is because the substrate on which the metal layer is formed is long and has a large area, so that a large amount of deposits adhere to the metal mask intended for the band-shaped substrate. The deposited metal material may cause electrical abnormalities when adhered to the final product due to particles and dust.
そればかりではない。特に前面透明電極層に接するように金属層をパターニングする場合には、金属層のパターンを個別に見ると、微細なパターンのものが用いられる。前面透明電極に対して光を通過させるような領域を十分に確保しようとする場合には、金属層のパターンは幅の狭いライン状の形状が好ましいためである。このため、開口の幅は非常に狭くならざるを得ず、開口形状の変動や開口の目詰まりを起こしやすいものとなる。このように、形成する微細なパターンを微細にしようとするほど、メタルマスクの開口形状の変動や開口の目詰まりの問題が一層深刻となる。 Not only that. In particular, when the metal layer is patterned so as to be in contact with the front transparent electrode layer, a fine pattern is used when the patterns of the metal layer are individually viewed. This is because the metal layer pattern preferably has a narrow line shape when it is desired to ensure a sufficient area for light to pass through the front transparent electrode. For this reason, the width of the opening must be very narrow, and the opening shape is likely to fluctuate and the opening is clogged. As described above, as the fine pattern to be formed is made finer, the problem of fluctuation of the opening shape of the metal mask and clogging of the opening becomes more serious.
このような課題に対し、帯状の基板を用いる場合にもマスク蒸着法を効率よく行うための手法として、本出願の発明者は、メタルマスク自体を送りながら成膜を行うことにより、パーティクルや目詰まりの問題を生じさせないマスク蒸着法を着想した。 As a technique for efficiently performing the mask vapor deposition method even when a strip-shaped substrate is used to deal with such problems, the inventor of the present application performs the film formation while feeding the metal mask itself, thereby generating particles and eyes. The mask vapor deposition method that does not cause the clogging problem was conceived.
本発明のある態様においては、真空蒸着装置が提供される。すなわち、本発明のある態様においては、ロール状に巻かれている帯状の基板のうちの展開された部分を該基板の長手方向に送るための基板給送機構と、該基板の一方の面に向かう位置に配置され、薄膜を形成する蒸着材料を該一方の面に向かって放出するための蒸着源と、ロール状に巻かれておりいくつかの開口が設けられている帯状のメタルマスクのうちの展開された部分を、前記基板と該蒸着源との間の空間を仕切るように渡して前記基板から離間した状態を保って、前記メタルマスクの長手方向に送るためのマスク移動機構とを備えるパターニングされた薄膜を形成する真空蒸着装置が提供される。 In one embodiment of the present invention, a vacuum deposition apparatus is provided. That is, in one aspect of the present invention, a substrate feeding mechanism for feeding a developed portion of a strip-shaped substrate wound in a roll shape in the longitudinal direction of the substrate, and one surface of the substrate A deposition source for discharging a deposition material forming a thin film toward the one surface, and a strip-shaped metal mask wound in a roll and provided with several openings And a mask moving mechanism for sending the developed portion of the metal mask in a longitudinal direction of the metal mask while maintaining a state of being separated from the substrate while partitioning a space between the substrate and the vapor deposition source. A vacuum deposition apparatus for forming a patterned thin film is provided.
本発明における別の態様においては、基板の製造方法が提供される。すなわち、ロール状に巻かれている帯状の基板のうちの展開された部分を基板給送機構により該基板の長手方向に送る工程と、該基板の一方の面に向かう位置に配置される蒸着源により、薄膜を形成する蒸着材料を該一方の面に向かって放出する蒸着処理が行われる蒸着処理工程と、ロール状に巻かれておりいくつかの開口が設けられている帯状のメタルマスクのうちの展開された部分を、前記基板と該蒸着源との間の空間を仕切るように渡して前記基板から離間した状態を保って、前記メタルマスクを該メタルマスクの長手方向にマスク移動機構により送る工程とを含むパターニングされた薄膜を備える基板の製造方法が提供される。 In another aspect of the present invention, a method for manufacturing a substrate is provided. That is, a step of feeding a developed portion of a strip-like substrate wound in a roll shape in the longitudinal direction of the substrate by a substrate feeding mechanism, and a vapor deposition source disposed at a position facing one surface of the substrate Of a vapor deposition treatment process in which a vapor deposition material for forming a thin film is released toward the one surface, and a strip-shaped metal mask wound in a roll and provided with several openings The unfolded portion of the metal mask is transferred so as to partition the space between the substrate and the vapor deposition source and kept away from the substrate, and the metal mask is sent by the mask moving mechanism in the longitudinal direction of the metal mask. There is provided a method of manufacturing a substrate comprising a patterned thin film including a process.
本発明の各態様において真空蒸着装置とは、真空を利用して例えば金属材料などを蒸発させて基板に堆積させるための装置を一般に指している。また、帯状の基板は、各種の材質の基板を含み、基板の形状は、ある方向（長手方向という）に長く、それに直交する方向（幅方向という）に狭くされている基板をいう。そのような基板は、保管等の便宜のために適宜ロール状に巻かれる。基板は、そのロール状の巻かれた状態から必要に応じて引き延ばされて展開される。基板が展開された部分は、長手方向に延びる帯（ウエブ）となって、さらに必要に応じて巻取ることが可能である。本発明の各態様の真空蒸着装置においては基板のうち展開された部分が成膜の対象となる。 In each aspect of the present invention, the vacuum evaporation apparatus generally refers to an apparatus for evaporating a metal material or the like and depositing it on a substrate using a vacuum. The band-shaped substrate includes substrates of various materials, and the shape of the substrate is a substrate that is long in a certain direction (referred to as a longitudinal direction) and narrowed in a direction perpendicular to the direction (referred to as a width direction). Such a substrate is appropriately wound into a roll for convenience of storage and the like. The substrate is unrolled and developed from the rolled state as necessary. The portion where the substrate is developed becomes a band (web) extending in the longitudinal direction, and can be wound up as necessary. In the vacuum vapor deposition apparatus of each aspect of the present invention, the developed portion of the substrate is the target of film formation.
基板給送機構は、一定速度によって基板を送るすなわち給送することができるようになっている。典型的には、基板を巻取っているロールから基板が巻出されて展開され、展開された基板の部分が長手方向に送られ、最後に別のロールに巻取られる、という流れにしたがって給送が行われる。 The substrate feeding mechanism can feed a substrate at a constant speed. Typically, the substrate is unwound from a roll winding the substrate and unfolded, and the unfolded portion of the substrate is fed longitudinally and finally wound on another roll. Sending is done.
帯状のメタルマスクは、基板と同様にロール状に巻かれるような金属製の帯状の膜または薄板であり、その両面を貫通する開口が設けられている。この開口は一方の面から他方の面に向かう通路をなす。そして、開口以外の膜または板の部分は、そこを通過する蒸着材料の蒸気を遮断する遮蔽部となる。メタルマスクは、ロール状に巻かれた部分から展開されると、基板に接しないように基板から離間されて空間を仕切るようにして渡される。マスク移動機構は、そのような展開されたメタルマスクの部分を送って移動させる。 The band-shaped metal mask is a metal band-shaped film or thin plate that is wound in a roll shape like the substrate, and is provided with openings penetrating both surfaces. This opening forms a passage from one surface to the other surface. And the part of the film | membrane or board other than opening becomes a shielding part which interrupts | blocks the vapor | steam of the vapor deposition material which passes there. When the metal mask is unrolled from the portion wound in a roll shape, the metal mask is passed away from the substrate so as not to contact the substrate and partition the space. The mask moving mechanism sends and moves such a developed metal mask portion.
なお、本発明の製造方法の態様において、各工程の順序は明示されない限りその記載順に行われることに限定されない。同様に、本発明の製造方法の態様は特段明示されない限り、いくつかの工程が同時にあるいは一部同時に実行されること、および、いくつかの工程が連続せずに行われることも含んでいる。 In addition, in the aspect of the manufacturing method of this invention, unless the order of each process is specified clearly, it is not limited to performing in the description order. Similarly, unless otherwise specified, aspects of the manufacturing method of the present invention include that some steps are performed simultaneously or partially simultaneously, and that some steps are performed in succession.
本発明のいくつかの態様によれば、ロール状から展開して送られる基板に薄膜を形成する場合において、メタルマスクに堆積する蒸着材料の量が過大とならないように保ちつつ、メタルマスクを用いてパターンを効率よく形成する蒸着処理が可能となる。 According to some aspects of the present invention, when a thin film is formed on a substrate that is unrolled from a roll, the metal mask is used while keeping the amount of vapor deposition material deposited on the metal mask from being excessive. Therefore, it is possible to perform a vapor deposition process for efficiently forming a pattern.
以下、本発明の実施形態について説明する。以下の説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the following description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings. In the drawings, each element of each embodiment is not necessarily shown in a scale ratio.
