DE102011103481B4

DE102011103481B4 - Selective removal of thin layers by means of pulsed laser radiation for thin-film structuring

Info

Publication number: DE102011103481B4
Application number: DE102011103481.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Braun Alexander; Christian Scheit; Steffen Ragnow; Klaus Zimmer; Anja Wehrmann; Martin Ehrhardt
Original assignee: Leibniz-Institut fur Oberflachenmodifizierung E V; Oc3 AG; Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz-Institut fur Oberflaechenmodifizierun De
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2031-06-04
Also published as: DE102011103481A1; WO2012163351A1

Abstract

Selektives Abtragen einer dünnen Schicht oder eines Schichtpakets aus dünnen Schichten zur Dünnschichtsolarzellenstrukturierung, wobei eine kurzzeitige Laserbestrahlung von der schichtabgewandten Rückseite eines Schichtträgers der Dünnschichtsolarzelle aus auf diese Rückseite angewandt wird, die Laserstrahlung im Bereich der Rückseite des Schichtträgers direkt oder durch einen Hilfsstoff überwiegend absorbiert wird, durch die Laserbestrahlung auch im Bereich der Rückseite des Schichtträgers ein Materialabtrag durch die Laserbestrahlung auftritt, die absorbierte Laserenergie zu Teilen durch den Schichtträger zu der Schicht oder den Schichten geleitet wird und die weitergeleitete Energie nichtelektromagnetischer Art den Abtrag der Schicht oder der Schichten bewirkt.Selective removal of a thin layer or a layer package of thin layers for thin-film solar cell structuring, wherein a short-term laser irradiation is applied from the non-layered back of a substrate of the thin-film solar cell on this back, the laser radiation in the back of the substrate is absorbed directly or by an adjuvant predominantly, the laser irradiation also leads to material removal by the laser irradiation in the area of the rear side of the substrate, the absorbed laser energy being passed in parts through the substrate to the layer or layers, and the non-electromagnetic transfer energy causing the removal of the layer or layers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrag von Materialien aus einem Schichtpaket, das sich auf einem Träger befindet, zur Herstellung von Mustern in Einzelschichten oder dem Schichtpaket sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for removing materials from a layer package, which is located on a support, for the production of patterns in single layers or the layer package as well as a device for carrying out the method.

Elektrische und elektronische Bauteile und Baugruppen können unter anderem als Dick- und auch als Dünnschichtsystem hergestellt werden. Im Regelfall sind definierte Muster in den dünnen Schichten erforderlich, um die beabsichtigte Funktionalität zu realisieren. Diese Muster können durch additive wie auch durch subtraktive Verfahren hergestellt werden.Electrical and electronic components and assemblies can be produced, inter alia, as a thick and thin film system. As a rule, defined patterns in the thin layers are required to realize the intended functionality. These patterns can be made by additive as well as by subtractive methods.

Es ist bereits bekannt, dünne Schichten unterschiedlichen Aufbaus mittels PVD(physical vapour deposition)- und CVD(chemical vapour deposition)-Verfahren herzustellen. Sie können auf starre Träger, beispielsweise Glas, aber auch auf Folien, also dünne, flexible Träger aus Metall oder Polymer, abgeschieden werden.It is already known to produce thin layers of different construction by means of PVD (physical vapor deposition) and CVD (chemical vapor deposition) methods. They can be deposited on rigid carriers, for example glass, but also on films, ie thin, flexible carriers made of metal or polymer.

Es kann technisch erforderlich sein, diese Schichten teilweise oder auch punktuell oder auch vollständig wieder abzutragen. Dies erfolgt insbesondere mit dem Ziel, die Geometrie der Schichten bei großflächiger Beschichtung einzustellen oder hierdurch die Funktionalität im Verlaufe der weiteren Verarbeitung zu erhöhen. Ein Beispiel ist die Entfernung von dünnen Schichten für die integrierte Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, beispielsweise auf Chalkopyrit-Basis. Ein weiteres Beispiel ist die flächige Abscheidung von dünnen Schichten für elektrooptische Anwendungen wie Dünnschicht(LCD)-Displays, organische Leuchtdioden (OLED) oder Dünnschichtsolarzellen.It may be technically necessary to remove these layers partially or even selectively or completely again. This is done in particular with the aim of adjusting the geometry of the layers in the case of large-area coating or thereby increasing the functionality in the course of further processing. One example is the removal of thin layers for the integrated interconnection of thin-film solar cells, for example based on chalcopyrite. Another example is the sheet-like deposition of thin layers for electro-optical applications such as thin-layer (LCD) displays, organic light-emitting diodes (OLED) or thin-film solar cells.

Ein Abtrag dünner Schichten kann beispielsweise auch durch Ätzen, Laserbearbeitung, Photolithographie oder mechanische Bearbeitung, z. B. Fräsen, erfolgen.A removal of thin layers, for example, by etching, laser processing, photolithography or mechanical processing, for. B. milling, done.

Ätzprozesse wie nasschemisches Ätzen oder Plasmaätzen ermöglichen die zeitgleiche Strukturierung von großen Flächen, jedoch sind stabile Masken, die oft direkt auf den Schichten hergestellt werden müssen, erforderlich. Diese Masken müssen mit lithographischen Methoden, z. B. Photolithographie, hergestellt werden. Zur Herstellung photolithographischer Masken sind spezielle Chemikalien und zusätzlich Prozessschritte erforderlich. Gleichfalls sind Probleme der Überdeckungsgenauigkeit bei der lithographischen Maskierung großer Flächen bekannt. Weitere Probleme resultieren aus der Justage der Masken, insbesondere, wenn sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Herstellungsprozess verwendet werden. Mehrfach zu verwendende Masken für Ätzprozesse sind schwierig herstell- und anwendbar.Etching processes, such as wet chemical etching or plasma etching, allow the simultaneous patterning of large areas, but stable masks, which often need to be made directly on the layers, are required. These masks must be prepared with lithographic methods, eg. As photolithography, are produced. For the production of photolithographic masks special chemicals and additional process steps are required. Likewise, problems of overlay accuracy in lithographic masking of large areas are known. Further problems result from the adjustment of the masks, especially when used at different times in the manufacturing process. Multi-use masks for etching processes are difficult to manufacture and use.

Der Materialabtrag bei Plasmaätzprozessen erfolgt hauptsächlich mittels chemischer Reaktionen, die erst die hohen Ätzraten ermöglichen. Daraus ist ersichtlich, dass für spezifische Materialien angepasste Ätzmittel erforderlich sind, die oftmals sehr reaktive, d. h. ggf. auch aggressive Chemikalien beinhalten. Andererseits kann beim Vorhandensein geeigneter Ätzmittel ein sehr sanfter, schädigungsarmer und schichtselektiver Abtrag erzielt werden. Für die Siliziumtechnologie werden oft Plasmaätzprozesse angewandt.The material removal in Plasmaätzprozessen takes place mainly by means of chemical reactions that allow only the high etching rates. From this it can be seen that for specific materials adapted etchants are required, which are often very reactive, d. H. possibly also contain aggressive chemicals. On the other hand, in the presence of suitable etchant, a very gentle, low-damage and layer-selective removal can be achieved. Plasma etching processes are often used for silicon technology.

Das nasschemische Ätzen, bei dem das maskierte Werkstück ganzflächig mit der Ätzlösung in definierter Weise in Kontakt gebracht werden muss, ist ein rein chemisches Ätzverfahren. Die wesentlichen Randbedingungen dieses Verfahrens sind ebenfalls durch geeignete Chemikalien bestimmt, die allerdings gleichfalls sehr aggressiv sein können und sorgfältig nach dem Ätzen entfernt werden müssen. Auch hierbei kann ein schichtselektiver Abtrag möglich seinThe wet-chemical etching, in which the masked workpiece has to be brought into contact with the etching solution in a defined manner over the entire surface, is a purely chemical etching process. The main boundary conditions of this process are also determined by suitable chemicals, which however can also be very aggressive and must be carefully removed after etching. Again, a layer-selective removal may be possible

Die Strukturierung von dünnen Schichten durch Ritzen, Fräsen oder ähnlichen Verfahren erfordert die Anwendung von kleinsten mechanischen Werkzeugen, mit denen tiefengenau Schichten oder Schichtpakete abgetragen werden müssen. Der eigentliche Abtragsprozess ist mechanischer Natur und kann unterschiedlich ausgeformt sein, beispielsweise Spanen beim Fräsen und Spannungen beim Ritzen. In jedem Fall müssen die mechanischen Spannungen von benachbarten Schichten und dem Substrat aufgenommen werden.The structuring of thin layers by scribing, milling or similar methods requires the use of the smallest mechanical tools with which layers or layer packages must be removed with the lowest possible precision. The actual removal process is mechanical in nature and can be shaped differently, such as cutting during milling and stress during scoring. In any case, the mechanical stresses must be absorbed by adjacent layers and the substrate.

Zum Abtrag bzw. zur Strukturierung dünner Schichten ist Energie erforderlich, die auch durch Laserstrahlungsabsorption beigebracht werden kann. Die Energieabsorption bei Laserbestrahlung kann über unterschiedliche Prozesse erfolgen; so ist die Energieaufnahme von Metallen primär an die Absorption an freie Elektronen gekoppelt. In der Folge von Relaxationsprozessen können weitere Vorgänge angeregt werden, zu denen die Wärmeleitung ins Material, Phasenübergänge wie Schmelzbildung, Strukturveränderungen, Verdampfen, Plasmabildung und mechanische Wirkungen, beispielsweise Schockwellen, gehören. Die Absorption von Laserstrahlung kann also zu einer Reihe von Primär- und Sekundärprozessen führen, die letztlich in einem Materialabtrag münden können.For the removal or structuring of thin layers energy is required, which can also be taught by laser radiation absorption. The energy absorption in laser irradiation can be done by different processes; Thus, the energy absorption of metals is primarily coupled to the absorption of free electrons. As a result of relaxation processes, further processes can be excited, including heat conduction into the material, phase transitions such as melt formation, structural changes, evaporation, plasma formation, and mechanical effects such as shockwaves. The absorption of laser radiation can thus lead to a series of primary and secondary processes, which can ultimately lead to a material removal.

Allerdings kann die Energiedeponierung unterschiedliche physikalische und/oder chemische Prozesse anregen, die auch zu einer Schädigung des verbleibenden oder umliegenden Materials führen können. Beispiel hierfür sind Schmelzprozesse, die zu einer Vermischung von Schichten und damit zur Zerstörung der schichtungsspezifischen Funktionalität führen können.However, the energy deposition can stimulate different physical and / or chemical processes, which can also lead to damage to the remaining or surrounding material. Example of this are melting processes, which can lead to a mixing of layers and thus the destruction of the coating-specific functionality.

Die Übertragung der von Elektronen absorbierten Energie auf ein Gitter erfolgt im Bereich einiger Pikosekunden, so dass bei ultrakurzen Laserpulsen der Materialabtrag erst nach dem Puls erfolgt. Trotzdem wird auch bei diesen Lasertypen das Material erwärmt, auch wenn die erforderlichen Energiedichten zum Abtrag im Vergleich zu längeren Pulsen geringer sind. Diese Diskrepanz ergibt sich aus dem Fakt, dass die Wärmeleitung beim Abtrag mit ultrakurzen Laserpulsen weitgehend zu vernachlässigen ist. Andererseits wird die Verteilung der absorbierten Laserenergie durch die Absorption im Materialsystem bestimmt, die wiederum durch lineare und nichtlineare Prozesse bei der Bestrahlung des Materialsystems durch (ultra)kurze Laserpulse ausgelöst werden. Aufgrund der hohen Photonendichten, die beim Einsatz sehr kurzer Pulse erzeugt werden können, kommt es zu einem schnellen Abtrag des Materials, so dass kein oder nur ein geringer Wärmeeintrag in das verbleibende Material erfolgt und nur eine geringe thermisch geschädigte Randzone entsteht; die thermische Diffusionslänge, bezogen auf die Laserpulsdauer, ist klein gegenüber der Laserabtragstiefe. Trotzdem kann auch bei diesen Lasertypen die eingebrachte Energie zu Phasenwandlungen o. ä. führen und damit die Gefahr der Dünnschichtbeschädigung hervorrufen.The transfer of the energy absorbed by electrons to a grid takes place in the range of a few picoseconds, so that in the case of ultrashort laser pulses, the removal of material takes place only after the pulse. Nevertheless, even with these laser types, the material is heated, even if the energy densities required for removal are lower compared to longer pulses. This discrepancy results from the fact that the heat conduction during the ablation with ultrashort laser pulses is largely negligible. On the other hand, the distribution of the absorbed laser energy is determined by the absorption in the material system, which in turn is triggered by linear and non-linear processes in the irradiation of the material system by (ultra) short laser pulses. Due to the high photon densities that can be generated when using very short pulses, there is a rapid removal of the material, so that no or only a small heat input into the remaining material and only a small thermally damaged edge zone is formed; the thermal diffusion length, based on the laser pulse duration, is small compared to the laser ablation depth. Nevertheless, even with these types of lasers, the introduced energy can lead to phase transformations or the like and thus cause the risk of thin-film damage.

Der durch Laserbestrahlung hervorgerufene Abtrag wird oft durch physikalische Prozesse, die unter dem Begriff Ablation zusammengefasst werden, hervorgerufen, die zur Strukturierung von dünnen Schichten oder Oberflächen genutzt werden können. Für technische Prozesse wird oftmals gepulste Laserstrahlung mit einer Länge der Laserstrahlungspulse im Bereich von Nanosekunden angewendet. Diese Nanosekundenlaser zeichnen sich durch geringe Kosten und gute Nutzungseigenschafen aus und sind für verschiedene Strahlungs- und Leistungsparameter verfügbar.Laser ablation is often caused by physical processes, collectively referred to as ablation, which can be used to pattern thin layers or surfaces. For technical processes, pulsed laser radiation with a length of the laser radiation pulses in the range of nanoseconds is often used. These nanosecond lasers are characterized by low cost and good use characteristics and are available for various radiation and power parameters.

Es ist bekannt, dass Polymere (z. B. Polyimid) mit Hilfe von Licht oder Lasern abgetragen werden können. Bei der Bestrahlung von Polymeren durch gepulste Lichtquellen, z. B. Laser, wird der Materialabtrag oft durch den Begriff der Ablation – Laserablation – bezeichnet. Als Laserquellen werden in der Regel gepulste Laser mit Pulslängen kürzer als 1 μs und einer Wellenlänge, die von dem Material absorbiert wird, und sowohl im infraroten, sichtbaren oder auch ultravioletten Spektralbereich liegen kann (z. B. Excimerlaser und frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser), verwendet. Üblicherweise muss eine Schwellenergiedichte überschritten werden, um einen merklichen Materialabtrag zu erreichen. Mit zunehmender Energiedichte nimmt die Höhe des Materialabtrags zu. Durch die höhere eingebrachte Energie und den dadurch verstärkten Materialabtrag ist auch mit stärkeren sekundären Wirkungen zu rechnen. Die Abtragstiefe pro Laserimpuls, d. h. die Ablationstiefe, hängt auch vom Material ab und wird vor allem durch die Eindringtiefe der Photonen im zu bearbeitenden Material bestimmt. Der Polymerabtrag durch Laserablation erfordert also eine Strahlungsabsorption im Material durch lineare oder nichtlineare Prozesse.It is known that polymers (eg polyimide) can be removed by means of light or lasers. In the irradiation of polymers by pulsed light sources, eg. As laser, the material removal is often referred to by the term of ablation - laser ablation -. As laser sources are usually pulsed lasers with pulse lengths shorter than 1 microseconds and a wavelength that is absorbed by the material, and can be in the infrared, visible or ultraviolet spectral range (eg, excimer laser and frequency-multiplied Nd: YAG laser ). Usually, a threshold energy density must be exceeded in order to achieve significant material removal. As the energy density increases, the amount of material removal increases. Due to the higher energy input and the resulting increased material removal, stronger secondary effects are to be expected. The removal depth per laser pulse, d. H. The depth of ablation also depends on the material and is mainly determined by the penetration depth of the photons in the material to be processed. The polymer removal by laser ablation thus requires a radiation absorption in the material by linear or non-linear processes.

