CN101647126B - 用于激光刻蚀太阳能电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在基底的边缘区域中烧蚀涂层的基底的薄膜的装置以及一种相关的方法。本发明的装置包括激光器、用于将激光偏转到烧蚀区域中的光学单元和用于平的基底的保持机构。所述保持机构允许基底在基底平面内在两个直线的、不相关的方向上直线运动。所述保持机构允许基底绕垂直于基底表面的轴线转动。就光学单元和用于彻底地去除已被烧蚀的材料的机构而言，这实现了所述装置的简化的、固定的结构。

Description

用于激光刻蚀太阳能电池的方法
本发明涉及为了利用太阳能电池而烧蚀基底上的薄膜的一种方法和一种装置。
薄膜太阳能电池作为传统晶体太阳能电池的成本低廉且令人感兴趣的替代选择越来越为人所公知。薄膜太阳能电池的核心元件由玻璃基底上的薄膜层状系统组成。薄膜层状系统主要包括夹在背面电极和正面电极之间的吸收层。更确切地说，既出于安全原因，也为了防止当太阳能电池暴露在环境中时过度老化，薄膜层状系统必须被封装，以使得敏感的薄膜材料不与外部环境接触。这通常借助粘附有基底的涂层侧面的第二部件玻璃实现。为了避免与太阳能电池的外表面电接触和为了确保两个玻璃基底之间的粘附是稳固且耐久的，必须去除沿着太阳能电池的边沿的在边缘区域中的薄膜层状系统。
已经公知了用于将薄膜层状系统从边缘区域去除的不同方法。对此例如有喷砂和激光烧蚀。
喷砂不可靠并且昂贵，因为很多薄膜层状系统包括需要特殊措施以进行消纳的材料(例如CdTe)。将这些材料与沙分离是困难的，并且因此是昂贵的。
与此相关的激光烧蚀是有利的，因为烧蚀介质与待去除的材料不会混合，因此收集已被烧蚀的材料毫无问题。本说明书意义上的“已被烧蚀”意味着通过电磁射线的作用从基底上脱落。
在US 4 734 500中描述了一种用于激光烧蚀的方法，该方法基于一种用于激光烧蚀的装置。这种装置的基本组成部分是：激光器；光学单元，该光学单元的光学元件具有偏转激光射束的任务；用于放置和保持基底的工作台。对于烧蚀，通常使用激光器，其将短的激光脉冲射出至定位于工作台上的基底的表面。光学单元可以包括形成射束的孔；此外包括透镜，以便聚焦射束或在工件上成像所述孔；此外还包括可移动的反射镜系统，以便使得光点沿着工件的表面快速地移动。在烧蚀过程期间，必须使得所产生的激光沿着待加工的基底表面移动。因此，需要基底和激光射束之间的相对运动。这可以或者通过相对于固定的光学单元移动基底来实现，或者通过相对于固定的太阳能电池移动光学单元来实现，或者通过这两种方案的组合来实现。对于所述运动，例如可以使用具有X和Y导向的CNC设备。
US 4 734 550中的图1示出了一种用于激光烧蚀的装置的实施方式，其中使用XY工作台，以便移动基底，并且其中光学单元是固定的。在那里所示的情况下，基底保持为水平的，其中涂层在烧蚀期间朝向激光射束的方向。这例如由于重力会导致已被烧蚀的材料很不完全地从基底上去除，并重新沉积在基底上。
US 4 734 550中的图12示出了一种实施方式，其中“工作台”垂直地悬于支撑轨上。光学单元作为整体设置在XY工作台上，因而相对于至少在一个方向上固定的工件可运动。至少对于在工件的上部进行的烧蚀来说，可能出现已脱落的材料仅被不完全地收集并重新沉积在基底上的情况。这种情况例如当从沿上部边沿的边缘区域去除薄膜材料时会发生。
于是产生对能克服或至少缓解重新沉积的问题的激光烧蚀装置和烧蚀方法的需求。
因此，本发明的目的在于，提出用于太阳能电池的薄膜烧蚀的一种装置和一种方法，其能够成本低廉地烧蚀太阳能电池的边缘区域。边缘区域的宽度通常小于20mm。
