ITMI20091790A1 - APPARATUS FOR THE IDENTIFICATION OF THE FINAL POINT OF THE LASER ENGRAVING PROCESS ON MULTILAYER SOLAR CELLS AND ITS METHOD. - Google Patents
APPARATUS FOR THE IDENTIFICATION OF THE FINAL POINT OF THE LASER ENGRAVING PROCESS ON MULTILAYER SOLAR CELLS AND ITS METHOD. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
dell'invenzione industriale avente per titolo: of the industrial invention entitled:
“Apparato per l’individuazione del punto finale del processo di incisione laser su celle solari multistrato e relativo metodo.” "Apparatus for identifying the end point of the laser engraving process on multilayer solar cells and its method."
La presente invenzione concerne un apparato per l’individuazione del punto finale del processo di incisione laser su una cella solare multistrato ed il relativo metodo. The present invention relates to an apparatus for identifying the end point of the laser engraving process on a multilayer solar cell and the related method.
L’incisione laser è imo dei processi rilevanti nella produzione industriale delle celle solari a film sottile, mediante il quale si definiscono sia la geometria che le dimensioni della regione attiva e si produce la struttura di interconnessione finale. Il rendimento delle celle dipende della resistenza serie e della corrente di perdita, che devono essere minimizzate entrambe. Il processo costruttivo delle celle è concettualmente lo stesso, indipendentemente da quale delle tre categorie attualmente in produzione, ovvero celle al silicio, celle a CdTe, oppure celle di tipo con composto di rame, indio, gallio e selenio, chiamate anche celle CIGS. Laser engraving is one of the relevant processes in the industrial production of thin-film solar cells, by which both the geometry and dimensions of the active region are defined and the final interconnection structure is produced. The efficiency of the cells depends on the series resistance and the leakage current, both of which must be minimized. The construction process of the cells is conceptually the same, regardless of which of the three categories currently in production, i.e. silicon cells, CdTe cells, or cells of the type with copper, indium, gallium and selenium compounds, also called CIGS cells.
Ad esempio, la sequenza di realizzazione di una cella CIGS (figura 1) inizia con la deposizione del contatto metallico 11, ad esempio uno strato di molibdeno di spessore di 1 micrometro, su un substrato 20, ad esempio una lastra di vetro; sullo strato di molibdeno vengono effettuate mediante laser linee di incisione, con una spaziatura variabile ad esempio tra 5 e 10 mm, e di larghezza variabile tra 0.05 e 0.1 mm, in dipendenza dal tipo di laser utilizzato. Tale processo, è indicato in letteratura come PI, e consente la definizione delle celle solari di un modulo. Sullo strato di molibdeno 11 viene depositato un materiale assorbitore della radiazione solare, ad esempio uno strato di CIGS 30 di spessore di 2 micrometri, sul quale viene effettuato un altro processo di incisione che deve essere terminato all’interfaccia tra lo strato CIGS ed il contatto metallico di molibdeno sottostante. Tale processo, che attualmente viene effettuato principalmente mediante incisione meccanica, è indicato in letteratura come P2 e realizza la separazione elettrica tra le varie celle del modulo. Dopo la deposizione sugli strati 11 e 30 di uno strato trasparente ed elettricamente conduttivo 40, ad esempio uno strato di ZnO/CdS di spessore complessivo di 1 micrometro, si ha un altro processo di incisione indicato in letteratura come P3. Tale processo consiste nella incisione, ad oggi principalmente meccanica, degli strati di contatto elettrico superiore e dell’assorbitore della radiazione solare (CIGS) sino all’interfaccia con il contatto elettrico sottostante. Tale processo risulta nella interconnessione in serie delle celle per formare il modulo completo. For example, the manufacturing sequence of a CIGS cell (Figure 1) begins with the deposition of the metal contact 11, for example a molybdenum layer with a thickness of 1 micrometer, on a substrate 20, for example a glass plate; on the molybdenum layer, engraving lines are made by laser, with a variable spacing for example between 5 and 10 mm, and of a variable width between 0.05 and 0.1 mm, depending on the type of laser used. This process is referred to in the literature as PI, and allows the definition of the solar cells of a module. On the molybdenum layer 11 a material absorbing solar radiation is deposited, for example a layer of CIGS 30 with a thickness of 2 micrometers, on which another etching process is carried out which must be terminated at the interface between the CIGS layer and the contact. molybdenum metal underneath. This process, which is currently carried out mainly by mechanical etching, is referred to in the literature as P2 and carries out the electrical separation between the various cells of the module. After the deposition on the layers 11 and 30 of a transparent and electrically conductive layer 40, for example a layer of ZnO / CdS with an overall thickness of 1 micrometer, another etching process occurs, indicated in the literature as P3. This process consists of the incision, currently mainly mechanical, of the upper electrical contact layers and the solar radiation absorber (CIGS) up to the interface with the underlying electrical contact. This process results in the series interconnection of the cells to form the complete module.