＜第１実施形態＞
［装置構成］
図１は、本実施形態の真空蒸着装置の概略構成を示す概略断面図である。本実施形態の蒸着装置１００は真空槽１１０の内部に、基板給送機構１２０と、蒸着源１３０と、マスク移動機構１４０とを備えている。蒸着装置１００はそれ以外にも、真空蒸着を実行するための排気系統（図示しない）等の要素を備えている。
<First Embodiment>
[Device configuration]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the vacuum vapor deposition apparatus of the present embodiment. The
真空槽１１０は、基板１０およびメタルマスク１２が配置される基板室１１２と、蒸着源１３０が配置される蒸着室１１４とからなる。基板室１１２および蒸着室１１４それぞれには専用の排気ポートが設けられ、各排気ポートに別々の排気系統が接続される。基板室１１２には上記の基板給送機構１２０とマスク移動機構１４０とが設置される。基板給送機構１２０には基板１０が搭載され、マスク移動機構１４０にはマスク１２が搭載されている。
The
基板給送機構１２０は、ロール状に巻かれている帯状の基板１０のうちの展開された部分１０Ｕを基板１０の長手方向に送るために用いられる。このために、基板給送機構１２０には、基板巻出しロール１２２、基板搬送ロール（巻出し側）１２４、基板搬送ロール（巻き取り側）１２６、および、基板巻き取りロール１２８が備えられている。
The
ここで、本実施形態にて用いられる基板１０について説明する。本実施形態の基板１０は、長尺の帯状の形状にされていて、少なくともロール状に巻取ることが可能となる程度の可撓性を備えている。この基板１０として採用されるものには、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、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）、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、各種の液晶ポリマーなどの絶縁性プラスチックフィルムがある。これら以外に基板１０として採用される基板としては、ステンレス薄板などの金属膜、薄板または箔を用いることも可能である。なお、本実施形態における基板１０は、帯状の基板すなわち薄い連続体を一般に呼称するものであり、その基板１０には、この蒸着装置１００によって蒸着を行う時点において他の膜が形成されていたり、何らかの他の要素または構造物（下地構造物）付加されたりしていてもよい。下地構造物を有する基板の典型的な例としては、裏面電極層、半導体層および前面透明電極層を含む構成要素が形成されたサブストレート型の太陽電池それ自体を挙げることができる。
Here, the
蒸着装置１００には、このような基板１０を蒸着処理のために搭載する基板巻出しロール１２２が設けられる。蒸着処理の開始時点において、基板巻出しロール１２２の周りには基板１０がロール状に巻かれている。これに対して、基板巻き取りロール１２８は基板１０のうち蒸着処理が施された部分を巻き取るために用いられる。
The
基板巻出しロール１２２と基板巻き取りロール１２８との間には、基板搬送ロール（巻出し側）１２４と基板搬送ロール（巻き取り側）１２６とが装備される。基板搬送ロール１２４および基板搬送ロール１２６は、それぞれが複数のロールまたはローラ（図１においては、各４個のロール）によって構成されている。基板搬送ロール１２４および基板搬送ロール１２６は、展開された基板１０それ自体または基板１０に形成されている下地構造物に対して付加逆な変形やダメージを与えない程度の摩擦力を作用させながら、基板１０に摩擦係合している。そして基板１０は、展開された部分１０Ｕが基板搬送ロール１２４と基板搬送ロール１２６との間に渡されており、その渡されている部分１０Ｕには長手方向に引っ張り応力すなわち張力が印加されている。なおこの張力は、基板１０と摩擦係合している基板搬送ロール１２４と基板搬送ロール１２６とによって印加される。また、例えば基板１０の幅方向両端にスプロケット用の孔の列が設けられているような場合には、基板搬送ロール１２４と基板搬送ロール１２６の一部に、その孔の列に対してかみ合い係合するようなスプロケットを備えるロールまたはローラを含んでいてもよい。
Between the
蒸着処理は、基板搬送ロール１２４および１２６の間を渡されている基板１０の展開された部分１０Ｕに対して行われる。そのために、基板１０の一方の面１０Ｆに向かう位置に蒸着源１３０が配置される。図１においては、蒸着源１３０は紙面上、基板１０の展開された部分１０Ｕの下方に設置されている。
The vapor deposition process is performed on the unfolded
蒸着装置１００においては、蒸着の処理効率を高めるために同一の構成の二つの蒸着源１３０を蒸着室１１４に配置している。蒸着源１３０には、内部に高温に加熱される蒸着皿（図示しない）が配置され、そこに蒸着材料が供給される。蒸着源１３０の上端部は開放されていて、その上端部からは、蒸着皿からの蒸着材料の蒸気が放出される。この蒸着材料は十分に減圧にされた蒸着室１１４を図１の上方に向かって移動する。
In the
マスク移動機構１４０には、メタルマスク１２がロール状に巻かれて搭載されている。このメタルマスク１２を送るためにマスク移動機構１４０にはメタルマスク巻出しロール１４２とメタルマスク巻き取りロール１４４とが備えられている。マスク移動機構１４０にはさらにガイドロール１４６および１４８が備えられている。ガイドロール１４６および１４８はメタルマスク１２の展開された部分１２Ｕをガイドしている。そのガイドによってメタルマスク１２は基板１０の展開された部分１０Ｕから所定のギャップだけ離間した位置を保つようになっている。このメタルマスク１２には、メタルマスク１２の長手方向に張力が印加されている。この張力は、メタルマスク巻出しロール１４２とメタルマスク巻き取りロール１４４とによって印加されている。張力によってメタルマスク１２の展開された部分１２Ｕの部分はほぼ平面の形状を維持することが可能となるため、メタルマスク１２を平面に保持するための手段を別途装備する必要はない。
A
このメタルマスク１２は全体が帯状の形状にされている。帯状のメタルマスク１２は、メタルマスク巻出しロール１４２においてロール状に巻かれており、その長さにわたって微細な開口２６（図３）が設けられている。なお、メタルマスク１２の詳細については後述する。
The
基板室１１２と蒸着室１１４の間には、隔壁１１６が設けられている。その隔壁１１６には、基板１０の展開された部分１０Ｕおよびメタルマスク１２の展開された部分１２Ｕそれぞれのさらに一部に対応するように、開口１１６Ａが設けられる。この開口を通じて、蒸着室１１４内の蒸着源１３０からの蒸着材料がメタルマスク１２および基板１０に向かって移動する。なお、蒸着室１１４の内部は、基板室１１２の内部に比べて高い真空度となっている。これは、真空蒸着に必要な真空度を達成するために必要な空間を蒸着室１１４に限定することによって真空槽１１０の内部全体を高い真空度を維持する必要性をなくし、実際に蒸着装置１００を使用する際の真空排気の時間を短縮するためである。
A
基板１０のうち上記の一方の面１０Ｆからみて背面となる面の側には、ヒーター１５０が配置される。ヒーター１５０は、展開された部分１０Ｕのうち開口１１６Ａに曝される部分を背面から加熱することができる。基板１０を、それ自体および下地構造物に悪影響のない温度範囲においてヒーター１５０によって加熱することにより、例えば、蒸着される金属層の密着性や膜質を調整することが可能となる。
A
［処理動作］
次に蒸着装置１００における処理動作を説明する。蒸着装置１００において基板１０の展開された部分１０Ｕが基板給送機構１２０により長手方向に送られる。蒸着源１３０からは、薄膜を形成する蒸着材料が基板１０の一方の面１０Ｆに向かって放出される。メタルマスク１２は、展開された部分１２Ｕが、基板１０と蒸着源１３０との間の空間を仕切るように渡されている。そして、そのメタルマスク１２は、基板１０から離間した状態を保って、メタルマスク１２の長手方向にマスク移動機構１４０によって送られる。以上が蒸着装置１００の動作の概要である。
[Processing operation]
Next, the processing operation in the
図２は、このような蒸着装置１００の動作における基板１０およびメタルマスク１２のスピードの時間変化を示すタイミングチャートである。以下、蒸着装置１００の動作の様子を、基板１０が送られるスピードとメタルマスク１２が送られるスピードとの時系列の変化に基づいて説明する。蒸着装置１００を動作させるためには、典型的には、蒸着処理の進行、基板１０の送り、およびメタルマスク１２の送りの動作に関していくつかの具体的な形態（以下「動作形態」という）を採用することができる。その動作形態を説明するために、図２においては、時間を横軸にとり、縦軸には基板１０が送られるスピードとメタルマスク１２が送られるスピードを記載している。以下、蒸着装置１００の典型的な動作を動作形態に分けて説明する。蒸着装置１００動作形態は、蒸着処理の進行中の期間において、基板１０が給送されているか静止されているかの観点と、メタルマスクが移動されているか静止されているかの観点に基づく組み合わせによって４つに区分される。
FIG. 2 is a timing chart showing temporal changes in the speed of the
［第１の動作形態：基板とメタルマスクマスクを連続して送る動作］
蒸着装置１００を動作させる第１の動作形態を基板１０とメタルマスク１２のスピードの時系列変化によって図２（ａ）に示す。図２（ａ）に示すように、第１の動作形態は、基板１０が一定のスピードにより送られ、かつ、メタルマスク１２も一定のスピードにより送られるように蒸着装置１００が動作するものである。この場合には、蒸着処理中に、基板１０とメタルマスク１２はいずれも蒸着源１３０に対して移動してゆく。
[First operation mode: operation of continuously sending a substrate and a metal mask mask]
A first operation mode for operating the
［第２の動作形態：基板を連続して送りメタルマスクをステップ移動する動作］
蒸着装置１００を動作させる第２の動作形態を図２（ｂ）に示す。この第２の動作形態においても基板１０が一定のスピードにより送られる。しかし、第２の動作形態におけるメタルマスク１２はステップ移動される。すなわち、メタルマスク１２は、上述した第１の動作形態とは異なり、蒸着処理の進行中においては静止されている。なお、ステップ移動は、メタルマスクを一定時間静止させた後、一定距離だけメタルマスクを送る動作を繰りかえす動作である。
[Second operation mode: operation of feeding the substrate continuously and moving the metal mask stepwise]
The 2nd operation | movement form which operates the
さらに、この第２の動作態様においては、典型的には、蒸着処理も間欠的に行われる。その蒸着処理が実行されている期間を蒸着処理１、蒸着処理２、・・・蒸着処理Ｍ（Ｍは整数）と記載して区別することとする。図２（ｂ）に示したように、蒸着処理ｊ（ｊは１以上Ｍ未満の整数）の期間と蒸着処理ｊ＋１との各期間において、基板１０が一定のスピードにより送られる。蒸着処理jは、その期間において継続して蒸着処理が行われている単位蒸着処理となる。なお、図２においては、「蒸着j」等と略記している。その蒸着処理jの間、メタルマスク１２は静止されていて、スピードは０となっている。そして、蒸着処理ｊが終了し、蒸着処理ｊ＋１が開始されるまでの期間（蒸着処理を一時中断する休止期間）には、メタルマスク１２はマスク移動機構１４０によってある距離（マスク送り量）だけ送られる。マスク送り量の典型例は、例えば、メタルマスク１２の長手方向における差し渡しの開口１１６Ａの長さである。そのような距離をマスク送り量とすれば、展開された部分１２Ｕのうち蒸着処理ｊにおいて露出された部分（露出幅）が、次の蒸着処理ｊ＋１においては開口１１６Ａに露出しない。
Furthermore, typically in this 2nd operation | movement aspect, a vapor deposition process is also performed intermittently. The periods during which the vapor deposition process is being performed are described as
留意すべき点として、上述したマスク送り量は、メタルマスク１２の長手方向における開口１１６Ａの差し渡しの長さの半分程度としうることが挙げられる。同様に留意すべき点として、蒸着処理１〜蒸着処理Ｍの各蒸着処理の期間に挟まれるすべての休止期間において、メタルマスク１２を送ることが必須でないことも挙げられる。これらのメタルマスク１２のマスク送り量や送るタイミングは、メタルマスク１２を送る目的に合わせて適宜に決定される。つまり、メタルマスク１２を送る目的は、メタルマスク１２のうちのマスク蒸着に使用される部分における堆積物の付着量を許容される範囲に維持することにある。そのため、この目的を達成しうる限度においてマスク送り量を増減すること、または、送りのタイミングを調整することは本実施形態の範囲に含まれる。例えば、メタルマスク１２を静止したまま複数回の蒸着処理が施され、ある所定の条件が満たされた場合にメタルマスク１２を移動させるようにする、つまり、基板の展開された部分１０Ｕを送る工程とメタルマスクの展開された部分１２Ｕを送る工程との実行回数の比率を複数回対一回とすることが考えられる。そのような所定の条件の例としては、基板１０に施す蒸着処理が所定の回数経過したこと、ある蒸着処理時間だけ処理が継続されたこと、ある所定の距離だけ基板１０が給送されたこと、が挙げられる。
It should be noted that the above-mentioned mask feed amount can be about half of the length of the
なお、第２の動作形態の蒸着処理の休止期間中において基板１０の給送を継続するか停止するかは任意に選択される。基板１０には長手方向の部分をみた場合に、蒸着を必要としない領域または蒸着される金属層が薄くても良い領域を設けることが可能である。そのような領域が開口１１６Ａに面して配置されるタイミングであれば、蒸着処理は休止しても何ら影響がない。したがって、基板１０を送り続けてそのようなタイミングになったときに蒸着処理を休止してメタルマスク１２を送る、という動作も第２の動作形態の一態様である。
Note that it is arbitrarily selected whether to continue or stop feeding the
