Groove machining tool for thin film solar battery

本発明は、カルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池を製造する際の溝加工ツールに関する。
ここで、カルコパイライト化合物とは、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ _２ ）の他に、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ） _２ ）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳ _２ ）等が含まれる。

カルコパイライト化合物半導体を光吸収層として用いる薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。

従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。 図７は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。 まず、図７（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２をスパッタリング法によって形成した後、光吸収層形成前の薄膜太陽電池基板に対してスクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｓを形成する。

その後、図７（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層３を蒸着法、スパッタリング法等によって形成し、その上に、ヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜等からなるバッファ層４をＣＢＤ法（ケミカルバスデポジション法）により形成し、その上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層５を形成する。 そして、透明電極層形成前の薄膜太陽電池に対して、下部電極分離用の溝Ｓから横方向に所定距離はなれた位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｍ１を形成する。

続いて、図７（ｃ）に示すように、絶縁層５の上からＺｎＯ：Ａｌ薄膜からなる上部電極としての透明電極層６を形成し、光電変換を利用した発電に必要な各機能層を備えた太陽電池基板とし、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層２にまで到達する電極分離用の溝Ｍ２を形成する。

上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、電極分離用の溝Ｍ１及びＭ２をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。

レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによってＮｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成する。 この方法は、光吸収層形成後の薄膜太陽電池基板に対して溝を形成する場合、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。

メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２及び３で開示されているように、先端が先細り状となった金属針（ニードル）等の溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。 現在ではこのメカニカルスクライブ法が多く行われている。

従来のメカニカルスクライブ法で使用される溝加工ツールは、特許文献２並びに特許文献３で開示されているものを含め、ボディの先端部に一つの刃先を設けた形状で構成されている。 このような形状の溝加工ツールをスクライブ装置のホルダに取り付けて固定し、溝加工ツールを薄膜太陽電池に押しつけながら、スクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させることで、溝加工を行うようにしている。
しかしながら単一の刃先で形成された溝加工ツールでは、使用によって刃先が摩耗したり、刃こぼれしたりした場合には、その都度ホルダから取り外して研磨、若しくは、新品と交換する必要があって着脱が面倒であった。

そこで、本発明は第一に、刃先が摩耗したとき、溝加工ツール自体を交換することなく、新しい刃先に簡単に据え替えることができる太陽電池用の溝加工ツールを提供することを目的とする。

また、特許文献２及び特許文献３に開示されているようなメカニカルスクライブ法では、溝加工ツールの刃先の形状を先細りの針状にしてあるが、厳密には、薄膜太陽電池に圧接される部分は接触面積を広くするために平らとなるように先端が水平にカットされている。 すなわち、図８に示すように、先端部分が先細りのテーパ面を有する円錐台形状にしてある。
刃先が摩耗したときに、溝加工ツールをホルダから取り外して研磨補修し、再度利用することができるなら経済的であるが、先端部分が円錐台形状であると、研磨することにより刃先の径が変化してしまうことになる。 太陽電池基板では、スクライブラインの線幅を一定に維持して製品としての設計上予定された品質（光電変換効率等）の実現および品質の均一性（再現性）をよくすることが重要であり、そのためには、薄膜の剥離度合を一定にする必要がある。

そこで、本発明は第二に、既に磨耗した刃先についても、研磨によりスクライブラインの線幅を一定に維持して再度利用することができるようにした薄膜太陽電池用の溝加工ツールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の集積型薄膜太陽電池用の溝加工ツールは、円盤状ボディの外周部に、接線方向に刃先を向けた複数の刃が周方向に等しい間隔をあけて複数設けられ、いずれか一つの刃で溝加工できるようにした構造にしてある。

本発明の集積型薄膜太陽電池の溝加工ツールにあっては、使用している刃が摩耗または刃こぼれしたときは、次の新しい刃が溝加工位置にくるように、円盤状のボディを所定角度だけ回転させるだけで、溝加工ツール自体を交換することなく簡単に新しい刃に据え替えることができ、交換作業の煩雑さを解消することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
前記刃が、ボディの外周面に放射方向に沿った刃面を有する切り欠きを設けて、ボディ外周面と刃面とによって形成される角部が刃先となるように形成するのがよい。
これにより、溝加工時に刃先が点接触で基板に接触して薄膜を切れ味よくスムースに剥離することができて、直線状できれいなスクライブラインを形成することができる。

