CN101232059A - 用于使薄层太阳能模块形成结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于使薄层太阳能模块(15)形成结构的方法，其中在衬底(1)上涂覆多个薄层(2，4，10)，并且其中在薄层(2，4，10)中分别加入线状刻痕(3，5，11)，在刻痕中再去除至少一个薄层(2，4，10)的材料，其特征在于，在加入新的刻痕(5，11)之前或期间确定现有刻痕(3，5)的走向，并且在加入新的刻痕(5，11)时相对于现有刻痕(3，5)的走向调节新的刻痕(5，11)走向。由此可以加工具有改善的效率的薄层太阳能模块。

Description

用于使薄层太阳能模块形成结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使薄层太阳能模块形成结构的方法，其中在衬底上涂覆多个薄层，并且其中在薄层中分别加入线状刻痕(Spur)，在刻痕中再去除至少一个薄层的材料。
背景技术
薄层太阳能模块具有一个衬底和一般三个淀积在其上的薄层。在此将薄层太阳能模块分成结构单元，它们相互间通过过渡区分开。在结构单元中在通过光线照射时使电子与空穴分开(即从光到电能的实际转换)，而通过过渡区实现电布线和接通结构单元。
为此在过渡区中需要刻痕(或沟)，在其中去掉薄层的材料并且必要时通过其它材料、如位于其上的层的材料或导体如银替换。多个刻痕以确定的顺序并排(刻痕组)地位于过渡区里面。并排的刻痕不允许交叉，因为否则可能产生电短路，它们可能使一个或多个结构单元不能使用。
在加工薄层太阳能模块时通常在一个平面衬底上首先完全涂覆第一薄层并接着形成结构。在此形成结构意味着将线状刻痕(或沟)加入到层里面，即去掉刻痕中的材料。在这种加入时线状刻痕直线地延伸。为了形成结构例如可以使用机械刻刀或激光。接着在第一层上涂覆第二薄层，其中也使现有的刻痕以新层的材料充满。现在实现另一形成结构，即加入新的线状刻痕。这些新的刻痕在加入时仍然具有直线的走向。接着全平面地淀积第三薄层并且仍然以直线延伸的刻痕形成结构。这些最后的刻痕通常以银膏充满。最后通常还进行薄层太阳能模块加温。
在每次淀积薄层时加热衬底。由于这种加热使衬底持久地变形。如果在衬底上已经存在结构，则由于这种变形使原先直线延伸的刻痕变形，通常是弧形的。为了保证新的要被加入的刻痕不会由于这种变形与已经存在的刻痕重叠或者甚至交叉，在刻痕的理论位置之间保持约100-200μm的安全间距。
在刻痕之间的安全间距使过渡区的面积加宽并由此使供光电活性的结构单元使用的薄层太阳能模块的面积减小。由此限制了薄层太阳能模块的效率。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于使薄层太阳能模块形成结构的方法供使用，通过它可以加工具有改善效率的薄层太阳能模块。
这个目的通过上述形式的方法得以实现，其特征是，在加入新的刻痕之前或期间确定现有刻痕的走向，并且在加入新的刻痕时相对于现有刻痕的走向调节新的刻痕走向。
通过按照本发明的方法能够有效地补偿在淀积上面的层时由于加热衬底的变形和与此相关的已经存在刻痕的弯曲。一般以弯曲的(非直线的)走向加入新的刻痕，它对应于已经存在的相邻刻痕在自己的过渡区中的走向。
在现有技术中必需这样选择在不同的层淀积产生的刻痕之间规定的安全间距，使得在相邻刻痕之间的间距在最窄的位置上在电的观点上也是足够的。但是在过渡区的大部分长度上呈现一个更大的间距，由此不必要地失去薄层太阳能模块的面积。