Aus DE 10 2007 015 767 A1 und US 2003/0 180 983 A1 sind Methoden zum Laserritzen von Dünnschichtsolarzellen bekannt. Hierbei wird das Laserlicht von der Rückseite des Schichtträgers eingestrahlt. An der Vorderseite werden so mit dem Laserlicht dünne Schichten ablatiert. Eine Absorption des Laserlichts im Schichtträger erfolgt hierbei nicht. Mit einer Saugvorrichtung wird das ablatierte Material abgesaugt.Out DE 10 2007 015 767 A1 and US 2003/0 180 983 A1 Methods are known for laser scribing of thin film solar cells. Here, the laser light is irradiated from the back of the substrate. At the front, thin layers are ablated with the laser light. An absorption of the laser light in the substrate is not carried out here. With a suction device, the ablated material is sucked off.

DE 10 2008 057 228 A1 beschreibt eine technische Lösung zur Herstellung dünner metallischer Schichten auf Solarzellen. Das Leitermaterial wird hierbei von einem Schichtträger mittels Laser auf Solarzellen übertragen. DE 10 2008 057 228 A1 describes a technical solution for producing thin metallic layers on solar cells. The conductor material is here transferred from a substrate by means of laser to solar cells.

Die sehr schnell verlaufenden Prozesse bei der Laserabsorption, wie zum Beispiel die Materialerwärmung im Nanosekundenbereich, haben eine Reihe sekundärer Vorgänge zur Folge. So werden zum Beispiel Wärmewellen, Schockwellen und akustische Wellen ausgelöst. Diese breiten sich in den Materialien aus und können zusätzliche Folgen auch in Materialbereichen haben, die nicht direkt durch den Laser bestrahlt werden. Beispiele, die die technische Nutzung von sekundären Wirkungen der Laserstrahlung haben, sind das Laserschockhärten und das Lasermikroskalpell in der Augenheilkunde.The very rapid processes of laser absorption, such as nanosecond material heating, result in a number of secondary processes. For example, heat waves, shockwaves and acoustic waves are triggered. These spread in the materials and may have additional consequences even in areas of materials that are not directly irradiated by the laser. Examples that have the technical use of secondary effects of laser radiation are laser shock hardening and the laser scalpel in ophthalmology.

Üblicherweise werden die Methoden, die den Schichtabtrag zur Folge haben, auf der Schichtseite angewandt, d. h. Ätzmittel, mechanisches Werkzeug oder Laserstrahl. Der Schichtabtrag mit dem Ziel, die besagten Schichten abzutragen, zu strukturieren und so mit den notwendigen Mustern zu versehen, ist also die primäre Wirkung und unmittelbare Folge der Anwendung der besagten Werkzeuge.Usually, the methods that result in layer removal are applied to the layer side, i. H. Etchant, mechanical tool or laser beam. The removal of layers with the aim of removing and structuring the said layers and thus providing them with the necessary patterns is thus the primary effect and immediate consequence of the application of the said tools.

Die bekannten Verfahrensweisen haben jeweils spezifische Nachteile, die technischer, funktioneller oder ökonomischer Natur sein können, wie die folgenden ausgewählten Beispiele belegen. Im Falle des mechanischen Abtrags können auch benachbarte Schichten beschädigt werden, die eigentlich intakt bleiben sollen. Die Kontrolle über die Abtragstiefe ist schwierig und kaum im Sinne des selektiven Abtrags von dünnen Schichten zu realisieren.The known methods each have specific disadvantages, which may be technical, functional or economic nature, as the following selected examples prove. In the case of mechanical abrasion, adjacent layers that are supposed to remain intact can also be damaged. The control over the removal depth is difficult and hardly to implement in the sense of selective removal of thin layers.

Der Schichtabtrag durch Plasmaätzen ist durch die chemische Reaktion des aktivierten Ätzgases mit den Schichten charakterisiert und erfordert im Regelfall eine photolithographische Maskierung. Darüber hinaus muss – für dieses Verfahren erschwerend – berücksichtigt werden, dass bei Multischichtsystemen die Ätzprozesse unterschiedlicher Art sind und so unterschiedliche Chemikalien und Prozessparameter angewendet werden müssen. Nicht für jedes Material stehen technisch handhabbare Plasmaätzprozesse zur Verfügung. Weiterhin ist die Frage der Umweltverträglichkeit und der Kosten durch die Chemikalien ein mögliches Nutzungshindernis. Obwohl die Nutzung von flächigen, nichtlokalen Abtrags-verfahren Vorteile bietet, ist die vorhergehende Maskierung durch Photolithographie aufwendig.The layer removal by plasma etching is activated by the chemical reaction Etching gas characterized with the layers and usually requires a photolithographic masking. In addition, it must be taken into account - aggravating for this method - that in multi-layer systems the etching processes are of different types and thus different chemicals and process parameters have to be applied. Technically manageable plasma etching processes are not available for every material. Furthermore, the question of environmental compatibility and the costs of the chemicals is a potential obstacle to use. Although the use of planar, non-local removal methods offers advantages, the preceding masking by photolithography is complicated.

Der Abtrag von Schichten mit Laserstrahlen hat den Nachteil, dass die verbleibenden Schichten miteinander verschmelzen können und für den eigentlichen Zweck unbrauchbar werden. Andere thermisch verursachte Wirkungen können ebenfalls die Anwendung einschränken. Darüber hinaus kann die Abtragsgeschwindigkeit nicht beliebig durch Skalierung der Laserbestrahlungsparameter (z. B. Leistung etc.) gesteigert werden, da thermische Akkumulationseffekte wirksam werden können, die nachteilige Folgen verursachen.The removal of layers with laser beams has the disadvantage that the remaining layers can fuse together and become unusable for the actual purpose. Other thermally induced effects may also limit the application. Moreover, the removal rate can not be arbitrarily increased by scaling the laser irradiation parameters (eg, power, etc.) since thermal accumulation effects that cause adverse consequences can be effective.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, bei deren Anwendung die geschilderten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die Funktionsfähigkeit der Schichten nach der Strukturierung speziell im Bereich der Strukturierung erhalten bleiben, wenn einzelne Schichten oder Teile des Schichtenpakets abgetragen werden. Darüber hinaus kann in bestimmten Fällen eine ökonomischere Strukturierung erreicht werden und es können auch dann Strukturen hergestellt werden, wenn die Schichten nicht mehr in geeigneter Weise für das Werkzeug zugänglich sind, was beispielsweise im Zuge der Weiterverarbeitung vorkommen kann.The invention has for its object to provide a method and an arrangement in the application of the disadvantages can be avoided. In particular, the functionality of the layers after structuring, especially in the area of structuring, should be retained if individual layers or parts of the layer package are removed. In addition, in some cases, a more economical structuring can be achieved and structures can also be produced if the layers are no longer accessible to the tool in a suitable manner, which can occur, for example, in the course of further processing.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Abtrag dünner Schichten, wie sie unter anderem in CIGS-Dünnschichtsolarzellen vorhanden und in dargestellt sind, dann selektiv und schonend vorgenommen werden kann, wenn Laserstrahlen kurzzeitig mit definierten Parametern (E, t_puls, λ usw.) auf die gegenüber der Beschichtung (Schicht oder Schichtsystem) liegenden Seite des Schichtträgers der Beschichtung angewandt werden. Die Absorption der Laserstrahlung soll dabei bevorzugt im Bereich der Oberfläche des Substratträgers oder davor erfolgen. Ein unmittelbarer Materialabtrag durch die Laserbestrahlung im Bereich der Rückseite oder an anderer Stelle der Anordnung, im Bereich des Schichtträgers und jedoch nicht des Schichtsystems, kann zur Erzielung des Abtrags der dünnen Schichten, also beispielsweise zur Solarzellenstrukturierung, erforderlich sein. Das Verfahren ist schematisch in dargestellt. Die Hauptschritte des Verfahrens sind die Laserbestrahlung der gegenüber der oder den Schichten liegenden Seite des Schichtträgers (1) mit kurzer Dauer, wobei eine starke Absorption eine überwiegend oberflächennahe Absorption zur Folge hat, sowie die Energiewandlung der eingestrahlten Laserenergie in andere Energieformen, wie beispielsweise mechanische Energie, wobei die gewandelte Energie nachfolgend den Schichtträger in Richtung der Schicht oder des Schichtsystems durchläuftThe invention is based on the finding that the removal of thin layers, as present, inter alia, in CIGS thin-film solar cells and in can then be made selectively and gently when laser beams are applied for a short time with defined parameters (E, t _pulse , λ, etc.) on the side opposite the coating (layer or layer system) side of the substrate of the coating. The absorption of the laser radiation should preferably take place in the region of the surface of the substrate carrier or in front of it. A direct removal of material by the laser irradiation in the region of the rear side or elsewhere of the arrangement, in the region of the substrate and not of the layer system, may be necessary to achieve the removal of the thin layers, for example for solar cell structuring. The procedure is schematic in shown. The main steps of the method are the laser irradiation of the opposite side of the layer or layers ( 1 ) of short duration, where strong absorption results in predominantly near-surface absorption, as well as energy conversion of the irradiated laser energy into other forms of energy, such as mechanical energy, with the converted energy subsequently passing through the support in the direction of the layer or layer system

Die kurzzeitige Einwirkung der Laserstrahlung kann dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl selbst eine begrenzte zeitliche Dauer, die durch die Pulsdauer bestimmt ist, aufweist oder durch schnelle Bewegung des Laserstrahls über das Werkstück nur eine begrenzte Bestrahlungsdauer erzielt wird.The short-term effect of the laser radiation can be achieved by the laser beam itself having a limited time duration, which is determined by the pulse duration, or by rapid movement of the laser beam over the workpiece only a limited irradiation time is achieved.

Die Wellenlänge der Laserstrahlung ist so zu wählen, dass eine sehr intensive Wechselwirkung in einem örtlich begrenzten Bereich des Schichtträgers oder in angebrachten Hilfsmaterialien (z. B. einer Hilfsschicht oder Hilfsfolie) erreicht wird. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die Eigenschaften der Laserstrahlung gut den Absorptionseigenschaften des Schichtträgers angepasst sind.The wavelength of the laser radiation should be chosen such that a very intensive interaction is achieved in a localized area of the substrate or in attached auxiliary materials (eg an auxiliary layer or auxiliary film). This is achieved in particular if the properties of the laser radiation are well adapted to the absorption properties of the substrate.

Eine primäre Erwärmung der dünnen Schichten durch den Laserpuls wird erfindungsgemäß weitgehend vermieden, indem der Laserstrahl bevorzugt im Substratbereich, noch bevor er auf die Schichten auftreffen kann, absorbiert wird. Bei hochrepetierenden Lasern kann zwar eine thermische Aufheizung im Substratbereich erfolgen, jedoch vermindern die schlechte thermische Leitfähigkeit des oftmals elektrisch und damit auch thermisch isolierenden Schichtträgers die zu erwartenden negativen Wirkungen auf die Schichten.Primary heating of the thin layers by the laser pulse is largely avoided according to the invention in that the laser beam is preferably absorbed in the substrate region even before it can impinge on the layers. In the case of highly repetitive lasers, although thermal heating in the substrate region can take place, the poor thermal conductivity of the often electrically and thus also thermally insulating substrate reduces the expected negative effects on the layers.

Die Energie zur Schichtstrukturierung wird hauptsächlich durch sekundäre Prozesse geliefert. Diese können Druckwellen, mechanische Spannungen, Verformungen, Dehnungen oder ähnliches umfassen. Die Wirkung dieser sekundären Prozesse, die bei der Laserbestrahlung auftreten, kann durch geeignete technische Hilfsmittel oder eine geeignete Verfahrensführung beeinflusst und eben auch verstärkt werden.The energy for layer structuring is provided mainly by secondary processes. These may include pressure waves, mechanical stresses, deformations, strains or the like. The effect of these secondary processes, which occur during the laser irradiation, can be influenced by suitable technical aids or a suitable process control and can also be enhanced.

Einzelne ausgewählte Stufen des Prozesses der Vorderseitenschicht-/materialstrukturierung durch Rückseitenablation sind schematisch in am Beispiel der selektiven Entfernung des CIGS-Absorberschichtsystems (8) von der Molybdänschicht (2) dargestellt. Nach Bestrahlung der Rückseite des Dünnschichtträgers mit einem gepulsten Laserstrahl (10) wird, wie in I) dargestellt, der Laserstrahl im Bereich der rückseitigen Schichtträgeroberfläche absorbiert. Hierdurch wird ein Laserablationsprozess ausgelöst, wodurch Energiewellen entstehen, die sich, ausgehend von dem bestrahlten Bereich, durch das Substrat in Richtung der dünnen Schichten bewegen. Diese Energiewellen können die bereits angesprochenen physikalischen Effekte, z. B. Schockwellen, einzeln oder in Kombination umfassen. Die dünnen Schichten werden durch die Energiewellen erfasst (siehe III), und durch Wechselwirkung mit dem Schichtsystem kommt es zum Abtrag im Wechselwirkungsbereich.Individual selected stages of the front side layer / material structuring process by backside ablation are schematically illustrated in FIG using the example of selective removal of the CIGS absorber layer system ( 8th ) of the molybdenum layer ( 2 ). After irradiation of the rear side of the thin-film carrier with a pulsed laser beam ( 10 ), as shown in I), the laser beam in the region of the back surface of the substrate absorbed. This triggers a laser ablation process, which creates energy waves that move from the irradiated area through the substrate toward the thin layers. These energy waves can the already mentioned physical effects, eg. Shock waves, individually or in combination. The thin layers are detected by the energy waves (see III), and by interaction with the layer system it comes to the removal in the interaction area.

Der Schichtabtrag als Ergebnis der rückseitigen Bestrahlung ist in der rasterelektronenmikroskopischen (REM) am Beispiel der Strukturierung einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle auf Polyimidfolienträger abgebildet. Auffallend ist die steile Strukturkante des CIGS-Absorberschichtpakets – bestehend aus (3), (4) und (5), die zusammen das aktive Schichtgebiet (8) bilden, die glatte Molybdänschichtoberfläche (2) und der leicht wellige Rand der Strukturierungskante (23). Diese Charakteristika sind Besonderheiten des Prozesses und werden in dieser Form nicht beim Vorderseitenritzen durch direkte Bestrahlung des Dünnschichtsystems oder dünner Schichten beobachtet.The layer removal as a result of the back irradiation is in the scanning electron microscope (SEM) using the example of structuring a CIGS thin-film solar cell on a polyimide film support. Striking is the steep structure edge of the CIGS absorber layer package - consisting of ( 3 ) 4 ) and ( 5 ), which together form the active layer area ( 8th ), the smooth molybdenum layer surface ( 2 ) and the slightly wavy edge of the structuring edge ( 23 ). These characteristics are peculiar to the process and are not observed in this form in the front side scribing by direct irradiation of the thin film system or thin layers.

Die sekundären Wechselwirkungen aufgrund der Absorption und dem Materialabtrag durch die Laserbestrahlung, können auch dadurch beeinflusst werden, dass Hilfsstoffe an der Rückseite des Schichtträgers angebracht werden. Diese Hilfsstoffe können bezüglich der Laserstrahlung transparent, teilabsorbierend oder absorbierend sein.The secondary interactions due to absorption and material removal by the laser irradiation can also be influenced by attaching adjuvants to the back of the support. These auxiliaries may be transparent, partially absorbing or absorbing with respect to the laser radiation.

