CN102668131A - 用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的方法，薄膜器件具有作为下电极层的第一层、作为活性层的第二层、和作为上电极层的第三层，各个层在器件上是连续的，分离的电池单元被串联电互联。电池单元的分割和相邻的电池单元之间的电连接是加工头在跨过器件的单次行程中执行的，加工头在单次行程中进行如下的步骤：a)制造穿过第一、第二和第三层的第一切口；b)制造穿过第二和第三层的第二切口，第二切口临近第一切口；c)制造穿过第三层的第三切口，第三切口临近第二切口并且在第二切口的与第一切口相对的一侧上；d)使用第一喷墨印制头将不导电材料沉积到第一切口内；e)使用第二喷墨印制头来施加导电材料以在第一切口中的不导电材料上搭桥，并且完全或者部分填充第二切口，使得在第一层和第三层之间形成电连接，其中，步骤a)先于步骤d)、步骤d)先于步骤e)、并且步骤b)先于步骤e)，除此以外的步骤可在加工头跨过器件的单次行程中以任何顺序执行。薄膜器件可为太阳能面板、照明面板或电池。

Description

用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的方法和装置
技术领域
本发明涉及使用刻绘和喷墨印制技术用以形成分离的电池单元并且将这些电池单元串联互联以制造各种薄膜器件的处理。本发明尤其描述了用于在太阳能面板内在单步处理中形成所述电池单元和串联互联结构的新方法，该太阳能面板具有底部电极材料、半导体材料和顶部电极材料的连续层。这种方法尤其适用于在柔性基板上形成的太阳能面板，这是因为所述单步处理消除了与相继的层到层刻痕的对齐相关联的问题。该方法还适用于制造诸如照明面板(lighting panel)和电池之类的其他薄膜器件。本发明还涉及用于执行所描述的方法的装置。
背景技术
在薄膜太阳能面板中形成并互联电池单元的通常的方法包括相继的层涂覆和激光刻绘处理。为了完成所述结构通常需要三个单独的涂覆处理和三个单独的激光处理。通常在六个步骤的序列中进行这些处理，所述序列包括接在每个涂覆步骤之后的激光步骤，如下所述：
a)在整个基板表面上沉积下电极材料的薄层。基板通常为玻璃，但是也可为聚合物片材。该下层通常是透明的导电氧化物，比如氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)或铟锡氧化物(ITO)。有时，其为不透明金属，比如钼(Mo)。
b)典型地以5mm至10mm的间隔跨过所述面板的表面且刚好穿透所述下电极层进行平行线的激光刻绘以将所述连续的薄膜分隔成电绝缘的电池单元区域。
c)在整个基板区域沉积活性发电层。该层可由单个非晶硅层，或非晶硅层和微晶体硅的双层组成。还使用诸如碲化镉与硫化镉(CdTe/CdS)和铜铟镓硒化合物(CIGS)之类的其他半导体材料的层。
d)进行线的激光刻绘，所述线穿过所述活性层且平行于并尽可能靠近所述第一电极层内的初始刻痕而不破坏所述下电极材料。
e)在整个面板的区域上沉积第三层，即顶部电极层，该顶部电极层通常为金属(比如铝)或诸如ZnO之类的透明导体。
f)激光在该第三层内尽量靠近并平行于其他线来进行刻线以打断顶部电极层的电连续性。
继以激光进行隔离之后该沉积过程将所述面板分成多个分离的长且窄的电池单元，并使得所述面板中的所有电池单元之间制造了电串联连接。通过这种方式，整个面板所产生的电压由各个电池单元内形成的电势与电池单元的数目的乘积给出。面板典型地被分割成50至100个电池单元，使得整个面板的输出电压典型地是在50至100伏的范围内。各个电池单元典型地为5至15mm宽并且大约1000mm长。在该多步骤太阳能面板制造方法中使用的处理的详尽描述在JP10209475中被给出。
已经通过将部分所述分离的层涂覆步骤结合而设计出用以简化这种制造太阳能面板的多步骤处理的方案。这减少了必须将基板从真空移至大气环境的次数，并且从而可能会使得层的质量和太阳能面板的效能提高。US6919530、US6310281和US2003/0213974A1都描述了用于制造太阳能面板的方法，其中在激光刻绘进行之前涂覆三个需要的层中的两个层。下电极层和活性层(或多层活性层)被按顺序沉积并且这两个层被一起激光刻绘以形成凹槽，该凹槽随后被绝缘材料填充。在US6310281和US2003/0213974 A1中提出了该凹槽的填充是通过喷墨印制来进行的。凹槽的填充之后是如上所述的互联过程，该互联过程具有穿过活性层的激光刻痕、顶部电极层的沉积、和为了使所述电池单元绝缘的顶部电极层的最终刻痕。
还已经提出了一种方案，其中在任何激光刻绘进行之前，所有的三个层都被涂覆。WO2007/044555 A2描述了用于制造太阳能面板的方法，其中在一个处理序列中涂覆整个三个层的堆叠，接下来制造进入并穿透所述堆叠的激光刻痕。该激光刻绘处理是复杂的，这是因为其由具有两个不同深度的单个刻痕组成。在所述刻痕的第一侧上，所述激光完全穿透所述整个三个层的堆叠直到所述基板，以便将下电极层电分隔以界定所述电池单元，而在所述刻痕的第二侧上，所述激光仅穿透顶部和活性层以留下下电极层材料在其中暴露的区域。在穿透到所述基板处的所述刻痕的第一侧施加绝缘材料，使得所述绝缘材料覆盖所述下电极层的边缘和在所述刻痕的第一侧上的活性层的边缘。接下来，将导电材料沉积到所述刻痕内，使得其在先前施加的绝缘材料上搭桥并且将在第一侧上的顶部电极层连接到在第二侧上的下电极层材料的边缘上。
在WO2007/044555 A2中描述的处理是复杂的，并且需要仔细地控制。在所述两个级别的激光刻痕处理的第二阶段期间生成的残骸可能会沉积到下电极材料的边缘的临近的上表面上，导致电连接较差。需要高水准的控制以确保所述绝缘材料正好安置在所述刻痕的第一侧上的正确位置上，并且没有材料在下电极材料的边缘上沉积。需要极高的精确性以确保所述导电材料被正确地安置并且不与在所述刻痕的第二侧上的顶部电极相接触。因为所有这些原因，所以不大可能通过该方法制造高可靠性的电池单元的连接。
因此，仍需要用于太阳能面板及类似物的新电池单元形成和互联的处理，所述处理从三个层的完全堆叠开始，而继续以快速、简单和可靠的方式来制造所述电池单元互联。
这种处理还将适用于为了制造诸如照明面板或电池之类的其他薄膜器件而进行的电池单元的形成和串联互联。类似于太阳能面板，这些器件由都沉积在刚性或柔性基板上的下电极层、活性层和顶部电极层组成。可通过将所述器件分割成多个电池单元并串联连接所述电池单元来实现在比基本的单个电池单元电压更高的电压下的运行。此处提出的激光和喷墨电池单元形成和互联的装置适用于这样的运行。
就照明面板而言，所述下电极和上电极可由与用于太阳能面板的材料(例如，TCO或金属)类似的材料制成，但是活性材料迥然不同。在这种情况下，活性层最可能是有机材料，但是无机材料也是可能的。活性有机材料层是基于低分子量材料(所谓的OLED)或高分子量聚合物(所谓的P-OLED)。空穴和电子输运层通常与所述活性发光层相关联。就这些照明面板而言，运行是在低电压下进行的并且所有的层都是薄的，因此这里描述的互联处理非常适用于将所述面板分割成电池单元并串联连接所述电池单元以允许在大体上更高的电压下的运行。