Il processo PI non presenta criticità particolari mentre dalla qualità dei processi P2 e P3 dipendono le caratteristiche complessive della cella; infatti nell’ipotesi che lo strato di CIGS non sia completamente inciso sino al contatto inferiore, la resistenza serie della cella e la corrente di perdita aumentano e diminuisce l’efficienza complessiva della cella. The PI process does not present particular criticalities while the overall characteristics of the cell depend on the quality of the P2 and P3 processes; in fact, assuming that the CIGS layer is not completely etched up to the lower contact, the series resistance of the cell and the leakage current increase and the overall efficiency of the cell decreases.
Nell’ipotesi di sovra incisione, cioè un’incisione tale da incidere o danneggiare anche lo strato metallico di contatto inferiore, le singole celle del modulo risulterebbero, nell’ipotesi peggiore, isolate elettricamente una rispetto all’altra e verrebbero scartate. In the hypothesis of over etching, that is, an incision that can also affect or damage the lower contact metal layer, the individual cells of the module would, in the worst case, be electrically isolated from each other and would be discarded.
In caso di sotto incisione aumenterebbe la resistenza serie delle celle. Inoltre le zone del modulo comprese tra l’incisione PI e la P3 risultano inutilizzabili (zone morte) con conseguente perdita di efficienza complessiva delle celle del modulo. Il processo laser permette un avvicinamento tra l’incisione PI e la P3 superiore a quello realizzabile mediante il processo meccanico, data la ridotta larghezza delle linee di incisione prodotte dal laser. In case of under-etching, the series resistance of the cells would increase. In addition, the areas of the module between the engraving PI and P3 are unusable (dead areas) with a consequent loss of overall efficiency of the module cells. The laser process allows an approach between the PI engraving and the P3 greater than that achievable by the mechanical process, given the reduced width of the engraving lines produced by the laser.
La possibilità della sotto incisione e della sovra incisone non desiderate deriva dalla impossibilità attuale di individuare o sviluppare laser che possano incidere selettivamente gli strati desiderati, non intaccando gli strati sottostanti. The possibility of undesired undercutting and over-etching derives from the current impossibility of identifying or developing lasers that can selectively engrave the desired layers, without affecting the underlying layers.
Inoltre, non sono note in letteratura tecniche di individuazione chimico/fìsica del punto finale dei processi laser di incisione laser di film sottili in strutture multistrato di celle solari . Furthermore, techniques for the chemical / physical identification of the end point of laser processes for laser engraving of thin films in multilayer structures of solar cells are not known in the literature.
Un problema concettualmente analogo si pone nella fabbricazione dei circuiti integrati, dove materiali semiconduttori, dielettrici, metallici sono depositati su un substrato e conseguentemente rimossi a formare porte logiche, forature di contatto, piste di interconnessione etc. Vengono depositate delle maschere, ad esempio di materiale polimerizzabile fotosensibile, e le zone esposte delle strutture sottostanti sono rimosse per messo di gas alogeni come cloruri e bromuri, opportunamente energizzati. Il controllo di processo non può essere semplicemente effettuato sulla base di curve di calibrazione della velocità di attacco, dato che le condizioni di deposizione variano durante l’operatività dei reattori stessi, che necessitano di essere periodicamente puliti e ricondizionati. Vengono quindi utilizzati metodi per individuale il punto finale di processo, tali da evitare sia il sottoattacco che sovrattacco, che Tenderebbero inutilizzabili le strutture realizzate. A conceptually similar problem arises in the manufacture of integrated circuits, where semiconductor, dielectric, metallic materials are deposited on a substrate and consequently removed to form logic gates, contact holes, interconnection tracks, etc. Masks are deposited, for example of photosensitive polymerizable material, and the exposed areas of the underlying structures are removed by means of halogen gases such as chlorides and bromides, suitably energized. The process control cannot be simply carried out on the basis of calibration curves of the attack speed, since the deposition conditions vary during the operation of the reactors themselves, which need to be periodically cleaned and reconditioned. Methods are then used to individualize the final point of the process, such as to avoid both under-attack and over-attack, which would make the structures made unusable.
Esempi di implementazione includono, ad esempio l’analisi del plasma risultante in reattori a radiofrequenza. Un plasma generato mediante eccitazione a radiofrequenza, che richiede complessi sistemi in alto vuoto, con limiti alla dimensione dei campioni processabili, e che non permette l’individuazione del punto finale di processo in base a variazioni nel drogaggio degli strati adiacenti. Tale limitazione deriva dalla insufficiente temperatura di plasma raggiunta in tali apparati e alla assenza di acquisizione sincrona della radiazione emessa dalle varie specie originariamente presenti nel campione e di riflesso presenti nel plasma. L’insufficienza nella temperatura di plasma risulta in bassa concentrazione delle specie eccitate neutre con conseguente bassa intensità di segnale. L’impossibilità di rilevazione sincrona risulta dalla elevata frequenza di eccitazione del plasma, nella regione della decina di MHz. In tali condizioni di eccitazione il plasma, che si diseccita in un intervallo temporale superiore alla decina di microsecondi, rimane costantemente eccitato ed i segnali risultanti sono affetti da un alto rumore di fondo con conseguente diminuzione dei limiti di rilevabilità del segnale. Examples of implementation include, for example, the analysis of the resulting plasma in radiofrequency reactors. A plasma generated by radiofrequency excitation, which requires complex systems in high vacuum, with limits to the size of the processable samples, and which does not allow the identification of the end point of the process based on variations in the doping of the adjacent layers. This limitation derives from the insufficient plasma temperature reached in these apparatuses and the absence of synchronous acquisition of the radiation emitted by the various species originally present in the sample and reflected in the plasma. The insufficiency in the plasma temperature results in a low concentration of the excited neutral species with consequent low signal intensity. The impossibility of synchronous detection results from the high excitation frequency of the plasma, in the region of ten MHz. In these conditions of excitation, the plasma, which de-energizes in a time interval greater than ten microseconds, remains constantly excited and the resulting signals they are affected by a high background noise with a consequent decrease in the detection limits of the signal.