また、溝加工ツールの刃の先端部分の左右側面が、互いに平行な一対の面で形成するのが好ましい。
これにより、刃先が摩耗したときに、刃の頂面、即ちボディ外周面を研磨しても刃の左右幅の寸法に変化が生じることがないので、研磨後であってもスクライブされる溝幅を研磨前と同じに維持することができ、これにより、全ての刃先が摩耗した際に研磨補修して再度利用することができる。

また、溝加工ツールが、超硬合金又はダイヤモンド（焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）等）で形成されている構成とするのが好ましい。
これにより、ツールの寿命が長く、変形も少ないことから、長期間にわたって精度良くスクライブ加工することができる。

本発明にかかる溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の一実施形態を示す斜視図。

本発明にかかる溝加工ツールの斜視図。

上記溝加工ツールの正面図。

上記溝加工ツールの側面図。

上記溝加工ツールの使用形態の例を示す側面図。

本発明にかかる溝加工ツールの別の実施例を示す斜視図。

一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。

従来の溝加工ツールの一例を示す斜視図。

以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。 最初に、本発明の溝加工ツールを取り付けるスクライブ装置の全体構成について説明する。
図１は本発明にかかる溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す斜視図である。 スクライブ装置は、水平方向（Ｙ方向）に移動可能で、かつ、水平面内で９０度及び角度θ回転可能なテーブル１８を備えており、テーブル１８は実質的に太陽電池基板Ｗの保持手段を形成する。

テーブル１８を挟んで設けてある両側の支持柱２０，２０と、Ｘ方向に延びるガイドバー２１とで構成されるブリッジ１９は、テーブル１８上を跨ぐように設けてある。 ホルダ支持体２３は、ガイドバー２１に形成したガイド２２に沿って移動可能に取り付けられ、モータ２４の回転によりＸ方向に移動する。

ホルダ支持体２３には、スクライブヘッド７が設けられており、スクライブヘッド７の下部には、テーブル１８上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール８（詳細は後述する）を保持するホルダ９が設けられている。 ホルダ９は取り付け角度を調整することができるようにしてあり、この取り付け角度を調整することで、溝加工ツール８と太陽電池基板Ｗとの角度を調整できるようにしてある。 また、取り付けた溝加工ツール８を一定角度（例えば９０度）ずつ回転できるようにしてある。 例えばラチェット機構を採用し、取り付けた刃の回転方向を一方向にするとともに、逆方向は爪で一定角度ずつの位置で回転が停止されるようにしてある。

また、Ｘ方向及びＹ方向に移動することが可能な台座１２，１３にカメラ１０、１１がそれぞれ設けられている。 台座１２、１３は支持台１３上でＸ方向に延設されたガイド１５に沿って移動する。 カメラ１０、１１は、手動操作で上下動することができ、撮像の焦点を調整することができる。 カメラ１０、１１で撮影された画像はモニタ１６、１７に表示される。

テーブル１８上に載置された太陽電池基板Ｗには、各工程により、前工程で形成され、表面から観察できるスクライブライン等が存在する。 そのため、各工程において太陽電池基板Ｗをスクライブする場合、前工程で形成されたスクライブライン等をスクライブ位置を特定するためのマークとして利用する。 例えば、スクライブされた下部電極層（Ｍｏ電極層）２の上に光吸収層３、バッファ層４及び絶縁層５が形成された太陽電池基板Ｗに上下電極コンタクト用の溝を形成する場合、下部電極層２に形成されたスクライブラインを溝形成位置特定のためのマークとして利用する。 すなわち、カメラ１０、１１により下部電極層２に形成されたスクライブラインを撮像することにより、太陽電池基板Ｗの位置を調整する。 具体的には、テーブル１８に支持された太陽電池基板Ｗ表面から観察できる下部電極層２に形成されたスクライブラインを、カメラ１０、１１により撮像して下部電極層２に形成されたスクライブラインの位置を特定する。 特定された下部電極層に形成されたスクライブラインの位置に基づいて、上下電極コンタクト用の溝を形成すべき位置（スクライブ位置）を割り出し、太陽電池基板Ｗの位置を調整することによりスクライブ位置を調整する。