Bei der Verwendung von transparenten Hilfsstoffen (17 in ), die bevorzugt flüssig oder fest sein können, durchdringt der Laserstrahl den Hilfsstoff, wird durch den Schichtträger oder einem auf dem Schichtträger (1) angebrachten weiteren Hilfsstoff absorbiert und bewirkt die Prozesse, die zum Abtrag führen. Der angebrachte Hilfsstoff kann, je nach Ausführungsart, zur Verstärkung dieser Prozesse führen. Eine Ausführungsform ist in prinzipieller, schematischer Form in dargestellt. Insbesondere kann Wasser als ein flüssiger, transparenter Hilfsstoff Verwendung finden. Allerdings sind auch Anordnungen von unterschiedlichen transparenten Materialien möglich, wie in dargestellt ist. Hier wird ein starres Glas (17a) zusammen mit einem Wasserfilm (17) verwendet, um die zum Schichtabtrag führenden Ablationsprozesse zu verstärken.When using transparent excipients ( 17 in ), which may preferably be liquid or solid, the laser beam penetrates the excipient, is passed through the support or on the support ( 1 ) applied further adjuvant and causes the processes that lead to erosion. The attached adjuvant may, depending on the embodiment, lead to the enhancement of these processes. An embodiment is in principle, schematic form in shown. In particular, water can be used as a liquid, transparent excipient. However, arrangements of different transparent materials are possible, as in is shown. Here is a rigid glass ( 17a ) together with a water film ( 17 ) is used to enhance the ablation processes leading to stratification.

Die zusätzliche Anordnung von absorbierenden Hilfsstoffen (18), in denen die zum Schichtabtrag führenden Prozesse durch die Laserbestrahlung ebenfalls ausgelöst werden können, wird in schematisch skizziert. Diese in der absorbierenden Hilfsschicht (18) entstehenden Energiewellen werden zum Schichtträger, beispielsweise durch einen innigen Kontakt, weitergeleitet. Das absorbierende Zusatzmaterial (18) kann fest oder flüssig sein. Im Fall fester absorbierender Hilfsstoffe, beispielsweise Polymerfolien, ist die Kopplung durch einen Flüssigkeitsfilm ähnlich zu erreichbar. Gleichfalls ist es möglich, die den Schichtabtrag bewirkenden Prozesse durch mehrere Laserstrahlen zu erreichen, die nicht notwendigerweise die gleichen Eigenschaften haben müssen und auch zeitlich und/oder räumlich versetzt zur Anwendung gebracht werden können.The additional arrangement of absorbent adjuvants ( 18 ), in which the processes leading to the layer removal can also be triggered by the laser irradiation, is described in sketched schematically. These in the absorbent auxiliary layer ( 18 ) energy waves are forwarded to the substrate, for example by intimate contact. The absorbent additive material ( 18 ) can be solid or liquid. In the case of solid absorbent adjuvants, such as polymeric films, coupling through a liquid film is similar to reachable. Likewise, it is possible to achieve the processes causing the layer removal by means of a plurality of laser beams which do not necessarily have to have the same properties and can also be used offset in time and / or space.

Da die Laserstrahlungsabsorption, die den Material- bzw. den Dünnschichtabtrag als Folge eines Laserablationsprozesses im Bereich des Schichtträgers bewirkt und die primäre Ursache des Schichtabtrages ist, im Bereich der Rückseite des Dünnschichtträgers wesentliche Voraussetzung ist, muss entweder die Wellenlänge des Lasers so gewählt werden, dass eine hohe Absorption im Substrat erzielt wird, oder das Substrat oder die Hilfsstoffe können so gewählt werden, dass diese die Laserstrahlung gut absorbieren. Hierbei wird nicht nur das Ziel verfolgt, das Schichtsystem vor direkter Laserstrahleinwirkung zu bewahren, sondern auch die Abtragswirkung durch die geeignete Abstimmung von Laserwellenlänge und Absorber (Substrat oder Hilfsstoff) zu optimieren.Since the laser radiation absorption, which causes the material or the Dünnschichtabtrag as a result of a laser ablation process in the region of the substrate and the primary cause of the Schichtabtrages is essential prerequisite in the back of the thin-film support, either the wavelength of the laser must be chosen so that a high absorption in the substrate is achieved, or the substrate or the auxiliaries can be chosen so that they absorb the laser radiation well. Here, not only the goal is pursued to preserve the layer system from direct laser beam exposure, but also to optimize the removal effect by the appropriate tuning of laser wavelength and absorber (substrate or excipient).

Neben der Wellenlänge können auch die Pulsdauer oder andere Eigenschaften der Laserstrahlung so gewählt werden, dass eine hohe Absorption der Laserstrahlung im Bereich der Schichtträgerrückseite erfolgt.In addition to the wavelength, the pulse duration or other properties of the laser radiation can also be selected such that a high absorption of the laser radiation takes place in the region of the back of the substrate.

In der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können im Zuge der Strukturierung zusätzliche Kräfte und Spannungen (30, 31) eingebracht werden, die vorteilhaft auf den Strukturierungsprozess wirken. Diese Spannungen als Folge von Kräftewirkungen (F) können durch folgende Methoden erzielt werden: (i) seitliche Krafteinwirkung, vertikale und horizontale Kräfte; (ii) statische oder dynamische Felder, darunter vor allem Temperaturfeldverteilungen, Ultraschallfelder, Schwingungen bzw. Vibrationen oder akustische Felder; oder (iii) durch die geometrische Verformung des Werkstücks, beispielsweise Biegung oder Streckung. Ausgewählte Ausführungsbeispiele sind in und dargestellt.In the further embodiment of the method, additional forces and stresses ( 30 . 31 ) are introduced, which act advantageously on the structuring process. These stresses as a result of force effects (F) can be achieved by the following methods: (i) lateral force, vertical and horizontal forces; (ii) static or dynamic fields, including, but not limited to, temperature field distributions, ultrasonic fields, vibrations, or acoustic fields; or (iii) geometric deformation of the workpiece, such as bending or stretching. Selected embodiments are in and shown.

Der geformte und ggf. gebündelte Laserstrahl, d. h. der Laserspot, kann über die Rückseite des Werkstücks entsprechend der auf der Schichtseite zu erzeugenden Muster bewegt werden, wobei die Geschwindigkeit, der Pulsüberlapp, die Laserstrahlgröße auf dem Werkstück und weitere Strahleigenschaften wie z. B. die Pulsenergie aufeinander abgestimmt werden.The shaped and optionally collimated laser beam, d. H. the laser spot, can be moved over the back of the workpiece according to the pattern to be generated on the layer side, wherein the speed, the pulse overlap, the laser beam size on the workpiece and other beam properties such. B. the pulse energy are matched.

Der Laserstrahl muss in geeigneter Weise geformt und bezüglich der Energiedichteverteilung optimiert werden, um die gewünschte Ausbildung der sekundären laserinduzierten Prozesse zu ermöglichen. Insbesondere muss die Form des Laserflecks, d. h. seine Länge und Breite, der erforderlichen Strukturierung angepasst werden, die Intensitätsverteilung verändert, z. B. homogenisiert, werden, wodurch sich ein schnellerer Abtrag und damit eine schnellere Strukturierung erreichen lässt.The laser beam must be shaped properly and with respect to the energy density distribution be optimized to allow the desired formation of the secondary laser-induced processes. In particular, the shape of the laser spot, ie its length and width, the required structuring must be adjusted, the intensity distribution changed, z. B. be homogenized, which can be achieved faster erosion and thus faster structuring.

Das Verfahren ist umfassend erprobt und bietet viele Vorteile im Vergleich zu bekannten Verfahrensweisen. Es zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die direkte Bestrahlung des Dünnschichtsystems nicht notwendig ist und dadurch vor allem thermische Wirkungen auf das Dünnschichtsystem im laserbestrahlten Bereich, die zu einer schädlichen Beeinflussung der dünnen Schichten führen können, vermieden werden.The method has been extensively tested and offers many advantages over known methods. Above all, it is distinguished by the fact that the direct irradiation of the thin-film system is not necessary and therefore, above all, thermal effects on the thin-layer system in the laser-irradiated area, which can lead to a detrimental influence on the thin layers, are avoided.

Vorteilhaft an dieser Erfindung ist weiterhin, dass durch diesen Laserprozess keine Verschmelzungen einzelner Schichten miteinander entstehen, weil der Laserstrahl diese Schichten nicht berührt. Zudem können die Abtragsreste technisch unaufwändig abgesaugt werden und schlagen sich nicht auf der Werkstückoberseite nieder.Another advantage of this invention is that no merging of individual layers is caused by this laser process, because the laser beam does not touch these layers. In addition, the removal residues can be sucked out technically with little effort and do not impact on the workpiece top.

Hierdurch lassen sich für die Strukturierung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen beispielsweise Schmelzerscheinungen oder andere thermische Wirkungen, die beim Laserritzen mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen auftreten können, vermeiden und ein ähnlicher Abtrag, wie er vom mechanischen Ritzen bekannt ist, erzielt werden. Deshalb ist auch nicht mit der Ausbildung von anderen, laserinduziert entstehende Phasen zu rechnen.As a result, for example, melting phenomena or other thermal effects which can occur during laser scribing with short and ultrashort laser pulses can be avoided and a similar removal, as known from mechanical scribing, can be achieved for the structuring of CIGS thin-film solar cells. Therefore, the formation of other, laser-induced phases can not be expected.

Dadurch, dass sekundäre thermische Prozesse zur Strukturerzeugung genutzt werden können, sind die bei direkter Laserbestrahlung auftretenden Erscheinungen von Schichtveränderungen, beispielsweise Schmelzerscheinungen von dünnen Schichten bei CIGS-Dünnschichtsolarzellen – oder Degradationserscheinungen bei Schichten für organische Halbleiter – vermieden, wodurch Vorteile entstehen.Because secondary thermal processes can be used for structure generation, the phenomena of layer changes occurring in direct laser irradiation, for example, melt phenomena of thin layers in CIGS thin-film solar cells - or degradation phenomena in layers for organic semiconductors - are avoided, which results in advantages.

Weiterhin erfolgt der Materialabtrag nicht durch den sequenziellen Abtrag mit jedem Laserpuls durch die thermische Wirkung, wodurch sich die Materialeigenschaften beim Abtrag eines Schichtsystems nacheinander ändern können und hierdurch die Durchführung eines optimierten Prozesses schwierig oder technisch aufwendig würde, sondern es können die Eigenschaften des Schichtsystems selbst genutzt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein selektiver Abtrag erreicht werden, wie er zur Freilegung von Kontaktöffnungen notwendig ist. Weiterhin sind höhere Strukturierungsgeschwindigkeiten möglich, da die abgetragene Schichtdicke größer der Ablationsrate sein kann, der Laserfokus geeignet geformt werden kann und thermische Akkumulationen nicht erwartet werden können.Furthermore, the removal of material is not effected by the sequential removal with each laser pulse by the thermal effect, whereby the material properties can change successively when removing a layer system and thereby the implementation of an optimized process would be difficult or technically complex, but it can use the properties of the layer system itself become. As a result, for example, a selective removal can be achieved, as it is necessary to expose contact openings. Furthermore, higher patterning speeds are possible, since the ablated layer thickness can be greater than the ablation rate, the laser focus can be suitably shaped and thermal accumulations can not be expected.

Bei der Strukturierung von Schichtpaketen unterschiedlicher Schicht- und Grenzflächeneigenschaften kann die gleichzeitige Ausbildung mehrerer Ritzgräben beobachtet werden ( ), was Vorteile in der Prozessgeschwindigkeit bietet. Gleichzeitig wird die Lage beider Ritze durch ein und denselben Laserfokus definiert, wodurch ein selbstjustierender Prozess und eine Strukturierung mit hoher Überdeckungsgenauigkeit erreicht werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein absoluter Lagebezug zu anderen Elementen nicht von wesentlicher Bedeutung ist, wenn große Substrate zu strukturieren sind und wenn das Werkstück im Verlaufe des Bearbeitungsprozesses Größen- und Dimensionsänderungen durchlaufen kann.In the structuring of layer packages of different layer and interface properties, the simultaneous formation of several scribing trenches can be observed ( ), which offers advantages in process speed. At the same time, the position of both scratches is defined by one and the same laser focus, whereby a self-aligning process and structuring with high coverage accuracy can be achieved. This is particularly advantageous if an absolute positional relationship to other elements is not essential, if large substrates are to be structured and if the workpiece can undergo changes in size and dimensions during the course of the machining process.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in für die Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Trägern dargestellt. In der dargestellten Form wird das zu strukturierende Band im Bereich der Laserbestrahlung frei geführt. Hierdurch werden zwei wesentliche Vorteile erzielt: Einerseits wird die Schichtseite mit dem aktiven Dünnschichtsystem nicht durch Reibung mit Komponenten der Anordnung beim Transportprozess beschädigt und andererseits kann das abgetragene Material gut entfernt werden. Insbesondere wird durch die Schwerkraft und durch Luft-/Gasströmungen bewirkt, dass nur wenig oder kein abgetragenes Material auf dem Solarzellenmaterial zurück bleibt.An arrangement for carrying out the method is in for the structuring of thin-film solar cells on flexible carriers. In the illustrated form, the band to be structured is guided freely in the region of the laser irradiation. This provides two major advantages: on the one hand, the layer side with the active thin film system is not damaged by friction with components of the assembly during the transport process, and on the other hand, the removed material can be removed well. In particular, gravity and air / gas flows cause little or no removed material to remain on the solar cell material.

Wesentliche Aspekte der vorgestellten technischen Lösung lassen sich wie folgt zusammen fassen. Es handelt sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um ein Verfahren zum Abtrag von Materialien aus einem Schichtpaket, wobei eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus einem Schichtträger (1), einem Rückkontakt (2), einem CIGS-Absorber (3), einer Cadmiumsulfidschicht (4) und einem Vorderseitenkontakt (5) auf einer zur Bearbeitung des Materials mit Laserstrahlen geeigneten Unterlage fixiert wird, derart fixiertes Material zunächst schichtträgerseitig mit einem Excimer-Laser (10) bestrahlt wird, der eine Wellenlänge von 248 nm–532 nm und eine Pulsfrequenz von 6 ns bis 25 ns aufweist und mit 5 bis 100 Hz Pulswiederholungsfrequenz arbeitet, eine Laserleistung von 100 mW bis 300 mW verwendet wird bei einer Pulsenergie von 20 μJ, wobei der Excimer-Laserstrahl ein durch Projektion einer Maske bestimmtes Gebiet mit gleichmäßiger Energiedichte bestrahlt, wobei diese Fläche zwischen 100 × 100 bis 150 × 150 μm beträgt oder der Laserspot fokussiert wird mit Gaussverteilung d = 5 bis 10 μm und der Laserstrahl mit gleichbleibender Geschwindigkeit zwischen 2500 μm/sec und 7500 μm/sec über das Substrat geführt wird, wobei ein Schichtträger, ein Schichtpaket insgesamt oder Teile desselben abgetragen werden.Key aspects of the proposed technical solution can be summarized as follows. In a preferred embodiment of the invention, a method for removing materials from a layer package, wherein a CIGS thin-film solar cell, consisting of a substrate ( 1 ), a back contact ( 2 ), a CIGS absorber ( 3 ), a cadmium sulfide layer ( 4 ) and a front side contact ( 5 ) is fixed on a substrate which is suitable for processing the material with laser beams, material fixed in this way is first coated with an excimer laser ( 10 ) having a wavelength of 248 nm-532 nm and a pulse frequency of 6 ns to 25 ns and operating at 5 to 100 Hz pulse repetition frequency, a laser power of 100 mW to 300 mW is used at a pulse energy of 20 μJ, wherein the excimer laser beam irradiates a region of uniform energy density determined by projection of a mask, this area being between 100 × 100 to 150 × 150 μm, or the laser spot being focused with Gaussian distribution d = 5 to 10 μm and the laser beam being maintained at a constant speed between 2500 μm / sec and 7500 microns / sec is passed over the substrate, wherein a layer support, a layer package in total or parts thereof are removed.