与此不同，借助于本发明能够使在共只的过渡区上的相邻的刻痕窄地间隔，如同电方面(例如由于绝缘的原因)所需的那样。省去为了避免交叉的附加的安全间距，由此可以使薄层太阳能模块的面积更大部分地用于光电转换。
在按照本发明的方法的优选变化中调节新刻痕的走向，使得在现有刻痕与新刻痕之间调定一个恒定的间距。由此得到在一个过渡区中的一组刻痕中的相邻刻痕的平行走向。选择恒定间距对应于电的需求(例如在薄层之间必需的绝缘)。由此能够实现最佳的薄层太阳能模块效率。
在另一优选的方法变化中以基于直线延伸的主形成结构方向的正交偏差确定现有刻痕的走向。这一点使现有刻痕的走向确定特别简单并且简化中形成结构装置的控制点平行跟随。
特别优选的是一个方法变化，其中光学地实现现有刻痕走向的确定。在此不仅可以利用衬底和已经涂覆的薄层的反射特性而且可以利用传输特性。不仅可以从衬底的底面而且可以从衬底的被覆层的顶面实现光学地测量。光学确定是特别经济的。
可以通过一个或多个光源照射衬底。作为光源可以考虑例如LED或激光。尤其是可以使用多个激光器用于刻痕检测。在此可以规定，使用两个测量点，在其中分别检测在事先加入的刻痕棱边上的测量点。也可以选择检测多个测量点，其中一个测量点要位于刻痕内部。为了检测刻痕可以使用一个或多个探测器。这些探测器可以实现一维或多维的检测。例如可以使用一维或多维阵列或CCD芯片。如果使用一维检测器，可以规定，这个检测器是可以旋转的，用于也可以在其它方向检测刻痕。
特别优选的是，产生一个共焦图形并且由这个共焦图形检测现有刻痕或目前加入的刻痕的深度信息。尤其是可以检测强度变化并调节到给定的强度。
由射线形成的检测可以求得运动方向。此外能够检测并评价功率梯度。由共焦图形还可以求得，衬底是否波动。在这种情况下必要时可以进行加入刻痕的激光器的再聚焦。
还可以设想，检测形成结构的激光的反射。由此能够检测正在加入刻痕的位置。尤其是可以通过相同的探测器实现刻痕识别并且确定工具(激光器)的位置。由此能够在检测事先加入的刻痕的同时检测加入的刻痕。由此可以求得刻痕的间距。由此能够实现质量监控。此外可以以可能的方式再调整间距。
最好不扫描地实现事先加入的刻痕的刻痕跟随。这意味着，不垂直于刻痕横向进行扫描。而是仅仅以可能的方式根据调节在刻痕横向上跟随。已经加入的刻痕的扫描检测可以以可能的方式从起点开始，用于肯定可以定位事先加入的刻痕。但是不扫描地进行刻痕跟随。
可以处理通过刻痕位置传感器检测的信号和/或直接作为模拟信号输送到形成结构工具、尤其是激光器的控制器。模拟信号还可以输送到一个硬件并接着通过软件加工。
如果将模拟信号直接输送到激光器的控制器，可以特别快速地实现激光器的再调节或调节。
这个方法变化的有利改进方案规定，通过不同的波长实现薄层太阳能模块的照射，其中该波长适配于特性、尤其是被透射和/或入射的薄层和必要时衬底的材料的传输和反射特性。通过选择适合的波长可以容易地光学地识别位于更深层里面的刻痕。选择波长，使得可以透射位于更上面(即更靠近传感器)的层(即，更上面的层对于波长是透明的)，但是在材料之间的吸收或反射呈现差别，这些材料在要被探测的刻痕边缘上相互接触。波长适合于探测不同层淀积产生的刻痕地变化，例如通过更换光源并且在需要时更换探测器。
按照本发明的方法一个变化也是优选的，其中通过刻痕位置传感器确定现有刻痕的走向，其中该刻痕位置传感器相应地跟随现有刻痕的确定的走向。在此为了控制形成结构装置的控制点(Aufpunkt)可以使用刻痕位置传感器的位置。此外刻痕位置传感器保持对于要被检测的现有刻痕的相同良好的观察。要注意，可以使刻痕位置传感器和形成结构装置设置在衬底的同一侧或者也可以设置在对置侧面上。