In un’altra implementazione, descritta nei brevetti US Pat. No 3874797 e 3824017, si utilizza la tecnica ellissometrica in cui viene inviata sulla superficie sottoposta a rimozione una radiazione luminosa polarizzata. Viene di seguito analizzata la variazione di fase ed intensità della radiazione riflessa, in modo da determinare lo spessore residuo degli strati. Tuttavia, le misure ellissometriche risultano di difficile realizzazione sia per la contemporaneità richiesta nella determinazione di fase ed intensità che soprattutto per l’incertezza delle misure su campioni strutturati. In another implementation, described in US Pat. Nos. 3874797 and 3824017, the ellipsometric technique is used in which a polarized light radiation is sent to the surface subjected to removal. The phase and intensity variation of the reflected radiation is analyzed below, in order to determine the residual thickness of the layers. However, ellipsometric measurements are difficult to achieve both due to the contemporaneity required in the determination of phase and intensity and above all due to the uncertainty of the measurements on structured samples.
In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione è quello di fornire un apparato per l’individuazione del punto finale del processo di incisione laser su una cella solare multistrato che superi i suddetti inconvenienti. In view of the state of the art, the purpose of the present invention is to provide an apparatus for identifying the end point of the laser engraving process on a multilayer solar cell that overcomes the aforementioned drawbacks.
In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante un appaiato per l’individuazione del punto finale di un processo di incisione laser su una cella solare multistrato comprendente una successione di strati sovrapposti l’uno all’altro, detto apparato comprendendo: In accordance with the present invention, said object is achieved by means of a paired for the identification of the end point of a laser engraving process on a multilayer solar cell comprising a succession of layers superimposed on each other, said apparatus comprising:
mezzi per l’incisione di detta cella solare mediante almeno un fascio laser, detto fascio laser essendo atto a rimuovere una porzione di strati successivi della cella solare fino a raggiungere uno strato desiderato; mezzi atti a rilevare l’intensità della luce prodotta dal plasma generato durante l’incisione della cella solare a prefissate lunghezze d’onda, mezzi atti a monitorare l’intensità della luce rilevata relativa ai componenti chimici degli strati da rimuovere e dello strato desiderato, detti mezzi di monitoraggio essendo atti a monitorare quando l’intensità della luce rilevata relativa allo strato desiderato raggiunge il prefissato valore di intensità indicativo dell’interfaccia fra l’ultimo degli strati della successione di strati e lo strato desiderato, means for engraving said solar cell by at least one laser beam, said laser beam being able to remove a portion of successive layers of the solar cell until a desired layer is reached; means for detecting the intensity of the light produced by the plasma generated during the incision of the solar cell at predetermined wavelengths, means for monitoring the intensity of the detected light relative to the chemical components of the layers to be removed and of the desired layer, said monitoring means being adapted to monitor when the intensity of the detected light relative to the desired layer reaches the predetermined intensity value indicative of the interface between the last of the layers of the succession of layers and the desired layer,
mezzi atti ad impostare i parametri di incisione del fascio laser in funzione del raggiungimento di detto prefissato valore di intensità indicativo dell’interfaccia fra l’ultimo degli strati della successione di strati e lo strato desiderato. means for setting the laser beam engraving parameters according to the achievement of said predetermined intensity value indicative of the interface between the last of the layers of the succession of layers and the desired layer.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali: The characteristics and advantages of the present invention will become evident from the following detailed description of a practical embodiment thereof, illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings, in which:
la figura 1 mostra un modulo di celle solari di tipo CIGS sottoposto ai processi P1-P3; Figure 1 shows a CIGS type solar cell module subjected to the P1-P3 processes;
la figura 2 mostra uno schema di un apparato per l’individuazione del punto finale di un processo di incisione laser su celle solari multistrato in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 shows a diagram of an apparatus for identifying the end point of a laser engraving process on multilayer solar cells in accordance with an embodiment of the present invention;
la figura 3 mostra uno schema di un apparato per l’individuazione del punto finale in processi di incisione laser su celle solari multistrato in accordo ad una variante della forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 3 shows a diagram of an apparatus for identifying the end point in laser engraving processes on multilayer solar cells in accordance with a variant of the embodiment of the present invention;
la figura 4 mostra un diagramma dello spettro del molibdeno in caso di sovraincisione del materiale CIGS in funzione della lunghezza d’onda; Figure 4 shows a diagram of the molybdenum spectrum in case of overdubbing of the CIGS material as a function of the wavelength;
la figura 5 mostra l’andamento del rapporto segnale/rumore riferito allo strato di molibdeno con diverse velocità di incisione laser; Figure 5 shows the trend of the signal / noise ratio referred to the molybdenum layer with different laser engraving speeds;
la figura 6 mostra l’andamento dei segnali di rame, gallio e molibdeno in funzione degli impulsi laser inviati sulla cella solare . Figure 6 shows the trend of the copper, gallium and molybdenum signals as a function of the laser pulses sent to the solar cell.
