DE102009031233A1 - Device to structure thin-film solar cell module, where structural lines are introduced in module parallel to its transverse edges in rectangular form by laser, includes loading- and unloading station, processing station, and optical device - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzellenmodulen, wie
sie gattungsgemäß aus der
Dünnschichtsolarzellenmodule (Module) werden hergestellt, indem auf ein Substrat, das die Funktion einer Trägerschicht hat, mehrere, in der Regel drei, Funktionsschichten aufgebracht werden. Jeweils nach dem Auftragen einer Funktionsschicht wird mindestens diese in regelmäßigen Abständen entlang paralleler Bahnen (Strukturlinien), die jeweils gemeinsam eine Strukturliniengruppe bilden, wieder abgetragen, was als Strukturierung bezeichnet wird.Thin film solar cell modules (Modules) are made by placing on a substrate that has the function a carrier layer has, several, usually three, functional layers be applied. Each after applying a functional layer is at least these at regular intervals parallel lines (structure lines), each of which together is a structure line group form, again removed, what is called structuring.
Die Prozesse der Beschichtung und der Strukturierung dienen der Bildung einzelner Solarzellen und deren elektrischen Verschaltung. Es ist bekannt für das Strukturieren einen Laser zu verwenden, dessen Laserstrahl entweder direkt oder indirekt durch das Substrat hindurch in die abzutragenden Schicht gerichtet wird.The Coating and structuring processes serve for formation individual solar cells and their electrical interconnection. It is known for structuring a laser to use its laser beam either directly or indirectly through the substrate is directed through in the layer to be removed.
Der Laser wird mit seiner Wellenlänge und seiner Leistung in Abhängigkeit vom Material und der Schichtdicke der jeweils abzutragenden Funktionsschicht ausgewählt und relativ zum beschichteten Substrat entlang der gewünschten Strukturlinien bewegt, wobei er in der Regel in die abzutragende Schicht fokussiert wird.Of the Laser is with its wavelength and its power in Dependence on the material and the layer thickness of each selected functional layer to be removed and relative to coated substrate along the desired structure lines moves, usually focusing in the ablated layer becomes.
Die Anforderungen an den Prozess der Strukturierung sind komplex.The Requirements for the structuring process are complex.
Eine erste Forderung besteht darin, dass sich die Strukturliniengruppen nicht überlagern, um sicher auszuschließen, dass sie nicht in Berührung miteinander kommen. Die gegebenenfalls daraus resultierende Kurzschlussgefahr bzw. falsche Verschaltung stellt die gesamte Funktionalität des Moduls infrage. Um diese Forderung abzusichern, werden die Strukturliniengruppen mit einem Sicherheitsabstand zueinander versetzt hergestellt.A The first requirement is that the structure line groups do not overlap to safely rule out that they do not come into contact with each other. The optionally Resulting risk of short circuit or incorrect connection questions the entire functionality of the module. Around To secure this requirement, the structure line groups with made a safety distance offset from each other.
Die notwendige Breite dieses Sicherheitsabstandes hängt von der Parallelität, der Geradlinigkeit und der Breite der Strukturlinien ab, wie sie mit dem jeweiligen Strukturierungsverfahren erreichbar ist.The necessary width of this safety distance depends on the parallelism, the straightness and the width of the Structure lines down, as with the respective structuring method is reachable.
Da die Fläche zwischen zwei benachbarten Strukturlinien, bestimmt durch die vorgegebene Breite des Moduls und einen gewählten Sicherheitsabstand, dem für die Energieumwandlung gedachten aktiven Bereich der Solarzellen verloren geht, verringert sich mit zunehmender Größe des Sicherheitsabstandes der Wirkungsgrad des Moduls. Es ist demnach wünschenswert, eine hochgenaue Parallelität, beste Geradlinigkeit und eine konstante Breite der Strukturlinien zu erreichen, um den Sicherheitsabstand gering gestalten zu können.There the area between two adjacent structure lines by the given width of the module and a selected one Safety margin, the active energy conversion intended Area of solar cells is lost, decreases with increasing Size of the safety distance the efficiency of the module. It is therefore desirable to have a high accuracy Parallelism, best straightness and a constant width the structural lines to achieve the safety distance low to be able to shape.