在这个方法变化的有利改进方案中通过形成结构装置的控制点实现从至少一个薄层中去除材料用于加入新的刻痕，该形成结构装置的控制点以确定的间距跟随刻痕位置传感器。这一点简化了去除材料的控制，在控制点上实现去除材料。在机械去除材料的情况下控制点是剥蚀工具的位置；在通过激光蒸发去除材料的情况下控制点是薄层被激光照射的部位。
在一个优选的方法变化中通过机械的刻刀实现加入线状刻痕。机械地去除材料是特别经济的。
在同样优选的、可选择的方法变化中通过激光射线实现加入线状刻痕，其中尤其是使激光射线通过至少一个偏转镜偏转到薄层太阳能模块上的一个所期望的位置上。通过激光去除材料是特别精确的。通过偏转镜可以使机械运动在去除材料时减小到最小，也包括偏转镜。优选通过压电元件调整偏转镜。选择激光波长，使只在所期望的薄层中产生吸收(并因此去除材料)。
在本发明的范围内还涉及按照上述的按照本发明的方法或方法变化加工薄层太阳能模块。按照本发明的薄层太阳能模块可以比常见的薄层太阳能模块达到明显更高的单位面积能量收益。
在此优选的是一个实施例，其中所述薄层太阳能模块具有多个结构单元，它们相互间通过分别具有线状刻痕组的过渡区分开，其中一组的线状刻痕相互平行延伸。通过在过渡区中平行延伸的刻痕可以达到最佳的效率。
这个实施例的一个优选改进方案规定，一组的相邻刻痕在衬底的平面上测量具有60μm或者更少的间距。
由下面借助于示出本发明重要细节的附图描述的本发明的实施例和权利要求给出本发明的其它特征和优点。每个特征可以单个实现或者在本发明的变化中以多个任意组合实现。
附图说明
在附图中示出本发明必需在下面详细描述。附图中：
图1a以横截面图简示出局部完成的在加入第一薄层和其结构以后的按照本发明的薄层太阳能模块；
图1b以示意图简示出图1a的薄层太阳能模块的一部分；
图2a示出按照图1a的薄层太阳能模块加入第二薄层以后；
图2b以俯视图简示出图2a的薄层太阳能模块的一部分；
图3a简示出按照图2a的在按照本发明形成结构以后的薄层太阳能模块；
图3b以俯视图简示出图3a的薄层太阳能模块的一部分；
图3c以俯视图简示出在第二薄层形成结构期间的图2a的薄层太阳能模块的一部分；
图4a示出在加入第三薄层以后的图3a的薄层太阳能模块；
图4b以俯视图简示出图4a的薄层太阳能模块的一部分；
图5a示出在按照本发明形成结构以后的图4a的薄层太阳能模块；
图5b以俯视图简示出图5a的薄层太阳能模块的一部分；
图6a以俯视图简示出在加温前的衬底；
图6b以俯视图简示出在加温后的图6a的衬底。
具体实施方式
图1a至5b示出在本发明的范围内加工薄层太阳能模块的过程。
图1a和1b以横截面图和俯视图分别示出一个衬底1，它一般由玻璃(或金属或塑料)组成，在其上涂覆第一薄层2。下面借助于一个可能的非晶硅薄层模块的层构造解释工艺过程。这个第一薄层2通常是一个TCO(透明导电氧化物)层。这个层已经通过直线延伸的刻痕3形成结构。为了简化，在图1b中只示出一个刻痕。
现在在这个第一层2上涂覆另一薄层4，如同在图2a和2b中所示的那样。在此加热局部完成的薄层太阳能模块，其中一般可以使衬底1持久地变形。因此使现有的刻痕3变形并因此(在这里示例地示出)占据一个弧形的走向(参见图2b)。第二薄层通常是一个硅层。对于衬底1的变形也参见图6a，6b。
使第二薄层4形成结构，参见图3a至3b。在第二薄层4中在多个新的刻痕5中去掉第二刻痕4的材料，例如通过激光射线。在此每个新的刻痕5的走向分别以已经现有刻痕3的走向为基准，其中各现有的刻痕3优选源自与要被加入的刻痕5相同的刻痕组、即源自相同的过渡区。在图3a中示例地示出两个过渡区T12和T23(对此也参见图5a)。
借助于图3c详细描述将新的刻痕5加入到第二薄层4里面。在图3c中为了简化只示出过渡区，夸大地示出刻痕3，5的间距。