就薄膜电池而言，所述层通常是更为复杂的。对于基于锂离子技术的薄膜电池的情况，所述下层具有两个组成部分：用于收集电流的金属层和起到阴极作用的锂钴氧化物(LiCoO3)层。所述上电极层也具有两个组成部分：用于收集电流的金属层和起到阳极作用的氮化锡(Sn3N4)层。在这两个层之间的是所述活性层，即锂磷氧氮化合物(LiPON)电解液。就这种电池而言，运行是在低电压下进行的并且所有的层都是薄的，因此这里描述的互联处理非常适用于将所述电池分割成电池单元并串联连接所述电池单元以允许在大体上更高的电压下的运行。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的方法，所述薄膜器件具有作为下电极层的第一层、作为活性层的第二层、和作为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述分离的电池单元被串联电互联，所述电池单元的分割和相邻的电池单元之间的所述电连接都是加工头在跨过所述器件的单次行程(single pass)中执行的，所述加工头在所述单次行程中进行如下的步骤：
a)制造穿过所述第一、第二和第三层的第一切口；
b)制造穿过所述第二和第三层的第二切口，所述第二切口临近所述第一切口；
c)制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口临近所述第二切口并且在所述第二切口的与所述第一切口相对的一侧上；
d)使用第一喷墨印制头将不导电材料沉积到所述第一切口内；以及
e)使用第二喷墨印制头来施加导电材料以在所述第一切口中的所述不导电材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，
其中，步骤a)先于步骤d)、步骤d)先于步骤e)、并且步骤b)先于步骤e)，除此以外的步骤可以在所述加工头跨过所述器件的单次行程中以任何顺序执行。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的装置，所述薄膜器件具有作为下电极层的第一层、作为活性层的第二层、和作为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述分离的电池单元被串联电互联，所述装置包括加工头，在所述加工头上提供有：
a)一个或更多个切割器部件，所述切割器部件用于制造穿过所述第一、第二和第三层的第一切口、临近所述第一切口的穿过所述第二和第三层的第二切口、以及临近所述第二切口的穿过所述第三层的第三切口；
b)第一喷墨印制头，所述第一喷墨印制头用于将不导电材料沉积到所述第一切口内；以及
c)第二喷墨印制头，所述第二喷墨印制头用于施加导电材料以在所述第一切口中的所述不导电材料上搭桥并且完全或部分填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，所述装置还包括：
d)驱动用具，所述驱动用具用于使所述加工头相对于所述面板移动；以及
e)控制用具，所述控制用具用于控制所述加工头相对于所述器件的移动并且驱动所述一个或更多个切割器部件和所述第一和第二喷墨印制头，使得将所述器件分割成分离的电池单元和在相邻的电池单元之间形成电连接的操作都能够在所述加工头跨过所述器件的单次行程中执行。
在以下本发明的详细描述中，用于形成穿过所述各个层的切口的切割器部件都是基于激光器，将来自所述激光器的光束聚焦以烧蚀并移除材料以形成所述绝缘切口。这是用于形成所述切口的优选的方法，但是其他进行切口的方法也是可以使用的。一种用于形成切口的替代方法是利用细金属丝或刻针的机械刻绘。这种机械刻绘可替代激光切割而用于形成所述第一、第二或第三切口中的所有或者部分切口。
与在WO 2007/044555 A2中所描述的发明类似，本发明包括对具有三个层的整个堆叠的薄膜器件进行处理，但是随后的层切割以及喷墨处理与在WO2007/044555 A2中所描述的相比，没有那么复杂并且更为结实。如在WO2007/044555 A2中，在任何层切割和通过喷射墨水来沉积材料之前按顺序施加所有的三个涂覆。理想情况下，可在单次真空处理中施加这些涂覆，但是这不是必要的。本发明的关键点在于在所述涂覆沉积之后，使用单次复合的层切割和喷墨处理以制造所述电池单元的互联。“单次复合处理”应理解为意味着所有的所述切割处理和所有的相关联的基于喷墨头的材料沉积处理都是借助于加工头在跨过所述太阳能面板的全部或局部的单次行程中、在平行于所述基板的表面的平面内、并沿平行于所述电池单元间的边界的方向进行的。用来制造一个或更多个电池单元互联所要求的所有的切割器部件和所有的喷墨印制头都附接到单个加工头上，因此所有的物件一起以相同的速度跨过所述面板进行移动。
对所述基板施加各个层切割处理和各个喷墨沉积处理的序列可根据所使用的材料而改变。所述各个层切割器部件和喷墨印制头在一定的位置处附接到所述加工头上，使得在所述加工头相对于所述基板移动时实现了正确的序列。
为了简化阐述，在此之后将参照激光烧蚀来描述所述层切割处理。然而，应当注意，这些层切割处理中的全部或部分可以由机械刻绘处理(或其他切割处理)来替代。
为了在临近的第一和第二电池单元之间形成单个电池单元互联结构，由附接到所述加工头上的三个相邻的激光输送部件输送的三束相邻的激光束，一起相对于所述基板沿平行于所述电池单元之间的边界的方向运动，以在所述各个层中制造有不同深度的三个平行的相邻的刻痕。第一激光束制造界定了所述第一电池单元的边缘的第一刻痕线。该第一刻痕向下穿透所有的层到达所述基板。位于所述第一刻痕的在所述第二电池单元一侧上的第二激光束制造了穿透除了所述下电极层以外的所有层的第二刻痕线。位于所述第二刻痕的在所述第二电池单元一侧上的第三激光束制造了穿透所述上电极层的第三刻痕。该第三刻痕界定了所述第二电池单元的范围。进行这三个激光处理的确切顺序不是重要的，但是优选的顺序在下面描述。
第一喷墨印制处理在所述激光处理中的部分或所有的激光处理之后。针对该第一印制处理，第一喷墨头跨过所述基板表面移动，且布置有至少一个用以印制填充所述第一激光刻痕的绝缘墨水细线的喷嘴。该绝缘墨水可为热固化类型，在这种情况下，在沉积之后立刻向所沉积的液体局部地施加热量以固化所述绝缘墨水，以制造填充所述第一刻痕的材料的绝缘固体线。作为替代，在所有的激光和喷墨处理之后，向整个所述基板施加热量以固化所述绝缘墨水线，从而制造填充所述基板上的所有所述第一刻痕的材料的绝缘固体线。该整个基板固化处理可在进行所述激光刻绘和墨水沉积处理的同一装置上发生，但是实际中更有可能的是该固化在单独的装置上进行。