Das bezeichnete Schichtpaket besteht aus TCO, CIGS und MO mit Schichtdicken 200 nm, 1,5 μm und 800 nm, ist auf Polyimidsubstrat, nämlich Kaptonfolie aufgebracht, ein Excimer-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 25 ns bei einer Pulsfrequenz von 100 Hz wird auf die Substratseite gerichtet und das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 2500 μm/sec bewegt, wobei es abgetragen wird unter gleichzeitiger Strukturierung des Schichtpaketes.The designated layer package consists of TCO, CIGS and MO with layer thicknesses of 200 nm, 1.5 μm and 800 nm, is applied to a polyimide substrate, namely Kapton foil, an excimer laser beam with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 25 ns at a pulse frequency of 100 Hz is directed to the substrate side and the substrate is moved at a speed of 2500 μm / sec, whereby it is removed with simultaneous structuring of the layer package.

Dabei wird gegebenenfalls eine Maske eingesetzt, zum Beispiel der Abmaße 150 × 150 μm, die Geschwindigkeit des Vorbeiführens am Excimer-Laserstrahl beträgt 3 μm/sec und die CIGS-Schicht wird dabei abgetragenIn this case, if necessary, a mask is used, for example, the dimensions 150 × 150 microns, the speed of passing on the excimer laser beam is 3 microns / sec and the CIGS layer is removed

Es kann zweckmäßig ein Neodym-YV04-Laser verwendet werden, der einen Laserstrahl der Wellenlänge 532 nm erzeugt, mit einer Pulsationszeit von 6 ns und einer Pulsfrequenz von 5 kHz arbeitet, einer Pulsenergie von 20 μJ und eine Laserleistung von 100 mW bringt, ein Laserspotdurchmesser infolge Gaussverteilung von etwa d = 8,2 μm und der mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,5 mm/sec über das Substrat geführt wird, wobei Polyimid an der Rückseite ebenso ablatiert wird wie die CIGS-Schicht, die gegenüber der Bestrahlungsstelle von der Molybdänschicht entfernt wird.It may be convenient to use a neodymium YV04 laser that produces a laser beam of wavelength 532 nm, operates with a pulsation time of 6 ns and a pulse frequency of 5 kHz, a pulse energy of 20 μJ and a laser power of 100 mW brings a Laserspotdurchmesser due to Gaussian distribution of about d = 8.2 microns and is guided over the substrate at a speed of about 7.5 mm / sec, wherein polyimide is ablated on the back as well as the CIGS layer, which is opposite to the irradiation of the molybdenum layer Will get removed.

Unter Einsatz eines Nd:YVO4-Lasers der Parameter Wellenlänge 532 nm, Pulsationszeit ca. 6 ns, Frequenz ca. 5 kHz bei einer Laserleistung von ca. 300 mW wird die Molybdänschicht auf Polyimid strukturiertUsing a Nd: YVO4 laser of the parameter wavelength 532 nm, pulsation time about 6 ns, frequency about 5 kHz at a laser power of about 300 mW, the molybdenum layer is patterned on polyimide

In einer weiteren Variante mit den Voraussetzungen und Parametern

a) Schichtpaket, bestehend aus TCO, CIGS und MO mit Schichtdicken 200 nm, 1,5 μm und 800 nm,
b) Polyimidsubstrat Kaptonfolie

wird ein Excimer-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 25 ns bei einer Pulsfrequenz von 100 Hz auf die Substratseite gerichtet und das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 2500 μm/sec bewegt, wobei es abgetragen wird unter gleichzeitiger Strukturierung des Schichtpaketes, wobei zwei oder mehr Rückseitenablationsgruben (P3) entstehen, gegenüberliegend Laserritzgräben (20), die mit Leitpaste (50) oder mit Isolationspaste (51) verfüllt werden und damit eine Modulverschaltung ermöglicht wird.In another variant with the requirements and parameters

a) layer package consisting of TCO, CIGS and MO with layer thicknesses of 200 nm, 1.5 μm and 800 nm,
b) Polyimide substrate Kapton film

an excimer laser beam with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 25 ns is directed onto the substrate side at a pulse frequency of 100 Hz and the substrate is moved at a speed of 2500 μm / sec, whereby it is removed with simultaneous structuring of the layer package, wherein two or more backside ablation pits (P3) are formed, opposite laser scribing trenches (FIG. 20 ), which contain conductive paste ( 50 ) or with isolation paste ( 51 ) are filled and thus a module interconnection is possible.

Man kann auch derart vorgehen, dass eine fixierte Dünnschichtsolarzelle mit einem Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Pulsdauer von ca. 25 ns und einer Pulswiederholungsfrequenz von 100 Hz, einer Laserspotgröße von 100 × 100 mm bestrahlt wird und mit einer Geschwindigkeit von 2,5 mm/sec über das Polyimidsubstrat geführt wird, wobei die CIGS-Schicht vollständig entfernt wird und die Molybdänschicht unbeeindruckt bleibt.It is also possible to irradiate a fixed thin-film solar cell with an excimer laser having a wavelength of 248 nm, a pulse duration of about 25 ns and a pulse repetition frequency of 100 Hz, a laser spot size of 100 × 100 mm, and at a speed of 2.5 mm / sec is passed over the polyimide substrate, whereby the CIGS layer is completely removed and the molybdenum layer remains unaffected.

Defektstellen können isoliert werden, wenn ein Excimer-Laser mit den Parametern Wellenlänge 248 nm, Pulsdauer ca. 25 ns und Pulswiederholungsfrequenz 100 Hz auf eine Defektstelle gerichtet wird, eine Laserspotgröße entsprechend der Defektstelle eingestellt wird und die Defektstelle mit einem Isolationsgraben (42) isoliert wird.Defects can be isolated if an excimer laser with the parameters wavelength 248 nm, pulse duration about 25 ns and pulse repetition frequency 100 Hz is directed to a defect, a laser spot size is adjusted according to the defect location and the defect site with an isolation trench ( 42 ) is isolated.

Verfahrenserleichternd erfolgt das Fixieren des Schichtträgers mit einer Vakuum-Ansaugvorrichtung und das ablatierte Material wird abgesaugt oder weggeblasen.To facilitate the process, the fixing of the support is carried out with a vacuum suction device and the ablated material is sucked off or blown away.

Ausführungsbeispieleembodiments

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Es liegt eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle vor. Die Solarzelle hat den in dargestellten Aufbau. Die TCO- und intrinsische Zinkoxid-Schichtdicke beträgt ca. 0,5 μm, die CIGS-Schichtdicke ca. 2 μm und die Molybdänschichtdicke 1 μm. Das Solarzellensubstrat ist handelsübliche Kaptonfolie mit einer Dicke von 25 μm, auf die die Schichten aufgebracht sind.There is a CIGS thin-film solar cell. The solar cell has the in shown construction. The TCO and intrinsic zinc oxide layer thickness is approx. 0.5 μm, the CIGS layer thickness approx. 2 μm and the molybdenum layer thickness 1 μm. The solar cell substrate is commercial Kapton film with a thickness of 25 microns, on which the layers are applied.

Die Solarzelle wird auf einem Vakuum-Ansaugtisch in einer handelsüblichen Lasermaterialbearbeitungsanlage fixiert. Die Bestrahlung wird mit folgenden Parametern ausgeführt: Die Wellenlänge und die Pulsdauer des verwendeten Excimerlasers betragen 248 nm bzw. 25 ns. Die Pulswiederholfrequenz beträgt 100 Hz. Der Laserstrahl wird so geformt, dass im bestrahlten Gebiet, das durch Projektion einer rechteckigen Maske mit einem Objektiv bestimmt ist, eine gleichmäßige Energiedichte auftritt. Der Strahl wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit über das Substrat geführt. Nun wird ein Laserstrahl auf die Werkstücksunterseite (Substratseite) gerichtet, fokussiert und bei gleichen Laserparametern das Werkstück mit etwa 2,5 mm/s bewegt.The solar cell is fixed on a vacuum suction table in a commercially available laser material processing system. The irradiation is carried out with the following parameters: The wavelength and the pulse duration of the excimer laser used are 248 nm and 25 ns, respectively. The pulse repetition frequency is 100 Hz. The laser beam is shaped so that a uniform energy density occurs in the irradiated area, which is determined by projection of a rectangular mask with a lens. The beam is passed over the substrate at a constant speed. Now, a laser beam is directed onto the underside of the workpiece (substrate side), focused and, with the same laser parameters, the workpiece is moved at about 2.5 mm / s.

Nach der Bestrahlung werden zwei Wirkungen festgestellt: (i) Durch den Laserbeschuss des Polyimidsubstrates wird dieses geringfügig abgetragen und (ii) auf der gegenüberliegenden Seite, der beschichteten Seite des Substrats, wird gegenüber dem Bereich der Lasereinwirkung ein Materialabtrag auf der Schichtseite des Werkstücks erzielt. Das Substrat wird auf der laserbestrahlten Rückseite abgetragen. Es werden keine nachteiligen Folgen – mechanische Beeinträchtigungen – des geringfügigen Abtrags beobachtetTwo effects are observed after irradiation: (i) the laser bombardment of the polyimide substrate slightly erodes it; and (ii) on the opposite side, the coated side of the substrate, material removal on the side of the workpiece is achieved over the area of the laser action. The substrate is removed on the laser-irradiated rear side. No adverse consequences - mechanical impairments - of the minor erosion are observed

Für den Fall einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle, deren Schichtpaket auf ein Substrat aus einer 25 μm dicken Polyimidfolie aufgebracht worden ist, wird der Strahl eines Excimerlasers (t_Puls = ~25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) auf eine Fläche von 150 × 150 μm² bei 3 mm/s gerichtet. Bei geringem Pulsüberlapp von ca. 20% und einer Laserfluenz von etwa 5 J/cm² erfolgt die Laserbestrahlung der Rückseite des CIGS-Dünnschichtsolarzellensubstrats. Das Ergebnis der Laserbestrahlung und des Substratabtrags ist bei den angegebenen Parametern der Abtrag und die Ablösung der CIGS-Schicht. Das rasterelektronenmikroskopische Abbild der strukturierten Oberfläche ist in zu sehen. Die Ritzkante (23) ist nahezu senkrecht und weist keine sichtbaren Spuren von Schmelzen oder anderen Schichtveränderungen auf. Der Verlauf der Ritzkante (23) in Richtung des Ritzens ist nicht vollständig gerade, wie es von der direkten Laserablation bekannt ist, wodurch ebenfalls klar ist, dass es sich um einen bisher nicht bekannten Prozess handelt, der indirekt den Laserablationsprozess, allerdings an der schichtabgewandten Seite des Schichtträgers nutzt, aber der bezweckte Schichtabtrag nicht durch einen Laserablationsabtrag im ursprünglichen Sinne, der aufgrund der direkten Absorption der Laserstrahlung erfolgt, zustande kommt. For the case of a CIGS thin-film solar cell, the layer package has been applied to a substrate of a 25 micron thick polyimide film, the beam of an excimer laser (t _pulse = ~ 25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) to an area of 150 × 150 μm ² at 3 mm / s. With a low pulse overlap of about 20% and a laser fluence of about 5 J / cm ² , the laser irradiation of the back of the CIGS thin-film solar cell substrate takes place. The result of laser irradiation and substrate removal at the specified parameters is the removal and detachment of the CIGS layer. The scanning electron micrograph of the structured surface is in to see. The scribe edge ( 23 ) is nearly vertical and has no visible traces of melting or other layer changes. The course of the scribe edge ( 23 ) in the direction of scribing is not completely straight, as is known from direct laser ablation, which also reveals that it is a hitherto unknown process that indirectly utilizes the laser ablation process, but on the side of the backing which faces away from the layer the intended layer removal is not achieved by a laser ablation in the original sense, which occurs due to the direct absorption of the laser radiation.

Die Folge der Einzelprozesse, die zum Abtrag der Schichten führen, ist schematisch in dargestellt. Die wesentlichen Bestandteile, Anordnungen und Abläufe des Verfahrens sind dargestellt. Das von der Rückseite mit einem Laser (10) bestrahlte Substrat (1) absorbiert Teile der Laserstrahlung oberflächennah. Hierdurch kommt es durch photochemische bzw. photothermische Prozesse zur Ablation eines Materials im Bereich der Schichtträgerrückseite. Dies kann im einfachsten Fall der Schichtträger (1) selbst sein, wie hier dargestellt ist. Durch die Laserablation (11) werden sekundäre Prozesse ausgelöst, die schließlich zum Schichtabtrag führen. Dies können, wie in der Abbildung schematisch dargestellt, Schockwellen sein. Diese Energiewellen (15), z. B. Schockwellen, die einen Teil der Laserenergie tragen, dringen bis zu dem Schichtsystem (8) vor und können bei geeigneter Parameterwahl, ggf. zusammen mit anderen Prozessen, zum Schichtabtrag (16) führen. Hierbei erfolgt der Schichtabtrag bevorzugt an einer Grenzfläche; im Beispiel ist dies die Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht des Rückkontaktes (2) und dem CIGS-Absorberschichtsystem (8). Die Eigenschaften der Schichten und der Grenzfläche sind wichtig für die Schichtablösung, so dass durch Einstellung der Eigenschaften von Schicht und Grenzfläche die Schichtstrukturierung (14) beeinflusst werden kann. Durch geeignete Formung und/oder Bewegung des Lasers lassen sich Muster zur Schichtstrukturierung (14) erzeugen.The sequence of the individual processes that lead to the removal of the layers is shown schematically in shown. The essential components, arrangements and procedures of the method are shown. That from the back with a laser ( 10 ) irradiated substrate ( 1 ) absorbs parts of the laser radiation near the surface. As a result, photochemical or photothermal processes ablate a material in the area of the back of the substrate. In the simplest case, this may be the layer substrate ( 1 ) itself, as shown here. By laser ablation ( 11 ) trigger secondary processes that eventually lead to layer removal. This can be shock waves, as shown schematically in the figure. These energy waves ( 15 ), z. B. shock waves that carry a portion of the laser energy, penetrate to the layer system ( 8th ) and can, with suitable parameter selection, possibly together with other processes, 16 ) to lead. In this case, the layer removal preferably takes place at an interface; in the example this is the interface between the molybdenum layer of the back contact ( 2 ) and the CIGS absorber layer system ( 8th ). The properties of the layers and of the interface are important for the delamination, so that by adjusting the properties of layer and interface, the layer structure ( 14 ) can be influenced. By suitable shaping and / or movement of the laser, patterns for layer structuring ( 14 ) produce.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 2 jedoch wird nun ein Neodym:YVO₄-Laser (Neodym-dotiertes Yttrium-Orthovanadat; Nd:YVO₄) mit folgenden Parametern verwendet: t_Puls ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz. Der Laserstrahl, der außerdem eine gaussförmige Energiedichteverteilung besitzt, wird mittels eines Scanners ausgelenkt und hiernach mit einer speziellen Scanneroptik, die eine Brennweite von 50 mm besitzt, fokussiert. Folglich ist auch im Laserfokus, abweichend von Ausführungsbeispiel 1, keine gleichförmige Bestrahlung zu erwarten, sondern eine ebenfalls annähernd gaussförmige Verteilung mit einem Maximum der Energie im Zentrum des Laserspots, der einen Durchmesser von d ~ 8,2 μm aufweist. Die Laserleistung beträgt etwa 100 mW. Die Pulsenergie des Lasers beträgt etwa 20 μJ. Der Laserstrahl wird auf die Werkstücksunterseite (Substratrückseite) gerichtet und mit gleichbleibender Geschwindigkeit von ca. 7,5 mm/s über das Substrat geführt.Similar to the embodiment 1, a CIGS thin-film solar cell according to the in marked structure used for structuring. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. In Embodiment 2, however, a neodymium: YVO ₄ laser (neodymium-doped yttrium orthovanadate; Nd: YVO ₄ ) having the following parameters is used: t _pulse ~ 6 ns, λ = 532 nm and f = 5 kHz. The laser beam, which also has a Gaussian energy density distribution, is deflected by a scanner and then focused with a special scanner optics having a focal length of 50 mm. Consequently, in the laser focus, unlike Embodiment 1, no uniform irradiation is to be expected, but a likewise approximately Gaussian distribution with a maximum of energy in the center of the laser spot, which has a diameter of d ~ 8.2 microns. The laser power is about 100 mW. The pulse energy of the laser is about 20 μJ. The laser beam is directed onto the underside of the workpiece (substrate rear side) and guided over the substrate at a constant speed of approx. 7.5 mm / s.