一个刻痕位置传感器6检测现有刻痕3在第一薄层2中的走向。通过一个波长照射该刻痕3，对于该波长衬底1是透明的并且另一方面该波长可以从下面识别在刻痕3边缘上第一层与第二层2，4的材料之间的对比。在此刻痕位置传感器6以在垂直于直线的主形成结构方向HSR(它平行于x向延伸)的y向上的偏差DY记录现有刻痕3的走向。该刻痕位置传感器6在现有的刻痕3下方移动。在实践中刻痕位置传感器6可以分别以一个小的路段Δx在x向(主形成结构方向)向前推进，然后测量刻痕3在y向上的位置。如果刻痕位置传感器6检测到一个相对于刻痕3的偏差DY，则使传感器在y向上移动，使得传感器6的位置再位于现有刻痕3下方(在z向上)。在此刻痕位置传感器6例如可以以现有刻痕3的其中一个边缘为准并定位。该刻痕位置传感器6可以通过适合的导向体(未示出)在x和y向上行驶。
通过刻痕位置传感器6在y向上在其x向上向前走向的过程中的位置识别现有刻痕3的走向。平行于现有刻痕3一个控制点7跟随标志一个平行于现有刻痕3的新刻痕5。该控制点7是一个部位，在该部位中实现去除材料(在这里在第二薄层4上)。该控制点7由形成结构装置产生。该形成结构装置在这里包括一个激光器8，其光射线8a通过偏转镜9偏转到控制点7。在所示情况下激光射线8a不仅进入衬底1而且进入第一薄层2并且在第二薄层4上才被吸收，由此导致薄层4的材料的加热和蒸发。所述控制点7在x向以固定间距AX跟随刻痕位置传感器6，其中对于控制点7目前的x位置以刻痕位置传感器6前一次的位置为基准地保持在y向上的固定间距AY。通过偏转镜9的倾翻和移动控制该控制点7，例如压电技术地通过在y向上的偏移和围绕平行于yz角平分线的轴线的倾翻αyz。
原则上在本发明的范围内借助于现有刻痕的基准产生所有新的刻痕。在此要注意，也可以同时加工多个新的刻痕。
对于刻痕位置传感器也可以选择设想大部分局部完成的薄层太阳能模块的拍摄，然后使这个拍摄图对于控制点的移动作为地图使用(未示出)。
图4a和4b示出在加工薄层太阳能模块时的其它过程。在形成结构的第二薄层4上全平面地淀积第三薄层10。该第三薄层10通常是一个金属层。在淀积第三层10时可能使衬底1又变形，例如由于在覆层过程中加入热量。但是在此不同层淀积产生的现有刻痕3，5同样强烈地受影响。
紧接着继续形成结构，即，在第三薄层10里面并且在这里也在第二薄层4里面再加入新的刻痕11，见图5a，5b。在此按照本发明使新的刻痕11的走向以优选同一组刻痕、即相同过渡区T 12，T23的现有刻痕3，5的走向为基准。因为一组的现有刻痕3，5相互平行地延伸，在加入新的刻痕11时不仅刻痕3而且刻痕5都可以作为基准。结果是使一组刻痕的刻痕3，5，11相互平行延伸。
由图5a可以看出由结构单元SE1，SE2，SE3和过渡区T12，T23组成的按照本发明的薄层太阳能模块15。在结构单元SE1，SE2，SE3中在光照射时产生电能，而过渡区T12，T23用于结构单元的电连接并且是非光电活性的。在本发明的范围内能够使刻痕3，5，11之间的绝缘区13，14(即刻痕的间距)限制在电必需的最小宽度(在y向)上。因此可以使结构单元的宽度W(SE)与过渡区的宽度W(T)的比例、即W(SE)/W(T)加大。这一点提高了薄层太阳能模块15的效率。一般的刻痕3，5，11宽度约为40-50μm，结构单元的宽度一般约为3-12mm，其中在一个薄层太阳能模块上并排设置许多(＞10)结构单元。借助于本发明可以使绝缘区13，14的宽度减小到约5-20μm，而在现有技术中绝缘区或安全间距必需保持在40-200μm。
要注意，在本发明的范围内在加入结构(例如第一刻痕3)时也补偿加工设备的轴误差。
