JP5218702B2

JP5218702B2 - 光電変換素子の製造装置

Info

Publication number: JP5218702B2
Application number: JP2012520304A
Authority: JP
Inventors: 剛人辻
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: DE112011102023T5; JPWO2011158525A1; US20120233831A1; CN102668112A; WO2011158525A1

Description

本発明は、薄膜太陽電池に用いられる光電変換素子を製造する製造装置に係り、詳しくは透明導電膜を形成した光電変換素子に対してアニール処理を行う光電変換素子の製造装置に関するものである。

近年、環境保護の観点から、クリーンな発電装置としての太陽電池が注目を集めている。その中でも、微結晶シリコンやアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光電変換層を有する光電変換素子を用いた薄膜太陽電池は、省シリコン原料、大面積化及び量産性等の面で有利であり、持続可能な社会を実現するためにその重要性が増してきている。このような薄膜太陽電池の光電変換層は、一般にプラズマＣＶＤ法によって形成されている。また、発電層にＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ、Ｓを用いた化合物系太陽電池（ＣＩＳ系）の活用も進んでいる。

半導体薄膜などの薄膜積層体基板には、通常、高剛性の基板が用いられている。一方、例えば太陽電池等に使用される光電変換素子の基板には、軽量で取り扱いが容易であるといった利便性や、大面積化及び大量生産によるコスト低減を図るため、樹脂製シートやステンレス鋼板薄板といった可撓性基板が用いられている。
このような可撓性基板を用いて光電変換素子を製造する装置としては、主にロールツーロール方式のものと、ステッピングロール方式のものとがある。ロールツーロール方式の製造装置は、複数の各成膜室内を連続的に移動していく可撓性基板上に複数の層を連続的に成膜していくものであり、ステッピングロール方式の製造装置は、成膜室内で可撓性基板を一旦停止させて当該基板上に成膜した後、成膜が終了した可撓性基板部分をその成膜室から次の成膜室へ送り出すものである。

かかるプロセスで形成された光電変換素子は、成膜時に発生する膜中欠陥等の影響で電気的物性が不十分であるという問題があった。そこで従来から、光電変換素子を用いた薄膜太陽電池の場合においては、当該光電変換素子に対して加熱処理などのアニール処理を行うことにより、残留歪み等を取り除き、光電変換性能の向上を図る方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、薄膜光電変換層を形成した可撓性基板が巻取りロールに巻かれた状態で、ロールツーロール方式もしくはステッピングロール方式の成膜装置とは別置された加熱炉中において、薄膜光電変換層を形成した可撓性基板に対して一定条件下で加熱処理（アニール処理）を行い、光電変換特性を良好にする薄膜太陽電池の製造方法が開示されている。

特許第４０８２０７７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示すような薄膜光電変換層を形成した可撓性基板に対する加熱処理は、薄膜を成膜する製造装置とは別に設けた加熱炉で行われるため、その分製造装置の大型化、ひいてはコスト増につながる。更に、搬送時間や加熱炉の昇降温の時間が必要なため、光電変換素子の生産性を低下させるという課題がある。

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、小スペースで可撓性基板に対するアニール処理を効率良く行うことによって、装置占有面積と処理時間の増大を最小限に抑え、高い生産性を確保しながら、光電変換素子の電気特性を向上させることが可能な光電変換素子の製造装置を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、可撓性基板上に光電変換素子と透明導電膜を形成し、その後、前記可撓性基板を巻取り室に搬送して、前記巻取り室に配置されている巻取りロールに巻取るようにした光電変換素子の製造装置において、前記巻取り室には、前記巻取り中の可撓性基板に対してアニール処理を行う加熱機構が設けられている。

本発明は、特に、次のように構成されていることが好ましい。
（１）前記加熱機構は、前記巻取りロールのコアに設けられている。
（２）前記巻取りロールの外側には、前記可撓性基板を加熱する非接触式加熱機構が配置されている。

（３）前記非接触式加熱機構は、これを往復動させる駆動部を備え、前記駆動部によって、前記非接触式加熱機構が前記巻取りロールに巻かれた前記可撓性基板の巻き径に連動して移動するように構成されている。
（４）前記巻取り室には、前記可撓性基板の温度及び前記巻取りロールのコア温度の少なくとも一方を測定する温度測定器が配置され、前記温度測定器は、前記加熱機構及び前記非接触式加熱機構の出力を制御する温度制御手段に電気的に接続されている。

