Grooving tool and method for grooving thin film solar cell using the same

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６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６（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６（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６（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および特許文献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７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。

先端部分が円錐台形状の溝加工ツールを用いてスクライブすることにより、基板との接触面積が大きくなるので比較的安定して溝加工を行うことができる。 しかしながら、加工する溝深さが少し深くなると、スクライブ時に円錐台形状の側面のテーパ面と基板との接触面積が大きくなり、摩擦抵抗によって薄膜が不規則に大きく剥がれてしまい、不必要な部分まで除去してしまうことがあり、太陽電池の特性および歩留まりが低下するおそれがあった。
そこで、本発明は第二に、加工する溝深さが少し深くなる場合でも、刃先と基板との接触面積が大きくならないようにして、摩擦抵抗による不規則な剥がれが発生しにくい溝加工ツールを提供することを目的とする。

さらに、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、本発明は第三に、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、歯車状に連続した多数の凹部、凸部が円周方向に沿って等間隔で形成され、この凸部の接線方向に向いた少なくともいずれか一方の角部が刃先として形成されている構成とした。
また、上記課題を解決するためになされた本発明にかかる集積型薄膜太陽電池の溝加工方法は、集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って、溝加工ツールの刃先で押圧しながら、太陽電池基板若しくは溝加工ツールを相対的に移動させて太陽電池の上にスクライブラインを形成する集積型薄膜太陽電池の溝加工方法であって、溝加工ツールは、スクライブ装置のホルダに回転ならびに固定可能に取り付けた円盤状ボディの外周部に、歯車状に連続した多数の凹部、凸部が円周方向に沿って等間隔で形成され、この凸部の接線方向に向いた少なくともいずれか一方の角部が刃先として形成され、刃先を前記移動方向に向けて配置し、一回の移動で複数の刃先により異なる深さの溝加工を同時に行うようにしている。
本発明によれば、予め円盤状ボディの直径並びにその周面に形成される凸部の突出高さや数が、加工すべき溝の深さに対応して設定されることにより、溝加工を行う際に、溝の浅い部分から深い部分にかけて、異なる２〜３個の刃先で順次薄膜が削られるようにする。 これにより、複数の刃先で少しずつ溝加工を行うようにして、摩擦抵抗が大きくならないようにする。

本発明の集積型薄膜太陽電池製造方法にあっては、溝加工を行う際に、歯車状に連続した凸部の角部が刃先として形成されている形状の溝加工ツールを使用し、刃先を移動方向に向けて配置して、複数の刃先で同時に溝加工を行うようにしたので、溝部は複数の刃先で徐々に削られることになる。 すなわち、溝部に接触して作用する複数の刃先のうち、進行方向前方側にある上段の刃先から順次下段側にある刃先によって徐々に削られ、これにより溝加工時の摩擦抵抗を軽減して不規則な薄膜の剥離の発生をなくし、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、刃先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、円盤状のボディを所定角度だけ回転させるだけでよく、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。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
溝加工ツールの凸部の左右側面を互いに平行な一対の面に形成するのが好ましい。
この場合は、刃先が摩耗したときに、凸部の頂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側面図。

上記溝加工ツールの正面図。

本発明にかかる溝加工ツールによる太陽電池基板のスクライブラインの加工状態を示す模式図。

本発明にかかる溝加工ツールの他の実施例を示す要部の断面図。

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、略水平方向（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、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が夫々設けられている。 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ならびに図３は、本発明の一例である溝加工ツール８を示す。 図２は側面図であり、図３は正面図である。 この溝形成ツール８は、超硬合金又はダイヤモンド（焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）等）等の硬質材料で造られた円盤状のボディ８１の外周部に、歯車状に連続した多数の凹部８２、凸部８３が円周方向に沿って等間隔で形成される。 この凸部８３の接線方向に向いたいずれか一方の角部が刃先８４として形成されている。 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への取り付け孔８５が設けられおり、この取り付け孔８５を介して図１で示したホルダ９に回転ならび固定可能に取り付けられる。

上記溝形成ツール８をホルダ９に取り付けるに際して、刃先８４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、複数の刃先で、本実施例では三個の刃先で同時に溝加工を行うようにしている。 そのために、予め円盤状ボディ８１の直径やその周面に形成される凹部８２、凸部８３の寸法並びにその数が、加工すべき溝の深さや幅に対応して設定される。
具体的には、例えばボディ８１の直径が１〜２０ｍｍ、厚みＬ１が２０μｍ〜１ｍｍ、凸部８３の高さＨが５〜５００μｍ程度にしてある。

上記構成において、溝加工を行う際に図４に示すように基板Ｗの薄膜は複数の刃先８４で徐々に削られることになる。 すなわち、基板Ｗに接触して作用する複数の刃先のうち、進行方向前方側にある上段の刃先から順次下段側にある刃先によって徐々に削られ、これにより溝加工時の摩擦抵抗が著しく軽減されて不規則な薄膜の剥離の発生をなくすることができ、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、刃先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を所定角度αだけ回転させて固定する。 本実施例の場合、３個の刃先で削るようにしてあるので、新しい刃先に位置替えする場合の前記所定角度αは刃先３個分の角度となる。

本発明によれば、複数の刃先８４で同時に溝加工を行うようにしたので、薄膜は複数の刃先８４…で徐々に削られることになる。 溝部に接触して作用する複数の刃先のうち、進行方向前方側にある上段の刃先から順次下段側にある刃先によって徐々に削られる。 これにより溝加工時の摩擦抵抗を軽減して不規則な薄膜の剥離の発生をなくし、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、使用した刃先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を所定角度だけ回転させるだけでよく、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５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、凸部８３の左右側面８３ａ、８３ｂが互いに平行な一対の面となるように形成されている。
この実施例では、刃先が摩耗したときに、凸部８３の頂面を研磨しても刃の左右幅の寸法Ｌ３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。

上記の実施例では、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α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。 また、上記実施例では、凸部８３の一方の角部を刃先８４としたが、左右両方の角部を刃先として形成するようにしてもよい。 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の製造方法、及び、これに用いることのでき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７ スクライブヘッド８ 溝加工ツール８１ ボディ８２ 凹部８３ 凸部８４ 刃先８３ａ、８３ｂ 凸部の左右側面９ ホルダ