Auch hier wird die Ablation des Polyimides an der Rückseite und die lokale Schichtentfernung gegenüber der Bestrahlungsstelle beobachtet. Das Ergebnis des Abtrags wurde im Rasterelektronenmikroskop untersucht und ist in dargestellt. Man sieht einen Ritzgraben mit unregelmäßig ausgebrochenen Rändern, die ebenfalls keinerlei Schmelzspuren aufweist. In Übereinstimmung mit Ausführungsbeispiel 1 wird auf der Substratrückseite Material abgetragen, wodurch ein Graben gebildet wird. Erkennbar werden jedoch schmalere Ritzgräben – im Beispiel liegen diese im Bereich von 80 μm – erzielt, die offensichtlich auf den geringeren Fokusdurchmesser zurückzuführen sind.Again, ablation of the polyimide on the backside and local stratification relative to the irradiation site are observed. The result of the erosion was investigated in the scanning electron microscope and is in shown. One sees a Ritzgraben with irregularly broken edges, which also has no melting traces. In accordance with Embodiment 1, material is removed on the substrate back, forming a trench. However, narrower scoring trenches - in the example they are in the range of 80 microns - achieved, which are obviously due to the lower focus diameter.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

Bei veränderten Strukturierungsparametern wird auch die Strukturierung einer Molybdänschicht auf Polyimid erreicht. In diesem Beispiel wird zur Strukturierung ein Nd:YVO4-Laser (t_Puls ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz) verwendet. Die Laserleistung wird jedoch auf etwa 300 mW erhöht. Auch hier belegen die rasterelektronenmikroskopischen Abbildungen, dass die Breite der abgetragenen Schicht schwankt, aber keine Schmelzerscheinungen auftreten.In the case of changed structuring parameters, the structuring of a molybdenum layer onto polyimide is also achieved. In this example, an Nd: YVO4 laser (t _pulse ~ 6 ns, λ = 532 nm and f = 5 kHz) is used for structuring. However, the laser power is increased to about 300 mW. Here, too, the scanning electron micrographs show that the width of the abraded layer varies, but that no melting phenomena occur.

Ausführungsbeispiel 4 Embodiment 4

In Weiterführung des Ausführungsbeispiel 2 kann bei veränderten Strukturierungsparametern die gleichzeitige Strukturierung mehrerer Schichten erreicht werden. Die Prozessführung ist gleichartig dem Ausführungsbeispiel 1 und dem Ausführungsbeispiel 2. In diesem Beispiel wird zur Strukturierung ebenfalls ein Neodym:YVO4-Laser (t_Puls ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz) verwendet. Die Laserleistung beträgt etwa 300 mW. Die weiteren Parameter werden ähnlich dem Ausführungsbeispiel 2 gewählt.In continuation of the embodiment 2, the simultaneous structuring of multiple layers can be achieved with changed structuring parameters. The process control is similar to the embodiment 1 and the embodiment 2. In this example, a neodymium: YVO4 laser (t _pulse ~ 6 ns, λ = 532 nm and f = 5 kHz) is also used for structuring. The laser power is about 300 mW. The other parameters are selected similarly to Embodiment 2.

Die rasterelektronenmikroskopische Abbildung des Laserritzes (20) ist in dargestellt. Der Laserritz (20) besteht aus zwei Gräben: der breitere Graben rührt von der Entfernung des CIGS-Schichtsystems (8) her und der zentrale schmalere Graben ist der Ritz in der Molybdänschicht (2). Auch hier ist der Ritzgraben des CIGS-Schichtverbundes (8) mit unregelmäßig ausgebrochenen Rändern (23) zu sehen, die ebenfalls keinerlei Schmelzspuren aufweisen. Trotz der höheren Pulsenergie sind keine Schmelzerscheinungen am Rande der Ritzgräben sowohl für das Molybdän wie auch für das CIGS-Schichtpaket zu beobachten. Vorteilhaft hierbei sind (i) die höhere Effizienz der Strukturierung, da mehrere Schichten gleichzeitig strukturiert werden, (ii) die inhärent erzielte Überdeckungsgenauigkeit im Sinne eines selbstjustierenden Strukturierungsprozesses. In diesem Beispiel sind das die Laserritze (20) in der CIGS-Schicht (8) sowie in der Molybdänschicht (2). Dies bedeutet, dass zwei funktionelle Strukturierungsschritte – technische Vorkehrungen zueinander – ablaufen können, wodurch der Herstellungsprozess einfacher und zuverlässiger wird.The scanning electron micrograph of the laser scribe ( 20 ) is in shown. The Laserritz ( 20 ) consists of two trenches: the wider trench is due to the removal of the CIGS layer system ( 8th ) and the central narrower trench is the scribe in the molybdenum layer ( 2 ). Again, the Ritzgraben of the CIGS composite layer ( 8th ) with irregularly broken edges ( 23 ), which also show no traces of melting. Despite the higher pulse energy, no melting phenomena can be observed at the edge of the scribing trenches for both the molybdenum and the CIGS layer package. Advantageous here are (i) the higher structuring efficiency, since several layers are structured at the same time, (ii) the inherent overlay accuracy in the sense of a self-aligning structuring process. In this example, these are the laser pits ( 20 ) in the CIGS layer ( 8th ) as well as in the molybdenum layer ( 2 ). This means that two functional structuring steps - technical arrangements with each other - can take place, making the manufacturing process easier and more reliable.

Aus diesem Beispiel lässt sich folgern, dass der Materialabtrag grenzflächenselektiv sein kann und an derjenigen Grenzfläche erfolgt, die die geringste Festigkeit aufweist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch die Erzeugung und Weiterleitung der Sekundärenergie auf der Schichtseite ebenfalls eine spezifische Energiedichteverteilung auftritt, die entsprechende Schichtabtragsgebiete hervorruft. Der schicht-/grenzflächenselektive Abtrag kann die mögliche Kontaktierung der freigelegten Schichten für bestimmte Anwendungen, z. B. Dünnschichtsolarzellen, erleichtern.From this example it can be concluded that the removal of material can be surface-selective and takes place at the interface which has the least strength. It should be noted that the generation and transmission of the secondary energy on the layer side also a specific energy density distribution occurs, causing the corresponding Schichtabtragsgebiete. The layer / interface selective removal can be the possible contacting of the exposed layers for certain applications, eg. B. thin-film solar cells, facilitate.

Ausführungsbeispiel 5Embodiment 5

Speziell zur Verwendung bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen und Solarmodulen lassen sich diese Strukturierungsvarianten vorteilhaft anwenden. Zur Erläuterung des Beispiels wird auf Bezug genommen, in der das Verschaltungsgebiet bei der externen seriellen Verschaltung speziell am Beispiel von CIGS-Solarzellen auf Polyimidfolie als Dünnschichtträgersubstrat (1) dargestellt ist. Von Bedeutung sind die beiden Strukturierungsgräben P3 und P4, die funktionell unterschiedliche Aufgaben bei der Herstellung der Verschaltung haben, aber den selektiven Abtrag von Schichten möglichst ohne Beeinflussung der Unterlage erfordern. In diesem Sinne lässt sich das Verfahren vorteilhaft einsetzen. Die durch die Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung hergestellten Ritzgräben werden nachfolgend mit Isolationspaste (51) bzw. Leitkleber (50) verfüllt, um die in dargestellte Verschaltung zu erreichen. In der Darstellung ist gleichfalls der Stromweg (100), der sich durch die Laserritze (20) und den Leitkleberauftrag (50) ergibt, eingezeichnet. Die rückseitig im Schichtträger durch den Prozess entstandenen Gruben (24) sind für die beabsichtigte Nutzung als Dünnschichtsolarzelle von untergeordneter Bedeutung.Especially for use in the production of CIGS thin-film solar cells and solar modules, these structuring variants can be used advantageously. To illustrate the example is on Reference is made, in which the interconnection region in the external serial interconnection, especially on the example of CIGS solar cells on polyimide film as a thin-film support substrate ( 1 ) is shown. Of importance are the two structuring trenches P3 and P4, which have functionally different tasks in the production of the interconnection, but require the selective removal of layers as possible without affecting the substrate. In this sense, the method can be used advantageously. The scribing trenches produced by the backside ablation front side structuring are subsequently treated with isolation paste ( 51 ) or conductive adhesive ( 50 ) to fill in the achieved interconnection shown. In the illustration also the current path ( 100 ), which is affected by the laser cracking ( 20 ) and the Leitkleberauftrag ( 50 ), drawn. The pits formed on the back of the substrate by the process ( 24 ) are of minor importance for the intended use as a thin-film solar cell.

Das CIGS-Dünnschichtsolarzellenmaterial wird in einem typischen PVD-Mehrschrittbeschichtungsprozess hergestellt. Es wird – vergleichend zur mechanischen Strukturierung mit einem Nadelwerkzeug – die Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung zur Herstellung der P3-Gräben angewendet, um so die externe serielle Verschaltung vorzubereiten. Die P4-Strukturierung wird in diesem Beispiel in zwei Schritten erzielt, wobei zunächst eine P3-Strukturierung durch den erfindungsgemäßen Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierungsprozess erfolgt und danach die Molybdänschicht mit üblicher Laserablation im Zentrum des P3-Grabens aufgetrennt wird (P4-Ritz in ). Hierdurch wird vermieden, dass durch den verwendeten Nanosekundenlaser nachteilige Effekte durch den Strukturierungsprozess im Schichtstapel entstehen. Nach der Laserstrukturierung werden die entsprechenden Isolations- bzw. Leitpasten mit Dispensern bzw. Siebdruck aufgebracht und anschießend getrocknet. Die gleichartige Verfahrensweise zur Herstellung von CIGS-Minimodulen wird unter Nutzung des mechanischen Ritzens zur Strukturierung ausgeführt. Die Minimodule, die aus je 2 Zellen bestehen, werden danach auf ihre elektrischen Eigenschaften hin charakterisiert und getestet. Im Rahmen der Fehlerspanne ergeben sich keine Unterschiede in der Effizienz der Module im Vergleich zu mechanisch geritzten Modulen.The CIGS thin film solar cell material is made in a typical PVD multi-step coating process. Comparing to the mechanical structuring with a needle tool, the backside ablation front side structuring is used to make the P3 trenches to prepare the external serial interconnect. The P4 structuring is achieved in this example in two steps, first P3 structuring being carried out by the back side laser ablation front side thin-film structuring process according to the invention and then the molybdenum layer being separated by conventional laser ablation in the center of the P3 trench (P4 scribe in FIG ). This avoids that caused by the nanosecond laser used disadvantageous effects of the structuring process in the layer stack. After the laser structuring, the corresponding insulating or conductive pastes are applied with dispensers or screen printing and then dried. The same procedure for making CIGS mini-modules is performed using mechanical scribing for patterning. The mini modules, each consisting of 2 cells, are then characterized and tested for their electrical properties. Within the scope of the margin of error, there are no differences in the efficiency of the modules compared to mechanically scored modules.

Das Ergebnis der Laserstrukturierung zur Vorbereitung der elektrischen Verschaltung mittels Leit-/Isolationspastenauftrag ist in dargestellt. Die lichtmikroskopische Abbildung nach den Laserstrukturierungsprozessen zeigt drei parallele Laserritze (20), wobei der mit P4 gekennzeichnete Ritz in diesem Beispiel eine zweifache Strukturierung umfasst. Zunächst wird mit der erfindungsgemäßen Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung das CIGS-Schichtpaket (8) strukturiert und damit das CIGS-Schichtsystem für alle drei Laserritze gleichartig entfernt. Hierdurch wird die Molybdänschicht des Rückkontaktes (2) freigelegt.The result of the laser structuring for the preparation of the electrical wiring by means of conductive / insulating paste application is in shown. The light microscopic image after the laser structuring processes shows three parallel laser breaks ( 20 ), wherein the scratch marked P4 in this example comprises a double structuring. First, with the back side laser ablation front side thin film structuring according to the invention, the CIGS layer package ( 8th ) and thus the CIGS layer system for all three Laserritze similar removed. As a result, the molybdenum layer of the back contact ( 2 ) exposed.

Danach wird mittels üblicher Laserablation durch die direkte Bestrahlung der Molybdänschicht (2) diese strukturiert. Die typischen Charakteristika der Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung sind auch hier aufzufinden. Hingegen zeigt die Vorderseitenablation die typischen Schmelzerscheinungen und Debrisablagerungen.Thereafter, by means of conventional laser ablation by the direct irradiation of the molybdenum layer ( 2 ) structured these. The typical characteristics of backside laser ablation front side thin film structuring are also found here. On the other hand, the frontal ablation shows the typical melting phenomena and debris deposits.

Die gute Steuerbarkeit des Laserstrahles lässt sehr genaue Strukturierungen auch mit geringem Abstand zu, so dass damit in nahezu beliebiger Form Schichten lokal entfernt werden können. Dies eröffnet weitere Gestaltungsmöglichkeiten der integrierten Verschaltung als Kombination von Serien- und Parallelschaltung von Einzelzellsegmenten, die vorteilhafte Modulausführungen ermöglichen.The good controllability of the laser beam allows very precise structuring even at a small distance, so that it can be removed locally in almost any form layers. This opens up further design possibilities of the integrated interconnection as a combination of serial and parallel connection of single-cell segments, which enable advantageous module designs.

Ausführungsbeispiel 6Embodiment 6

– Rückkontaktöffnung von Einzelzellen – Auch bei der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen aus CIGS-Solarzellenmaterial sind üblicherweise Strukturierungsschritte notwendig. Diese Strukturierungen sind schematisch in skizziert. Diese Strukturierungen umfassen zumindest drei Anwendungsziele, nämlich die Trennung des Vorderseitenkontaktes zur elektrischen Isolation des Rückkontaktgebietes mittels Isolationsgrabens (42), die Freilegung des Rückkontaktes (43) zur Kontaktierung der Molybdänschicht für Einzelsolarzellen und die Randisolation (41) der Einzelsolarzelle.- Back contact opening of single cells - Even in the production of thin-film solar cells from CIGS solar cell material structuring steps are usually necessary. These structurings are shown schematically in FIG outlined. These structurings comprise at least three application goals, namely the separation of the front side contact for electrical insulation of the back contact region by means of isolation trench (US Pat. 42 ), the exposure of the back contact ( 43 ) for contacting the molybdenum layer for individual solar cells and the edge insulation ( 41 ) of the single solar cell.