（５）前記巻取りロールは、これを回転駆動させる回転駆動部を備え、前記回転駆動部及び前記非接触式加熱機構の駆動部は、前記巻取りロールの回転速度及び前記非接触式加熱機構の移動距離を制御する駆動制御手段に電気的に接続されている。
（６）前記温度制御手段及び前記駆動制御手段は、主制御装置を介して互いに電気的に接続されている。
（７）前記巻取り室は、前記可撓性基板に対して、１２０℃以上の温度範囲でアニール処理が行われるように構成されている。

上述の如く、本発明に係る光電変換素子の製造装置は、可撓性基板上に光電変換素子と透明導電膜を形成し、その後、前記可撓性基板を巻取り室に搬送して、前記巻取り室に配置されている巻取りロールに巻取るようにしたものであって、前記巻取り室には、前記巻取り中の可撓性基板に対してアニール処理を行う加熱機構が設けられているので、成膜後の可撓性基板を巻取る過程であって、他の部分が成膜中に可撓性基板に対するアニール処理を行うことができる一方、加熱炉及びこれに付属する減圧装置や窒素導入装置等を製造装置とは別に追加して設置することが不要となる。
したがって、本発明の製造装置によれば、アニール処理による電気特性を向上させた光電変換素子を円滑にかつ確実に製造することができるとともに、装置占有面積を抑え、処理時間の短縮が可能できる。

また、本発明において、前記加熱機構は、前記巻取りロールのコアに設けられているので、巻取り室に大型の加熱室などを追加することなく、巻取りロールのコアに巻取られた状態で、成膜後の可撓性基板に対して迅速にアニール処理を行うことが可能となり、光電変換素子の電気特性向上を図ることができる。
さらに、本発明において、前記巻取りロールの外側には、前記可撓性基板を加熱する非接触式加熱機構が配置されているので、成膜後の可撓性基板に対してより一層効果的にアニール処理を行うことができる。
しかも、本発明において、前記非接触式加熱機構は、これを往復動させる駆動部を備え、前記駆動部によって、前記非接触式加熱機構が前記巻取りロールに巻かれた前記可撓性基板の巻き径に連動して移動するように構成されているので、成膜後の可撓性基板に対してより迅速にかつ効率よくまた常に一定の条件で、アニール処理を行うことができる。

また、本発明において、前記巻取り室には、前記可撓性基板の温度及び前記巻取りロールのコア温度の少なくとも一方を測定する温度測定器が配置され、前記温度測定器は、前記加熱機構及び前記非接触式加熱機構の出力を制御する温度制御手段に電気的に接続されているので、成膜後の可撓性基板の温度及び巻取りロールのコア温度を監視し、温度制御手段を介してフィードバック制御を行うことにより、加熱機構の出力を変更することが可能となり、成膜後の可撓性基板の温度及び巻取りロールのコア温度を高い精度で制御することができる。

また、本発明において、前記巻取りロールは、これを回転駆動させる回転駆動部を備え、前記回転駆動部及び前記非接触式加熱機構の駆動部は、前記巻取りロールの回転速度及び前記非接触式加熱機構の移動距離を制御する駆動制御手段に電気的に接続されているので、成膜後の可撓性基板の温度及び巻取りロールのコア温度を監視し、駆動制御手段を介してフィードバック制御を行うことにより、巻取りロールの回転速度及び非接触式加熱機構の移動距離を変更して可撓性基板の搬送速度や加熱温度を調整することが可能となり、成膜後の可撓性基板に対し必要かつ十分なアニール処理を行うことができる。
さらに、本発明において、前記温度制御手段及び前記駆動制御手段は、主制御装置を介して互いに電気的に接続されているので、応答性の優れた制御を実現することができる。
そして、本発明において、前記巻取り室は、真空または窒素、アルゴン等の不活性ガスが導入された雰囲気とされ、前記可撓性基板に対して、１２０℃以上の温度範囲でアニール処理が行われるように構成されているので、成膜後の可撓性基板に対し必要かつ十分なアニール処理を効率的に行うことができ、電気特性の優れた光電変換素子を製造することができる。