そして、テーブル１８をＹ方向に所定ピッチで移動するごとに、スクライブヘッド７を下降させて溝形成ツール８の刃先を太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態でＸ方向に移動させ、太陽電池基板Ｗの表面をＸ方向に沿ってスクライブ加工する。 太陽電池基板Ｗの表面をＹ方向に沿ってスクライブ加工する場合は、テーブル１８を９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。

次に、本発明に係る溝加工ツールについて説明する。
図２〜図４は、本発明の一例である溝加工ツール８を示す。 図２は斜視図であり、図３は正面図、図４は側面図である。 この溝形成ツール８は、超硬合金又はダイヤモンド等の硬質材料で造られた円盤状のボディ８１の外周部に、周方向に等しい間隔をあけて複数の、本実施例では４個の刃領域８２が設けられている。
刃領域８２は、ボディ８１の放射方向に沿った刃面８３を形成する切り欠き８４をボディ８１の外周に設けて、ボディ外周面と刃面８３とによって形成される角部が刃先８５となるように形成されている。 また円盤状ボディ８１の中心にはスクライブ装置のホルダ９に取り付けるための取り付け孔８６が設けられおり、この取り付け孔８６を介してホルダ９に回転並びに固定可能に取り付けられる。

上記溝加工ツール８をホルダ９に取り付けるに際して、刃先８５が図４に示すように、太陽電池基板Wに対して進行方向側に向けて配置し、いずれか一つの刃先で溝加工を行うようにしている。

刃領域８２の頂部の左右幅Ｌ１は５０〜６０μｍが好ましいが、要求されるスクライブの溝幅に対応して２５〜８０μｍとすることができる。 また、円盤状ボディ８１の直径は、例えば１〜２０ｍｍ、厚みＬ２は２０μｍ〜１ｍｍ、刃面８３の高さＨは５０μｍ〜５ｍｍ程度にしてある。

上記構成において、溝加工ツール８をホルダ９に取り付けて溝加工を行う際に、図４に示すように、刃先８５が基板Ｗに対して線接触（図４における紙面の前後方向に線接触する）で接触して薄膜をスムースに剥離することができ、直線状できれいなスクライブラインを形成することができる。 また、溝加工ツール８の取付時において、図５に示すように、刃領域８２の刃面８３を基板Ｗに対して進行方向側に少し傾斜させた姿勢で取り付けることにより、刃先８５が基板Ｗに対して確実に線接触で接触し、薄膜を切れ味よく剥離することが可能となる。

また、使用している刃先８５が摩耗または刃こぼれしたときは、次の新しい刃先が溝加工部位になるように、円盤状のボディ８１を回転させて固定する。 本実施例の場合、等間隔で形成された刃領域８２の数が４個であるので、新しい刃先に位置替えする場合の回転角度は９０度となる。 これにより、溝加工ツールを交換することなく簡単に新しい刃先にセットすることができて交換作業の煩雑さを解消することができる。

図６は、本発明にかかる溝加工ツールの別の実施例を示すものであって、刃領域８２の刃先８５を含む先端部分の左右側面８２ａ、８２ｂが、互いに平行をなす一対の面で形成されている。
これにより、刃先８５が摩耗したときに、刃領域８２の頂面、即ちボディ８１の外周面を研磨しても刃領域８２の左右幅の寸法に変化が生じることがないので、研磨後であってもスクライブされる溝幅を研磨前と同じに維持することができ、これにより、刃先が摩耗した際に研磨補修して再度利用することが可能となる。

上述した実施例では、スクライブヘッド７をＸ方向に移動させることでスクライブ加工を実行したが、スクライブヘッド７と、太陽電池基板Ｗとが相対的に移動できれば足りることから、太陽電池基板Ｗが固定された状態でスクライブヘッド７をＸ方向およびＹ方向に移動させてもよいし、スクライブヘッド７を移動させることなく、太陽電池基板ＷのみをＸ方向及びＹ方向に移動させてもよい。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものではない。 例えば、溝加工ツール８のホルダ９への取付手段は、溝加工ツール８を所定角度ごとに順次回転でき、かつ設定位置で確実に固定できるものであればどのような手段であってもよい。 その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、カルコパイライト化合物系半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池を製造する際に使用される溝加工ツールに適用することができる。

Ｗ 太陽電池基板８ 溝加工ツール８１ ボディ８２ 刃領域８３ 刃面８４ 切り欠き８５ 刃先９ ホルダ