Eine weitere Forderung besteht darin, dass die Taktzeit, die hier als die Zeit zwischen dem Zuführen und der Entnahme des Moduls in bzw. aus der Vorrichtung zu verstehen ist, möglichst kurz sein soll. Die Taktzeit für die Einbringung der Strukturierung eines Moduls mit den Abmaßen von z. B. 1,1 m × 1,3 m sollte 60 s nicht überschreiten. Die Taktzeit umfasst die Prozesshilfszeiten, in denen ein Modul aus einer Beladeposition in eine Position zur Prozessdurchführung und nach der Prozessdurchführung in eine Entnahmeposition gebracht wird, sowie die Prozesszeit selbst, in der der Prozess der Strukturierung stattfindet.A Another requirement is that the cycle time, here as the time between feeding and removing the module in or out of the device is to be understood as possible should be short. The cycle time for the introduction of structuring a module with the dimensions of z. B. 1.1 m × 1.3 m should not exceed 60 s. The tact time includes the Process auxiliary times in which a module from a loading position into a position for process execution and after process execution is brought into a removal position, and the process time itself, in which the process of structuring takes place.
Aus
der
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Laser und einen galvanometergesteuerten XYZ-Scanner, der einen vom Laser emittierten Laserstrahl mittels einer Doppelspiegelanordnung in x-y-Richtung auslenkt, wodurch der Laserstrahl eine frei programmierbare Scanlinie beschreiben kann, und mittels einer Fokussieroptik den Fokus des Laserstrahls in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel in z-Richtung verschiebt, so dass dieser stets in einer Ebene bewegt wird.The Device further comprises a laser and a galvanometer controlled XYZ scanner, which uses a laser beam emitted by the laser deflects a double mirror assembly in the x-y direction, whereby the Laser beam can describe a freely programmable scan line, and by means of focusing optics, the focus of the laser beam in dependence shifts from the deflection angle in the z direction, so this always is moved in a plane.
Mit einer solchen Vorrichtung wird aufgrund der Verwendung eines XYZ-Scanners zwar eine hohe Prozessgeschwindigkeit (Strukturierungsgeschwindigkeit) erreicht, jedoch führt der Einsatz dieses Scanners nachweislich zu Abweichungen von der Geradlinigkeit der Strukturlinien. Sie verlaufen in einer nicht reproduzierbaren Wellenform, die durch die überlagerten Bewegungen der Doppelspiegelanordnung in x- und y-Richtung aufgrund nicht zu vermeidender thermischer und elektrischer Effekte keine ideale Gerade ergeben. Z. B. wurde für ein Scanfeld von 600 mm Breite eine Abweichung von einer Geraden von über 20 μm und für ein Scanfeld von 1250 mm Breite eine Abweichung von einer Geraden von über 40 μm gemessen.With Such a device becomes due to the use of an XYZ scanner although a high process speed (structuring speed) achieved, however, the use of this scanner verifiably to deviations from the straightness of the structure lines. They are lost in a non-reproducible waveform passing through the superimposed Movements of the double mirror arrangement in the x and y direction due unavoidable thermal and electrical effects are not ideal Just surrendered. For example, was for a scan field of 600 mm Width is a deviation from a straight line of more than 20 μm and for a scan field of 1250 mm width, a deviation measured from a straight line of over 40 microns.