Eine spezifische Ausführungsform einer CIGS-Solarzelle (40) mit den entsprechenden Öffnungen zur Freilegung des Rückkontaktes (43), zur Trennung des Vorderseitenkontaktes (42) und zur Randisolation (41) ist in schematisch dargestellt. Die geometrische Spezifikation der Strukturierungen, d. h. der Ritz für den Isolationsgraben (42) und zur Freilegung des Rückkontaktes (43), können gleichartig ausgeführt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die rückseitige Bestrahlung der Solarzelle auf der Schichtseite die CIGS-Schicht von der Molybdänschicht selektiv abgetrennt. Damit lassen sich die Funktionalitäten des Isolationsgrabens (42) und der Rückkontaktöffnung (43) sicherstellen. Für eine Vielzahl von Anwendungen kann auch der Randisolationsgraben (41) so ausgeführt werden.A specific embodiment of a CIGS solar cell ( 40 ) with the corresponding openings for exposing the back contact ( 43 ), for separating the front side contact ( 42 ) and the edge isolation ( 41 ) is in shown schematically. The geometric specification of the structuring, ie the Ritz for the isolation trench ( 42 ) and to expose the back contact ( 43 ), can be carried out similarly. With the method according to the invention, the back irradiation of the solar cell on the layer side selectively separates the CIGS layer from the molybdenum layer. This allows the functionalities of the isolation trench ( 42 ) and the back contact opening ( 43 ) to ensure. For a variety of applications, the edge isolation trench ( 41 ) are executed in this way.

Die Strukturierung der Solarzellen wird folgendermaßen ausgeführt. Fertig prozessiertes CIGS-Dünnschichtsolarzellenmaterial wird in einem Stanzprozess so zurechtgeschnitten, dass die äußere Kontur der Solarzelle entsteht. Beim Stanzen können allerdings Kurzschlüsse im Randbereich entstehen, die die Effizienz der Solarzelle (40) vermindern. Nun wird die Solarzelle in einem Prozess der Beschichtung oder des Druckens mit Kontaktfingern (6) versehen. Dies wird im vorliegenden Fall durch den Auftrag eines Leitklebers erreicht, der gedruckt oder dispenst werden kann. Nach dem Aushärten sind die Kontaktfinger (6) und der Vorderseitenbusbar (44a) auf der Solarzellenoberfläche aufgebracht.The structuring of the solar cells is carried out as follows. Finished processed CIGS thin-film solar cell material is cut in a punching process so that the outer contour of the solar cell is formed. When punching, however, short circuits can occur in the edge region, which increases the efficiency of the solar cell ( 40 ) Reduce. Now, the solar cell is in a process of coating or printing with contact fingers ( 6 ) Mistake. This is achieved in the present case by the application of a conductive adhesive that can be printed or dispensted. After curing, the contact fingers ( 6 ) and the front side busbar ( 44a ) is applied to the solar cell surface.

Nun erfolgt die Laserstrukturierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung. Hierzu wird die Solarzelle mit der Schichtseite auf einen Vakuumtisch gelegt und mittels einer Membranpumpe angesaugt. Danach werden entsprechend dem Layout der Solarzelle, also beispielsweise einer Minizelle, in Übereinstimmung mit dem Schema in , die entsprechenden Laserritze eingebracht. Dabei werden folgende Parameter angewandt: Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Pulsdauer von ca. 25 ns und einer Pulswiederholfrequenz von 100 Hz; einer Laserspotgröße von 100 × 100 μm², der mit einer Geschwindigkeit von 2,5 mm/s über die Rückseite, d. h. das Polyimidsubstrat (1) bewegt wird. Hierdurch wird das CIGS-Schichtsystem (8) vollständig entfernt und dabei die Molybdänschicht (2) weitgehend unbeschädigt belassen.The laser structuring now takes place with the method according to the invention of the backside laser ablation front-side thin-film structuring. For this purpose, the solar cell is placed with the layer side on a vacuum table and sucked by means of a diaphragm pump. Thereafter, according to the layout of the solar cell, that is, for example, a minicell, in accordance with the scheme in FIG , which introduced appropriate Laserritze. The following parameters are used: Excimer laser with a wavelength of 248 nm, a pulse duration of approx. 25 ns and a pulse repetition frequency of 100 Hz; a laser spot size of 100 × 100 μm ² , at a speed of 2.5 mm / s across the back, ie the polyimide substrate ( 1 ) is moved. As a result, the CIGS layer system ( 8th ) completely removed while the molybdenum layer ( 2 ) leave largely undamaged.

Da für diese Anwendungsfälle, in denen ein höherer Strom zu erwarten ist, zur Verminderung des Kontaktwiderstandes größere Gebiete der Molybdänschicht (2) zu kontaktieren sind, muss auch ein größeres Gebiet von dem abgeschiedenen CIGS-Schichtsystem (8) befreit werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entweder die Laserspotgröße erhöht wird oder ein kleiner Laserstrahlspot beispielsweise mäanderförmig geführt zur Strukturierung angewandt wird. Das lichtmikroskopische Bild in zeigt das Ergebnis einer solchen Vorgehensweise in Form einer großen freigelegten Fläche. Die ursprüngliche Strukturierungsbreite ist ebenfalls im Bild zu sehen.Since for these applications, in which a higher current is expected, to reduce the contact resistance larger areas of the molybdenum layer ( 2 ), a larger area of the deposited CIGS layer system ( 8th ) are freed. This can be achieved by either increasing the laser spot size or by using a small laser beam spot, for example guided meander-shaped for structuring. The light microscopic picture in shows the result of such a procedure in the form of a large exposed area. The original structuring width can also be seen in the picture.

Danach wird im Bereich der Rückkontaktöffnung ein Leitkleber aufgebracht, der den Rückkontakt elektrisch so kontaktiert, dass die Entnahme des elektrischen Stromes ermöglicht wird.Thereafter, in the region of the rear contact opening, a conductive adhesive is applied, which electrically contacts the rear contact so that the removal of the electric current is made possible.

Abweichend von dem oben beschriebenen Verfahrensablauf kann die Strukturierung auch vor dem Aufbringen der Kontaktfinger (6) erfolgen. Dann muss das Drucken mit entsprechender Genauigkeit zu den eingebrachten Strukturen erfolgen. Allerdings können dann in einem Arbeitsschritt die Kontaktfinger (6) sowie die Busbars (44) aufgebracht werden. Andere Reihenfolgen der einzelnen Prozessschritte sind auch durchführbar.Notwithstanding the method sequence described above, the structuring may also be carried out before the application of the contact fingers (FIG. 6 ) respectively. Then the printing must be done with the appropriate accuracy to the structures introduced. However, in one step, the contact fingers ( 6 ) as well as the busbars ( 44 ) are applied. Other orders of the individual process steps are also feasible.

Die Verfahren lassen sich in dieser oder leicht abgewandelter Form bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen und -solarmodulen vorteilhaft anwenden.The processes can be used in this or slightly modified form in the production of CIGS Advantageously use thin-film solar cells and solar modules.

Ausführungsbeispiel 7Embodiment 7

Prinzipnachweis der Entfernung von Defekten, die hier durch die unmittelbare Laserbestrahlung des Schichtpaketes mit einem Nanosekundenlaser an definierter Stelle hervorgerufen wurden, durch das Verfahren entsprechend Anspruch 1.Proof of principle of the removal of defects, which were caused here by the direct laser irradiation of the layer package with a nanosecond laser at a defined location, by the method according to claim 1.

Dieses Beispiel zielt auf eine punktuelle, lokalisierte Strukturierung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen. Beispielsweise kann die Aufgabe eines Strukturierungsprozesses darin bestehen, fehlerhafte Bereiche von großflächig hergestellten Bauteilen zu entfernen oder zu isolieren, so dass deren schädigende Folgen nicht wirksam werden.This example aims at a localized localization of CIGS thin-film solar cells. For example, the task of a patterning process may be to remove or isolate defective areas of large-area manufactured components, so that their damaging consequences do not take effect.

In Bezug zu den mehrfach erwähnten CIGS-Dünnschichtsolarzellen lässt sich mit dem Verfahren lokal das CIGS/TCO-Schichtpaket mit den ggf. darin enthaltenen Fehlern entfernen. Hierdurch wird zwar die effektive Fläche der Solarzelle vermindert, jedoch nur in einem unbedeutenden Maße. Durch die Entfernung der Defekte, die eine wesentliche, die Effizienz beeinflussende Wirkung haben, wird eine Verbesserung der Solarzelle erreicht.In relation to the CIGS thin-film solar cells mentioned several times, the method allows the CIGS / TCO layer package to be removed locally with any errors contained therein. Although this reduces the effective area of the solar cell, but only to an insignificant extent. By removing the defects that have a significant effect on efficiency, an improvement of the solar cell is achieved.

Das Vorgehen und die Parameter sind adäquat den vorhergehenden Beispielen. In diesem Beispiel, schematisch dargestellt in , wird zur Strukturierung ein Excimerlaser (t_Puls ~ 25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) verwendet. Mittels eines Bewegungssystems wird der Laserspot auf den Defekt gerichtet. Die Größe des bestrahlten Gebietes wird entsprechend der Defektgröße und den optimalen Strukturierungsbedingungen gewählt. Sind größere Defektgebiete zu entfernen, kann dies auf zwei Arten erfolgen: entweder wird die erforderliche Fläche vollständig durch Abrastern mit dem Laserspot entfernt, oder der Defektbereich (60) wird mit einem Isolationsgraben (42) umgeben, der das Defektgebiet von der übrigen Funktionsfläche (Solarzellenabsorberfläche) trennt.The procedure and parameters are adequate to the previous examples. In this example, shown schematically in , an excimer laser (t _pulse ~ 25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) is used for structuring. By means of a movement system, the laser spot is directed to the defect. The size of the irradiated area is selected according to the defect size and the optimal patterning conditions. If larger defect areas are to be removed, this can be done in two ways: either the required area is completely removed by scanning with the laser spot, or the defect area (FIG. 60 ) with an isolation trench ( 42 ), which separates the defect area from the remaining functional area (solar cell absorber area).

Am folgenden Beispiel, dass in schematisch dargestellt ist, ist die Wirkung und die Effizienz der Verfahrensweise demonstriert. Es wird die Umrandung des Defektes (60) mit einem Isolationsgraben (42) als Methode zur elektrischen Isolation demonstriert. Zunächst wird eine Solarzelle mit einer Einrichtung verbunden, die die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie ermöglicht und es erfolgt die Bestimmung charakteristischer Solarzellenkennwerte. Folgende Kennwerte werden ermittelt: Parallelwiderstand R_p = 4,83 kΩ; Kurzschlusstrom I_sc = –0,00779 mA; Leerlaufspannung U_oc = 0,0314 V.The following example shows that in is shown schematically, the effect and the efficiency of the procedure is demonstrated. It becomes the border of the defect ( 60 ) with an isolation trench ( 42 ) demonstrated as a method for electrical isolation. First, a solar cell is connected to a device that allows the measurement of the current-voltage characteristic and it is the determination of characteristic solar cell characteristics. The following characteristic values are determined: Parallel resistance R _p = 4.83 kΩ; Short-circuit current I _sc = -0.00779 mA; Open circuit voltage U _oc = 0.0314 V.

Danach wird mittels Laserstrahlung (10) hoher Leistung ein Defekt (60) in das Solarzellenschichtsystem eingebracht, der an den gemessenen verminderten Leistungsparametern bemessen werden kann. Zu diesem Zweck wird mit dem Excimerlaser von der Schichtseite aus die gesamte Zelle durchbohrt und danach werden die folgenden Kennwerte ermittelt: Parallelwiderstand R_p = 0,5695 kΩ; Kurzschlussstrom I_sc = –0.00733 A; Leerlaufspannung U_oc = 0 V.Thereafter, by means of laser radiation ( 10 ) high performance a defect ( 60 ) is introduced into the solar cell layer system, which can be sized at the measured reduced performance parameters. For this purpose, the entire cell is pierced with the excimer laser from the layer side and then the following characteristic values are determined: parallel resistance R _p = 0.5695 kΩ; Short-circuit current I _sc = -0.00733 A; Open circuit voltage U _oc = 0 V.

Nun wird die Solarzelle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren so strukturiert, dass um das durch die vorhergegangene Hochleistungslaserbestrahlung (10) erzeugte Defektgebiet (60) ein Isolationsgraben (42) entsteht, der den Vorderseitenkontakt entfernt und so elektrisch trennt, dass über das Defektgebiet kein nachteiliger Stromfluss mehr möglich ist. Die nun nochmals ausgeführte Messung der elektrischen Kennwerte der CIGS-Solarzelle – es werden folgende Kennwerte ermittelt: Parallelwiderstand R_p = 4,85 kΩ; Kurzschlussstrom I_sc = –0,00599 mA; Leerlaufspannung U_oc = 0,025 V – ist der Nachweis, dass der – zuvor eingebrachte – Defekt keine Wirkung mehr hat und dass die Solarzelleneffizienz nicht nachteilig im Rahmen der Messbarkeit beeinflusst wird.Now, the solar cell is structured with the method according to the invention so that by the previous high-power laser irradiation ( 10 ) defect area ( 60 ) an isolation trench ( 42 ) is formed, which removes the front side contact and so electrically separated, that over the defect area no adverse current flow is possible. The now repeated measurement of the electrical characteristics of the CIGS solar cell - the following characteristic values are determined: parallel resistance R _p = 4.85 kΩ; Short-circuit current I _sc = -0.00599 mA; Open-circuit voltage U _oc = 0.025 V - is the proof that the - previously introduced - defect has no effect and that the solar cell efficiency is not adversely affected by the measurability.

Die Kennwerte sind unter Schwachlichtbedingungen ermittelt. Durch die Flächenverminderung sind die Erhöhung des Parallelwiderstandes und die Verminderung des Kurzschlussstromes zu erklären. Insgesamt wird deutlich, dass trotz Flächenverminderung eine Effizienzverbesserung durch die Defektentfernung eintritt. Eine wesentliche Folge ist, dass die Ausbeute des Gesamtprozesses der Herstellung von Solarzellen deutlich verbessert werden kann.The characteristic values are determined under low-light conditions. Due to the area reduction, the increase of the parallel resistance and the reduction of the short-circuit current can be explained. Overall, it is clear that despite reduction in area an improvement in efficiency occurs through the removal of defects. An essential consequence is that the yield of the overall process of producing solar cells can be significantly improved.

Ausführungsbeispiel 8Embodiment 8

CIGS-Solarzellenstrukturierung mit ultrakurzen Laserpulsen durch einen dicken GlasträgerCIGS solar cell structuring with ultrashort laser pulses through a thick glass carrier

Wie in Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle durch das erfindungsgemäße Verfahren strukturiert. Eine schematische Darstellung der Anordnung und Verfahrensweise dieses Ausführungsbeispiels ist in gegeben. Hierzu wird diese mittels einer Klebefolie vollflächig auf einem Glasträger fixiert. Zur Strukturierung wird ein sogenannter Pikosekundenlaser verwendet, der eine Wellenlänge von 1064 nm, eine Pulsdauer von ca. 15 ps und nach Fokussierung mittels einer Scanneroptik einen Fokusdurchmesser von ca. 25 μm aufweist. Das Werkstück wird auf einem Saugtisch so befestigt, dass der Glasträger dem Strahl zugewandt ist und der Strahl nach dem Durchdringen des Trägerglases zunächst auf die Klebefolie und dann auf den Schichtträger trifft.As in Embodiment 1, a CIGS thin film solar cell is patterned by the method of the present invention. A schematic representation of the arrangement and procedure of this embodiment is shown in FIG given. For this purpose, it is fixed over the entire surface of a glass substrate by means of an adhesive film. For structuring a so-called picosecond laser is used, which has a wavelength of 1064 nm, a pulse duration of about 15 ps and after focusing by means of a scanner optics, a focus diameter of about 25 microns. The workpiece is fastened on a suction table in such a way that the glass carrier faces the beam and the beam first strikes the adhesive film after passing through the carrier glass and then onto the substrate.