在图6a和6b中以俯视图附加地示出整个衬底1，如同对于薄层太阳能模块所使用的那样，在图6a中示出加热前而在图6b中示出加热后，如同它在淀积薄层时那样。在加热后衬底1一般枕头式地扭曲；在冷却后也保持这种扭曲。因此已经施加到衬底1上的结构和刻痕也变形。越位于外边(即离开衬底1中心)的结构或刻痕，变形越大。
在附图中不成比例地、而是夸大地示出由于加热产生的变形。

Claims (12)

1.一种用于使薄层太阳能模块(15)形成结构的方法，其中在衬底(1)上涂覆多个薄层(2，4，10)，并且其中在薄层(2，4，10)中分别加入线状刻痕(3，5，11)，在刻痕中再去除至少一个薄层(2，4，10)的材料，其特征在于，在加入新的刻痕(5，11)之前或期间确定现有刻痕(3，5)的走向，并且在加入新的刻痕(5，11)时相对于现有刻痕(3，5)的走向调节新的刻痕(5，11)的走向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节新的刻痕(5，11)的走向，使得在现有的刻痕(3，5)与新的刻痕(5，11)之间调定恒定的间距(AY)。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为关于直线延伸的主形成结构方向(HSR)的正交偏差(DY)确定现有刻痕(3，5)的走向。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，光学地确定现有刻痕(3，5)的走向。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过确定的波长实现薄层太阳能模块(15)的照射，其中该波长适配于被透射和/或入射的薄层(2，4，10)的和必要时衬底(2)的材料的特性、尤其是传输和反射特性。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过刻痕位置传感器(6)确定现有刻痕(3，5)的走向，其中该刻痕位置传感器(6)相应地跟随现有刻痕(3，5)的走向。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过形成结构装置实现从至少一个薄层(2，4，10)中去除材料用于加入新的刻痕(5，11)，该形成结构装置的控制点以确定的间距(AX)跟随刻痕位置传感器(6)。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过机械的刻刀实现加入线状刻痕(3，5，11)。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过激光射线(8a)实现加入线状刻痕(3，5，11)，其中尤其是激光射线(8a)通过至少一个偏转镜(9)偏转到薄层太阳能模块(15)上的所期望的位置上。
10.按照如上述权利要求中任一项所述的方法加工的薄层太阳能模块(15)。
11.如权利要求10所述的薄层太阳能模块(15)，其特征在于，所述薄层太阳能模块(15)具有多个结构单元(SE1，SE2，SE3)，它们相互间通过分别具有线状刻痕(3，5，11)组的过渡区(T12，T23)分开，其中一组的线状刻痕(3，5，11)相互平行延伸。
12.如权利要求11所述的薄层太阳能模块(15)，其特征在于，一组的相邻刻痕(3，5，11)在衬底(1)的平面(xy)上测量具有60μm或者更少的间距。
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