Con riferimento alla figura 2 è mostrato un apparato per l individuazione del punto finale di un processo di incisione laser su celle solari multistrato in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione. L’apparato opera su celle solari di piccole dimensioni, di circa 100 mm . With reference to Figure 2, an apparatus is shown for identifying the end point of a laser engraving process on multilayer solar cells according to an embodiment of the present invention. The apparatus operates on small solar cells, about 100 mm.
L’apparato comprende un generatore laser impulsato 1, ad esempio un laser Q-switch di tipo Nd:Yag pompato a diodi, emettente preferibilmente a 355 nm TEM00 con una potenza media preferibilmente maggiore di 2 Watt, uno scanner ottico 2 di tipo x-y preferibilmente di tipo galvo-meccanico con precisione di posizionamento migliore di 5 micron ed equipaggiato con una lente telecentrica con focale da 100 nm. Lo scanner ottico 2 è atto a dirigere il fascio laser 3 sulla superficie della cella solare 4, preferibilmente del tipo a film sottile e del tipo mostrata in figura 1, da incidere. The apparatus comprises a pulsed laser generator 1, for example a Q-switch laser of the Nd: Yag type pumped with diodes, emitting preferably at 355 nm TEM00 with an average power preferably greater than 2 Watt, an optical scanner 2 of the x-y type preferably galvo-mechanical type with positioning accuracy better than 5 microns and equipped with a telecentric lens with 100 nm focal length. The optical scanner 2 is adapted to direct the laser beam 3 onto the surface of the solar cell 4, preferably of the thin-film type and of the type shown in Figure 1, to be engraved.
Il fascio laser 3 viene diretto sulla superficie della cella solare 4, in particolare su una regione periferica 5 della cella solare 4 per effettuare una calibrazione del fascio laser. The laser beam 3 is directed on the surface of the solar cell 4, in particular on a peripheral region 5 of the solar cell 4 to carry out a calibration of the laser beam.
Il fascio laser 3 incidendo sulla superficie della cella solare 4 vaporizza il materiale di cui è fatta la cella solare; viene generato un plasma 10 comprendente i componenti o specie del materiale della cella solare 4. Ad esempio, se la cella solare 4 è del tipo come in figura 1, il plasma 10 generato dal fascio laser comprenderà rame, indio, gallio e selenio (elementi appartenenti allo strato CIGS 30) e, nel caso in cui il fascio laser abbia inciso fino allo strato di metallo, cioè lo strato molibdeno 11 che ricopre lo strato di vetro 20, il plasma 10 comprenderà anche molibdeno. The laser beam 3 incident on the surface of the solar cell 4 vaporizes the material of which the solar cell is made; a plasma 10 is generated comprising the components or species of the material of the solar cell 4. For example, if the solar cell 4 is of the type as in Figure 1, the plasma 10 generated by the laser beam will comprise copper, indium, gallium and selenium (elements belonging to the CIGS layer 30) and, in the event that the laser beam has etched up to the metal layer, i.e. the molybdenum layer 11 which covers the glass layer 20, the plasma 10 will also comprise molybdenum.
Una porzione della luce emessa dai componenti del plasma 10 viene raccolta da un dispositivo ottico 6 ed inviato mediante opportuni mezzi di trasmissione, ad esempio una fibra ottica, ad un analizzatore di spettro 7. Quest’ultimo comprende ad esempio uno spettrografo o un filtro di interferenza passa banda di lunghezza d’onda ed un rilevatore di luce; il filtro è disposto fra la fine dei mezzi di trasmissione ed il rilevatore di luce ed è atto a trasmettere solo una banda selezionata di lunghezze d’onda al rilevatore di luce. In tal modo l’intensità P della luce emessa ad una caratteristica lunghezza d’onda di un componente chimico o specie può essere rilevata e la sua concentrazione può essere monitorata. Il segnale di intensità P relativo all’elemento da monitorare è di alto valore ed ad esso viene sottratto il segnale di fondo o rumore di fondo R ottenendo il segnale pulito S. Tale segnale pulito S viene normalizzato rispetto al rumore R, ottenendo il rapporto Segnale/Rumore S/R, preferibilmente maggiore o uguale a 2. A portion of the light emitted by the components of the plasma 10 is collected by an optical device 6 and sent by means of suitable transmission means, for example an optical fiber, to a spectrum analyzer 7. The latter comprises, for example, a spectrograph or a filter for wavelength band pass interference and a light detector; the filter is arranged between the end of the transmission means and the light detector and is able to transmit only a selected band of wavelengths to the light detector. In this way the intensity P of the light emitted at a characteristic wavelength of a chemical component or species can be detected and its concentration can be monitored. The intensity signal P relative to the element to be monitored is of high value and the background signal or background noise R is subtracted from it, obtaining the clean signal S. This clean signal S is normalized with respect to the noise R, obtaining the Signal ratio / Noise S / R, preferably greater than or equal to 2.