所述绝缘墨水还可为紫外固化类型的。在这种情况下，固化是借助于紫外灯或其他合适的紫外光源来进行，在该情况下在沉积之后立刻向所沉积的液体局部地施加紫外辐射以固化所述绝缘墨水，从而制造填充所述第一刻痕的材料的绝缘固体线。在所述刻痕中所述绝缘层的深度要尽可能的小以符合连续和无针孔。所述绝缘材料的线的深度使得其在所述第一刻痕的所述第一电池单元一侧完全接触所述下方的两个露出的层，从而保护这些层不受在第二喷墨印制处理中随后施加的材料的影响。在所述第一刻痕的两侧的一定程度上的绝缘墨水的过度填充是允许的并且甚至是可取的，但是理想的情况下，所述过度填充的侧向范围应保持为小于所述第一刻痕的宽度的值。
所述第二喷墨印制处理接在一部分或全部所述激光处理之后并且接在所述第一喷墨印制处理之后发生。针对该第二喷墨印制处理，第二喷墨头在所述基板表面上方移动，并布置有至少一个喷嘴以印制导电墨水带，所述导电墨水带的宽度足以与所述第一激光刻痕的所述第一电池单元侧上的顶部电极材料进行电接触，以跨过在所述第一刻痕中的绝缘墨水材料并进入所述第二刻痕以制造与所述第二电池单元的下电极层材料的电接触。在施加所述导电墨水时，所述第一刻痕中的绝缘墨水可被固化也可不被固化。如果所述绝缘墨水没有被固化，则所述导电墨水的成分使得溶剂不显著扰动或溶解所述未固化的绝缘墨水材料。所述导电墨水可能是热固化类型的，在这种情况下，在所有的激光和喷墨处理之后，向整个基板施加热量以固化所述导电墨水带，从而形成固体导电材料带。通过这种方式，形成将在一个电池单元中的顶部电极连接到在下一个电池单元中的下电极的导电桥。所述导电层的深度尽可能小，并结实和具有足够低的电阻。所述导电材料线的宽度使得其在第一刻痕的第一电池单元一侧完全接触第一电池单元的顶部电极材料的区域。在第一刻痕的第一电池单元一侧和第二刻痕的第二电池单元一侧的一定程度上的导电墨水的过度填充是允许的，并且甚至是可取的但是理想的情况下，所述过度填充的侧向范围应保持为小于所述刻痕的宽度的值。
由于使用了三个分离的激光刻痕，所以可以为各个刻痕分别优化所述激光处理的参数以消除基板或下层被破坏的可能性，减少在层之间形成电短路的风险，并且使残骸的沉积最小化。
还可以将所述各个光束输送头在沿着所述头相对于彼此移动的方向上间隔开的位置上附接到所述加工头上，这样所述喷墨头的位置限定了将所述处理施加到所述基板上的序列。所述五个处理的优选序列为：
a.第一激光刻痕，所述第一激光刻痕穿过所有的层向下到达所述基板的表面以限定所述第一电池单元的范围；
b.第一喷墨处理，所述第一喷墨处理在所述第一激光刻痕中沉积绝缘墨水；
c.第二激光刻绘处理，所述第二激光刻绘处理穿过所述顶部两个层向下到达所述下电极层；
d.第二喷墨处理，所述第二喷墨处理在所述绝缘墨水上施加导电墨水带以形成从所述第一电池单元一侧上的顶部电极到达所述第二电池单元一侧上的下电极的导电桥；
e.第三激光刻绘处理，所述第三激光刻绘处理穿过所述顶部电极层以使所述第一和第二电池单元绝缘并且限定所述第二电池单元的范围。
利用该激光和喷墨处理的序列，所述堆叠中的较低的层保持不受起因于先前处理的激光烧蚀残骸和散落的墨水材料的影响直至即将暴露之前，并且所述整个电池单元互联处理变得非常结实。
例如，由所述第一激光处理生成的一些残骸和由所述第一印制处理沉积的一些绝缘墨水可在所述基板的表面上、在所述第二激光处理在其中穿透地刻绘以暴露所述下电极的区域中形成。如果所述第二激光处理先于所述第一喷墨印制处理或第一激光处理，则任何散落的残骸或绝缘墨水都可进入所述第二激光刻痕区域并且污染所述暴露的下电极层。将所述第二激光处理留到所述第一激光和第一喷墨印制处理两者之后意味着，在所述第二激光刻痕的区域中的下电极层被持续保护并且在所述第二激光处理期间在该区域中的任何再次沉积的残骸和任何绝缘墨水都被移除了，这是因为所述激光烧蚀了所述顶部两个层。
作为另一个实例，由所述第二激光处理产生的残骸以及由所述第二印制处理沉积的一些导电墨水可在所述基板的表面上、在所述第三激光处理在其中穿透地刻绘以分离所述顶部电极层的区域中形成。如果所述第三激光处理先于所述第二印制或者第二或甚至第一激光处理，则任何散落的残骸或墨水均可在所述第二电池单元的上表面上、在所述第三激光刻痕区域中沉积并且可引起跨过所述刻痕区域的电连接。将所述第三激光刻绘处理留到所述第一和第二激光处理两者之后以及所述第一和第二印制处理之后意味着，消除了该互联失败的源头。
如果所述加工头的组成部分要在所述加工头仅沿着跨过所述面板的一个方向移动时运行(该组成部分在所述加工头返回其初始位置时不起作用)，那么上面给出的优选的处理序列是适用的。然而，如果所述加工头的组成部分要在沿单向(或双向)跨过所述面板移动所述加工头时起作用，则优选的是一个替代序列。用于所述五个处理的这种序列为：
a.第一激光刻痕，所述第一激光刻痕穿过所有的层向下到达所述基板的表面以限定所述第一电池单元的范围；
b.第二激光刻痕处理，所述第二激光刻痕处理穿过所述顶部两个层向下到达所述下电极层；
c.第三激光刻痕处理，所述第三激光刻痕处理穿过所述顶部电极层以使所述第一和第二电池单元绝缘并且限定所述第二电池单元的范围；
d.第一喷墨处理，所述第一喷墨处理在所述第一激光刻痕中沉积绝缘墨水；
e.第二喷墨处理，所述第二喷墨处理在所述绝缘墨水上施加导电墨水带以形成从所述第一电池单元一侧上的顶部电极到所述第二电池单元一侧上的下电极的导电桥。
利用该序列，通过在单个加工头上安装用于输送绝缘墨水的两个喷墨头和用于输送导电墨水的两个喷墨头，所述加工头可在两个行进方向上运行。在这种情况下，在该头上安装所述单独的激光和喷墨头的顺序如下：
a.第一导电喷墨头；
b.第一绝缘喷墨头；
c.第一、第二和第三激光束；
d.第二绝缘喷墨头；
e.第二导电喷墨头。
当所述加工头沿一个方向移动时所有的三束激光束都运行，但是仅所述第一绝缘和第一导电喷墨头运行，使得所述处理序列为c、b和a。当所述加工头沿相反的方向移动时，所有的三束激光束都运行，但是在这种情况下所述第一喷墨头不启用并且所述第二喷墨头被启用，使得所述处理序列为c、d和e。
一些处理必须先于其他处理：
1)所述第一激光刻痕处理必须总是先于所述第一印制处理；
2)所述第一印制处理必须总是先于所述第二印制处理；
3)所述第二激光刻痕处理必须总是先于所述第二印制处理。
在这些规则中，可能有几个不同的处理序列，但是上面给出的处理序列是优选的。还优选的是，绝缘和导电墨水两种的线的固化都是用热方法进行的并且使用与被用于执行所述激光和喷墨沉积处理的装置不同的装置来对所述基板上的所有绝缘墨水和导电墨水的线同步地执行该热固化处理。
用于产生所述第一、第二和第三切口的激光器一般为工作在红外(IR)或紫外(UV)范围内(即具有从1080nm下至340nm的波长)的脉冲Q-开关(Q-switched)类型。在最简单的情况下，使用具有单个聚焦透镜的单个激光器来产生与单个互联结构相关联的所有的三个切口。因此，在这种情况下，需要将所述单个光束分割成三个组成部分以在所述基板的表面上形成三个焦斑。互联中的切口间距一般较小(在0.1mm至0.2mm之间)，这样制造三方向光束的分割的优选方式是使用放置在单个聚焦透镜前的衍射光学元件(DOE)或特定的多面棱镜元件。这种器件向部分所述激光束引入小角度偏向，这在所述透镜的焦点处产生所需数值的焦斑间距。这种器件还允许通过适当的器件设计来设定各个光束中的相对功率。