［第３の動作形態：基板をステップ給送しメタルマスクを連続して送る動作］
蒸着装置１００を動作させる第３の動作形態を図２（ｃ）に示す。この第３の動作形態においては、第１の動作形態と同様にメタルマスク１２は一定のスピードにより送られる。しかし、上述した第１の動作形態とは異なり、第３の動作形態における基板１０はステップ給送される。この第３の動作態様の蒸着処理も、第２の動作形態と同様に、典型的には間欠的に行われる。なお、ステップ給送は、基板を一定時間静止させた後、一定距離だけ基板を送る動作を繰りかえす動作である。
[Third operation mode: operation to feed the substrate stepwise and continuously send the metal mask]
A third operation mode for operating the
図２（ｃ）に示したように、第３の動作形態においても、蒸着処理が実行されている各期間を蒸着処理ｊのように記載して区別すると、蒸着処理ｊと蒸着処理ｊ＋１との各期間において、基板１０は静止されてスピードが０となっているのに対し、メタルマスク１２は一定のスピードにより送られる。すなわち、蒸着処理の休止期間に、基板１０が基板給送機構１２０によって送られる。この送り量（基板送り量）は、典型的には、基板１０の展開された部分１０Ｕのうち蒸着処理ｊにおいて開口１１６Ａに露出された部分（露出幅）が、蒸着処理ｊ＋１においては開口１１６Ａに再び露出しない程度の距離とする。これ以外にも、開口１１６Ａに露出したメタルマスク１２の部分の長さ、あるいは、基板１０に一定のピッチで蒸着処理の単位領域を並べるようにする場合にはそのピッチ、といった基板送り量を採用することも可能である。この基板送り量は、基板１０にマスク蒸着によってパターン成膜を行う目的を達成しうる範囲において適宜に決定される。なお、蒸着処理の休止期間中において、メタルマスク１２の送りを継続するか停止するかは任意に選択される。
As shown in FIG. 2C, also in the third operation mode, when each period during which the vapor deposition process is performed is described and distinguished as the vapor deposition process j, the vapor deposition process j and the vapor deposition process j + 1 are performed. In each period, the
［第４の動作形態：基板とメタルマスクをともにステップにて送る動作］
蒸着装置１００を動作させる第４の動作形態を図２（ｄ）に示す。この第４の動作形態においては、基板１０もメタルマスク１２もステップ的に送られる。また、蒸着処理も、第２および第３の動作形態と同様に典型的には間欠的に行われる。
[Fourth operation mode: operation to send both substrate and metal mask in steps]
A fourth operation mode for operating the
図２（ｄ）に示したように、第４の動作形態においては、蒸着処理ｊと蒸着処理ｊ＋１との各期間において、基板１０とメタルマスク１２はともに静止されてスピードが０となっている。そして、蒸着処理の休止期間には、基板１０は基板給送機構１２０によって送られ、メタルマスク１２はマスク移動機構１４０によって送られる。この際の基板送り量およびマスク送り量は、上述した第２および第３の動作形態と同様に、典型的には、例えば、それぞれのうち開口１１６Ａに露出された部分（露出幅）が、蒸着処理ｊ＋１においては露出されない程度の距離とする。これらの送り量が適宜調整されることも第２および第３の動作態様と同様である。メタルマスクの送りのタイミングが適宜決定されることについても、第２の動作形態の場合と同様に第４の動作形態においても留意されるべきである。
As shown in FIG. 2D, in the fourth operation mode, the
［第２〜第４の動作形態における間欠的な蒸着処理］
ここで、第２〜第４の動作形態として記載した間欠的な蒸着処理においては、ある単位蒸着処理と、次の単位蒸着処理との間には明確な休止期間が設けられている。各単位蒸着処理中には継続して蒸着処理が行われている。このような間欠的な蒸着処理を実施するためには、蒸着処理の開始や休止といった制御を可能な限り正確に行える手法を採用することが好ましい。このため、蒸着装置１００には、蒸着源１３０とメタルマスク１２との間の空間、または、蒸着源１３０と基板１０との間の空間を仕切るように蒸着材料を遮るシャッター１５２を配置するのが好ましい。このシャッター１５２は、蒸着処理の実行中には開かれ、蒸着処理の休止中には閉じられるように動作する。図１にはその開かれた状態でのシャッター１５２の配置を示し、閉じた状態でのシャッター１５２の配置を仮想線（二点鎖線）により明示している。
[Intermittent deposition process in the second to fourth operation modes]
Here, in the intermittent vapor deposition process described as the second to fourth operation modes, a clear pause period is provided between a certain unit vapor deposition process and the next unit vapor deposition process. The vapor deposition process is continuously performed during each unit vapor deposition process. In order to carry out such intermittent vapor deposition processing, it is preferable to adopt a method that can perform control such as start and stop of vapor deposition processing as accurately as possible. For this reason, the
［基板とメタルマスクの送りのスピード］
上述した第１〜第４の各動作態様においては、基板１０とメタルマスク１２のいずれもが、一定速度によってまたはステップ的に送られる。このとき、好ましくは、マスク移動機構１４０によって送られるメタルマスク１２の平均の移動スピードが、基板給送機構１２０によって送られる基板１０の平均の給送スピードよりも遅くされる。ここで平均スピードとは、一定速度によって送られる場合はそのスピードをいい、ステップ的に送られる場合には、送り量の距離をステップの繰り返し周期の時間によって除した値として規定することができる。これ以外にも、例えばロール状の基板のロールのうち、エンドロール（蒸着装置に搭載するために予備的に引き出されたり未処理のままとされる部分）の長さを除いた実質的な処理長さを、そのロールに対して蒸着処理を行うのに要する合計時間によって除した値を基板の平均の送りスピードとしてもよい。これらの点はメタルマスク１２に対しても同様である。メタルマスク１２の平均の移動スピードを基板１０の平均の給送スピードよりも遅くすることによって、継続して行われる蒸着処理に利用されるメタルマスク１２の長さを、同じ時間において処理される基板１０の長さよりも短くすることが可能となり、量産上の大きな利点が得られる。メタルマスク１２の全長をロール状の基板１０の全長よりも短くした場合であっても、蒸着装置１００を停止させずにロール１巻分の基板１０の処理を行うことが可能となるためである。
[Feeding speed of substrate and metal mask]
In each of the first to fourth operation modes described above, both the
［メタルマスクのパターン］
次に、図３および図４を参照して、蒸着装置１００に用いられるメタルマスク１２のパターンの詳細について説明する。図３は、メタルマスク１２の構成を示す構成図である。具体的には、図３には、ストライプパターンすなわちライン状の開口が複数設けられているパターンのメタルマスク１２を示している。図３（ａ）はこのメタルマスク２００のうちの一部を取り出した平面図である。メタルマスク１２は、例えばＳＵＳ等の適当な材質の可撓性の帯状の金属板２２から作製される。その金属板２２には、メタルマスク１２の長手方向に延びる微細な開口２６によるパターンが形成されている。図３（ｂ）には、メタルマスク１２の中央部分２４の拡大図が示されている。メタルマスク１２には、開口２６としてスリット状の開口部が形成されている。このようなメタルマスク１２が基板１０の一方の面１０Ｆの側に配置されて蒸着処理が実行されることにより、ライン状の金属層がその一方の面１０Ｆの上にパターニングして形成される。
[Metal mask pattern]
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the detail of the pattern of the
さらに、蒸着装置１００に用いるメタルマスク１２においては、図３（ｂ）に示したメタルマスク１２の開口パターンを他のパターンにするような変形も可能である。図４には、上述のメタルマスク１２に代えて採用しうる他のパターンのメタルマスク１２Ａ〜１２Ｃの構成を示す。図４（ａ）に中央部分２４Ａの拡大図を示すメタルマスク１２Ａは、スリット状の開口２６Ａに直交する向きに延びる開口２８が、各開口２６Ａの間の膜または板に設けられているようなマスクである。このような少なくとも二つの方向に延びるライン部を有するようなパターンを用いることも本実施形態として採用することができる。ここで、例えば図４（ａ）に示した構成では、開口２６Ａと開口２８とがつながっていない。このようにする理由は一つには、メタルマスクによって形成可能なパターンがメタルマスク自体の板または膜が島状に独立した遮蔽部を形成できないという事情があるためである。もう一つには、そのようなパターンとされて必ずしも金属層が互いに連続するように形成されていなくとも、透明電極層の見かけ上のシート抵抗が十分に低減されて光電変換効率を向上させる効果が得られるためでもある。
Further, the
図４（ａ）に示したメタルマスク１２Ａでは、例えば開口２６Ａの開口幅を開口２８の開口幅と異ならせることによって、開口２６Ａによって形成されるライン部の線幅を広く、開口２８によって形成されるライン部の線幅を狭くすることも可能である。このようにライン部の線幅を方向によって異ならせることによって、幅の広い主ライン部と幅の狭い副ライン部とを形成することも好ましい。前述のようなライン部を構成することによって数の多いラインを小さい線幅で形成することになるため、光電変換効率への影響を抑制しつつ、電気抵抗を効果的に低減することが可能となる。
In the
また、図４（ｂ）に中央部分２４Ｂの拡大図として示すメタルマスク１２Ｂは、スリット状の開口２６Ｂが延びる方向において互いに分離されている。このように分離された開口２６Ｂを用いる場合には、その開口が分離された部分、すなわちメタルマスク１２Ｂの膜自体がつながっている部分３０に対応する領域には金属層は形成されず、金属層のパターンは互いに分離されたパターンとなる。この場合にも、開口を形成するためのメタルマスク１２Ｂをより簡易に作製することができる。さらには、この延びる方向において互いに分離されたパターンの金属層を用いても透明電極層の見かけ上のシート抵抗が低減される効果は十分に得られる。したがって、このようなメタルマスク１２Ｂも本実施形態の蒸着装置１００のために用いることができる。
Also, the
加えて、図４（ｃ）に中央部分２４Ｃの拡大図として示すメタルマスク１２Ｃは、スリット状の開口２６Ｃも、開口２６Ｃに直交するように延びる開口２８Ｃもともにそれぞれが延びる方向において分離されている。このように分離された開口２６Ｃおよび２８Ｃを用いるような構成は、図４（ａ）示したメタルマスク１２Ａの構成と図４（ｂ）に示したメタルマスク１２Ｂの構成の特徴を兼ね備えるものであり、このようなメタルマスク１２Ｃも本実施形態の蒸着装置１００のために用いることができる。
In addition, the
本実施形態の蒸着装置１００のために利用されるメタルマスク１２、１２Ａ〜１２Ｃには、種々のマスクを採用することができる。その材質を例示すれば、各種ステンレス鋼（ＳＵＳ）、３６％Ｎｉ−Ｆｅ（インバー鋼）、４２％Ｎｉ−Ｆｅ（ＤＦ−４２）などが挙げられる。これらのうちから最も好ましいものを選択するなら、上述のインバー鋼が選択される。これは、インバー鋼が低膨張金属であるためである。ただし、本実施形態の蒸着装置１００においてはＳＵＳ製マスクを採用しても十分に目的を達することができる。その理由は、ＳＵＳ製マスクであっても、１０μｍ程度より細い高精細な開口部を形成することが可能であり局所的な寸法精度に問題は生じにくいためである。加えて、本実施形態の蒸着装置１００において形成される金属層のパターンとして主に想定されているものが、位置合わせのために必要な精度が高くないものであることもこのようなマスクの材質の選択に影響している。一般に、基板の全幅にわたるような長距離にわたる寸法精度が要求されるのは、形成されるパターンを基板の何らかの構造物に対して精度良く位置合わせする必要がある場合といえる。本実施形態の蒸着装置１００においてそのような長距離の寸法精度を担保する必要がなければ、各種の層の形成時の熱の影響を考慮して低膨張金属のマスクを採用する必然性は高くはない。なお、メタルマスクの厚みは、１０〜５０μｍ程度から選択される。その厚みを厚くするとロール状にすることが難しくなり、開口の幅も高精細なものとしにくくなる。一例としては、開口の幅は、ほぼ、メタルマスクの厚み程度が下限となる。
Various masks can be adopted as the metal masks 12 and 12A to 12C used for the
［蒸着装置の動作形態とパターンとの関係］
次に、上述した蒸着装置１００の第１〜第４の動作形態それぞれに適するマスクパターンについて説明する。第１の動作形態すなわち基板１０とメタルマスク１２のいずれもが連続して送られている動作に対しては、典型的には、図３のメタルマスク１２と、図４（ｂ）に示したパターンのメタルマスク１２Ｂとが適する。メタルマスク１２は、開口２６がメタルマスク１２の長手方向に延びている。この方向は、図１に示したように基板１０の長手方向でもある。このメタルマスク１２を用いる場合には、蒸着処理中に基板１０とメタルマスク１２との間にスピード差が生じる場合となることもある。このような場合であっても、基板１０とメタルマスク１２との差によって生じる相対速度のベクトルの方向と開口２６の延びる方向とが一致しているために、形成されるパターンには大きな不具合は生じない。ちなみに、図４（ｂ）のメタルマスク１２Ｂでは、つながった部分３０が存在する。このような領域が存在しても、形成されるパターンがライン状に形成されるため、特段問題はない。