Um die Überlagerung von Strukturliniengruppen sicher zu vermeiden, müssen die möglichen Abweichungen der Strukturlinien von einer Geraden in das Layout der Solarzellen einbezogen werden. Das bedeutet, dass der Sicherheitsabstand mit zunehmender Breite des Moduls und damit der Breite des Scanfeldes vergrößert werden muss. Die Folge ist eine Verringerung des Wirkungsgrades der einzelnen Solarzellen und damit des Moduls.In order to safely avoid the superposition of structure-line groups, the possible deviations of the structure lines from a straight line into the layout of the solar cells must be included. The means that the safety distance must be increased with increasing width of the module and thus the width of the scan field. The result is a reduction in the efficiency of the individual solar cells and thus of the module.
Aus
der
Die Drehzahl wird in Übereinstimmung mit der Pulsfrequenz sehr hoch gewählt, was mit heutzutage handelsüblichen Lasern zu einer Verzerrung des auftreffenden Laserspots und damit zu einer Verbreiterung der Strukturlinien außerhalb der Toleranz führt.The Speed will be very high in accordance with the pulse rate Highly selected, what with today commercially available Lasers to a distortion of the incident laser spot and thus to a broadening of the structure lines outside the Tolerance leads.
In
der
Um
die bereits dargelegten Nachteile zu beheben, die mit einem derartigen
Scanner für die Qualität der Strukturlinien entstehen,
wird hier vorgeschlagen, die Länge der Scanlinie, wie sie
gemäß der
Das
Scanregime läuft gemäß der
Während der Bewegung entlang der Bahnabschnitte der sich kreuzenden Geraden werden durch die Überlagerung mit der geradlinigen Vorschubbewegung des Substrates zwei senkrecht zur Vorschubbewegung verlaufende Strukturlinien bzw. Strukturlinienabschnitte erzeugt, das sind pro geschlossener Bewegungsbahn zwei Strukturlinien bzw. Strukturlinienabschnitte.While the movement along the track sections of the intersecting straights are due to the overlap with the rectilinear feed motion of the substrate two structural lines perpendicular to the advancing movement or structure line sections generated, which are per closed Movement path two structure lines or structure line sections.
Während der Bewegung entlang der Bahnabschnitte der parallelen Geraden wird entweder der Laser ausgeschaltet, was den Nachteil hat, dass die sich eingestellte Pulsstabilität verloren geht oder er bleibt angeschaltet, was nur möglich ist, wenn die gesamte Strukturlinie in einer Scanbewegung erstellt wird und zusätzliche Maßnahmen erfordert, dass der dann ins Leere gerichtete Laserstrahl keine Schäden verursacht. Als eine solche zusätzliche Maßnahme kommt primär eine Laserstrahlfalle in Betracht, die hier entlang der beiden Längskanten des Substrates vorgesehen werden müsste.While the movement along the track sections of the parallel straight line either the laser is turned off, which has the disadvantage of being set pulse stability is lost or it remains turned on, which is only possible if the entire structure line is created in a scanning motion and additional measures requires that the then emptied laser beam no Damage caused. As such an additional Action comes primarily a laser beam trap in Consider that provided here along the two longitudinal edges of the substrate would have to be.
Beim Scannen von nur Strukturlinienabschnitten sind im Unterschied zum Scannen der gesamten Strukturlinie in einer Scanbewegung zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um den bzw. die Scanner abschnittsweise zu versetzen, wobei sichergestellt werden muss, dass nicht nur die Enden der Strukturlinienabschnitte exakt aneinander gesetzt werden, sondern auch dass, wenn wie vorgeschlagen mehrere Scanner für unterschiedliche Abschnitte einer Strukturlinie eingesetzt werden, diese Abschnitte exakt in einer Flucht liegen. Die erreichten Vorteile stehen erhöhten Justage-, Stabilitäts- und Steueraufwänden sowie der Gefahr von fehlerhaften Übergangen zwischen benachbarten Abschnitten gegenüber.At the Scanning of only structure line sections is different from Scanning the entire structure line in one additional scan Action required to section the scanner (s) It must be ensured that not only the Ends of the structure line sections are set exactly together, but also that if as suggested several scanners for different sections of a structure line are used, these sections are exactly in alignment. The advantages achieved stand increased adjustment, stability and tax expenditures and the risk of erroneous transitions between adjacent ones Opposite sections.