产生与单个互联结构相关联的所述第一、第二和第三光束的另一优选方法包括使用两个不同的脉冲激光器和单个聚焦透镜。在这种情况下，所述激光器可具有不同的波长，这在最优地移除材料的上层而不破坏材料的下层方面通常是有利的。当使用两个激光器以形成单个互联结构所需要的所述三束光束时，使用第一激光器以形成所述光束中的两束并且用所述第二激光器形成所述第三激光束。按照与前面讨论的、针对在仅使用单个激光器并且所述光束被分割成三个组成部分的情况的方式相同的方式，用DOE或简单的双棱镜将所述第一光束分成两个组成部分。来自所述第二激光器的光束与由所述第一激光器产生的光束相结合，并且所有的光束都穿过单个聚焦透镜以在所述基板的表面产生具有所需要的间距的三个光斑。通常使用特定的镜来进行的光束结合，所述镜利用偏振或者第一和第二激光之间的波长差异来透射一束光束并且反射另一束光束。
受伺服马达驱动的工作台用于使所述基板相对于所述加工头移动。在运行中，所述加工头可以是静止的，而所述面板在沿平行于所述电池单元的方向的一系列线性运动中沿两个轴移动，跨过所述基板的每次行程都继之以沿正交方向的步进。所述加工头在每次行程中可处理单个电池单元互联，或者在优选的情况下在每次行程中可处理多个互联。其他的工作台的布置也是可能的。优选的布置为使所述基板沿一个轴运动并且所述加工头沿着另一个轴移动。还可以是所述加工头在其中沿两个正交的轴在静止的基板上方移动的布置。
本发明其他优选的和可选的特征将从说明书所附的权利要求中显现。
附图说明
现在将参照附图，仅作为实例描述本发明，在附图中：
图1示出了用于在薄膜太阳能面板中使电池单元电互连的标准方法；
图2A至图2F示出了在开始进行激光刻绘之前仅施加了下电极层的情况下，使用单独的激光刻绘和材料沉积步骤以形成和互联电池单元的标准方法，该处理序列是标准的、已知的太阳能面板生产方法；
图3A至图3F示出了出了在开始进行激光刻绘之前施加了下电极层和活性层两者的情况下，使用单独的激光刻绘和材料沉积步骤以形成和互联电池单元的标准方法，该处理序列也是已知的；
图4A至图4E示出了出了在开始进行激光刻绘之前下电极层、活性层、和上电极层都已施加的情况下，使用单独的激光刻绘和材料沉积步骤以互联电池单元的标准方法，该处理序列也是已知的；
图5示出了根据本发明第一实施例的装置的一部分的放大的示意性平面图，其示出了附接到加工头的三束激光束和两个喷墨喷嘴的布置，以制造单个电池单元互联结构；
图6A至图6F示出了由图5中所示的装置给予基板表面的激光和喷墨处理的优选的序列；
图7示出了根据本发明第二实施例的装置的一部分的放大的示意性平面图；
图8A至图8D示出了由图7中所示的装置给予基板表面的激光和喷墨处理的优选的序列；
图9示出了根据本发明第三实施例的装置的放大的示意性平面图；
图10A至图10E示出了由图9中所示的装置给予基板表面的激光和喷墨处理的序列；
图11示出了根据本发明第四实施例的装置的放大的示意性平面图；
图12A至图12E示出了由图11中所示的装置给予基板表面的激光和喷墨处理的时间序列；
图13示出了在本发明优选的实施例中使用的加工头的一部分的放大的示意性平面图。其示出了怎样将激光束阵列和喷墨喷嘴阵列安装到所述加工头上并且在跨过所述面板的单次行程中用于形成多个邻接的电池单元互联结构，如图5和图6中所示；
图14示出了在本发明的另一实施例中使用的加工头的一部分的放大的示意性平面图，其示出了怎样将激光束阵列和喷墨喷嘴阵列安装到所述加工头上并且在跨过所述面板的单次行程中用于形成多个邻接的电池单元互联结构，如图7和图8所示；
图15示出了本发明的第五实施例的装置的放大的示意性平面图，其示出了附接到加工头的三束激光束和两套相关联的喷墨喷嘴的布置，以通过沿单向移动所述加工头来制造单个电池单元互联结构；
图16示出了在本发明的第五实施例中使用的加工头的一部分的放大的示意性平面图，其示出了怎样将激光束阵列和两个喷墨喷嘴阵列安装到所述加工头上并且在沿单向跨过所述面板的单次行程中用于形成多个邻接的电池单元互联结构，如图7和图15所示；
图17示出了使用衍射光学元件将来自单个激光器的光束分光以形成第一、第二和第三激光束的装置；
图18A和图18B示出了怎样用棱镜类型的光学元件将来自激光器的光束分光成三束成角度分开的光束；
图19示出了使用棱镜类型的光学元件将来自单个激光器的光束分光以形成第一、第二和第三激光束的装置；
图20示出了使用双棱镜或衍射光学元件将来自单个激光器的光束分光以形成两束激光束的装置，这两束激光束随后与第三光束结合；
图21示出了用于沿双向相对于所述加工头移动基板的装置；以及
图22示出了用于控制激光器或多个激光器、喷墨头和动力系统的装置。
为了简化，附图显示了如激光切除类型的层切割处理。然而，应当注意，所有或部分这些激光切割处理可容易地被机械刻绘处理或其他切割处理替代。
具体实施方式
图1是现有技术，并且示出了已经被细分为分离的电池单元的太阳能面板的剖面，所述分离的电池单元已经借助于三个层涂覆和三个激光刻绘处理被串联地电连接。基板11具有三个层：下电极层12、活性层13和顶部电极层14。激光刻痕15、16和17允许要被形成的相邻的电池单元之间的电连接和绝缘。
图2是现有技术，并且示出了在两个相邻的电池单元之间的边界附近的太阳能面板的区域。图2A至图2F示出了用于形成和连接所述电池单元的各种涂覆和激光刻绘阶段。基板21一般为玻璃或塑料，但是还可以是由其他绝缘材料制造。其还可以为金属或具有绝缘涂层的金属。在图2A中下电极层22已经被施加到基板21上。图2B示出了穿过下电极层22抵达基板21的第一激光刻痕线23如何界定所述电池单元的边界。在图2C中活性层24被施加到所述基板上并填充所述第一激光刻痕线。图2D示出了平行于第一线23的第二激光刻痕线25如何分割活性层24。在图2E中顶部电极层26被施加到所述基板上并填充第二激光刻痕线25。图2F示出了最后阶段，其中平行于第二线25的第三激光刻痕线27完全穿透顶部电极层26，并且部分或完全穿透活性层24。
图3是现有技术，并且示出了在进行电池单元互联之前所述下电极层和活性层都已施加的情况的实例。图3A示出了施加有两个涂覆层32和32′的基板31。图3B示出了穿透这两个层32、32′到达所述基板的第一激光刻痕线33。图3C示出了绝缘流体34如何被施加到第一激光切口33内。用于进行上述施加的一个方法是使用喷墨喷嘴。流体34随后固化以形成固体。图3D示出了第二激光刻痕线35如何仅穿透这两个层中的上方的层32′。图3E示出了顶部电极层36如何被施加以填充第二激光刻痕线35。图3F示出了最后阶段，其中第三激光刻痕线37完全穿透顶部电极层36并且部分或完全穿透活性层32′。