[Relationship between operation mode and pattern of vapor deposition equipment]
Next, mask patterns suitable for the first to fourth operation modes of the
第１の動作形態においては、基板１０とメタルマスク１２が送られる給送または移動における幅方向のシフト幅が小さくなるように、すなわち、給送または移動のために基板が基準となる直線から逸脱して変位する変位量が小さくなるように、基板給送機構１２０およびマスク移動機構１４０を構成するのが好ましい。このように構成して、例えば、その変位量がメタルマスク１２の開口２６の幅に比べて十分に小さければ、基板１０およびメタルマスク１２を送りながらマスク蒸着を実行することが可能となり、高い生産効率が達成される。
In the first operation mode, the shift width in the width direction in feeding or moving the
第２の動作形態と第３の動作形態に対して適するメタルマスクは、典型的には図３のメタルマスク１２と図４（ｂ）に示したメタルマスク１２Ｂであり、第１の動作形態の場合と共通している。これは、基板１０が一定速度で送られ、メタルマスク１２がステップ移動される動作（第２の動作形態）も、基板１０がステップ給送され、メタルマスク１２が一定速度で送られる動作（第３の動作形態）も、メタルマスク１２と基板１０とが互いに対して動いている状態で蒸着される点において第１の動作形態と共通しているためである。したがって、第２の動作形態と第３の動作形態に対して適するメタルマスクは、例えば、第１の動作形態の場合と同様にメタルマスク１２（図３）および図４（ｂ）のメタルマスク１２Ｂである。
The metal mask suitable for the second operation mode and the third operation mode is typically the
第１〜第３の動作形態とは異なり、第４の動作形態、すなわち基板１０とメタルマスク１２とのいずれもがステップ的に送られる動作には、より多くのパターンが適する。具体例を挙げると、図３および図４に明示したすべてのメタルマスクのパターンが第４の動作形態に対して適することとなる。というのも、蒸着処理の段階において基板１０とメタルマスクが互いに対して静止しているため、例えば、基板の長手方向に対して０でない角度をなすようにして延びるライン状の開口のパターンも何ら問題なく形成されるためである。
Unlike the first to third operation modes, more patterns are suitable for the fourth operation mode, that is, the operation in which both the
＜第１実施形態の変形例＞
以上の第１実施形態は、その利点を維持したまま様々に変形することができる。代表的な変形例として、変形例１〜変形例４について以下に説明する
<Modification of First Embodiment>
The above first embodiment can be variously modified while maintaining its advantages. As typical modifications,
＜変形例１＞
図５は、メタルマスクを送る向きと基板の送る向きを交差させた変形例の蒸着装置１００Ａの一部の構成を示す概略斜視図である。この図５には、メタルマスク１２Ｄと基板１０との位置関係が示されている。ここに示す以外の蒸着装置１００Ａの構成は、図１に示した蒸着装置１００の構成と同様である。
<
FIG. 5 is a schematic perspective view showing a partial configuration of a
蒸着装置１００Ａにおいては、メタルマスク１２Ｄは基板１０とある角度で交差しており、メタルマスク巻出しロール（図示しない）からガイドロール１４８によってガイドされてからメタルマスク巻き取りロール１４４Ａに巻取られる。このメタルマスク１２Ｄにも蒸着装置１００（図１）の場合と同様に長手方向に張力が印加されている。この交差の角度は、例えば９０°とされ、図５には９０°の角度における構成を示している。
In the
このような構成の蒸着装置１００Ａを用いる場合であっても、マスク蒸着によって基板１０上にパターンを形成しながら薄膜を形成することが可能となる。このような場合に用いられるメタルマスク１２Ｄのパターンは、典型的には、図５に示したように基板１０の長手方向に延びるライン状の開口２８Ｄを複数有するようなパターンとする。このような開口が形成されているメタルマスク１２Ｄを蒸着装置１００Ａに採用すると、蒸着装置１００の動作形態として上述した第２および第４の動作形態によって動作することが可能となる。つまり、蒸着処理中にメタルマスク１２Ｄが静止していれば、基板１０が一定速度で送られているとき（第２の動作形態）にも、あるいは基板１０が静止しているとき（第４の動作形態）にも、いずれの場合であっても開口２８Ｄによるパターンが良好に形成される。加えて、蒸着装置１００Ａのような構成では、蒸着装置１００との対比において全く別の実用上の利点も生まれる。蒸着装置１００Ａの構成では採用される基板１０の幅とメタルマスク１２Ｄの幅とを独立して選択することが可能となるので、基板１０やマスク１２Ｄの選択肢が広がる。その一例を挙げると、基板１０よりも幅狭のメタルマスク１２Ｄを用いて幅広の基板１０へのパターン成膜を行うことが可能となる。このためには、開口１１６Ａ（図５）の形状を、基板１０の長手方向における差し渡しの長さＬ１を幅狭のメタルマスク１２Ｄの有効幅に合わせ、基板１０の幅方向における差し渡しの長さＬ２を幅広の基板１０の有効幅に合わせるようにすると好ましい。
Even when the
蒸着装置１００Ａに用いることができるメタルマスクは図５に示したメタルマスク１２Ｄばかりではない。図３に示したメタルマスク１２、すなわちメタルマスクの長手方向に延びるライン状の開口２６を複数有するメタルマスクを用いることも可能である。このようなメタルマスクを用いる場合には、蒸着装置１００に関連して説明した動作形態のうち、第３および第４の動作形態によって蒸着装置１００Ａを動作させることが可能となる。第３および第４の動作形態においては蒸着処理の実行中に基板１０が静止しているためである。このため第３および第４の動作形態においては、メタルマスクが静止している場合のみならず、一定速度で送られている場合であっても、メタルマスクの長手方向に延びるようなライン状の開口（例えば開口２６、図３）によるパターンが良好に形成される。
The metal mask that can be used in the
＜変形例２＞
蒸着装置１００（図１）や蒸着装置１００Ａ（図５）において、メタルマスク１２および１２Ｄには、そのメタルマスク自体にとっての長手方向に張力が印加されている。形成されるパターン精度を一層向上させるための手法として、さらにメタルマスクには幅方向の張力すなわち拡幅力を印加することが好ましい。これは、ロール状にされるようなメタルマスクでは張力によって形状が安定し、拡幅力を付与されたメタルマスクを基板により近接させることが可能になるためである。
<
In the vapor deposition apparatus 100 (FIG. 1) and the
このような拡幅力をメタルマスク１２に付与するためには、種々の手段を用いることが可能である。最も典型的には、ガイドロール１４６または１４８（図５において、１４６Ａまたは１４８Ａ）を逆クラウン形状のロールまたはローラとする。逆クラウン形状のロールは、中凹形状のクラウンのロール、またはコンケイブ・ローラとも呼ばれる。この逆クラウン形状のロールは、概して円筒状の外周面となっているロールにおいて、その軸方向中央における直径が、軸方向の両端部付近の直径よりも小さくなっているようなロールである。その逆クラウン形状のロールをガイドロール１４６および１４８（１４６Ａおよび１４８Ａ）のいずれか一方または両方として採用すると、メタルマスク１２には幅方向の張力も生じる。このような構成によって、メタルマスクには幅方向の張力を簡易に印加することが可能となるため、逆クラウンロールは、拡幅力生成手段となる。なお、ガイドロール１４６または１４８（１４６Ａまたは１４８Ａ）に用いる逆クラウン形状を極端な形状すなわち直径の差が大きい形状にすると、メタルマスク１２と基板１０との間のギャップの均一性に問題が生じかねない。このため、その逆クラウン形状の具体的な形状は、印加する張力とギャップの一様性とが勘案されて決定される。なお、逆クラウン形状のロール以外には、例えば湾曲したロールを用いることによってメタルマスク１２に拡幅力を作用させることも可能である。
In order to apply such a widening force to the
＜変形例３＞
次に、変形例３として、蒸着源の好ましい配置について説明する。図６は、基板１０とメタルマスク１２を蒸着源１３０の直上の位置において、基板１０およびマスク１２の進行方向を法線とする面によって切断した蒸着装置１００の概略断面図であり、基板１０、マスク１２、および蒸着源１３０の位置関係を示している。蒸着装置１００において形成されるパターンにおいては、形成されるパターンの絶対的な寸法や基板１０の全幅といった長距離にわたる寸法には高い精度は要求されず、むしろ、パターンのエッジがシャープなものであることに対する要求が高い。というのは、例えば太陽電池の前面透明電極の電気抵抗を金属の細線パターンによって実質的に低下させる目的の下では特段の位置合わせは必要なく、より求められるのが、金属層が形成される領域が、光の透過領域にまで広がらないことだからである。
<Modification 3>
Next, as a third modification, a preferable arrangement of the vapor deposition source will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
そこで、このような要求に対応する蒸着源１３０の配置について説明する。本実施形態の蒸着装置１００において精度の高いパターニングが実現するためには、蒸着源１３０を基板１０からある程度離れた位置に置くことが好ましい。これは、蒸着源１３０の大きさを小さくすることによってパターンのエッジがシャープになるのと同一の原理に基づく。そこで、この蒸着源１３０の位置関係をより具体的に規定するため、蒸着が施される面（基板の一方の面１０Ｆ）からみた角度に着目して説明する。本実施形態においては、好ましくは、図６に示したように、金属層４１が被着される一方の面１０Ｆからみて、蒸着源１３０おいて蒸着原料が放出される範囲がなす角度δを、メタルマスク１２の開口２６のなす角度θよりも小さくなるような角度とする。このような関係を満たすように蒸着源１３０を配置すると、パターンのエッジが十分にシャープになる。
Therefore, the arrangement of the
ここで、メタルマスク１２の開口の張る角度θは、メタルマスク１２が基板１０から離間されているため、ギャップＧにも依存する。一方、蒸着源１３０が張る角度δは、蒸着源１３０と基板１０との距離ばかりではなく蒸着源１３０の広がりにも依存する。つまりより一般には、上に規定した角度θと角度δの間の関係は、蒸着源１３０の配置や広がりのみならず、ギャップＧ、開口のサイズ、マスクの厚みにも依存する。このような性質から、上記の角度の関係は一般にこれらの各要素の間の配置や形状を規定するものといえる。さらにより実際的な面からは、基板１０やマスク１２の各種の誤差やばらつき、移動に伴う変動まで考慮されて、ある程度の余裕を見て上記の角度の関係を満たすように蒸着源１３０の構成やその配置が決定される。
Here, the angle θ at which the opening of the
＜変形例４＞
次に、図７を参照して、温調ロールを備える実施形態の変形例の蒸着装置１００Ｂについて説明する。図７は、蒸着装置１００Ｂの構成を示す概略断面図である。蒸着装置１００Ｂは、蒸着装置１００（図１）のヒーター１５０に相当する位置において温調ロール１５０Ａを備えている。温調ロール１５０Ａは、その位置において図面上の上方に向く基板１０の面（背面）に接している。この温調ロール１５０Ａは、接している基板１０の温度を伝導によって制御するためのものである。この制御のために温調ロール１５０Ａには、図示しない温度制御機構が備えられている。図１の蒸着装置１００と比較すればわかるように、図７に示した蒸着１００Ｂにおいては、基板巻出しロール１２２および基板搬送ロール１２４と基板巻き取りロール１２８および基板搬送ロール１２６との配置が図の上方にシフトされている。これは、基板１０の背面（上面）を温調ロール１５０Ａの外周面に密着する範囲を広げて温度制御をより確実とするためである。
<Modification 4>
Next, with reference to FIG. 7, the
蒸着装置１００Ｂにおいて、蒸着室１１４と基板室１１２とを隔てる隔壁１１６Ｂには、開口１１６Ｃが設けられる。この開口１１６Ｃの大きさは、基板１０の背面が温調ロール１５０Ａに密着している範囲に応じて設定されている。こうして基板１０は、一方の面１０Ｆのうち開口１１６Ｃによって蒸着源１３０に曝されている部分を対象にして、メタルマスク１２を通した蒸着処理が施される。
In the
このような構成の蒸着装置１００Ｂを用いる利点は、一つには、基板１０の温度の制御を、蒸着装置１００におけるヒーター１５０の場合に比べてより直接的に行えることである。このため、例えば基板１０を加熱する場合に、制御される温度の精度や基板内での均一性が高まる。蒸着処理される薄膜についても、その膜質や一様性を均質に管理することが可能となる。蒸着装置１００Ｂのもう一つの利点は、基板１０を冷却することが可能となることである。例えば、基板１０の耐熱温度を上回りかねない条件によって蒸着処理を行う場合を考える。このような場合に温調ロール１５０Ａによって基板１０を冷却することが可能であれば、基板１０の温度を、基板１０または基板１０上の下地構造物に対して悪影響が生じない範囲の温度に制御して成膜処理を行うこと可能となる。このように、温調ロール１５０Ａを用いることにより基板１０の温度がより精密に制御され、基板１０の材質の選択肢が広がり、さらに蒸着処理の条件の選択幅も広がる。
One advantage of using the
＜第２実施形態＞
次に、上述した第１実施形態の蒸着装置を用いて薄膜太陽電池を作製する第２実施形態について説明する。
Second Embodiment
Next, 2nd Embodiment which produces a thin film solar cell using the vapor deposition apparatus of 1st Embodiment mentioned above is described.