根据本发明，所述目的通过用于烧蚀在平的薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层的方法得以实现，其中边缘区域沿着基底的边沿延伸，所述方法包括以下步骤：
-准备提供激光射束；
-将激光射束偏转到固定的烧蚀区域上；
-将待加工的边缘区域导向通过固定的烧蚀区域，从而存在一个从固定的烧蚀区域的中心出发的固定的矢量，该矢量基本上在整个烧蚀过程期间指向被基底的边沿包围的平面的内部。
通过所述方法，可将用于向烧蚀区域发射激光脉冲的光学单元设计成完全固定，且必要时还将用于彻底地去除已被烧蚀的材料的机构设计成完全固定，保证了可以使已被烧蚀的材料始终有效地偏离基底。
在本发明的一个优选的实施方式中，基底被保持在垂直的方向上。这样的优点在于，简化了基底所需的运动。在此，可以这样实现基底的边缘区域运动通过烧蚀区域，使得始终在当前位于下方的基底边沿上的区域中进行烧蚀。随后，重力导致或者至少支持已被烧蚀的材料被从基底上清走。有时重力的作用是足够的，不必再设置任何用于清除的其他机构。
图1示出已知类型的用于激光烧蚀的装置；
图2示出本发明的装置的一种实施方式，其中基底被水平定向；
图3a)-j)示出激光烧蚀的不同阶段。这些附图演示了如何导向所述基底；
图4示出具有用于彻底地去除已被烧蚀的材料的机构的烧蚀头；
图5示出本发明的装置的一种实施方式，其中基底被垂直定向；
图6示出具有机器人的本发明的装置的一种实施方式。
图1示出根据现有技术已知的用于激光烧蚀的装置。该装置包括激光器3、具有不同的光学元件例如反射镜和透镜的光学单元5和可沿X方向和Y方向移动的工作台7。
光学单元5将由激光器3产生的激光脉冲偏转到在涂层的基底9的表面上的区域中，该基底9以它的背面置于工作台7上。由此限定了烧蚀区域。因为在基底9的正面上设置有涂层，所以产生如下缺点，即被激光脉冲从基底的表面上去除的材料由于重力以相对高的概率重新落在基底上，并且在此可能造成干扰性的污染和问题。
图2示出了本发明的第一实施方式。所示为具有激光器203和光学单元205的用于激光烧蚀的装置201，其中光学单元205将激光器203的激光脉冲偏转到烧蚀区域207。根据所述第一实施方式的用于激光烧蚀的装置201还包括工作台209，以便水平地保持涂层的基底211。可以在两个水平方向X和Y上移动工作台209，但也可以附加地绕一个垂直的轴转动它。这些运动可能性在图2中以虚线的箭头表示。
在此，工作台209的伸展面积尤其工作台表面积明显小于基底211的伸展面积，从而可以在将基底211定位于工作台上时使得整个待加工的边缘区域超出工作台。
在根据本发明的第一实施方式的方法中，在其正面被涂层的基底211以正面放置在工作台209上，使得整个待加工的边缘区域超出工作台。于是，涂层朝向下方，并且穿透基底实施激光烧蚀。这意味着，激光在到达涂层之前首先穿透基底。在图2中还示出了用于彻底地吸收已去除的材料的机构213。由于重力，从玻璃表面去除的材料向下脱离基底。因此，机构213例如可以仅包括一个容器，以便收集这些材料。然而，通过该机构优选产生在吸尘器意义下的流到容器中的气流，由此至少支持收集和清除通过烧蚀去除的材料的过程。