图4是现有技术，示出了就所有的三个层而言的实例，在进行所述电池单元互联之前施加下电极层、活性电极层和顶部电极层。图4A示出了包括下电极层42、活性层42′和上电极层42″的层的堆叠。按序列施加这些层而中间不进行任何的激光处理。图4B示出了第一宽激光刻痕线43。该刻痕线43仅穿透层的堆叠中的顶部两个层42′、42″，并且留下未破损的下电极层42。图4C示出了第二窄激光刻痕线44如何在第一刻痕线43内制造并在第一刻痕线43的一侧制造。第二刻痕线44穿透下电极层42并使得下电极层42的突出部分45保留了下来。图4D示出了绝缘流体46借助于喷墨喷嘴如何被施加到第一激光刻痕43内。流体46随后受固化以形成固体。对施加流体到刻痕43内进行小心的控制，使得流体仅被施加到刻痕线43的第一侧，该第一侧穿入基板并且与下电极层的突出部分45存在的一侧相对。图4E示出了导电流体47被沉积到刻痕线内使得导电流体47跨过了绝缘材料46并在刻痕43的第一侧上的顶部电极层42″和刻痕43的第二侧上的下电极层的突出部分45之间形成了电连接。小心地确保导电材料47不与刻痕43的第二册上的顶部电极42″相接触。
图5示出了根据本发明的装置的一部分的第一优选的形式。其示出了附接到加工头的三束激光束和两个喷墨喷嘴的第一布置，以制造单个电池单元互联结构。太阳能面板51沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元。这意味着通过使所述加工头沿方向X相对于所述面板相对运动来制造互联。所述面板的包括相邻的电池单元在其中连接的区的区域52在图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的与单个电池单元互联结构相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。第一、第二和第三激光束53、53′、和53″分别制造穿过所有的三个层的第一刻痕54，穿过所述顶部的两个层的第二刻痕54′，以及穿过所述顶部层的第三刻痕54″。图中指出沿X方向相对于所述基板移动的所述加工头和附接的激光束，使得在所述基板的表面上，第一激光束53在第二激光束53′之前，并且第二激光束53′也在第三激光束53″之前。喷墨喷嘴55附接到所述加工头上并且位于平行于X方向并穿过第一激光束53所在位置的直线上。该喷嘴55注入绝缘流体56的液体流以填充第一激光刻痕线54。第二个较大的喷墨喷嘴57或者多个较小的喷嘴也附接到所述加工头上并且处在X方向上，使得当所述加工头移过所述基板时第二喷墨喷嘴57跟随第一喷墨头55和第二激光束53′。该第二喷墨喷嘴57注入导电流体58的液体流。所述喷嘴处在Y方向上，使得流体58沉积到所述基板表面上并且在先前所施加的绝缘流体56上形成导电桥，该桥从第一刻痕54的左侧上的上电极表面延伸到第二刻痕54′的底部处的下电极表面。当所述加工头沿X方向移过所述基板时，用以形成并完成所述互联结构而执行的五个处理的顺序如下：
1)第一激光束53使激光刻痕线54穿过所有的三个层；
2)利用第一喷墨喷嘴55输送的绝缘墨水56填充第一激光刻痕线54；
3)第二激光束53′使激光刻痕线54′穿过顶部两个层；
4)利用第二喷墨喷嘴57输送的导电墨水58形成跨过第一激光刻痕线54到达第二激光刻痕线54′的导电桥；
5)第三激光束53″使激光刻痕线54″穿过顶部层。
作为使所述加工头沿方向X移过静止的基板表面(如所示)的替代，同样的激光和喷墨处理序列可以通过保持所述加工头静止并沿与X方向相反的方向移动所述面板来实现。
图6示出了由图5中所示的装置输送到所述基板表面的激光和喷墨处理序列。图6A示出了基板61，在基板61上沉积了由下电极层、活性层和上电极层组成的层的堆叠62。这些层被按顺序地施加，而没有任何中间的激光处理。图6B示出了然后执行的三个激光处理中的第一个。制造穿透所有的三个层62到达基板61的第一激光刻痕线63。在所述第一激光处理完成后，立即通过喷墨印制来将绝缘材料施加到第一激光刻痕线63内。图6C示出了绝缘流体64如何借助于第一喷墨喷嘴(未示出)被施加到第一激光刻痕线63内。流体64被立即紫外固化或随后被热固化以形成固体。图6D示出了下一步骤，其中第二激光刻痕线65被制造为平行于第一刻痕线63穿过所述顶部两个层到达所述下电极层。图6E示出了下一步骤，其中借助于第二喷墨喷嘴(未示出)将导电的或包含导电粒子的流体66施加到第一刻痕线63中的绝缘材料64上以及第二激光刻痕线65内。流体66随后被热固化以形成固体。导电材料66形成跨过绝缘材料64上的桥以将左侧的顶部电极层电连接到右侧的底部电极层以串联连接相邻的电池单元。图6F示出了所述互联处理中的最终的步骤，其中穿透所述上方的层的第三激光刻痕线67被制造为在远离第一刻痕线63的一侧上平行于第二刻痕线65并在第二刻痕线65旁边。该刻痕还可部分或完全穿透所述活性层，但是必须不破坏所述下电极层。图5和图6中示出的优选的处理序列的优点为：
1)所述第二激光刻痕处理可以被用于移除任何由所述第一激光刻痕处理生成的在所述第二刻痕线的区域内沉积的残骸，和可能已经跨过所述上电极的表面扩散到所述第二刻痕线的区域内的沉积的绝缘墨水，以及
2)所述第三激光刻痕处理可以被用于移除任何由所述第二激光刻痕处理生成的在所述第三刻痕线的区域内沉积的残骸，和可能已经跨过所述上电极的表面扩散到所述第三刻痕线的区域内的沉积的导电墨水。
图7示出了根据本发明的第二实施例的装置的一部分的第二形式。其示出了附接到所述加工头上的三束激光束和两个喷墨喷嘴的第二布置，以制造单个电池单元互联结构。太阳能面板71沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元。这意味着通过沿X方向相对于所述面板移动所述处理头来制造互联。所述面板的包括相邻的电池单元在其中连接的区的区域72在该图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的与单个电池单元互联结构相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。第一、第二和第三激光束73、73′和73″分别制造穿过所有的三个层的第一刻痕74，穿过所述顶部两个层的第二刻痕74′，以及穿过所述顶部层的第三刻痕74″。该图示出了沿X方向移动的所述加工头和附接的激光束，使得在所述基板的表面上，第一激光束73在第二激光束73′之前，同样第二激光束73′在第三激光束73″之前。这三束光束的其他顺序是可能的或者所有三束光束可以在跨过所述基板的表面移动的直线上。喷墨喷嘴75附接到所述加工头上，并位于平行于X方向并且穿过第一激光束73所在位置的直线上。该喷嘴75注入绝缘流体76的液体流以填充第一激光刻痕74。第二个较大的喷墨喷嘴77或多个较小的喷嘴也被附接到所述加工头上并且处在X方向上，使得当所述加工头移过所述基板时第二喷墨头77跟随第一喷墨头75。该第二喷墨喷嘴77注入导电流体78的液体流。喷嘴77处在Y方向上，使得流体78在所述基板的表面上沉积并且形成跨过先前施加的绝缘流体76的导电桥，该桥从在第一刻痕74的左侧上的上电极表面延伸到在第二刻痕74′的底部处的下电极表面。当所述加工头沿X方向移过所述基板时，用以形成并完成所述互联结构而执行的五个处理的顺序如下：