図８は、本実施形態の薄膜太陽電池の構成を示す平面図（図８（ａ））および拡大平面図（図８（ｂ））である。また、図９は、本実施形態の薄膜太陽電池の構成を示す概略断面図である。加えて、図１０は、本実施形態において薄膜太陽電池を製造する工程を説明する工程フロー図である。 FIG. 8 is a plan view (FIG. 8A) and an enlarged plan view (FIG. 8B) showing the configuration of the thin film solar cell of the present embodiment. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the thin film solar cell of this embodiment. In addition, FIG. 10 is a process flow diagram illustrating a process of manufacturing a thin-film solar cell in the present embodiment.
本実施形態においては、ＳＣＡＦ（Ｓｅｒｉｅｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ Ｆｉｌｍ）構造の集積型の薄膜太陽電池３００が作製される。薄膜太陽電池３００には、その使用時のため、例えば耐候性を確実にするために付加的な部材（封止部材など）も適宜付加される。これらの付加的な部材については、本実施形態を明確に説明するために記載および図示が省略されている。
In the present embodiment, an integrated thin-film
図８（ａ）に示すように、ＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池３００においては、電気絶縁性の基板３５を貫通して開口させるように集電孔３１と接続孔３２が形成されている。その基板３５の一方の面（第１面）には、単位光電変換部３２０１、３２０２、・・・３２０Ｎの列が設けられている。これらの単位変換部３２０１、３２０２、・・・３２０Ｎは、光を電気に変換する光電変換層が分離線３３によって区切られたものである。こうして単位変換部３２０１、３２０２、・・・３２０Ｎそれぞれは互いに電気的に分離されている。基板のもう一方の面（第２面）に配置される接続配線層も、分離線３４によって単位接続配線部３４０１、３４０２、・・・３４０Ｎの列となるように各単位へと区切られている。以下、単位光電変換部や単位接続配線部に用いる符号については、総称する際には添え字を略した符号により示し、これらの個別のものを指す場合には添え字を付して示す。基板３５の第１面と第２面は、基板３５の厚みをなす両面からそれぞれ選択される。ここでは、基板の両面のうち、光電変換層が配置または形成される面を第１面としている。また、薄膜太陽電池３００を説明する各図面において、断面を記載する各図面においては上方に向く面が第１面として描かれ、平面を記載する各図面においては紙面が第１面となるように描かれている。
As shown in FIG. 8A, in the thin film
薄膜太陽電池３００においては、図８（ｂ）に示すように、分離線３３と分離線３４とは同様のものが複数繰り返して一方向に並んでいる。ただしその並びをみると、分離線３３と分離線３４は、基板の各面において互いの位置が異なるようにずらされている。こうして、単位光電変換部３２０をなす区切りの位置と単位接続配線部３４０をなす区切りの位置とが互い違いになるようにされている。単位接続配線部３４０は、一つひとつの単位接続配線部すなわち単位接続配線部３４０ｉをみると、基板の第１面にて隣り合う二つの単位光電変換部３２０ｉおよび３２０ｉ＋１に電気的に接続可能な領域に対して基板３５を介して重なるようになっている。
In the thin film
図９は、図８（ｂ）の拡大平面図においてＡ−Ａ’部における断面図（図９（ａ））とＢ−Ｂ’部における断面図（図９（ｂ））である。基板３５に開口として形成される集電孔３１および接続孔３２は、その基板３５を貫通するようになっていて、この集電孔３１および接続孔３２を通じて第１の面の単位光電変換部のそれぞれが直列接続されるように構成されている。すなわち、例えば、薄膜太陽電池３００の中央部をみると、分離線３４、３４によって区切られている単位接続配線部３４０ｉは、その単位接続配線部３４０ｉと重なる一方の単位光電変換部３２０ｉの前面透明電極層３９に対して、集電孔３１を通じて接続されている。さらに単位接続配線部３４０ｉは、その同じ単位接続配線部と重なるもう一方の単位光電変換部３２０ｉ＋１の裏面電極層３６に対しても接続孔３２を通じて接続されている。この接続構成が繰り返されることによって、第２面の単位接続配線部３４０１、３４０２、・・・３４０Ｎのそれぞれを配線として、第１の面における単位光電変換部３２０１、３２０２、・・・３２０Ｎがその並びの順に直列接続されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line AA ′ (FIG. 9A) and a cross-sectional view taken along line BB ′ (FIG. 9B) in the enlarged plan view of FIG. The
単位光電変換部３２０は、光電変換層が分離線３３、３３によって区切られたものである。ここで、接続孔３２が設けられる両端部以外は、裏面電極層３６とｎｉｐ接合構造を含む半導体層３８と前面透明電極層３９とが、基板３５の第１面の上にこの順に備えて光電変換層が構成されている。一方、接続孔３２が設けられる両端部には、前面透明電極層３９が形成されていない（図９（ａ）の接続孔３２付近参照）。このため、接続孔３２が設けられる両端部においては、露出された半導体層３８と、その基板側の裏面電極層３６とが接続孔３２にまで延びている。
In the unit photoelectric conversion unit 320, the photoelectric conversion layer is divided by the
本実施形態の薄膜太陽電池３００においては、前面透明電極層３９の上すなわち前面側の面の上には、半導体層３８への光を透過させる光透過領域が設けられたパターンをなす金属層４１がさらに備えられている。図８（ｂ）に示すように、この金属層４１のパターンは、薄膜太陽電池３００においては分離線３３に直交する向きに延びて金属層４１に覆われているライン部と、各ライン部の間に設けられ、金属層４１に覆われていないスペース部とを有している。この金属層４１が配置されないスペース部は光の通過領域となる。薄膜太陽電池３００の金属層４１をこのようなパターンをなすようにして配置するためには、上述した第１実施形態のマスク蒸着法が用いられる。
In the thin film
次に、このような構造の薄膜太陽電池３００を作製する工程について、図１０を参照して説明する。まず、薄膜太陽電池３００を作製する基板としては、絶縁性の基板３５（以下、「基板３５」という）が採用される。具体的には、例えばポリイミドフィルムが用いられる。他に採用することができる基板の材質の例としては、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳ、アクリル、アラミド等の絶縁性プラスチックフィルムを挙げることができる。
Next, a process for manufacturing the thin film
基板３５にはまず、接続孔３２のための開口が形成される。このために打ち抜き金型（パンチ）によって基板３５の所定の位置に開口が設けられる（接続孔形成工程Ｓ１０２）。次いで、減圧下において加熱することにより、基板３５の材質のポリイミドフィルムから放出されるガスを除去する脱ガス処理Ｓ１０４が行われる。なお、この脱ガス処理Ｓ１０４は、接続孔形成工程Ｓ１０２の前後いずれかもしくは両方において実施してもかまわない。
First, an opening for the
その後、基板３５の一方の面（第１面）に裏面電極層３６が形成され（裏面電極層形成工程Ｓ１０６）、次いで、基板３５の面のもう一方の面（第２面）に第１接続配線層３７が形成される（第１接続配線層形成工程Ｓ１０８）。裏面電極層３６は、例えば銀（Ａｇ）を膜厚２００ｎｍとなるようにスパッタリング法によって形成される。第１接続配線層３７の材質は、裏面電極層３６と同じくＡｇが採用される。これら裏面電極層３６および第１接続配線層３７の材料としては、これら以外にＡｇ合金、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタニウム（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。裏面電極層３６には、金属層と透明電極層との多層構造からなる膜などを用いることもできる。これら裏面電極層３６および第１接続配線層３７を形成する際の成膜法としては、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法やスプレー成膜法、印刷法、塗布法、めっき法等の公知の手法を採用することもできる。
Thereafter, the
裏面電極層形成工程Ｓ１０６と第１接続配線層形成工程Ｓ１０８とを終えると、基板３５の第１面に形成した裏面電極層３６と基板３５の第２面に形成した第１接続配線層３７とは接続孔３２の内側壁付近において直接重なり、互いに電気的に接続される。
When the back electrode layer formation step S106 and the first connection wiring layer formation step S108 are finished, the
第１接続配線層形成工程Ｓ１０８を終えると、接続孔２の場合とは別の打ち抜き金型を用いて基板３５に集電孔３１が形成される（集電孔形成工程Ｓ１１０）。この際には、基板３５のみならず、その段階において基板５に形成されている裏面電極層３６および第１接続配線層３７も貫通するようにして集電孔１が形成される。さらに、基板３５の第１面側には半導体層３８が形成される（半導体層形成工程Ｓ１１２）。この半導体層３８は、例えばアモルファスシリコンのｎ層、ｉ層、およびｐ層を基板３５側から配置するｎｉｐ構造のシリコン（Ｓｉ）層である。その形成のためには、例えば高周波容量結合プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられる。ここで、本実施形態において半導体層８を形成する際の成膜手法は特段限定されない。上記の高周波容量結合プラズマＣＶＤ法を用いること、さらには、そのための成膜装置として平行平板型のシャワーヘッド電極を放電電極とする装置を利用することは、本実施形態にて利用され得る好ましい成膜手法の例である。半導体層３８の他の構成としては、微結晶Ｓｉをｉ層に用いた光電変換層としてもよいし、また、アモルファスＳｉのｎｉｐ構造と微結晶Ｓｉのｎｉｐ構造とを積層するような多接合型（タンデム型）の光電変換層としてもよい。ｎ層およびｐ層の構成材料の別例としては、アモルファスＳｉＯなどの合金を用いるように本実施形態を変形することも可能である。さらに各種の技術的改良を施すために、界面層やトンネル接合層としてＳｉＯやアモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ層を追加することも可能である。
When the first connection wiring layer forming step S108 is completed, the current collecting holes 31 are formed in the
本実施形態における半導体層３８の形成の際には、蒸着処理の処理効率を高めるための他の工夫も有用である。例えば、基板３５を連続搬送させながら連続成膜するロール・ツー・ロール方式は、本実施形態のための好ましい工程として採用することができる。これ以外にも、搬送モードと成膜モードとを繰りかえすように動作して、成膜モードにおいては基板を停止させた状態となるようにして蒸着処理を進める手法（ステッピングロール法）もまた本実施形態の好ましい工程として採用することができる。
When the
半導体層形成工程Ｓ１１２によって光電変換層が形成された後、さらに、前面透明電極層３９として基板３５の第１面の側に透明導電性材料を堆積させる（透明導電層形成工程Ｓ１１４）。この際、光電変換層の両側端部、すなわち、接続孔３２が設けられる部分には、マスクを掛けて透明導電性材料を堆積させないようにする。結果として、この部分に半導体層３８が露出する（図２（ｂ））。上述の直列接続された単位光電変換部３２０を複数の列をなすように設ける場合（図示しない）にも、各列の間には、透明導電性材料を堆積させない。こうして、透明導電層３９が接続孔３２の領域に形成されないようにしておく。
After the photoelectric conversion layer is formed in the semiconductor layer forming step S112, a transparent conductive material is further deposited on the first surface side of the