图3a至3j顺序地示出如何实施根据本发明的烧蚀方法。在俯视图中示出了涂层的基底。涂层区域还以阴影表示。材料通过烧蚀已被去除的区域被透明地表示。在该例子中，在基底的长边沿的中间区域中的任意位置开始所述烧蚀。这在图3a中示出。这里还没有去除任何材料。现在实施烧蚀，与此同时，使基底沿着待加工的边缘区域以直线运动穿过烧蚀区域，直到到达基底的第一棱角。这在图3b中示出。现在在图3c所示的位置上转动基底。绕第一棱角的转动包含工作台的转动以及在X方向和Y方向上的运动。现在实施烧蚀，与此同时，使基底沿着待加工的边缘区域以直线运动穿过烧蚀区域，直到到达基底的第二棱角。这在图3d中示出。现在在图3e所示的位置上转动基底。现在实施烧蚀，与此同时，使基底沿着待加工的边缘区域以直线运动穿过烧蚀区域，直到到达基底的第三棱角。这在图3f中示出。现在在图3g所示的位置上转动基底。现在实施烧蚀，与此同时，使基底沿着待加工的边缘区域以直线运动穿过烧蚀区域，直到到达基底的第四棱角。这在图3h中示出。现在在图3i所示的位置上转动基底。现在实施烧蚀，与此同时，使基底沿着待加工的边缘区域以直线运动穿过烧蚀区域，直到到达图3j中所示的起始位置。
在图3a至3j中分别示出一个小的、虚线的矢量。该矢量定义在烧蚀过程期间在具有基底外的起始点和基底内的终止点的空间中的保持不变的有向路径。由此可以看出，该方法用于烧蚀在平的薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层，其中，边缘区域沿着基底的边沿延伸，该方法具有以下步骤：
-准备提供激光射束；
-将激光射束偏转到固定的烧蚀区域上；
-将待加工的边缘区域导向通过固定的烧蚀区域，从而存在一个从固定的烧蚀区域的中心出发的固定的矢量，该矢量在整个烧蚀过程期间基本上指向被基底的边沿包围的平面的内部。
图4示出用于彻底地吸收从基底上去除的材料的机构的例子。所示为烧蚀头401，其包括作为光学单元的一部分的透镜421。烧蚀头401还包括容器413，该容器被设置在具有薄膜涂层419的基极411的边缘区域附近。容器413还包括用于将已被烧蚀的材料423吸走的管425。这样选择容器413的几何形状，使得通过容器内的低压产生从基底的两个侧面流向管的气流，并由此将已烧蚀的材料从基底清走。烧蚀头还可以包括用于吸收所述激光的透射穿过基底而未被吸收的部分的机构。这种机构在图4中未示出。
如从以上的描述中可以得知，可以转动工作台是重要的。仅借助这样一个可转动的工作台便能够完全固定地保持烧蚀头401，如其在图4中所示的那样。
根据本发明的另一实施方式，基底被保持在垂直方向上。这在图5中示出。随后以如下方式实施烧蚀方法，即烧蚀区域始终位于基底的下部边沿上。
由于重力，已被烧蚀的材料向下掉落，因而离开基底表面。在这种垂直结构中，涂层的表面可以朝向光学单元或者背向光学单元：在这两种情况中重力使已被烧蚀的材料脱离基底。然而，使涂层背向光学单元具有一定的优势，因为已被烧蚀的材料可以不受仍需进行烧蚀的激光的影响。基底保持机构也是重要的，其应当除了允许基底平面内的直线运动外，还允许在基底平面上绕法线的转动。只有这样才能够使烧蚀区域总是位于基底的下部边沿上。基底的保持可以借助基于低压的机构实现。
图6示出本发明的一个实施方式，其中工作台由一个稳固的多轴工业机器人代替。借助这样一个机器人不仅可以实施图3中所示的步骤，而且可以实现高效率地装载和卸载基底。此外，通过使用机器人，可以借助在机器人手臂末端的部件保持基底，其中所述部件被固定在基底的不同侧面上：在此，涂层的侧面也可以朝向或背向光学单元，其中后一种结构具有一定的优势，因为已被烧蚀的材料于是显然可以不受仍需进行烧蚀的激光的影响。
不同的实施方式应示例性地解释本发明，并且不应被理解为局限于这些例子。
更确切地说，本发明的装置是用于烧蚀在平的薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层的装置，其中所述边缘区域沿着基底的一个或多个边沿延伸，其中所述装置包括：