1)利用第一、第二和第三激光束73、73′和73″来执行三个激光刻痕；
2)利用由第一喷墨喷嘴75输送的绝缘墨水76填充第一激光刻绘线74；
3)利用由第二喷墨喷嘴77输送的导电墨水78形成跨过第一激光刻痕线74到达第二激光刻痕线74′的导电桥。
作为如所示出的使所述加工头沿方向X移过静止的基板表面的替换，同样的激光和喷墨处理序列可以通过保持所述加工头静止并沿与X方向相反的方向移动所述面板来实现。
图8示出了由图7中示出的装置输送到所述基板表面的激光和喷墨处理的时间序列。图8A示出了基板81，在基板81上沉积了由下电极层、活性层和上电极层组成的层的堆叠82。这些层被按顺序地施加，而没有任何中间的激光处理。图8B示出了然后执行的三个激光处理。第一激光刻痕83被制造成穿透所有的三个层到达所述基板。第二激光刻痕84穿透所述顶部两个层但不穿透所述下电极层。第三激光刻痕85穿透所述顶部电极层并且还可穿入所述活性层。这三个激光刻绘可完全同时进行或者可按照顺序执行。其进行的顺序不是重要的。在所有的三个激光处理都已经完成后，通过喷墨印制来施加材料。图8C示出了如何借助于喷墨喷嘴(未示出)将绝缘流体86施加到第一激光刻痕83内。流体86被立即紫外固化或随后被热固化以形成固体。图8D示出了下一步骤，其中借助于喷墨喷嘴(未示出)在第一刻痕83内的绝缘材料86上以及第二激光刻痕84内施加导电的或包含导电粒子的流体87。流体87随后被热固化以形成固体。流体87不延伸到第三刻痕85内。导电材料87形成跨过绝缘材料86的桥以将左侧的顶部电极层电连接到右侧的底部电极层，从而串联连接相邻的电池单元。
图9示出了根据本发明的第三实施例的装置的一部分的第三形式。其示出了附接到所述加工头的三束激光束和两个喷墨喷嘴的第三布置，以制造单个电池单元互联结构。太阳能面板91沿着其在方向Y的长度具有多个电池单元。这意味着通过沿X方向相对于所述加工头移动所述面板91来制造互联。所述面板的包括相邻的电池单元在其中连接的区的区域92在该图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的与单个电池单元互联结构相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。第一、第二和第三激光束93、93′和93″分别制造穿过所有的三个层的第一刻痕94、穿过所述顶部的两个层的第二刻痕94′、以及穿过所述顶部的层的第三刻痕94″。喷墨喷嘴95附接到所述加工头上，并且位于平行于X方向并且穿过所述第一激光束所在位置的直线上。该喷嘴注入绝缘流体96的液体流以填充第一激光刻痕94。第二个较大的喷墨喷嘴97或多个较小的喷嘴也附接到所述加工头上并处在X方向上，使得当所述加工头移过所述基板时，第二喷墨头97跟随第一喷墨头95。该第二喷墨喷嘴97注入导电流体78的液体流。喷嘴97处在Y方向上，使得沉积在所述基板表面上的流体78形成跨过先前施加的绝缘流体96的导电桥。该桥从第一刻痕94左侧的上电极表面延伸到第二刻痕94′的底部处的下电极表面。当所述加工头沿X方向移过所述基板时，用以形成并完成所述互联结构而执行的五个处理的顺序如下：
1)利用第一激光束93执行第一激光刻痕94；
2)利用由第一喷墨喷嘴95输送的绝缘墨水96填充第一激光刻痕线94；
3)分别利用第二激光束93′和第三激光束93″执行第二刻痕94′和第三刻痕94″；
4)利用由第二喷墨喷嘴97输送的导电墨水98形成跨过第一激光刻痕线94到达第二激光刻痕线94′的导电桥。
作为使所述加工头沿方向X移过静止的基板表面(如所示出的)的替换，同样的激光和喷墨处理序列可以通过保持所述加工头静止并沿与X方向相反的方向移动所述面板来实现。
图10示出了由图9中所示的装置输送到所述基板表面的激光和喷墨处理的时间序列。图10A示出了基板101，在基板101上沉积了由下电极层、活性层和上电极层组成的层的堆叠102。这些层被按顺序施加，而没有任何中间的激光处理。图10B示出了然后执行的所述第一激光处理。制造了穿透所有的三个层直达所述基板的第一激光刻痕103。在所述第一激光束穿过所述层进行刻绘之后，进行喷墨处理。图10C示出了绝缘流体如何借助于喷墨喷嘴(未示出)被施加到第一激光刻痕103内。流体104被立即紫外固化或随后被热固化，以形成固体。在该喷墨处理之后进行第二和第三激光刻痕。图10D示出了穿透所述顶部两个层但不穿透所述下电极层的第二激光刻痕105。其还示出了在远离第一刻痕103的一侧上平行于第二刻痕105并在第二刻痕105旁边制造的第三激光刻痕106。该激光刻痕106还能部分或者完全穿入所述活性层但是不能破坏所述下电极层。第二和第三激光刻痕105、106可以完全同时进行或者相继执行。其制造的顺序不是重要的。在制造了第二和第三激光刻绘105、106之后，通过最后的喷墨印制处理来完成所述电池单元互联。图10E示出了最后的步骤，其中借助于喷墨喷嘴(未示出)将导电的或者包含导电颗粒的流体107施加到第一刻痕103内的绝缘材料上以及第二激光刻痕105内。流体107随后被热固化以形成固体。流体107没有延伸到第三刻痕106内。导电材料107形成跨过绝缘材料104的桥以将左侧的顶部电极层电连接到右侧的底部电极层上以使相邻的电池单元串联连接。
图11示出了根据本发明的第四实施例的装置的一部分的第四种形式。其示出了附接到所述加工头的三束激光束和两个喷墨喷嘴的第四布置，以制造单个电池单元互联结构。太阳能面板111沿着其在方向Y的长度具有多个电池单元。这意味着通过沿X方向相对于所述加工头移动所述面板来制造互联。所述面板的包括相邻的电池单元在其中连接的区的区域112在该图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的与单个电池单元互联结构相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。第一、第二和第三激光束113、113′和113″分别制造穿过所有的三个层的第一刻痕114、穿过所述顶部的两个层的第二刻痕114′、以及穿过所述顶部的层的第三刻痕114″。该图示出了沿X方向移动的所述加工头和附接的激光束，使得在所述基板表面上，第一激光束113在第二激光束113′之前，第二激光束113′也在第三激光束113″之前。喷墨喷嘴115附接到所述加工头上，并且位于平行于X方向并且穿过第一激光束113所在位置的直线上。该喷嘴115注入绝缘流体116的液体流以填充第一激光刻痕114。第二个较大的喷墨喷嘴117或多个较小的喷嘴也附接到所述加工头上并处于X方向上，使得当所述加工头移过所述基板时，第二喷墨头117跟随第一喷墨头115。该第二喷墨喷嘴117注入导电流体118的液体流。喷嘴117处在Y方向上，使得沉积在所述基板表面上的流体118形成跨过先前施加的绝缘流体116的导电桥。该桥从第一刻痕114左侧的上电极表面延伸到第二刻痕114′的底部处的下电极表面。当所述加工头沿X方向移过所述基板时，用以形成并完成所述互联结构而执行的五个处理的顺序如下：