本実施形態の前面透明電極層３９のための透明導電性材料には各種の透明導電性材料を用いることが可能であり、その材質は特に限定されない。この透明導電性材料は、典型的には、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ、登録商標）などの金属酸化物の透明導電性材料のいずれかまたはその組み合わせ（積層体または混合物）が選択される。さらに、透明導電層形成工程Ｓ１１４の成膜方法としてはＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、印刷法、塗布法なども採用することができる。
Various transparent conductive materials can be used as the transparent conductive material for the front
次いで、基板３５の第２面側の全面に、第２接続配線層４０が形成される（第２接続配線層形成工程Ｓ１１６）。この第２接続配線層４０としては、金属材料などの低抵抗の導電層が形成される。第２接続配線層形成工程Ｓ１１６を終えると、基板５の第１面に形成した前面透明電極層３９と基板３５の第２面に形成した第２接続配線層４０とが集電孔３１の内側壁付近において直接重なり、互いに電気的に接続される。なお、第２接続配線層１０は基板３５の第２面において第１接続配線層３７にも接するように形成されるため、第２面におけるこれらの接続配線層は互いに接続されて電気的には一体化された接続配線層をなしている。
Next, the second
第２接続配線層形成工程Ｓ１１６の後、基板３５の第１面側の前面透明電極層３９の面の上に、マスクを用いて所定のパターンが形成されるようにして、金属層４１が形成される（金属層形成工程Ｓ１１８）。この金属層４１の材質には、銀（Ａｇ）などの金属材料を採用することができる。これ以外にも、Ａｇ合金、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属材料を用いて多層構造からなる膜などを用いることもできる。ちなみに、金属層の材質の選択の際に考慮される要因は、蒸着が可能であること、太陽電池の製品（モジュール）に期待される使用期間の間に劣化が生じないこと等である。
After the second connection wiring layer formation step S116, the
金属層形成工程Ｓ１１８において用いられるマスクは、図３に示したメタルマスク１２である。このメタルマスク１２のようなマスクを用いた金属層４１として形成されるパターンは、各種のパターンとすることができる。このライン部の幅としては、例えば１ｍｍ以下とすることが望ましく、さらには、２００μｍ以下とすることが好ましい。また、ライン部の幅の下限は、１０μｍ以上であれば、上述のメタルマスク１２によってパターンを形成することができるため好ましい。一方、各ライン部の繰り返しの周期（ピッチ）は、ライン部の幅を超え、１０ｍｍ以下の値から選ばれる。なお、本実施形態においてはこの繰り返しのピッチは必ずしも一定のピッチであることが必須とされてはいない。しかしながら、一定したピッチによって等間隔に配列されるライン部は、金属層４１のパターンとして典型的なものの一例である。
The mask used in the metal layer forming step S118 is the
金属層４１がストライプパターンとされる場合に、ライン部のピッチｐ（図３（ｂ））として望ましい値は、集電孔のピッチやそのサイズとの兼ね合いによって決定される。集電孔３１に対して電流が流れることによって電気抵抗を低減させる趣旨に適う限り、そのピッチの値は種々の観点から設定される。例えば、図８のように、ある方向に一定した間隔をおいて並ぶように集電孔３１が列をなして形成されているとする。そのような集電孔３１の列に対して、その列の向きにライン部の並びをたどったライン部の繰り返しのピッチが集電孔１のピッチよりも小さいようなラインを用いることが好ましい。なお、図１とは異なり、集電孔の列とライン部の列とが平行でないときには、ライン部のピッチを集電孔の列の向きにたどるようにして規定するものとする。このような平行でない場合であっても、平行の場合と同様に、ライン部のピッチを集電孔のピッチよりも小さくするのが好ましい。前述のようなピッチの関係に構成すると、集電孔一つひとつに対して金属層４１のライン部が一つ以上となる比率によって対応付けされるため、前面透明電極層３９の電気抵抗を低減させる効果や、各集電孔の集電の際の抵抗値が、各集電孔に対して均一化される効果が得られる。より具体的な例を挙げれば、直径約１ｍｍの集電孔１が５ｍｍピッチにより並んで列をなしている場合において、図８（ａ）のように金属層１１のライン部の並びがその列の向きに平行となっている場合には、ライン部の繰り返しのピッチは５ｍｍ以下とすることが好ましい。さらには、金属層が形成される所定のパターンが１ｍｍのピッチとされることによって、集電孔のひとつに少なくとも一つ以上のラインが対応することになるため、さらに好ましい。
When the
上述の各種の技術要件が勘案されて選択される金属層４１のパターンの典型例を一つあげるとすれば、集電孔が直径約１ｍｍであり５ｍｍピッチになるように配列されている場合には、金属層４１を５０μｍ幅のラインを１ｍｍのピッチにて繰りかえすストライプパターンとする。
One typical example of the pattern of the
集電孔と金属層４１のライン部の並びとの関係については、上述のように、一つには、ライン部が集電孔３１の周縁部につながるようにすることが好ましい。このように構成すると、集電孔３１に対して前面透明電極層の電気抵抗を低減させる効果が得られるためである。それ以外にも、ライン部が集電孔３１につながっていないような構成も好ましい構成である。というのは、金属層４１に期待している機能が前面透明電極層の電気抵抗値（見かけ上のシート抵抗）を低減させることによって光電変換効率を改善することにあるためである。つまり、集電孔３１に至る経路を金属層によって形成して電気抵抗の低い経路が確立されることはもちろん好ましいが、金属層４１に期待しているのはむしろ、前面透明電極層のシート抵抗を低減させる効果である。ライン部が集電孔３１につながっていない構成にはより積極的な理由もある。集電孔３１に通じないようなライン部を設けることは、金属層４１のライン部の位置合わせの位置ずれの許容範囲が広がることを意味する。このため、ライン部が集電孔３１につながっている必要がないことは、金属層４１を設けるという工程を追加しても薄膜太陽電池の製造歩留まりが低下しにくいという効果も奏する。
As for the relationship between the current collecting holes and the arrangement of the line portions of the
このような金属層４１のパターンを形成する際に考慮される技術的要因としては、一つには性能上の要因として前面透明電極層９のうち光電変換に寄与する面積に対する金属層４１が被覆する面積の割合、すなわち被覆率が挙げられる。加えて、前面透明電極層３９に対する電気抵抗の低減の効果も考慮される。被覆率が考慮されるのは、金属層によって光電変換層への到達する光の光量の減少が避けられないためである。この被覆率を小さくすると、光量が増加するものの、金属層４１による電気抵抗の低減効果が限定される。その逆に被覆率を大きくすると、金属層４１による電気抵抗の低減効果の観点では有利となるものの光量が減少する。これらを考慮すると、被覆率は１０％以下にすることが好ましい。ここで、電気抵抗の低減効果は、金属層４１の層厚にも依存する。電気抵抗の低減効果を高めるためには金属層４１の層厚を増大させることも好ましい。これとは逆に、金属層４１がごく薄い膜である場合には光が透過する点を考慮すれば、金属層４１の層厚を減少させることも好ましい。
One of the technical factors considered when forming the pattern of the
金属層形成工程Ｓ１１８の後に、基板３５の第１面側に分離線３３によるパターニングが行われる（第１面パターニング工程Ｓ１２０）。このパターニングによって、半導体層３８が裏面電極層３９と同一の形状を有するようにされる。前面透明電極層３９は、接続孔３２の付近には形成されていないが、分離線３３の付近は裏面電極と同じ位置において区切られる。その結果、分離線３に囲われる形状のうち端部の接続孔３２の付近を除いた部分において、裏面電極層３６、半導体層３８（半導体層）、および前面透明電極層３９が、この順に積層された単位光電変換部３２０が形成される。
After the metal layer forming step S118, patterning is performed on the first surface side of the
本実施形態の薄膜太陽電池３００においては、この第１面パターニング工程Ｓ１２０によって、前面透明電極層３９に加えて、前面透明電極層３９に接するように形成されるパターン化された金属層４１も同時に分離される（図２（ｂ））。このため、基板３５の第１面において隣接するように位置することになる二つの単位光電変換部３２０ｉおよび３２０ｉ＋１は、金属層４１が一旦は両者をつなぐように形成されたとしても、基板３５の第１面の側において分離線３３によって電気的に分離されている。
In the thin film
単位光電変換部１２０を形成する工程をより確実に行うため、本実施形態で示した第１面パターニング工程Ｓ１２０に加えて予備的なパターニング処理を行うことも好ましい。この予備的なパターニング処理は、例えば、裏面電極層形成工程Ｓ１０６よりも後であって、半導体層形成工程Ｓ１１２よりも前となるいずれかの段階において実施される。この予備的なパターニング処理の際にも、裏面電極層３６を区切るようにパターニングされるのは分離線３３の位置とされる。
In order to perform the process of forming the unit
最後に、基板３５の第２面の側に対しても分離線３４の位置にレーザー加工が施される（第２面パターニング処理Ｓ１２２）。この第２面パターニング処理Ｓ１２２においては、第２接続配線層４０と第１接続配線層３７とが同時に分離される。これにより、基板５の第２面に単位接続配線部３４０が形成される。この第２面パターニング処理Ｓ１２２においては、電力取り出し電極（図示しない）の電気的な分離すなわち個別化も行われ、基板３５の周縁部に第１面の側の分離線と重なるようにレーザー加工により分離線が描かれる（いずれも図示しない）。このようにして、形成された第２面の分離線をみると、全ての薄膜太陽電池素子を一括して囲う周縁、および二列の直列接続太陽電池素子の隣接する境界（周縁導電部の内側）には分離線がある。分離線３４を含めて分離線の中にはどの層も残らないようにされている。
Finally, laser processing is applied to the position of the
こうして、形成された単位光電変換部の直列接続の列において電気的な経路を図８（ａ）の紙面の左側から順に追ってみる。まず、図８（ａ）の左側の第１の単位光電変換部３２０１（前面透明電極層３９、半導体層３８、裏面電極３６）から、縦に並んだ集電孔３１を通じて第１の単位接続配線部３４０１に接続される。そして、第１の単位接続配線部３４０１から接続孔３２を通じて第２の単位光電変換部３２０２に接続される。以下、この繰り返しによって、第Ｎの単位光電変換部３２０Ｎまで接続されて第Ｎの単位接続配線部３４０Ｎまでつながっている。直列接続された単位光電変換層３２０全体からの出力を取り出すためには、例えば、第Ｎの単位接続配線部３４０Ｎが電力を取り出すための電極としても利用される。また、第１の単位光電変換部３２０１の裏面電極３６またはその裏面電極３６に接続された配線部も電力を取り出すための電極として利用される。
In this way, the electrical paths in the series-connected columns of the unit photoelectric conversion units thus formed are sequentially traced from the left side of the paper surface of FIG. First, the first unit connection from the first unit photoelectric conversion unit 320 1 (front
薄膜太陽電池モジュールの実用性を一層高めるために、封止材やバックシートなどが外装としてラミネートされる。この封止材やバックシートとしては、例えばＥＶＡ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＥＴＦＥ、などの各種の樹脂材料が採用される。ここではこれらの材質は図示していない。 In order to further enhance the practicality of the thin film solar cell module, a sealing material, a back sheet, and the like are laminated as an exterior. As the sealing material and the back sheet, various resin materials such as EVA, PE, PET, and ETFE are employed. Here, these materials are not shown.