Der Laser wird mit einer Pulswiederholrate von 200 kHz betrieben und eine Ausgangsleistung von ca. 1,35 W eingestellt. Zum Zweck der Erzeugung von Ritzen in der CIGS-Schicht wird nun der Laserstrahl mit dem Scanner mit einer Geschwindigkeit von ca. 250 mm/s über die Rückseite geführt. The laser is operated at a pulse repetition rate of 200 kHz and an output power of approx. 1.35 W is set. For the purpose of creating cracks in the CIGS layer, the laser beam is now guided over the rear side with the scanner at a speed of approx. 250 mm / s.

Liefert der Laser keine Einzelpulse, wie dies auf die bisherigen Ausführungen zum Anwendungsbeispiel zutrifft, sondern Pulsgruppen mit einem zeitlichen Abstand der Pulse im Bereich von 20 ns, die im Intervall Pulswiederholrate auftreten, kann der beschriebene Strukturierungseffekt bei eine Laserleistung von ca. 1,6 W erreicht werden. Hieraus ist zu schlussfolgern, dass weitere Kombinationen von Laserparametern die Strukturierung in der beschriebenen Form ermöglichen.If the laser does not deliver any individual pulses, as is the case with the previous examples for the application example, but pulse groups with a time interval of the pulses in the range of 20 ns, which occur in the pulse repetition rate interval, the structuring effect described can be achieved with a laser power of approximately 1.6 W be achieved. From this it can be concluded that further combinations of laser parameters make possible the structuring in the described form.

Auch unter den genannten Bedingungen kann ein zusammenhängender Ritz der CIGS-Schicht erreicht werden. Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird auch auf der Rückseite eine Laserspur beobachtet. Allerdings ist zu bemerken, dass in diesem Fall das abgetragene Material nicht durch die aufgeklebte Glasscheibe entweichen kann, wodurch eine Beeinflussung der ablaufenden Prozesse und eine Veränderung der Verfahrensparameter erwartet werden kann. Der durch die Glasschicht begrenzte Abtransport der abgetragenen Produkte kann zu einer Verstärkung der Energiewandlung führen und damit den Prozess effizienter gestalten.Even under the conditions mentioned, a coherent scratch of the CIGS layer can be achieved. As in the previous embodiments, a laser track is also observed on the back. However, it should be noted that in this case, the removed material can not escape through the glued glass pane, whereby an influence on the running processes and a change in the process parameters can be expected. The removal of the removed products, which is limited by the glass layer, can lead to an increase in the energy conversion and thus make the process more efficient.

Aufgrund der Gelegenheit, durch Glas die Strukturierung durchzuführen, ergibt sich die Möglichkeit, bereits montierte Dünnschichtsolarzellen zu strukturieren, örtlich Anpassungen vorzunehmen oder Defektgebiete zu isolieren.Due to the opportunity of structuring through glass, it is possible to structure already assembled thin-film solar cells, make local adjustments or to isolate defect areas.

Ausführungsbeispiel 9Embodiment 9

Es liegt eine PEN-Trägerfolie (Polyethylennaphthalat) mit einer Stärke von ca. 100 μm vor, auf welcher eine intrinsische Zinkoxid(i-ZnO)-Schicht mit einer Schichtdicke von 50 nm und auf dieser eine aluminiumdotierte Zinkoxid(Al:ZnO)-Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 300 nm abgeschieden wird. Von der PEN-Folie sollen die ZnO-Schichten lokal und selektiv entfernt werden. Dazu wird das erfindungsgemäße Laserverfahren angewandt. Das Materialsystem wird mit der Schichtseite auf einem handelsüblichen Vakuum-Ansaugtisch so fixiert, dass der Schichtträger in Richtung der einfallenden Laserstrahlung weist. Die Bestrahlung der Probe wird mit folgenden Parametern durchgeführt: Die Wellenlänge und die Pulsdauer betragen λ = 248 nm und t = 25 ns. Die Pulswiederholfrequenz beträgt f = 10 Hz. Der Laserstrahl wird in der Art geformt und fokussiert, dass das bestrahlte Gebiet auf der Trägerfolie eine rechteckige Form mit einer Größe von 100 μm × 100 μm hat, in welcher die Energieverteilung gleichförmig ist. Das zu bearbeitende Gebiet wird mit 40 Laserpulsen bestrahlt, welche eine Energiedichte von 10 J/cm² auf der Schichtträgerrückseite verursachen. Nach der Bestrahlung werden folgende Wirkungen festgestellt:

(i) durch die Laserbestrahlung wird die PEN-Folie abgetragen,
(ii) in der PEN-Folie ist eine Verfärbung außerhalb der Bearbeitungsstelle sichtbar und
(iii) die ZnO-Schichten, die sich auf der nichtbestrahlten Seite des Schichtträgers befinden, werden von der PEN-Trägerfolie lokal abgelöst.

There is a PEN carrier film (polyethylene naphthalate) with a thickness of about 100 .mu.m, on which an intrinsic zinc oxide (i-ZnO) layer with a layer thickness of 50 nm and on this an aluminum-doped zinc oxide (Al: ZnO) layer with a layer thickness of about 300 nm is deposited. From the PEN film, the ZnO layers are to be removed locally and selectively. For this purpose, the laser method according to the invention is used. The material system is fixed with the layer side on a commercially available vacuum suction table so that the substrate has in the direction of the incident laser radiation. The irradiation of the sample is carried out with the following parameters: The wavelength and the pulse duration are λ = 248 nm and t = 25 ns. The pulse repetition frequency is f = 10 Hz. The laser beam is shaped and focused in such a manner that the irradiated area on the base sheet has a rectangular shape of 100 μm × 100 μm in size, in which the energy distribution is uniform. The area to be processed is irradiated with 40 laser pulses which cause an energy density of 10 J / cm ² on the back of the substrate. After irradiation, the following effects are observed:

(i) laser irradiation removes the PEN film,
(ii) in the PEN film, discoloration is visible outside the processing site and
(iii) the ZnO layers which are on the non-irradiated side of the support are locally peeled off from the PEN support film.

Ausführungsbeispiel 10Embodiment 10

Es liegt eine ca. 100 μm dicke PET(Polyethylenterephthalat)-Trägerfolie vor, auf der eine ca. 200 nm dicke ITO-Schicht und darauffolgend 150 nm organisches Halbleitermaterial aufgebracht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die organische Schicht lokal von der PET-Trägerfolie entfernt werden. Dazu wird der Materialverbund auf einem handelsüblichen Vakuum-Tisch fixiert. Die Bestrahlung erfolgt dabei mit einem Excimerlaser bei einer Wellenlänge von λ = 248 nm und einer Pulsdauer von t = 25 ns. Der Laserstrahl ist so geformt, dass der Laserspot auf der PET-Trägerfolie eine homogene Energieverteilung hat und die Spotgröße 100 μm × 100 μm ist. Mit einer Pulsfolgefrequenz von f = 10 Hz und einer Energiedichte von F = 10 J/cm² wird ein Punkt der PET-Trägerfolie mit 80 Laserpulsen bestrahlt. Als Ergebnis der Vorgehensweise kann beobachtet werden, dass die organischen Schichten, welche zusammen mit der ITO-Schicht auf der der laserbestrahlten Seite der PET-Trägerfolien gegenüberliegen Oberfläche aufgebracht wurden, entfernt werden. Zusätzlich kann ein Abtrag der PET-Trägerfolie beobachtet werden.There is an approximately 100 micron thick PET (polyethylene terephthalate) carrier film on which an approximately 200 nm thick ITO layer and then 150 nm organic semiconductor material are applied. With the method according to the invention, the organic layer should be removed locally from the PET carrier film. For this purpose, the composite material is fixed on a standard vacuum table. The irradiation takes place with an excimer laser at a wavelength of λ = 248 nm and a pulse duration of t = 25 ns. The laser beam is shaped so that the laser spot on the PET carrier film has a homogeneous energy distribution and the spot size is 100 μm × 100 μm. With a pulse repetition frequency of f = 10 Hz and an energy density of F = 10 J / cm ² , one point of the PET carrier film is irradiated with 80 laser pulses. As a result of the procedure, it can be observed that the organic layers which have been applied together with the ITO layer on the laser-irradiated side of the PET carrier films are removed from the surface. In addition, a removal of the PET carrier film can be observed.

Ausführungsbeispiel 11 (3)Embodiment 11 (3)

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 11 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: t_Puls ~ 14 ns, λ = 193 nm und f = 80 Hz.Similar to the embodiment 1, a CIGS thin-film solar cell according to the in marked structure used for structuring. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. In the embodiment 11, however, an excimer laser is now used with the following parameters: t _pulse ~ 14 ns, λ = 193 nm and f = 80 Hz.

Ausführungsbeispiel 12Embodiment 12

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 11 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Die CIGS- und Molybdänschichtdicke betragen hierbei jedoch jeweils ca. 3 μm. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird der selbe Laser wie in Ausführungsbeispiel 11 verwendet.Similar to Embodiment 11, a CIGS thin film solar cell according to the in marked structure used for structuring. The CIGS and Molybdenum layer thickness here, however, each about 3 microns. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. The same laser as in Embodiment 11 is used.

Ausführungsbeispiel 13Embodiment 13

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 13 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: t_Puls ~ 15 ns, λ = 249 nm und f = 100 Hz.Similar to the embodiment 1, a CIGS thin-film solar cell according to the in marked structure used for structuring. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. In the embodiment 13, however, an excimer laser is now used with the following parameters: t _pulse ~ 15 ns, λ = 249 nm and f = 100 Hz.

Ausführungsbeispiel 14Embodiment 14

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 14 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: t_Puls ~ 14 ns, λ = 351 nm und f = 100 Hz.Similar to the embodiment 1, a CIGS thin-film solar cell according to the in marked structure used for structuring. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. In the embodiment 14, however, an excimer laser is now used with the following parameters: t _pulse ~ 14 ns, λ = 351 nm and f = 100 Hz.

Ausführungsbeispiel 15Embodiment 15

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 14 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Die CIGS- und Molybdänschichtdicke betragen hierbei jeweils ca. 3 μm. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird er selbe Laser wie in Ausführungsbeispiel 14 verwendet.Similar to Embodiment 14, a CIGS thin film solar cell corresponding to that in FIG marked structure used for structuring. The CIGS and molybdenum layer thickness are in each case about 3 μm. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. It is the same laser as used in Example 14.

Ausführungsbeispiel 16Embodiment 16

Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Allerdings beträgt die Stärke der Kaptonfolie hierbei 50 μm. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird der selbe Laser wie in Ausführungsbeispiel 1 verwendet.Similar to the embodiment 1, a CIGS thin-film solar cell according to the in marked structure used for structuring. However, the thickness of Kapton foil here is 50 microns. Again, the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. The same laser as in Embodiment 1 is used.

Legenden zu den AbbildungenLegends to the pictures

: Schematische Darstellung des Querschnitts einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle auf Polyimid. : Schematic representation of the cross section of a CIGS thin film solar cell on polyimide.

: Ausgewählte einzelne Stufen des Prozesses der Vorderseitenschicht-/materialstrukturierung durch Rückseitenablation sind schematisch am Beispiel der selektiven Entfernung des CIGS-Absorberschichtsystems (8) von der Molybdänschicht dargestellt. Die vier Schritte des Prozesses sind: I) die Bestrahlung der Rückseite mit einem gepulsten Laser, II) der Abtrag von Material an oder nahe der Rückseite des Dünnschichtträgers mit der Bildung von Energiewellen, z. B. Schockwellen, III) und IV) Wechselwirkung der Energiewellen (15) mit dem Schichtsystem (8), das zum Abtrag (14) im Wechselwirkungsbereich führt. : Selected individual steps of the process of front-side layer / material structuring by backside ablation are schematically illustrated by the example of selective removal of the CIGS absorber layer system ( 8th ) is represented by the molybdenum layer. The four steps of the process are: I) irradiation of the backside with a pulsed laser, II) removal of material at or near the backside of the thin-layer support with the formation of energy waves, e.g. B. shock waves, III) and IV) interaction of energy waves ( 15 ) with the layer system ( 8th ), for ablation ( 14 ) in the interaction region.

: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung der Kante (23) einer strukturierten bzw. geritzten CIGS-Dünnschichtsolarzelle, bei der das CIGS-Schichtsystem (3, 4 und 5 bzw. 8) vom Molybdänrückkontakt (2) durch die Bestrahlung mit einem Excimerlaser entfernt wurde. Image: Scanning electron micrograph of the edge ( 23 ) of a structured or scratched CIGS thin-film solar cell, in which the CIGS layer system ( 3 . 4 and 5 respectively. 8th ) from the molybdenum back contact ( 2 ) was removed by irradiation with an excimer laser.

: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation mit einem transparenten flüssigen Material (17), das mit der Rückseite des Dünnschichtträgers in Kontakt ist. : Schematic representation of the arrangement for the process of thin-layer structuring by backside ablation with a transparent liquid material ( 17 ) which is in contact with the back of the thin film substrate.

: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation mit einem Aufbau von mehreren transparenten Materialien, die mit der Rückseite des Dünnschichtträgers in Kontakt sind. Das Beispiel zeigt die gleichzeitige Verwendung von Wasser (17) und Glas (17a). : Schematic diagram of the arrangement for the process of thin-layer structuring by backside ablation with a structure of several transparent materials, which are in contact with the back of the thin-film support. The example shows the simultaneous use of water ( 17 ) and glass ( 17a ).

: Beispielhafte, schematische Abbildung der Anordnung eines Hilfsabsorbers (18) für den Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation. Das zusätzliche Absorbermaterial wird im Bereich der Rückseite des Schichtträgers (1) angebracht und mit dem Schichtträger geeignet gekoppelt. : Exemplary, schematic illustration of the arrangement of an auxiliary absorber ( 18 ) for the process of thin-film structuring by backside ablation. The additional absorber material is in the region of the back of the substrate ( 1 ) and suitably coupled to the substrate.

: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation mit zusätzlicher Einleitung von Kräften oder Kraftwirkungen (F). Beispielhaft ist die einfache Streckung des Schichtträgers durch laterale Kräfte skizziert. : Schematic illustration of the arrangement for the process of thin-film structuring by backside ablation with additional introduction of forces or force effects (F). By way of example, the simple stretching of the substrate is outlined by lateral forces.

: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation mit zusätzlicher Auslösung von Kräften (30) oder Kraftwirkungen (F). Beispielhaft ist die Biegung eines flexiblen Schichtträgers skizziert, wodurch Schichtspannungen hervorgerufen werden können. Sowohl konkave wie auch konvexe Wölbungen (31) sind möglich. : Schematic representation of the arrangement for the process of thin-layer structuring by backside ablation with additional release of forces ( 30 ) or force effects (F). By way of example, the bending of a flexible support is sketched, whereby layer stresses can be caused. Both concave and convex curvatures ( 31 ) are possible.

: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines Strukturierungsgrabens, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wurde. Durch die Bestrahlung mit einem Nd:YAG-Laser (t_Puls ~ 6 ns, λ = 532 nm) wurde das CIGS-Absorberschichtsystem (8 bestehend aus 3, 4 und 5) vom Molybdänrückkontakt (2) entfernt. Der so hergestellte Ritz kann zur Strukturierung einer Solarzelle genutzt werden. : Scanning electron micrograph of a structuring trench obtained by the method according to the invention. Irradiation with an Nd: YAG laser (t _pulse ~ 6 ns, λ = 532 nm) resulted in the CIGS absorber layer system ( 8th consisting of 3 . 4 and 5 ) from the molybdenum back contact ( 2 ) away. The scratch produced in this way can be used to structure a solar cell.

: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines Laserritzes (20) in eine Solarzelle, bei dem neben dem CIGS-Absorberschichtsystem (8 bestehend aus 3, 4 und 5) auch die Molybdänschicht (2) im Zentrum unter Anwendung von Nd:YAG-Laserpulsen entfernt wurde. : Scanning electron micrograph of a laser scribe ( 20 ) in a solar cell, in which in addition to the CIGS absorber layer system ( 8th consisting of 3 . 4 and 5 ) also the molybdenum layer ( 2 ) was removed in the center using Nd: YAG laser pulses.