L’analizzatore di spettro 7 può funzionare in modo sincrono o asincrono nella rivelazione dei segnali di intensità di luce. Nel modo di funzionamento sincrono, con una rilevazione dei segnali risolti nel tempo con un ritardo variabile dell’ordine di 500 ns-10 microsecondi, detta anche modalità LIBS e descritta nel libro D. Cremers, L. Radziemski, “Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Methods and Applications”, John Wiley & Sons, New York 2006, si aumenta notevolmente la sensibilità del sistema di rilevazione dei segnali e di individuare i droganti, cioè elementi a bassa concentrazione dei droganti nel materiale. Questa metodologia permette di discriminare strati con eguale composizione ma differente concentrazione delle impurezze droganti, sino ad un livello di concentrazione delle parti per milione (ppm). Il metodo asincrono si impiega quando si devono monitorare incisioni su strati chimicamente significativamente diversi. The spectrum analyzer 7 can work synchronously or asynchronously in the detection of light intensity signals. In the synchronous operating mode, with a detection of time-resolved signals with a variable delay of the order of 500 ns-10 microseconds, also called LIBS mode and described in the book D. Cremers, L. Radziemski, "Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Methods and Applications ”, John Wiley & Sons, New York 2006, significantly increases the sensitivity of the signal detection system and to identify dopants, ie elements with low dopant concentration in the material. This methodology allows to discriminate layers with the same composition but different concentration of the doping impurities, up to a concentration level of the parts per million (ppm). The asynchronous method is used when etchings on chemically significantly different layers have to be monitored.
L’analizzatore di spettro 7 preferibilmente comprende uno spettrometro, ad esempio uno spettrometro a CCD con intervallo di analisi da 200 nm a 1100 nm e risoluzione di 1 nm utilizzabile in modalità LIBS con ritardi impostabili da 0 a 10 microsecondi rispetto all’impulso laser. Lo spettrometro visualizza lo spettro del segnale P del componente da misurare con il rumore di fondo ed il rumore di fondo R come ad esempio in figura 4 dove è mostrato lo spettro del molibdeno in caso di sovraincisione in funzione della lunghezza d’onda λ. Tale segnale è rilevabile non appena il fascio laser incidente sulla cella inizia a rimuovere lo strato di molibdeno 11 della cella solare di figura 1, fornendo così Tinformazione che il processo è fuori controllo e che l’incisone è troppo profonda. Per avere il segnale pulito S del molibdeno è necessario sottrarre ai picchi del segnale P del molibdeno il rumore di fondo R; si ottiene poi il rapporto segnale/rumore S/R. Lo spettrometro visualizza anche lo spettro dei segnali relativi agli altri componenti della cella solare 4 che sono stati vaporizzati e fanno parte del plasma 10. Può anche essere visualizzato l’andamento dei segnali relativi alla concentrazione degli strati di rame NI, gallio N3 e molibdeno N2 in funzione del numero di impulsi laser inviati sulla cella solare 4. The spectrum analyzer 7 preferably includes a spectrometer, for example a CCD spectrometer with an analysis range from 200 nm to 1100 nm and a resolution of 1 nm usable in LIBS mode with delays that can be set from 0 to 10 microseconds with respect to the laser pulse. The spectrometer displays the spectrum of the signal P of the component to be measured with the background noise and the background noise R as for example in Figure 4 where the spectrum of molybdenum is shown in case of overdubbing as a function of the wavelength λ. This signal is detectable as soon as the laser beam incident on the cell begins to remove the molybdenum layer 11 of the solar cell of figure 1, thus providing information that the process is out of control and that the incision is too deep. To have the clean signal S of the molybdenum it is necessary to subtract the background noise R from the peaks of the molybdenum signal P; then the S / R signal / noise ratio is obtained. The spectrometer also displays the spectrum of the signals relating to the other components of the solar cell 4 that have been vaporized and are part of the plasma 10. The trend of the signals relating to the concentration of the layers of copper NI, gallium N3 and molybdenum N2 can also be displayed according to the number of laser pulses sent to the solar cell 4.