Der dargelegte Stand der Technik zeigt eine Entwicklung, bei der der technische Aufwand zunehmend erhöht wird, um qualitativ hochwertige Strukturlinien bei einer hohen Prozessgeschwindigkeit zu erzeugen.Of the Prior art shows a development in which the technical effort is increasingly increased to quality high-quality structure lines at a high process speed to create.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzellenmodulen zu schaffen, die vergleichsweise mit einem gerätetechnisch geringen Aufwand eine Strukturierung hoher Qualität ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a device for structuring of thin-film solar cell modules that comparatively with a device technology low effort structuring high quality.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.These The object is achieved by a device having the features of the claim 1 solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.advantageous Further developments are described in the subclaims.
Es
ist erfindungswesentlich, dass im Unterschied zum naheliegendsten
Stand der Technik, der durch die
Der Scannerspiegel und die Transporteinrichtung weisen jeweils einen Antrieb auf, die aufeinander abgestimmt ansteuerbar sind, um die Scangeschwindigkeit des Scannerspiegels und die Transportgeschwindigkeit der Transporteinrichtung so einzustellen, dass der Laserstrahl eine zu den Querkanten des Moduls parallele Strukturlinie erzeugt.Of the Scanner mirror and the transport device each have one Drive on, which are controlled to each other to control the Scan speed of the scanner mirror and the transport speed set the transport device so that the laser beam a generated parallel to the transverse edges of the module structure line.
Indem die Laserstrahlauslenkung ausschließlich über die Verkippung nur eines Scannerspiegels erfolgt, wird in überraschender Weise eine bessere Geradlinigkeit der Strukturlinie erreicht.By doing the laser beam deflection exclusively via The tilting of only one scanner mirror is surprising Way a better straightness of the structure line achieved.
Anhand der Zeichnung wird die Vorrichtung im Folgenden beispielhaft näher erläutert.Based In the drawing, the device will be closer in the following example explained.
Es zeigen:It demonstrate:
In
den
Die
Vorrichtung weist eine Auflageebene
Die
Vorrichtung umfasst wenigstens eine optische Einrichtung
Mit der Vorrichtung sollen gleich aus dem Stand der Technik bekannten, gattungsgemäßen Vorrichtungen Dünnschichtsolarzellenmodule (Module) mittels Laser strukturiert werden, indem in ein zu bearbeitendes Modul, das die Form einer rechteckigen Planplatte mit Längs- und Querkanten aufweist, zueinander beabstandete Strukturlinien parallel zu den Querkanten eingebracht werden.With the device should be readily known from the prior art, generic devices thin-film solar cell modules (Modules) are laser structured by placing in a Module, which takes the form of a rectangular plane plate with longitudinal and transverse edges, spaced structure lines be introduced parallel to the transverse edges.