本発明の実施形態に係る光電変換素子の製造装置の構成を示す断面模式図である。図１の製造装置における非接触式ヒータの駆動部を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線断面図である。図２の非接触式ヒータが巻取りロールに巻かれた可撓性基板の巻き径に連動して移動する状態を模式的に示すものであり、（ａ）は径が細いときの非接触式ヒータの配置図、（ｂ）は径が太くなったときの非接触式ヒータの配置図である。図１の製造装置における巻取りロールの回転駆動部を示す模式図である。図１の製造装置において、可撓性基板の搬送速度を変更する制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る光電変換素子の製造装置について、図面を参照しながら、その実施形態に基づき詳細に説明する。
ここで、図１は本発明の実施形態に係る光電変換素子の製造装置の構成の断面模式図である。

図１は、可撓性基板１をロールツーロール方式で連続搬送する場合の実施の形態を示している。図１において、本実施形態の製造装置は、可撓性基板１の搬送方向（矢印Ａ方向）に沿って延在する真空容器２を備えており、該真空容器２は、上流側から下流側（図中、左側から右側）にかけて巻出し室３、複数（図１では１つのみが示されている）の成膜室４及び巻取り室５が設置されている。一般に、可撓性基板１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やステンレス鋼材が使用されている。
巻出し室３内には、可撓性基板１の送り出し用の巻出しロール６及びガイドロール７が配置され、巻取り室５内には、可撓性基板１の巻取り用の巻取りロール８及びガイドロール７が配置されている。巻取り室５内は、真空または窒素、アルゴン等の不活性ガスが導入されることにより、不活性な雰囲気となるように構成されている。
可撓性基板１は、巻出しロール６からガイドロール７を経て、成膜室４を通過し、さらにガイドロール７を経て巻取りロール８までの間を連続的に移動するように構成されている。

成膜室４内には、外部の高周波電源から整合回路ユニットの整合回路、ケーブルを介して高周波電力（ＲＦ電力）が供給される高周波電極（ＲＦ電極）９と、該高周波電極９と対向する位置に接地電極１０が配置されている。高周波電極９は、表面側に成膜ガス（原料ガス）をシャワー状に放出するための多数のガス吹出口を穿設したシャワーヘッド電極板を備え、接地電極１０内には、搬送されてくる可撓性基板１を加熱するヒータが内蔵されている。
そして、高周波電極９に高周波電圧が印加されると、高周波電極９と接地電極１０との間の放電空間にプラズマが発生し、成膜ガスが分解、反応して、当該電極間に搬送されてくる可撓性基板１の表面に光電変換素子と透明導電膜が形成されるようになっている。

一方、本実施形態の製造装置における巻取りロール８のコア（巻き芯）には、成膜後に、巻取り中の可撓性基板１に対してアニール処理を行う加熱機構のロールコアヒータ１１が設けられており、該ロールコアヒータ１１は、巻取りロール８を所定の温度まで昇温ならびに保温することが可能な構造になっている。具体的には、ステンレス鋼材やアルミニウム材等の材料で作製したロールコアの内側にヒータを設置することによって構成され、コア内部より加熱するようになっている。ロールコアヒータ１１としては、シーズヒータ、エレメントヒータまたはカートリッジヒータが用いられ、フィードスルーを介して電力が供給されている。なお、処理対象となる可撓性基板の材質や装置構成によっては、形状を円筒としたヒータ自体をロールコアとして使用することも可能である。

また、巻取りロール８の外側周囲には、巻取り中の可撓性基板１に対して所定温度以上のアニール処理が必要な場合などに対応できるようにするため、外周部側から成膜後の可撓性基板１を加熱する非接触式加熱機構の非接触式ヒータ１２が所定の間隔を空けて配置されている。この非接触式ヒータ１２としては、周方向に所定の間隔を空けて配置した複数個の遠赤外線加熱ランプヒータが挙げられ、各ランプヒータの外側には反射板１２ａが設けられている。遠赤外線加熱ランプヒータは、反射率が大きい、すなわち輻射率が小さい物質に対しての加熱効率が低いため、使用する可撓性基板１の処理状態に応じて使い分ける必要がある。成膜後の可撓性基板１は、１２０℃以上に加熱された状態で、アニール処理が行われるようになっている。