1)利用第一激光束113和第二激光束113′执行第一激光刻痕114和第二激光刻痕114′；
2)利用由第一喷墨喷嘴115输送的绝缘墨水116填充第一激光刻痕线114；
3)利用由第二喷墨喷嘴117输送的导电墨水118形成跨过第一激光刻痕线114到达第二激光刻痕线114′的导电桥；
4)利用第三激光束113″执行第三激光刻痕114″。
作为使所述加工头沿方向X移过静止的基板表面(如所示)的替换，同样的激光和喷墨处理序列可以通过保持所述加工头静止并沿与X方向相反的方向移动所述面板来实现。
图12示出了由图11中所示的装置输送到所述基板表面的激光和喷墨处理的时间序列。图12A示出了基板121，在基板121上沉积了由下电极层、活性层和上电极层组成的层的堆叠122。这些层被按顺序施加，而没有任何中间的激光处理。图12B示出了然后执行的两个激光处理。制造了穿透所有的三个层直达所述基板的第一激光刻痕123。第二激光刻痕124穿透所述顶部的两个层但不穿透所述下电极层。可完全同时进行或者可按顺序执行这两个激光刻痕。其制造的顺序不是重要的。在两个激光处理都已经完成之后，通过喷墨印制施加材料。图12C示出了绝缘流体125如何借助于喷墨喷嘴(未示出)被施加到第一激光刻痕123内。流体125被立即紫外固化或随后被热固化，以形成固体。图12D示出了下一步骤，其中借助于喷墨喷嘴(未示出)将导电的或包含导电粒子的流体126施加到第一刻痕123内的绝缘材料125上以及第二刻痕124内。流体126随后被热固化以形成固体。导电材料126形成跨过绝缘材料125的桥以将左侧的顶部电极层电连接到右侧的底部电极层上，以使相邻的电池单元串联连接。图12E示出了所述互联处理中的最后的步骤，其中在远离所述第一刻痕的一侧上平行于并且靠近所述第二刻痕来制造穿透所述上层的第三激光刻痕127。该刻痕还可部分或完全穿入所述活性层但不能破坏所述下电极层。在导电喷墨施加处理之后执行该第三激光刻痕的益处在于能利用该激光刻绘去除跨过所述上电极的表面扩散到所述第三刻痕的区域内的任何导电墨水。
图13示出了如何将图5中所示的单独的互联处理部件扩展成可并行处理多个互联结构的器件。131是沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元的太阳能面板。132是面板131的包括几个电池单元间的连接的区域。该区域132在该图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的(在这种情况下)与五个电池单元互联结构133相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。134是沿直线放置五束平行的第一激光束135的器件。该器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地沿Y方向设定所述光束的间隔。五束光束的横列制造了穿过所述三个层的五个平行的第一切口。136是沿直线放置五个平行的第二激光束的器件，以制造穿过所述顶部两个层的五个平行的第二切口。该器件也可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述光束的间隔。137是沿直线放置五个平行的第三激光束的器件，以制造穿过所述顶部层的五个平行的第三切口。该器件可以绕进入纸面的轴旋转以正确地设定所述光束的间隔。138是沿直线放置五个平行的第一喷墨喷嘴139的器件，以将五条平行的绝缘流体线施加到所述五个第一激光切口内。该器件可绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。1310是沿直线放置五个平行的第二喷墨喷嘴1311的器件，以将五条平行的绝缘流体线施加到所述五个第一切口内的绝缘流体上以及所述五个第二激光切口内。该器件可绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。面板131和所述加工头沿X方向相对于彼此移动，使得所述基板的区域相继遇见：
1)所述第一激光束的横列；
2)所述第一喷墨头的横列；
3)所述第二激光束的横列；
4)所述第二喷墨头的横列；以及
5)所述第三激光束的横列。
图14示出了如何将图7中所示的单独的互联处理部件扩展成可并行处理多个互联结构的器件。141是沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元的太阳能面板。142是面板141的包括几个电池单元间的连接的区域。该区域142在该图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的(在这种情况下)与五个电池单元互联结构143相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。144是沿直线放置五束平行的第一激光束145的器件。该器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地沿Y方向设定所述光束的间隔。五束光束的横列制造了穿过所述三个层的五个平行的第一切口。146是沿直线放置五个平行的第二激光束的器件，以制造穿过所述顶部两个层的五个平行的第二切口。该器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述光束的间隔。147是沿直线放置五个平行的第三激光束的器件，以制造穿过所述顶部层的五个平行的第三切口。该器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述光束的间隔。148是沿直线放置五个平行的第一喷墨喷嘴149的器件，以将五条平行的绝缘流体线施加到所述五个第一激光切口内。该器件可绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。1410是沿直线放置五个平行的第二喷墨喷嘴1411的器件，以将五条平行的绝缘流体线施加到所述五个第一切口内的绝缘流体上以及所述五个第二激光切口内。该器件可绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。面板141和所述加工头沿X方向相对于彼此移动，使得所述基板的区域相继遇见：
1)所述第一激光束的横列；
2)所述第二激光束的横列；
3)所述第三激光束的横列；
4)所述第一喷墨喷嘴的横列；以及
5)所述第二喷墨喷嘴的横列。