Die
Vorrichtung umfasst eine Beladestation
Die
Beladestation
Vorteilhaft
werden die Auflageflächen
Darüber
hinaus umfassen die Be- und Entladestation
Die
Auflageebene
Die
Bearbeitungsebene
Die
Bearbeitungsstation
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel sind zwei erste optische Einrichtungen
Wenn
gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
mehrere erste optische Einrichtungen
Da
die Scanrichtung
Die
Scanrichtung
Um
die Scanrichtung
Der
Scanwinkel α, die Scangeschwindigkeit und die Transportgeschwindigkeit
der Transporteinrichtung
Aufgrund
dessen, dass der Verlauf der erzeugten Strukturlinie durch die Überlagerung
der Transportbewegung und der Scanbewegung bestimmt ist, d. h. der
Verlauf der Strukturlinie setzt sich zusammen aus der geradlinigen
Bewegungsbahn der Transporteinrichtung
Da
die Scanbewegung in Scanrichtung
Die
Transportbewegung ist durch ihre Transportrichtung
Eine
Strukturlinie senkrecht zur Transportrichtung
Folglich
wird der Laser
Die
Taktzeit kann verringert werden, indem mehrere erste optische Einrichtungen
Vorteilhaft
kann anstelle von zwei ersten optischen Einrichtungen
Diese
zweite optische Einrichtung
Der
Umlenkspiegel
Durch
eine Anordnung von mehr als nur einer zweiten optischen Einheit
Es
ergibt sich damit je zweiter optischer Einheit
Zur
Bearbeitung wird das Modul
Indem
die Scanrichtung
Die
Bearbeitungsstation
Indem
die Bearbeitungsebene
Wie
bereits dargelegt, sind die Belade- und die Entladestation
Ein
Modul
Die
Auflageelemente
Bei
letzterem wird mittels der Förderbänder des Aushebers
Die
Startposition ist erreicht, wenn sich das Modul
Spätestens
in dieser Startposition wird das Modul
Die
Transporteinrichtung
Der
Arbeitstisch
Damit
die von den optischen Einrichtungen
Um
die Spalte gegebenenfalls an eine geänderte Scanrichtung
In
Aus
der Verwendung eines Einachs-Scanners
Oberhalb des Scanbereiches muss aus Sicherheitsgründen zur Vermeidung eines unkontrollierten Strahlenaustritts grundsätzlich eine Laserstrahlenfalle angebracht werden.Above The scan area must be avoided for safety reasons an uncontrolled radiation emission in principle a laser beam trap will be installed.
Im
gleichen Bereich ist grundsätzliche eine Absaugeinrichtung
vorzusehen, mit der das abgetragene Material abgesaugt wird. Üblicherweise
wird die zur Absaugeinrichtung gehörende Absaughaube
Ein
Einachs-Scanner
- 11
- Beladestationloading
- 22
- Bearbeitungsstationprocessing station
- 33
- Entladestationunloading
- 44
- Transporteinrichtungtransport means
- 55
- Auflageebenesupport plane
- 66
- Modulmodule
- 77
- AusheberLifters
- 88th
- Bearbeitungsebenemachining plane
- 99
- Laserlaser
- 1010
- Einachs-ScannerSingle-axis scanner
- 1111
- Strahlaufweitungs- und FokussieroptikStrahlaufweitungs- and focusing optics
- 1212
- optische Einrichtungoptical Facility
- 12.112.1
- erste optische Einrichtungfirst optical device
- 12.212.2
- zweite optische Einrichtungsecond optical device
- 1313
- Transportrichtungtransport direction
- 1414
- SchwenktischRotary table
- 1515
- Auflageelementesupport elements
- 1616
- Auflageflächebearing surface
- 1717
- Arbeitstischworktable
- 1818
- Grundgestellbase frame
- 1919
- Umlenkspiegeldeflecting
- 2020
- Hebemechanismuslifting mechanism
- 2121
- Führungsschieneguide rail
- 2222
- Scannerspiegelscanner mirror
- 2323
- Achseaxis
- 2424
- Scanrichtungscanning direction
- 24.124.1
- Scanrichtung mit Richtungssinn zur Transportbewegungscanning direction with sense of direction to the transport movement
- 24.224.2
- Scanrichtung mit entgegengesetztem Richtungssinn der Transportbewegungscanning direction with opposite sense of direction of the transport movement
- 2525
- Absaughaube Scanwinkelexhaust hood scan angle
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - US 6559411 B2 [0001, 0010, 0016] US 6559411 B2 [0001, 0010, 0016]
- - US 6300593 [0014] US 6300593 [0014]
- - WO 2007/144565 [0016, 0018] - WO 2007/144565 [0016, 0018]
- - US 6559411 [0017, 0018, 0026] US 6559411 [0017, 0018, 0026]
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