しかも、非接触式ヒータ１２は、当該ヒータを往復動させるアクチュエータなどの駆動部を備え、可動式の構造となっている。本実施形態の非接触式ヒータ１２の駆動部としては、例えば、図１のＡ−Ａ線断面に示す図２が挙げられる。この図２において、非接触式ヒータ１２の上下部は、連結ロッド２１及び作動ロッド２２ａを介して油圧式等のアクチュエータ２２にそれぞれ接続されており、アクチュエータ２２の作動ロッド２２ａを伸縮させることによって、非接触式ヒータ１２を矢印方向へ移動させるようになっている。また、非接触式ヒータ１２の移動方向は、非接触式ヒータ１２の上下位置で巻取りロール８の軸心と直交する方向に延在し、かつ連結ロッド２１と係合するガイド部（ガイド溝、ガイドレール等）２３によって規制されている。さらに、各アクチュエータ２２は、後述する駆動制御手段１７に電気的に接続されている。
すなわち、非接触式ヒータ１２は、当該駆動部によって、巻取りロール８に巻取られた成膜後の可撓性基板１の巻き径に連動して可撓性基板１の径方向に対して前後に移動するように構成されており、処理中において非接触式ヒータ１２と可撓性基板１との間の距離が制御され、成膜後の可撓性基板１が所望の温度に保たれるようになっている。例えば、図３（ａ）に示す巻き径が細い場合と、図３（ｂ）に示す巻き径が太くなった場合では、非接触式ヒータ１２の位置が、可撓性基板１の巻き径の変動に追随して変化するようになっている。なお、巻取りロール８に巻取られた可撓性基板１と非接触式ヒータ１２との間を所定の距離に保つだけでなく、ヒータ出力を制御して入熱量（熱流束）を一定に制御する。これは、巻き径が細いときは、非接触式ヒータ１２同士が接近して配置されることになるため、低いヒータ出力で効果的に加熱可能なためである。

そして、本実施形態の巻取り室５内には、成膜後の可撓性基板１の温度及び巻取りロール８のコア温度の少なくとも一方（本実施形態では両方）を測定する例えば非接触式の温度測定器１３が配置されている。この温度測定器１３は、ロールコアヒータ１１及び非接触式ヒータ１２の出力を制御する温度制御手段１４に電気的に接続されている。

さらに、本実施形態の巻取りロール８は、当該ロールを回転駆動させるモータなどの回転駆動部を備えており、該回転駆動部が巻取りロール８の回転速度を調整することによって、巻取り中の可撓性基板１の搬送速度が変更可能に構成されている。この巻取りロール８の回転駆動部及び非接触式ヒータ１２の駆動部は、巻取りロール８の回転速度及び非接触式ヒータ１２の移動距離を制御する駆動制御手段１７にそれぞれ電気的に接続されている。
しかも、これら温度制御手段１４及び駆動制御手段１７は、主制御装置１８を介して互いに電気的に接続されている。
本実施形態の巻取りロール８の回転駆動部としては、例えば、図４に示すものが挙げられる。巻取りロール８の一端側は、回転駆動機構であるサーボモータ２３等の回転軸に直接コアが接続され（またはモータの回転運動を伝達する機構のゴムベルト等で間接的に接続され）、回転駆動機構に接続されていない他端側はベアリング２４等の回転支持部品に接続されている。モータとの直接接続か、または間接接続かは、周囲の設置スペースの大きさによって選択する。また、サーボモータ２３の回転駆動機構は、回転駆動部制御装置２５を介して主制御装置１８に電気的に接続され、サーボモータ２３等の回転駆動機構と回転駆動部制御装置２５との間には、サーボモータ２３の回転数を検出するエンコーダ、タコジェネレータ等の検出部２６が電気的に接続されて配置されている。

このように構成された回転駆動機構のサーボモータ２３によって巻取りロール８の回転速度を調整すると、巻取り中の可撓性基板１の搬送速度を変更することが可能になる。すなわち、図５に示すように、搬送速度の変更を入力すべく、主制御装置１８より回転駆動部制御装置２５を介してサーボモータ２３に回転数の指定が入力されると、ギアチェンジが行われる。これに伴い、巻取りロール８の回転数が変更され、可撓性基板１の搬送速度の変更が完了することになる。なお、図５においては、ギアチェンジが行われているが、構成によってはギアチェンジを省略しても良い。一方、現状搬送速度の確認や搬送速度指示の検出（異常値入力の検出）などは、省略して説明している。