金属層４１は、前面透明電極層３９の前面に配置している。このような配置であっても光電変換層に入射する光量が減少することによる発電量の低下の影響は抑制することができる。というのは、金属層４１のライン部の線幅を極細にすることにより、そのようなライン部の陰となる部分に対しても光が回折して光が侵入する効果が期待できるためである。このような効果が得られる線幅は、例えば２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下であれば十分な効果が期待できる。なお、金属層４１によってライン部を形成する場合には、線幅には作製上の下限値をも考慮する必要がある。特に、マスクの開口を通して形成されるライン部には、マスクを形成することが可能な線幅によって線幅の下限値が決定される。その具体的な値は、マスクの製造技術が通常のものであれば１０μｍ程度となる。
The
また、金属層４１の層厚についても、電気抵抗を低減させる効果はごく小さな層厚であっても達成される。具体的には、金属層４１の層厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、１００ｎｍ以下とされる。特に１００ｎｍ以下のようなごく薄い層厚であれば、金属層であっても金属層状に入射した光のうちには透過する光が生じる場合がある。このような透過光は光電変換層に入射するため、光電変換層に入射する光が減少することそれ自体による悪影響を緩和することができる。
In addition, regarding the layer thickness of the
本実施形態に示した薄膜太陽電池３００は、高精細にパターニングした金属層に電気伝導を分担させることによって、前面透明電極層の見かけのシート抵抗を低減させてその効果を発揮するものである。このため、金属層の局所的なパターンを高精細なパターンとするために高精細マスクが使用される。ここで留意されるべきは、このように金属層１１を高精細にパターニングして形成することと、その形成の際に実行される位置合わせに必要な精度とは別であることである。なぜなら、本実施形態において実現される前面透明電極層の見かけ上のシート抵抗が低減される効果は、金属層の各ラインが精細に作製されていることにより達成されるからである。この際には、例えばそのような各ラインを他の特定の配線や他の要素に精密に位置合わせして配置することは必ずしも要しない。このため、前面透明電極層の見かけ上のシート抵抗を低減させるためには、金属層４１の配置される領域全体が前面透明電極層の範囲に適合されている程度とすることができる。このように、パターニングされているμｍ単位での位置合わせが必要とされないことは薄膜太陽電池の製造上の大きな利点といえる。例えば、ロール状の基板を用いて生産効率を高めるような場合であっても、金属層の形成においてそれに見合った高い生産効率を目指してメタルマスクを移動させる第１の実施形態のような場合に、メタルマスクを精密に位置合わせする必要がないからである。
The thin-film
以上に説明した薄膜太陽電池３００によって太陽電池の性能が改善されるかどうかを確認するために、薄膜太陽電池３００の実施例サンプルを作製した。その薄膜太陽電池１００の実施例サンプルを比較例サンプルと比較した結果を以下に説明する。
In order to confirm whether or not the performance of the solar cell is improved by the thin film
［実施例サンプル］
実施例サンプルとして、第３実施形態の薄膜太陽電池３００の構成を有する薄膜太陽電池セルを作製した。作製した工程は図１０に基づいて説明した通りである。また、具体的な条件は以下の通りとした。まず、基板３５として厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用いた。接続孔形成工程Ｓ１０２にてパンチを用いて、接続孔３２を開口させ、脱ガス処理Ｓ１０４として１０Ｐａ以下の減圧下で基板温度が３５０℃となるように加熱し基板のポリイミドフィルムの脱ガス処理を行った。裏面電極層形成工程Ｓ１０６の裏面電極層として、銀（Ａｇ）を膜厚２００ｎｍになるようにスパッタリングにより形成した。この際の圧力は１Ｐａとした。
[Example sample]
As an example sample, a thin-film solar battery cell having the configuration of the thin-film
第１接続配線層形成工程Ｓ１０８として、基板３５の第２面にＡｇを２Ｐａの圧力でＡｒガスのスパッタリング法により、第１接続配線層３７を形成した。集電孔形成工程Ｓ１１０としては、パンチにより直径が１ｍｍ、ピッチが５ｍｍとなるように集電孔３１を多数形成した。
As the first connection wiring layer formation step S108, the first
次に、半導体層形成工程Ｓ１１２として単接合のアモルファスＳｉ太陽電池をプラズマＣＶＤ法により半導体層３８を形成した。半導体層３８の各層の層厚は、ｎ層２０ｎｍ、ｉ層３００ｎｍ、ｐ層２０ｎｍとした。この際、容量結合プラズマ法を用いて形成した。具体的には、プラズマＣＶＤ装置の放電電極として平行平板型のシャワーヘッド電極を用いて電極間距離２０ｍｍにおいて放電周波数を２７．１２ＭＨｚとして半導体層８を形成した。なお、半導体層３８の形成時には、基板３５を静止させた状態とした。
Next, as the semiconductor layer forming step S112, a
さらに詳細な条件は以下のとおりである。まず、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、およびＰＨ３ガスの混合ガスを用いて、ｎ型アモルファスＳｉ層を形成した。このときの放電パワーは５Ｗ、成膜温度（基板の設定温度）は３００℃とした。次に、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスの混合ガスを用いて、ｉ型アモルファスＳｉ層を形成した。このときの放電パワーは２０Ｗとし成膜温度を２８０℃とした。さらに、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、およびＢ２Ｈ６ガスの混合ガスを用いて、ｐ型アモルファスＳｉ層を形成した。このときの放電パワーは５Ｗ、成膜温度１６０℃とした。 Further detailed conditions are as follows. First, an n-type amorphous Si layer was formed using a mixed gas of SiH 4 gas, H 2 gas, and PH 3 gas. At this time, the discharge power was 5 W, and the film formation temperature (set temperature of the substrate) was 300 ° C. Next, an i-type amorphous Si layer was formed using a mixed gas of SiH 4 gas and H 2 gas. The discharge power at this time was 20 W, and the film formation temperature was 280 ° C. Further, a p-type amorphous Si layer was formed using a mixed gas of SiH 4 gas, H 2 gas, and B 2 H 6 gas. The discharge power at this time was 5 W and the film formation temperature was 160 ° C.
その後、透明導電層形成工程Ｓ１１４として、作製したアモルファスＳｉからなるｎｉｐ単接合構造の上に前面透明電極層３９を基板３５の第１面の側に形成した。この前面透明電極層３９の透明導電性材料にはＩＴＯを採用した。その形成条件は、本実施例ではＡｒガスによるＲＦスパッタリング法により処理中の圧力を０．７Ｐａとし、その層厚を７０ｎｍとした。この際、接続孔３２の付近をマスクすることにより、接続孔３２に前面透明電極層３９が形成されないようにした。
Thereafter, as the transparent conductive layer forming step S114, the front
次いで第２接続配線層形成工程Ｓ１１６として、第２面の全面に第２接続配線層４０となるニッケル（Ｎｉ）層を形成した。ニッケル（Ｎｉ）層の形成は、２Ｐａの圧力でＡｒガスによるスパッタリング法により実施された。
Next, as a second connection wiring layer forming step S116, a nickel (Ni) layer to be the second
さらに、金属層形成工程Ｓ１１８として、前面透明電極層９（ＩＴＯ層）の上に金属層４１を形成した。この際、開口幅５０μｍの１ｍｍピッチのスリットが形成されているＳＵＳ製メタルマスクを用いて、真空蒸着法で１０ｎｍ厚にＡｇ層を形成した。この真空蒸着法には、フラッシュ蒸着法を採用した。最後に、第１面パターニング工程Ｓ１２０と第２面パターニング処理Ｓ１２２とを行った。第１面パターニング工程Ｓ１２０のレーザー加工によって第１面の裏面電極３６、半導体層３８、および金属層４１が所定の形状とされた。
Furthermore, as the metal layer forming step S118, the
［従来例サンプル］
前面透明電極層（ＩＴＯ層）の上に金属層の形成を行わない以外は実施例サンプルと同様にして比較例サンプルを作製した。
[Conventional sample]
A comparative sample was prepared in the same manner as the example sample except that no metal layer was formed on the front transparent electrode layer (ITO layer).