In alternativa l’analizzatore di spettro 7 comprende una serie di fotodiodi provvisti di un filtro passa banda centrato sull’elemento da rilevare. La radiazione luminosa proveniente dal dispositivo ottico 6 viene suddivisa in due parti; una parte viene inviata ad un primo fotodiodo dotato di un filtro passa banda centrato sull’elemento da rilevare e l’altra parte inviata su un secondo fotodiodo provvisto di un filtro passa banda posizionato in una regione spettrale adiacente a quella dell’emissione dell’elemento da rilevare che porta solo rumore di fondo . Al segnale P=S+R rilevato dal primo fotodiodo viene sottratto il segnale R rilevato dal secondo fotodiodo per ottenere il segnale pulito S ed il rapporto segnale/rumore S/R. Preferibilmente un’unità di controllo dell’incisione e della retroazione laser 8 provvede alla sottrazione del rumore R dal segnale P ed alla generazione del rapporto S/R. Alternatively, the spectrum analyzer 7 includes a series of photodiodes equipped with a band pass filter centered on the element to be detected. The light radiation coming from the optical device 6 is divided into two parts; one part is sent to a first photodiode equipped with a band-pass filter centered on the element to be detected and the other part is sent to a second photodiode equipped with a band-pass filter positioned in a spectral region adjacent to that of the emission of the element to note that it brings only background noise. The signal R detected by the second photodiode is subtracted from the signal P = S + R detected by the first photodiode to obtain the clean signal S and the signal / noise ratio S / R. Preferably a laser engraving and feedback control unit 8 provides for the subtraction of the noise R from the signal P and for the generation of the S / R ratio.
I segnali relativi agli elementi da rilevare vengono rilevati in continua o risolti nel tempo con un ritardo variabile fra 500 nanosecondi a 1 microsecondo. The signals relating to the elements to be detected are detected continuously or resolved over time with a delay varying from 500 nanoseconds to 1 microsecond.
L’unità di controllo 8 consente la visualizzazione del raggiungimento del valore del rapporto segnale/rumore Sint, cioè il valore indicativo dell’interfaccia fra l’ultimo degli strati della successione di strati e lo strato desiderato; nel caso di celle solari di tipo CIGS con molibdeno, se il molibdeno è lo strato desiderato il valore del rapporto segnale/rumore Sint indica l’interfaccia fra lo strato CIGS e lo strato di molibdeno 11. The control unit 8 allows the display of the achievement of the value of the signal / noise ratio Sint, that is the indicative value of the interface between the last of the layers of the succession of layers and the desired layer; in the case of CIGS type solar cells with molybdenum, if molybdenum is the desired layer, the value of the signal / noise ratio Sint indicates the interface between the CIGS layer and the molybdenum layer 11.
Dal raggiungimento della soglia del rapporto segnale/rumore Sint si determinano i parametri di incisione del fascio laser 3, cioè la frequenza, la potenza media e la velocità di scansione del fascio laser 3 sulla cella 4. Upon reaching the threshold of the signal / noise ratio Sint, the engraving parameters of the laser beam 3 are determined, i.e. the frequency, the average power and the scanning speed of the laser beam 3 on the cell 4.
L’unità di controllo 8 imposta detti parametri sul generatore laser 1 e sullo scanner ottico 2 per eseguire l’incisione e dopo detta fase di calibrazione si può effettuare l’incisione della cella solare con i parametri del fascio laser 3 determinati nella fase di calibrazione precedente. Durante la fase di incisione delle cella solare 4 il dispositivo 7 non è più attivo. The control unit 8 sets said parameters on the laser generator 1 and on the optical scanner 2 to perform the engraving and after said calibration phase, the solar cell can be engraved with the parameters of the laser beam 3 determined in the calibration phase. previous one. During the step of etching the solar cell 4 the device 7 is no longer active.
II prefissato valore Sint si determina dopo un processo preliminare effettuato su celle solari campione. Ad esempio, in detto processo preliminare si possono impostare inizialmente i seguenti parametri di incisione del fascio laser 3 : potenza media laser di 1 Watt, frequenza di ripetizione di 40 Khz, velocità dello scanner ottico di 425 mm/s. Si provvede ad effettuare l’incisione completa della cella solare 4 e contemporaneamente una porzione della luce emessa dai componenti del plasma 10 viene raccolta dal dispositivo 6 ed inviata all’analizzatore di spettro 7. Alla fine del processo si misura l’efficienza della cella solare così realizzata. Si ripete il suddetto processo per diverse velocità di incisione 400 mm/s, 350 mm/s, 300 mm/s lasciando inalterati gli altri parametri di incisione del fascio laser 3. Nella figura 5 viene mostrato l’andamento del rapporto segnale/rumore S/R dello strato di molibdeno 11 riferito alle diverse velocità di incisione laser. Il decremento del rapporto segnale/rumore S/R all’ aumentar e della velocità di incisione laser indica la diminuzione sino alla scomparsa del danneggiamento del contatto metallico di molibdeno. The predetermined Sint value is determined after a preliminary process carried out on sample solar cells. For example, in said preliminary process the following laser beam engraving parameters 3 can initially be set: average laser power of 1 Watt, repetition frequency of 40 Khz, speed of the optical scanner of 425 mm / s. The complete incision of the solar cell 4 is carried out and at the same time a portion of the light emitted by the components of the plasma 10 is collected by the device 6 and sent to the spectrum analyzer 7. At the end of the process the efficiency of the solar cell is measured so accomplished. The above process is repeated for different engraving speeds 400 mm / s, 350 mm / s, 300 mm / s, leaving the other laser beam engraving parameters unchanged 3. Figure 5 shows the trend of the signal / noise ratio S / R of the molybdenum layer 11 referred to the different laser engraving speeds. The decrease in the S / R signal / noise ratio as the laser engraving speed increases, indicates the decrease until the damage to the molybdenum metal contact disappears.