: Schematische Darstellung des Gebietes der Verschaltung bei der externen seriellen Verschaltung von CIGS-Salarzellensegmenten auf einem gemeinsamen Folienträger (1) mit dem Molybdän-Rückkontakt (2), dem Schichtpaket (8), bestehend aus dem CIGS-Absorber (3), Cadmiumsulfid (4) und dem TCO-Vorderseitenkontakt (5), den Laserritzen (20), die mit Leitpaste (50) bzw. Isolationspaste (51) verfüllt wurden, sowie die mit den Ritzschritten P3 und P4 erzeugten Rückseitenablationsgruben (24). Der Stromfluss (100) innerhalb des Solarzellensegments ist durch Pfeile gekennzeichnet. : Schematic representation of the area of the interconnection in the external serial interconnection of CIGS Salarzellensegmenten on a common film carrier ( 1 ) with the molybdenum back contact ( 2 ), the layer package ( 8th ), consisting of the CIGS absorber ( 3 ), Cadmium sulfide ( 4 ) and the TCO front side contact ( 5 ), the laser scratches ( 20 ), which contain conductive paste ( 50 ) or insulation paste ( 51 ) and the backside ablation pits generated by scratches P3 and P4 ( 24 ). The current flow ( 100 ) within the solar cell segment is indicated by arrows.

: Mikroskopische Abbildung des Verschaltungsgebietes zur Durchführung der externen seriellen Verschaltung von CIGS-Solarzellensegmenten durch Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung und Leitpastenauftrag. Die Abbildung zeigt den Zustand nach dem kompletten Dünnschichtabscheideprozess und dem Laserritzen. Insbesondere sind die mit P3 und P4 gekennzeichneten Laserritze (20) zu sehen. Hierbei wurde zunächst für alle drei Ritze der Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierungsprozess angewandt und danach die Molybdänschicht (2) in dem mit P4 gekennzeichneten Ritz mittels üblicher (Vorderseiten-)Laserablation im Zentrum des freigelegten CIGS-Schichtstapels (8) entfernt, um so die erforderliche Durchtrennung der Molybdänschicht (2) zu erzielen, wobei der Schichtträger (1) – hier Polyimid – freigelegt wird, dabei aber die CIGS-Schicht nicht zu schädigen, weil sonst parasitäre Widerstände auftreten, die zur Verminderung der Zelleffizienz führen. : Microscopic image of the interconnection area for performing the external serial interconnection of CIGS solar cell segments by backside ablation front side structuring and conductive paste application. The picture shows the condition after the complete thin film deposition process and laser scribing. In particular, the laser chips marked P3 and P4 are ( 20 to see). First of all, the back side ablation front side structuring process was used for all three incisions, followed by the molybdenum layer ( 2 ) in the scratch marked P4 by means of standard (front) laser ablation in the center of the exposed CIGS layer stack ( 8th ), so as to ensure the required separation of the molybdenum layer ( 2 ), wherein the support ( 1 ) - here polyimide - is exposed, but not to damage the CIGS layer, otherwise parasitic resistances occur, which lead to the reduction of cell efficiency.

: Schematische Darstellung einer Ausführungsform von CIGS-Dünnschichtsolarzellen in Draufsicht, von der Beschichtungsseite aus, gesehen. Durch die Herstellung von weiteren Funktionselementen wird aus dem CIGS-Dünnschichtmaterial eine Solarzelle (40). Wesentliche Funktionsstrukturen sind: die Kontaktfinger (6), die Busbars für den Vorderseiten- (44a) und den Rückkontakt (44b), Isolationsritz (42) zur Trennung des Frontkontaktes und die Randisolation (41). Durch die Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung können in CIGS-Dünnschichtsolarzellen die Strukturierungsaufgaben Isolationsgraben (42), die Freilegung des Rückkontaktes (43) sowie eine Kantenisolation (41) gelöst werden. : Schematic representation of an embodiment of CIGS thin film solar cells in plan view, seen from the coating side. The production of further functional elements turns the CIGS thin-film material into a solar cell ( 40 ). Essential functional structures are: the contact fingers ( 6 ), the busbars for the front ( 44a ) and the back contact ( 44b ), Insulation scratch ( 42 ) for the separation of the front contact and the edge insulation ( 41 ). Due to the backside ablation front side structuring, the structuring tasks isolation trenches (CIGS thin-film solar cells) 42 ), the exposure of the back contact ( 43 ) as well as an edge isolation ( 41 ) are solved.

: Mikroskopische Abbildung einer freigelegten Molybdänschicht (2), bei der durch das Verfahren der Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung das CIGS-Schichtsystem (8) entfernt und durch die mehrfache Strukturierung benachbarter Gebiete eine zusammenhängende Fläche strukturiert wurde, die größer als der Laserfokusfleck ist. : Microscopic image of an exposed molybdenum layer ( 2 In the case of the back side ablation front side structuring method, the CIGS layer system ( 8th ) and structured by the multiple structuring of adjacent areas a contiguous area that is larger than the laser focus spot.

: Schematische Darstellung zur Nutzung des Verfahrens nach Montage von Halbprodukten im Verlaufe des weiteren Fertigungsprozesses. Hier bezieht sich das Beispiel auf Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Modulfertigung, in dessen Rahmen die Dünnschichtsolarzellen beispielsweise auf Glas montiert werden. Die Montage kann beispielsweise durch eine dünne Kleberschicht (19) auf dem Trägerglas (17a) erfolgen, wie die Abbildung zeigt. Die Bestrahlung der Dünnschichtsolarzelle (9), bestehend aus der Trägerfolie (1) dem Molybdän-Rückkkontakt (2) und dem, bereits bekannten Schichtpaket (8) mit einem geeigneten Laserstrahl (10) in der erfindungsgemäßen Form, ist wie dargestellt möglich. Die Kleberschicht (19) kann zusammen mit dem Trägerglas (17a) zur Verstärkung der Energiewandlung und damit zu einer besseren, effizienteren Strukturierung führen. : Schematic representation of the use of the method after assembly of semi-finished products in the course of the further manufacturing process. Here, the example relates to application of the method according to the invention in module production, in the context of which the thin-film solar cells are mounted, for example, on glass. The assembly can be achieved, for example, by a thin adhesive layer ( 19 ) on the carrier glass ( 17a ), as the picture shows. Irradiation of the thin-film solar cell ( 9 ), consisting of the carrier film ( 1 ) the molybdenum Rückkkontakt ( 2 ) and the already known layer package ( 8th ) with a suitable laser beam ( 10 ) in the inventive form is possible as shown. The adhesive layer ( 19 ) together with the carrier glass ( 17a ) to strengthen the energy conversion and thus lead to a better, more efficient structuring.

: Schematische Darstellung zur Defektentfernung durch Anwendung der Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung. Zur Demonstration der Wirksamkeit wird der schematisch dargestellte Ablauf überprüft. Eine CIGS-Minisolarzelle entsprechend – dargestellt in I) – wird, wie in II) zu sehen, mit einer hochenergetischen Laserpulsbestrahlung (10) mit einem Defekt (60) versehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dieser Defekt (60) mit einem Isolationsgraben (42) umrandet – dies ist in III) zu sehen – und so elektrisch von dem intakten Solarzellengebieten isoliert, so dass kein Stromfluss mehr möglich ist. Der vergleichende Nachweis der Leistungsparameter Solarzelle entsprechend IV) ergibt, dass die durch den eingebrachten Defekt (60) verminderten Leistungsparameter fast vollständig durch den den Defekt umrandenden Isolationsgraben (42) beseitigt wird. : Schematic illustration of defect removal by using the backside ablation front side structuring. To demonstrate the effectiveness of the schematically illustrated sequence is checked. A CIGS mini-solar cell accordingly - shown in I) - is, as shown in II), with a high-energy laser pulse irradiation ( 10 ) with a defect ( 60 ) Mistake. By the method according to the invention this defect ( 60 ) with an isolation trench ( 42 ) - this can be seen in III) - and thus electrically isolated from the intact solar cell areas, so that no current flow is possible. The comparative proof of the performance parameter solar cell according to IV) shows that the defects caused by the defect ( 60 ) almost completely reduced performance parameters through the isolation trench surrounding the defect ( 42 ) is eliminated.

: Schema zur Durchführung eines Prozesses der Laserstrukturierung zur Herstellung von Ritzgräben, Isolationsgräben, Freilegungsflächen oder Randisolationen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. : Scheme for performing a process of laser structuring for the production of scribing trenches, isolation trenches, exposure surfaces or edge insulation by means of the method according to the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Solarzellensubstrat, Schichtträger z. B. PolyimidSolar cell substrate, substrate z. B. polyimide
22: Rückkontakt z. B. MolybdänBack contact z. B. molybdenum
33: CIGS-AbsorberCIGS absorber
44: Cadmiumsulfidcadmium sulfide
55: Vorderseitenkontakt z. B. TCOFront side contact z. B. TCO
66: Kontaktfingercontact fingers
88th: Schichtpaket, bestehend aus CIGS- + CdS- + TCO-SchichtenLayer package consisting of CIGS + CdS + TCO layers
99: CIGS-SolarzelleCIGS solar cell
1010: Laserstrahllaser beam
1111: Laserablationlaser ablation
1212: Laserstrahlabsorptionlaser beam absorption
1313: rückseitige Ablation; Rückseitenablationback ablation; Rückseitenablation
1414: Schichtstrukturierunglayer structure
1515: Energiewellenenergy waves
1616: entfernte Schichtbestandteileremoved layer components
1717: transparenter Hilfsstofftransparent excipient
17a17a: transparenter Hilfsstoff, hier Glasträger für Solarzellentransparent excipient, here glass carrier for solar cells
1818: zusätzliches Absorbermaterialadditional absorber material
1919: Hilfsstoff, z. B. Kleber zum Fixieren von SolarzellenExcipient, z. B. adhesive for fixing solar cells
2020: Laserritzlaser scribing
2323: Strukturierungskante, z. B. Kante in CIGS-Absorber-, CsS- und TCO-SchichtStructuring edge, z. Edge in CIGS absorber, CsS and TCO layer
2424: RückseitenablationsgrubeRückseitenablationsgrube
3030: Kraftforce
3131: Biegungbend
4040: Solarzellesolar cell
4141: RandisolationsgrabenEdge isolation trench
4242: Isolationsgrabenisolation trench
4343: RückkontaktöffnungBack contact opening
4444: Busbarbusbar
44a44a: Busbar VorderseitenkontaktBusbar front side contact
44b44b: Busbar RückseitenkontaktBusbar backside contact
5050: Leitpasteconductive paste
5151: Isolationspasteinsulating paste
6060: Defekt, laserinduzierter DefektDefect, laser-induced defect
100100: Stromflusscurrent flow

Claims

Selective removal of a thin layer or a layer package of thin layers for thin-film solar cell structuring, wherein a short-term laser irradiation is applied from the non-layered back of a substrate of the thin-film solar cell on this back, the laser radiation in the back of the substrate is absorbed directly or by an adjuvant predominantly, the laser irradiation also leads to material removal by the laser irradiation in the area of the rear side of the substrate, the absorbed laser energy being passed in parts through the substrate to the layer or layers, and the non-electromagnetic transfer energy causing the removal of the layer or layers.

The method of claim 1, wherein the layer to be removed or the layer package to be removed, which consists of a semiconductor material, a dielectric or a metal, are applied to the substrate having a thickness in the range of 10 .mu.m to 2 mm.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the layer to be removed or the layer package to be removed comprises an organic or inorganic semiconductor, wherein the semiconductor material is an organic semiconductor, as used in organic light-emitting diodes, organic solar cells or plastic electronics, or a transparent conductive oxide or is an elementary, binary, ternary or quaternary semiconductor.

The method of claim 1 or 3, wherein the total thickness of the layer or the layer package, which is removed with the back irradiation of the visible support is less than 10 microns, wherein the layer-selective removal is achieved by the mechanical strength of the layer transitions is set, it is correspondingly lower than the strength of the layer or of the layer package, wherein the total thickness of the removal is set by the lowest adhesion of the layer or of the layer package, wherein the layer support is either a polymer film or a metal foil or a paper or contains these materials as a component and in front of the surface of the layer side facing away from the layer carrier an auxiliary layer of absorbent material with a small thickness is attached and this is mechanically connected to the substrate.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the short-term laser irradiation has a duration of up to 10 microseconds and is determined either by the pulse length of a laser pulse, the total duration of a sequence of laser pulses or the residence time of the laser spot, wherein the short-term laser irradiation applied several times in succession In this case, the laser radiation has a wavelength at which a high absorption of the laser radiation is achieved in the region of the back of the substrate, resulting in wavelengths of the laser radiation in the range of less than 550 nm or greater than 1 μm, the size of the laser spot is less than 1 mm ² , the energy density in the laser spot is constant or has a maximum in the middle, the energy density of the laser spot is at least twice the minimum energy density required for laser ablation and / or or for removing material from the support or the auxiliary absorbent layers, the laser radiation irradiated toward the side of the support facing away from the layer is absorbed directly by the support, a layer or material applied to the support or absorbed in an auxiliary material mechanically attached to the support the laser wavelength, the absorption of the laser radiation is increased so much that it leads to the removal of material of the substrate, the back additionally applied layer or the attached auxiliary material, for polymers as material for the substrate short-wave laser beams in the UV or visible wavelength range of the spectrum are used and wherein the support is behind a transparent material or is connected to this by other auxiliaries and the laser irradiation through the transparent material strikes the support.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein, a CIGS thin-film solar cell, consisting of a flexible substrate ( 1 ), a back contact ( 2 ), a CIGS absorber ( 3 ), a cadmium sulfide layer ( 4 ) and a front side contact ( 5 ) is fixed on a substrate suitable for processing the thin-film solar cell with laser beams or is held by external forces, the thin-film solar cell fixed in this way is first coated with a laser ( 10 ) having a wavelength in the range of 193 nm to 500 nm and a pulse length in the range of 0.1 ns to 100 ns, the laser focus has a diameter in the range of 30 μm to 200 μm, and the laser pulse energy is adjusted the energy density in the laser spot is in the range of 0.1 J / cm ² to 50 J / cm ² and the laser spot is moved in such a way that the laser spots of successive laser pulses overlap on movement of the substrate in a range of 5% to 95%, so that a layer or a layer package are removed and thus structures are scratched.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the support is a Kapton film having a thickness of 25 microns and the laser has a pulse duration of less than 50 ns and emits at wavelengths in the range of 190 nm to 500 nm and the pulse overlap about 30% up to 80%.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the layer packet of TCO, CIGS and Mo with layer thicknesses of about 200 nm, 1.5 microns and 800 nm, the support is a Kapton foil, the pulse duration is less than 50 ns, the Laser spot has a size of 100 microns ² and is passed over the substrate so that a pulse overlap of less than 80% takes place, wherein the CIGS layer is removed and thereby structured, wherein two or more laser ditches ( 20 ), which are mixed with conductive paste ( 50 ) or with isolation paste ( 51 ) and thus a module interconnection of CIGS thin-film solar cells is possible, wherein the joining of several laser ditches an area of layer material is exposed and directed a defect in a layer or layer package through the laser spot and there the defective material is removed or the defect site with an isolation trench ( 42 ) is isolated.

Method according to one or more of the preceding claims, wherein the wavelength of the laser is adjusted so that the substrate optimally absorbs the laser radiation, the layer to be structured is oriented downwards, the laser beam is guided from above onto the substrate, the ablated layer components beyond By means of air streams, so suction and blowing devices are additionally removed, the workpiece transport preferably takes place outside of the used thin-film area and without significant mechanical contact and by camera and brand recognition systems a precise material removal is possible.