上述の実施例サンプルおよび従来例サンプルの太陽電池セルをそれぞれ５セルずつ作製した。各セルを対象にしてソーラーシミュレータを用いて電流−電圧特性を測定し、太陽電池の光電変換効率（Ｅｆｆ）を求めた。光の照射条件は１００ｍＷ／ｃｍ２とした。その結果を表１に示す。
表１には、太陽電池セルサンプルそれぞれにおいて測定された実際の光電変換効率の測定値（単位：％）と、各サンプルの測定値から算出される実施例内および従来例内における光電変換効率の平均値とを示している。実施例サンプルおよび従来例サンプルともに測定値には多少のバラつきがみられるものの、本実施形態を実際に適用した実施例サンプルの光電変換効率の平均値は、従来例サンプルの場合に比べて０．２８％向上した。このように、本実施形態の薄膜太陽電池３００の構成を採用することによって太陽電池の光電変換効率（Ｅｆｆ）が向上した。
Table 1 shows the measured value (unit:%) of the actual photoelectric conversion efficiency measured in each solar cell sample, and the photoelectric conversion efficiency in Examples and Conventional Examples calculated from the measured values of each sample. The average value is shown. Although the measurement values of the example sample and the conventional example sample vary somewhat, the average value of the photoelectric conversion efficiency of the example sample to which the present embodiment is actually applied is 0. 0 as compared with the case of the conventional sample. Improved by 28%. Thus, the photoelectric conversion efficiency (Eff) of the solar cell was improved by adopting the configuration of the thin film
このように比較例サンプルに対して実施例サンプルの光電変換効率（Ｅｆｆ）が向上したのは、その構成上の相異点である前面透明電極層の上に配置した金属層４１の有無が影響しているためと本出願の発明者は判断している。つまり、実施例サンプルでは前面透明電極層を電荷が移動する距離（集電距離）が比較例サンプルに比して実質的に短くなっている。このため、前面透明電極層の抵抗成分による太陽電池特性の曲線因子（ＦＦ）の低下が生じにくくなって、光電変換効率（Ｅｆｆ）が向上している。さらに、本出願の発明者は、金属層４１の付加によって生じる光量の減少は問題となっておらず、薄膜太陽電池セル全体としてみても光電変換効率が改善していると推測している。
In this way, the photoelectric conversion efficiency (Eff) of the example sample was improved with respect to the comparative example sample because of the presence or absence of the
＜第２実施形態：変形例＞
以上の第２実施形態は、その利点を維持したまま様々に変形することができる。例えば、金属層が形成される位置は、前面透明電極層に接しているような金属層４１の位置以外の位置とすることができる（図示しない）。典型的には、前面透明電極層と半導体層の間、すなわち前面透明電極層の裏面側に金属層を配置しても、同様の効果を奏することが可能となる。この場合には、これまで説明してきた図９に示したような前面透明電極層の前面側に金属層を配置する場合と同様に分離線３３によって金属層も区切られる。なお、このような構成を採用する場合には、半導体層３８の光電変換特性に悪影響が及ぼされないような金属層の材質や形成方法が選択される。また、図１０に示した金属層形成工程Ｓ１１８は、半導体層形成工程Ｓ１１２の後、透明導電層形成工程Ｓ１１４よりも前の段階にて行われる。
<Second Embodiment: Modification>
The second embodiment described above can be variously modified while maintaining its advantages. For example, the position where the metal layer is formed can be a position other than the position of the
以上、本発明のいくつかの実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。 The embodiments of the present invention have been specifically described above. The above-described embodiments and examples are described for explaining the invention, and the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. Moreover, the modification which exists in the scope of the present invention including other combinations of each embodiment is also included in a claim.
本発明によれば、帯状の基板を採用した場合であってもメタルマスクを用いてマスク蒸着法を実行することが可能となる。このため、パターニングされた金属層を高い生産性によって形成することが可能となる。特にその金属層が太陽電池に採用された場合には、曲線因子および光電変換効率が向上された太陽電池が提供され、そのような太陽電池を一部に含むような任意の電力機器または電気機器の普及または高性能化に大きく貢献する。 According to the present invention, it is possible to execute the mask vapor deposition method using a metal mask even when a belt-like substrate is employed. For this reason, it becomes possible to form the patterned metal layer with high productivity. In particular, when the metal layer is employed in a solar cell, a solar cell with improved fill factor and photoelectric conversion efficiency is provided, and any power or electrical device that includes such a solar cell in part. Greatly contributes to the spread of high performance or high performance.
１００、１００Ａ、１００Ｂ 蒸着装置
１０ 基板
１０Ｆ 一方の面
１０Ｕ 展開された部分
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ メタルマスク
１２Ｕ 展開された部分
１１０ 真空槽
１１２ 基板室
１１４ 蒸着室
１１６、１１６Ｂ 隔壁
１１６Ａ、１１６Ｃ 開口
１２０ 基板給送機構
１２２ 基板巻出しロール
１２４、１２６ 基板搬送ロール
１２８ 基板巻き取りロール
１３０ 蒸着源
１４０ マスク移動機構
１４２ メタルマスク巻出しロール
１４４、１４４Ａ メタルマスク巻き取りロール
１４６、１４８ ガイドロール
１５０ ヒーター
１５０Ａ 温調ロール
１５２ シャッター機構
２２ 金属板
２４、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ 中央部
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２８、２８Ｃ 開口
３０ つながっている部分
３００ 太陽電池
３２０ 単位光電変換部
３４０ 単位接続配線部
３１ 集電孔
３２ 接続孔
３３、３４ 分離線
３５ 基板
３６ 裏面電極層
３７ 第１接続配線層
３８ 半導体層
３９ 前面透明電極層
４０ 第２接続配線層
４１ 金属層
100, 100A, 100B
Claims (18)
該基板の一方の面に向かう位置に配置され、薄膜を形成する蒸着材料を該一方の面に向かって放出するための蒸着源と、
ロール状に巻かれておりいくつかの開口が設けられている帯状のメタルマスクのうちの展開された部分を、前記基板と該蒸着源との間の空間を仕切るように渡して前記基板から離間した状態を保って、前記メタルマスクの長手方向に送るためのマスク移動機構と
を備える
パターニングされた薄膜を形成する真空蒸着装置。 A substrate feeding mechanism for feeding a developed portion of the strip-shaped substrate wound in a roll shape in the longitudinal direction of the substrate;
A vapor deposition source disposed at a position toward one surface of the substrate and emitting a vapor deposition material forming a thin film toward the one surface;
The unfolded portion of the strip-shaped metal mask wound in a roll shape and provided with several openings is separated so as to partition the space between the substrate and the evaporation source. A vacuum deposition apparatus for forming a patterned thin film, comprising: a mask moving mechanism for maintaining the state in which the metal mask is sent and sending it in the longitudinal direction of the metal mask.
請求項１に記載の真空蒸着装置。 The vacuum deposition apparatus according to claim 1, wherein the metal mask has a stripe pattern including a plurality of line-shaped openings extending in either the longitudinal direction of the metal mask or the longitudinal direction of the substrate.
請求項１または請求項２に記載の真空蒸着装置。 The vacuum deposition apparatus according to claim 1, wherein the metal mask has a plurality of line-shaped openings extending at an angle other than 0 with respect to the longitudinal direction of the substrate.
請求項１に記載の蒸着装置。 The vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein the longitudinal direction of the substrate and the longitudinal direction of the metal mask are arranged to intersect each other.
請求項１に記載の真空蒸着装置。 The vacuum deposition apparatus according to claim 1, further comprising a shutter mechanism that blocks the deposition material by partitioning a space between the deposition source and the substrate or a space between the deposition source and the metal mask.
請求項５に記載の真空蒸着装置。 The deposition source includes the film of the opening of the metal mask in which an angle formed by a range in which the deposition raw material is discharged at a thin film forming position on the one surface of the substrate is spaced apart from the one surface. The vacuum deposition apparatus according to claim 5, which is smaller than an angle formed by an opening corresponding to a formation position.
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の真空蒸着装置。 2. The substrate feeding mechanism has a temperature control roll that is in contact with at least a part of the unfolded portion of the substrate and is controlled in temperature on the other surface side of the substrate. The vacuum evaporation apparatus of any one of thru | or 6 thru | or 6.
該基板の一方の面に向かう位置に配置される蒸着源により、薄膜を形成する蒸着材料を該一方の面に向かって放出する蒸着処理が行われる蒸着処理工程と、
ロール状に巻かれておりいくつかの開口が設けられている帯状のメタルマスクのうちの展開された部分を、前記基板と該蒸着源との間の空間を仕切るように渡して前記基板から離間した状態を保って、前記メタルマスクを該メタルマスクの長手方向にマスク移動機構により送る工程と
を含む
パターニングされた薄膜を備える基板の製造方法。 A step of feeding a developed portion of a belt-like substrate wound in a roll shape in the longitudinal direction of the substrate by a substrate feeding mechanism;
A vapor deposition process in which a vapor deposition process for discharging a vapor deposition material for forming a thin film toward the one surface is performed by a vapor deposition source disposed at a position toward the one surface of the substrate;
The unfolded portion of the strip-shaped metal mask wound in a roll shape and provided with several openings is separated so as to partition the space between the substrate and the evaporation source. And a step of sending the metal mask in the longitudinal direction of the metal mask by a mask moving mechanism while maintaining the above state. A method for manufacturing a substrate comprising a patterned thin film.
請求項８に記載の基板の製造方法。 The method for manufacturing a substrate according to claim 8, wherein the step of sending the developed portion of the metal mask is a step of operating the mask moving mechanism so as to continue sending the metal mask while the vapor deposition process is being performed.
請求項８または請求項９に記載の基板の製造方法。 10. The substrate according to claim 8, wherein the step of sending the unfolded portion of the substrate is a step of operating the substrate feeding mechanism so as to continue feeding the substrate while the vapor deposition processing step is performed. Manufacturing method.
請求項８に記載の基板の製造方法。 The vapor deposition treatment process includes a plurality of unit vapor deposition treatment steps in which vapor deposition treatment is continuously performed, and each vapor deposition treatment process is completed and the next unit vapor deposition treatment process is started. The substrate manufacturing method according to claim 8, wherein a rest period is provided.
請求項１１に記載の基板の製造方法。 The step of sending the unfolded portion of the metal mask includes moving the mask so that the metal mask is stationary when the unit deposition process is being performed, and the metal mask is sent during any of the pause periods. The method for manufacturing a substrate according to claim 11, wherein the mechanism operates.
請求項１１に記載の基板の製造方法。 The step of sending the unfolded portion of the substrate is a step of operating the substrate feeding mechanism so that the substrate is stationary when the unit vapor deposition process is being performed and the substrate is fed during the pause period. The manufacturing method of the board | substrate of Claim 11.
請求項８乃至請求項１３のいずれか１項に記載の基板の製造方法。 The average moving speed of the metal mask sent by the mask moving mechanism is slower than the average feeding speed of the substrate sent by the substrate feeding mechanism. Substrate manufacturing method.
請求項１１または請求項１３に記載の基板の製造方法。 The ratio of the number of executions of the step of sending the unfolded portion of the substrate to the number of times of performing the step of sending the unfolded portion of the metal mask is set to a plurality of times vs. once when the pause period has passed a plurality of times. The method for manufacturing a substrate according to claim 11 or 13.
前記透明導電層が形成された面に対して、請求項８乃至請求項１５のいずれか１項に記載の基板の製造方法によって金属薄膜である薄膜をパターニングして形成する工程と
を含む
透明導電層の上にパターニングされた金属薄膜を備える基板の製造方法。 Forming a transparent conductive layer on one surface of a flexible and rolled substrate;
Forming a thin film that is a metal thin film by patterning the surface on which the transparent conductive layer is formed by the substrate manufacturing method according to any one of claims 8 to 15. A method for manufacturing a substrate comprising a metal thin film patterned on a layer.
前記基板に形成された該金属薄膜の上に透明導電層を形成する工程と
を含む
パターニングされた金属薄膜の上に透明導電層を備える基板の製造方法。 A step of patterning and forming a thin film that is a metal thin film by the method for manufacturing a substrate according to any one of claims 8 to 15,
Forming a transparent conductive layer on the metal thin film formed on the substrate. A method for manufacturing a substrate comprising a transparent conductive layer on a patterned metal thin film.
裏面電極層と、ｎｉｐ接合構造を含む半導体層と、前面透明電極層とが前記基板の前記第１面の上に該第１面の側からこの順に配置される光電変換層と、
前記前面透明電極層に接して配置され、前記光電変換層に到達するように光を透過させる光透過領域が設けられたパターンをなす金属層と
を備え、
前記透明電極層および前記金属層を備える前記基板が、請求項１６または請求項１７に記載の製造方法によって形成された基板である
太陽電池。 An electrically insulating substrate having a first surface and a second surface;
A photoelectric conversion layer in which a back electrode layer, a semiconductor layer including a nip junction structure, and a front transparent electrode layer are arranged in this order from the first surface side on the first surface of the substrate;
A metal layer that is arranged in contact with the front transparent electrode layer and has a pattern provided with a light transmission region that transmits light so as to reach the photoelectric conversion layer, and
The said board | substrate provided with the said transparent electrode layer and the said metal layer is a board | substrate formed by the manufacturing method of Claim 16 or Claim 17. The solar cell.
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