Sperimentalmente si ottiene che la miglior efficienza delle cella solare 4 si ha con valori di potenza media laser di 1 Watt, frequenza di ripetizione di 40 Khz, velocità dello scanner ottico di 400 mm/s. A questi valori corrisponde un valore Sint del rapporto segnale/rumore dello strato di molibdeno pari a 2. Detto valore Sint sarà utilizzato nella fase di calibrazione della cella solare 4. Experimentally it is obtained that the best efficiency of the solar cell 4 is obtained with average laser power values of 1 Watt, repetition frequency of 40 Khz, speed of the optical scanner of 400 mm / s. These values correspond to a Sint value of the signal / noise ratio of the molybdenum layer equal to 2. Said Sint value will be used in the calibration phase of the solar cell 4.
Con riferimento alla figura 3 è mostrato un apparato per l’individuazione del punto finale in processi di incisione laser su celle solari multistrato in accordo ad una variante della forma di realizzazione della presente invenzione. In accordo a detta variante l’apparato di figura 2 viene applicato ad una cella solare 40 di grande dimensione, di circa 2200*2600 mm<2>. Detto apparato comprende un generatore laser impulsato 1, ad esempio un laser Q-switch di tipo Nd:Yag pompato a diodi, emettente preferibilmente a 355 nm TEM00 con una potenza media preferibilmente maggiore di 10 Watt, una pluralità di teste di focalizzazione 21 atte a dirigere il fascio laser 3 sulla superficie della cella solare 4, preferibilmente del tipo a film sottile, da incidere mediante la deflessione parziale del fascio dovuta alla pluralità di specchi di riflessione parziale e di parziale trasmissione. La cella solare 40 viene spostata lungo gli assi X e Y mediante mezzi di movimentazione 90. With reference to Figure 3, an apparatus for identifying the end point in laser engraving processes on multilayer solar cells is shown in accordance with a variant of the embodiment of the present invention. According to said variant, the apparatus of figure 2 is applied to a large solar cell 40, of about 2200 * 2600 mm <2>. Said apparatus comprises a pulsed laser generator 1, for example a Q-switch laser of the Nd: Yag type pumped with diodes, emitting preferably at 355 nm TEM00 with an average power preferably greater than 10 Watt, a plurality of focusing heads 21 suitable for directing the laser beam 3 onto the surface of the solar cell 4, preferably of the thin film type, to be etched by means of the partial deflection of the beam due to the plurality of partial reflection and partial transmission mirrors. The solar cell 40 is moved along the X and Y axes by means of handling 90.
Il fascio laser 3 viene diretto sulla superficie della cella solare 40 mediante le teste di fiscalizzazione 21 con una pluralità di fasci laser focalizzati che, incidendo sulla superficie della cella solare 40, generano una pluralità di plasma 10 che viene raccolto da una pluralità di dispositivi ottici 60 ed inviato mediante opportuni mezzi di trasmissione, ad esempio fibre ottiche, all’ analizzatore di spettro 7. In quest’ultimo al segnale P relativo all’elemento da monitorare di ogni plasma 10 viene sottratto il segnale di fondo o rumore di fondo R per ogni dispositivo ottico della pluralità di dispositivi ottici 60 e viene generato il rapporto segnale/rumore S/R. The laser beam 3 is directed onto the surface of the solar cell 40 by means of the fiscalization heads 21 with a plurality of focused laser beams which, by striking the surface of the solar cell 40, generate a plurality of plasma 10 which is collected by a plurality of optical devices 60 and sent by means of suitable transmission means, for example optical fibers, to the spectrum analyzer 7. In the latter, the signal P relative to the element to be monitored of each plasma 10 is subtracted from the background signal or background noise R to each optical device of the plurality of optical devices 60 and the signal / noise ratio S / R is generated.