また、巻取りロール８の回転速度制御と非接触式ヒータ１２の移動距離制御については、下記の表１の処理条件によって、巻取りロール８の回転数を増減したり、非接触式ヒータ１２及び可撓性基板１の間の距離（ヒータ出力の変更でも可能）を一定にしたり、近づけたりあるいは遠くにしたりすることが行われている。なお、制御部はすべて主制御装置１８を介して接続されている。なお、表１はヒータ出力一定の場合の制御方法である。材料や目標温度によって適宜ヒータ出力も調整する。

このように、本実施形態の主制御装置１８は、温度制御手段１４、駆動制御手段１７及び回転駆動部制御装置２５の全てと電気的に接続されており、上記表１に記載された各パターンの制御を入力値に従って処理するように構成されている。すなわち、主制御装置１８は、温度制御手段１４を介して温度測定器１３と電気的に接続されており、温度測定器１３により可撓性基板１の温度及び巻取りロール８のコア温度を測定した結果をフィードバックして、非接触式ヒータ１２の加熱時間や非接触式ヒータ１２及び可撓性基板１間の距離および各ヒータの出力を制御している。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更及び変形が可能である。
例えば、既述の実施の形態では、成膜室４を連続的に移動していく可撓性基板１上に連続的に成膜するロールツーロール方式の製造装置について説明したが、本発明は、成膜室４内に搬送される可撓性基板１を一旦停止させ、この状態で成膜した後、成膜の終わった可撓性基板部分をその成膜室４から次の成膜室４へ送り出すステッピングロール方式の製造装置に適用することも可能である。更には成膜室が鍍金工程等の真空プロセス以外の工程を含む場合にも適用可能である。

また、既述の実施の形態では、巻取りロール８の外側周囲に、外周部側から可撓性基板１を加熱する非接触式ヒータ１２が配置されているが、適用機種によっては、ロールコアヒータ１１のみが設けられ、非接触式ヒータ１２が配置されていない場合も可能である。

１可撓性基板
２真空容器
３巻出し室
４成膜室
５巻取り室
６巻出しロール
８巻取りロール
９高周波電極
１０接地電極
１１ロールコアヒータ（加熱機構）
１２非接触式ヒータ（非接触式加熱機構）
１３温度測定器
１４温度制御手段
１７駆動制御手段
１８主制御装置
２２アクチュエータ
２３サーボモータ
２４ベアリング
２５回転駆動部制御装置

Claims

可撓性基板上に光電変換素子と透明導電膜を形成し、その後、前記可撓性基板を巻取り室に搬送して、前記巻取り室に配置されている巻取りロールに巻取るようにした光電変換素子の製造装置において、
前記巻取り室には、前記巻取り中の可撓性基板に対してアニール処理を行う加熱機構が設けられていることを特徴とする光電変換素子の製造装置。
前記加熱機構は、前記巻取りロールのコアに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子の製造装置。
前記巻取りロールの外側には、前記可撓性基板を加熱する非接触式加熱機構が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子の製造装置。
前記非接触式加熱機構は、これを往復動させる駆動部を備え、前記駆動部によって、前記非接触式加熱機構が前記巻取りロールに巻かれた前記可撓性基板の巻き径に連動して移動するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光電変換素子の製造装置。
前記巻取り室には、前記可撓性基板の温度及び前記巻取りロールのコア温度の少なくとも一方を測定する温度測定器が配置され、前記温度測定器は、前記加熱機構及び前記非接触式加熱機構の出力を制御する温度制御手段に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換素子の製造装置。
前記巻取りロールは、これを回転駆動させる回転駆動部を備え、前記回転駆動部及び前記非接触式加熱機構の駆動部は、前記巻取りロールの回転速度及び前記非接触式加熱機構の移動距離を制御する駆動制御手段に電気的に接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光電変換素子の製造装置。
前記温度制御手段及び前記駆動制御手段は、主制御装置を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項５または６に記載の光電変換素子の製造装置。