-用于产生用于烧蚀的激光的激光器；
-用于将光偏转到被设置用于烧蚀的烧蚀区域中的光学单元；
-用于保持基底的基底保持机构，其中如下设计该基底保持机构，使得在基底被保持的情况下可以实施基本上平行于基底表面的在两个不相关的直线方向上的直线运动，
其特征在于，如下设计所述基底保持机构，使得在基底被保持的情况下可以实施绕基本上垂直于基底表面的轴线的转动。
借助这样的装置可以实施本发明的烧蚀方法，即用于烧蚀在平的薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层的方法，其中所述边缘区域沿着基底的一个或多个边沿延伸，并且应沿着两个相互不平行的边沿段，在边缘区域的至少两个未必非关联的区域中进行薄层的烧蚀，所述方法具有以下步骤：
-准备提供激光射束；
-将激光射束偏转到烧蚀区域上；
-将边缘区域的待加工区域导向通过烧蚀区域，从而在基底的表面的平面内存在一个基本上在整个烧蚀过程期间在空间上保持不变的有向路径，并且该有向路径部分地位于烧蚀区域中，且具有位于基底表面外的起始点和位于基底表面内的终止点。
如所述，存在这样的可能：涂层的基底的方向至少基本上在烧蚀过程期间被保持在至少近似垂直的方向上，并且使基底如此运动，使得烧蚀区域在烧蚀期间始终位于基底的下部边沿上。在此有利的是，使用多轴的机器人。
优选的是，借助仅影响表面的与边缘区域间隔开的内部区域的机构来保持基底。

Claims (5)

1.一种用于烧蚀在平的、薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层的方法，其中所述边缘区域沿着所述基底的一个或多个边沿延伸，并且应在所述边缘区域的至少两个关联的或非关联的区域中沿两个相互不平行的边沿段对所述薄层进行烧蚀，所述方法具有以下步骤：
-准备提供激光射束；
-将所述激光射束偏转到烧蚀区域上；
其特征在于，将所述边缘区域的待加工区域导向通过所述烧蚀区域，从而在所述基底的表面的平面内存在在整个烧蚀过程期间在空间上保持不变的路径，该路径部分地位于所述烧蚀区域中，并且具有位于基底表面外的起始点和位于基底表面内的终止点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，涂层的基底的方向至少在所述烧蚀过程期间被保持在近似地垂直的方向上，并且使所述基底如此运动，使得所述烧蚀区域在烧蚀期间始终位于所述基底的下部边沿上。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用多轴机器人，以便实施所述基底的对于所述烧蚀必需的运动。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助仅影响表面的与所述边缘区域间隔开的内部区域的机构来保持所述基底。
5.一种用于烧蚀在平的、薄膜涂层的基底的表面的边缘区域中的薄层的装置，其中所述边缘区域沿着所述基底的边沿延伸，其中所述装置包括：
-用于产生用于烧蚀的激光的激光器；
-用于将光偏转到被设置用于烧蚀的烧蚀区域中的光学单元；
-用于保持所述基底的基底保持机构，其中如下设计该基底保持机构，使得可以在所述基底被保持的情况下平行于基底平面地实施直线运动，其特征在于，如下设计所述基底保持机构，使得在所述基底被保持的情况下可以实施绕垂直于所述基底表面的轴线的转动。
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