Come già precedentemente detto l’analizzatore di spettro 7 preferibilmente comprende uno spettrometro, ad esempio uno spettrometro a CCD con intervallo di analisi da 200 nm a 1100 nm e risoluzione di 1 nm utilizzabile in modalità LIBS con ritardi impostabili da 0 a 10 microsecondi rispetto all’impulso laser. Lo spettrometro visualizza lo spettro del segnale P del componente da misurare con il rumore di fondo ed il rumore di fondo R come ad esempio in figura 4 dove è mostrato lo spettro del molibdeno in caso di sovraincisione. Per avere il segnale S del molibdeno è necessario sottrarre ai picchi del molibdeno il rumore di fondo R ed ottenere il rapporto segnale/rumore S/R. As previously mentioned, the spectrum analyzer 7 preferably comprises a spectrometer, for example a CCD spectrometer with an analysis interval from 200 nm to 1100 nm and a resolution of 1 nm usable in LIBS mode with delays that can be set from 0 to 10 microseconds with respect to laser pulse. The spectrometer displays the spectrum of the signal P of the component to be measured with the background noise and the background noise R as for example in figure 4 where the molybdenum spectrum is shown in case of overdubbing. To obtain the S signal of the molybdenum it is necessary to subtract the background noise R from the molybdenum peaks and obtain the signal / noise ratio S / R.
In alternativa l’analizzatore di spettro 7 comprende una serie di fotodiodi provvisti di un filtro passa banda centrato sull’elemento da rilevare. Ogni radiazione luminosa proveniente dai dispositivi ottici 60 viene suddivisa in due parti; una parte viene inviata ad un primo fotodiodo dotato di un filtro passa banda centrato sull’elemento da rilevare e l’altra parte inviata su un secondo fotodiodo provvisto di un filtro passa banda posizionato in una regione spettrale adiacente a quella dell’emissione dell’elemento da rilevare che porta solo rumore di fondo. Al segnale P rilevato dal primo fotodiodo viene sottratto il segnale R rilevato dal secondo fotodiodo per ottenere il segnale pulito S ed il rapporto segnale/rumore S/R. Preferibilmente un’unità di controllo dell’incisione e della retroazione laser 8 provvede alla sottrazione del segnale R dal segnale P per ottenere il segnale S. Alternatively, the spectrum analyzer 7 includes a series of photodiodes equipped with a band pass filter centered on the element to be detected. Each light radiation coming from the optical devices 60 is divided into two parts; one part is sent to a first photodiode equipped with a band-pass filter centered on the element to be detected and the other part is sent to a second photodiode equipped with a band-pass filter positioned in a spectral region adjacent to that of the emission of the element to note that it brings only background noise. The signal R detected by the second photodiode is subtracted from the signal P detected by the first photodiode to obtain the clean signal S and the signal / noise ratio S / R. Preferably a laser engraving and feedback control unit 8 subtracts the R signal from the P signal to obtain the S signal.
I segnali relativi agli elementi da rilevare vengono rilevati in continua o risolti nel tempo con un ritardo variabile fra 500 nanosecondi a 1 microsecondo. Viene determinato in continuo il raggiungimento della soglia del rapporto segnale/rumore Sint oltre la quale si assume che l’incisione abbia raggiunto Γ interfaccia fra gli strati componenti la cella solare. Dalla soglia del rapporto segnale/rumore Sint si determinano i parametri di incisione del fascio laser 3, cioè la frequenza, la potenza media e la velocità di scansione del fascio laser 3 sulla cella 40. L’unità di controllo 8 imposta detti parametri sul generatore laser 1 e su ciascuna testa di focalizzazione 21 per eseguire l’incisione; le teste di focalizzazione 21 possono essere controllate in modo diverso l’una dall’altra in funzione del rispettivo segnale P rilevato sulla porzione di cella solare che il rispettivo fascio laser focalizzato deve incidere. L’unità di controllo 8 durante Γ incisione dei fasci laser focalizzati sulla cella solare 40 deve mantenere costante la soglia del rapporto segnale/rumore Sint variando opportunamente i parametri di ogni fascio laser focalizzato incidente agendo sulla pluralità di teste di focalizzazione 21 e sul generatore laser 1. The signals relating to the elements to be detected are detected continuously or resolved over time with a delay varying from 500 nanoseconds to 1 microsecond. The achievement of the Sint signal / noise ratio threshold is continuously determined, beyond which it is assumed that the incision has reached the interface between the component layers of the solar cell. From the threshold of the signal / noise ratio Sint the engraving parameters of the laser beam 3 are determined, that is the frequency, the average power and the scanning speed of the laser beam 3 on the cell 40. The control unit 8 sets these parameters on the generator laser 1 and on each focusing head 21 to perform the incision; the focusing heads 21 can be controlled differently from each other according to the respective signal P detected on the portion of the solar cell that the respective focused laser beam must engrave. The control unit 8 during the engraving of the laser beams focused on the solar cell 40 must keep the threshold of the signal / noise ratio Sint constant by suitably varying the parameters of each incident focused laser beam by acting on the plurality of focusing heads 21 and on the laser generator 1.
L’unità di controllo 8 dell’ incisione e della retroazione laser modifica pertanto uno o più parametri laser (velocità di scansione del fascio laser - frequenza del fascio laser - potenza media del fascio laser), in base ai quali si determina un aumento od una diminuzione della profondità di incisione laser della cella solare, in dipendenza dall’azione richiesta, The laser engraving and feedback control unit 8 therefore modifies one or more laser parameters (scanning speed of the laser beam - frequency of the laser beam - average power of the laser beam), on the basis of which an increase or a decrease of the laser engraving depth of the solar cell, depending on the required action,
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