图15示出了根据本发明的第五实施例的装置的一部分。其示出了附接到所述加工头的三束激光束和相关联的喷墨喷嘴的第五布置，以制造单个电池单元互联结构。在这种情况下，两个第一喷墨头和两个第二喷墨头被配置为允许沿单向运行所述头。太阳能面板151沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元。这意味着通过沿X方向相对于所述加工头移动所述面板来制造互联。所述面板的包括相邻的电池单元在其中连接的区的区域152在图的右侧被放大示出，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的与单个电池单元互联结构相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。第一、第二和第三激光束153、153′和153″分别制造穿过所有的三个层的第一刻痕、穿过所述顶部的两个层的第二刻痕、以及穿过所述顶部的层的第三刻痕。两个第一喷墨喷嘴154、154′附接到所述加工头上并且在平行于X方向并穿过第一激光束153所在位置的直线上处于所述第一激光束的各个侧上。这些第一喷嘴注入绝缘流体的液体流以填充所述第一激光刻痕。两个第二、较大的喷墨喷嘴或者多个较小的喷嘴155、155′也附接到所述加工头上，并且在平行于X方向并穿过靠近第一激光束153的位置的直线上处于所述第一激光束的各个侧上。这些第二喷墨喷嘴注入导电流体的液体流。喷嘴155、155′处在Y方向上，使得沉积在所述基板表面上的所述导电流体形成跨过先前施加的绝缘流体的导电桥，该桥从所述第一刻痕左侧的上电极表面延伸到所述第二刻痕的底部处的下电极表面。当所述加工头沿两个X方向中的任一个方向移过所述基板时，各个第一喷墨喷嘴中的一个或另一个喷墨喷嘴以及相对应的第二喷墨喷嘴的一个或另一个喷墨喷嘴被启用，使得用以形成并完成所述互联结构而执行的五个处理的顺序如下：
1)利用第一、第二和第三激光束执行第一、第二和第三激光刻痕；
2)根据所述头行进的方向利用由第一喷墨喷嘴154或154′输送的绝缘墨水填充第一激光刻痕线；
3)根据所述头行进的方向利用由第二喷墨喷嘴155或155′输送的导电墨水形成跨过第一激光刻痕线到达第二激光刻痕线的导电桥。
作为使所述加工头沿方向X移过静止的基板表面(如所示)的替换，同样的激光和喷墨处理序列可以通过保持所述加工头静止并沿与X方向相反的方向移动所述面板来实现。
图16示出了如何将图15中所示的分离的互联处理部件扩展成可并行同步地处理多个互联结构的器件。161是沿着其在方向Y上的长度具有多个电池单元的太阳能面板。162是面板161的包括几个电池单元间的连接的区域。该区域162在该图的右侧被放大，并且示出了所述移动加工头的一部分，和该移动加工头的(在这种情况下)与五个电池单元互联结构163相对应的有关激光束和喷墨喷嘴。164是沿直线放置五个平行的第一、第二和第三激光束165的器件。未示出单独的光束。该器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地沿Y方向设定所述光束的间隔。所述五个第一、第二和第三光束的集合的横列制造了穿过所述三个层的五个平行的第一切口、穿过所述第二和第三层的五个平行的第二切口、和穿过所述顶部层的五个平行的第三切口。166和166′是各自沿直线放置五个平行的第一喷墨喷嘴的器件，以将五个平行的绝缘流体线施加到所述五个第一激光切口内。所述器件可以绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。根据所述加工头沿X方向相对于所述基板表面行进的方向来启用第一喷墨喷嘴166的集合或者第一喷墨喷嘴166′的集合，使得所述绝缘墨水的施加跟随所述第一激光切口。167和167′是各自沿直线放置五个平行的第二喷墨喷嘴的器件，以将五个平行的导电流体线施加到所述五个第一切口内的绝缘流体上以及所述五个第二激光切口内。该器件可绕垂直于纸面的轴旋转以正确地设定所述喷嘴的间隔。根据所述加工头沿X方向相对于所述基板表面的行进方向来启用第二喷墨喷嘴167的集合或第二喷墨喷嘴167′的集合，使得所述导电墨水的施加跟随所述绝缘墨水的施加，其中所述绝缘墨水的施加跟随所述第一和第二激光切口。面板151和所述加工头沿两个X方向中的任意一个方向相对于彼此移动，使得所述基板的区域相继遇见：
1)所述第一、第二和第三激光束的横列；
2)第一喷墨喷嘴的横列；以及
3)第二喷墨喷嘴的横列。
借助图17所示出的装置将来自单个激光部件的光束分光以形成第一、第二和第三激光束的集合，以在所述基板上产生单个电池单元到电池单元的互联结构。与所述三束激光束相关联的第一和第二喷墨头在所述图中未被示出。脉冲激光部件171发射光束172，光束172由镜173转向为穿过聚焦透镜174以在基板175的表面上形成焦斑。位于所述光束中的衍射光学元件(DOE)176，将所述光束分为三个成角度分开的光束，这三个成角度分开的光束中的每个光束都由透镜174聚焦以在所述基板的表面上产生三个焦斑的直线177，所述三个焦斑对应于与单个互联结构相关联的第一、第二和第三激光束。透镜174的焦距和激光束172的属性限定了所述表面上的焦斑的大小。DOE176的设计限定了所述三束光束之间的角距，并因此与所述透镜的焦距一道限定了所述基板表面上的光斑的间距。所述DOE还被设计来控制各个光斑内的相对激光功率以便满足针对所述第一、第二和第三激光切口处理的单独的要求。所述DOE的旋转允许在垂直于行进方向的方向上调整所述焦斑的间隔。使用DOE将激光光束分为多个单独的光束的用法是公知的。
在实际中，0.05mm至0.1mm的范围内的激光光斑尺寸是与二或三倍于所述光斑直径的光斑间间隔(inter-spot spacings)一起使用的。为了穿过所有的三个层到达所述基板表面进行第一切口，第一激光束中所要求的激光功率通常显著高于所述第二和第三光束中所需要的激光功率。例如，对于由钼的下电极层、CIGS的活性层、和ZnO的上电极层组成的太阳能面板以及以每秒200mm的速度在所述基板表面上移动的产生0.1mm直径的激光光斑的IR激光器，发现所述第一光束中在5W到10W的范围内的激光功率制造了满意的第一切口，而所述第二和第三激光中仅仅需要几W的功率用于所述第二和第三切口。
图18A和18B示出了装置的另一实例，借助该装置将来自单个激光部件的光束分光以形成第一、第二和第三激光束的集合，以在所述基板上产生单个电池单元到电池单元的互联结构。图18A示出了落在特定的截顶的透射双棱镜182上的圆形激光束181的平面图。该器件中心的区域183是分隔两个棱镜区域184、184′的平坦区域。所述双棱镜的中心自所述光束的中心偏移。图18B示出了激光束181穿过特定的截顶的透射双棱镜182并分成三个单独的成角度分开的光束185、186和187的侧视图。激光束181入射到器件183的平坦部分上的部分无偏向地穿过所述器件以形成光束185。所述激光束穿过所述器件的两个棱镜部分184、184′的部分被分别偏向以形成光束186和187。由于所述双棱镜自所述激光束的中心偏移，光束187中比光束186中输送更多的激光功率。通过调整双棱镜183的截顶的区域的宽度和所述双棱镜的中心自所述光束的中心的偏移，各个光束中的功率可被设定为需要的水平。用各种类型的双棱镜将光束分光为两个或更多个成角度分开的光束的用法是公知的。
借助图19所示的装置使用图18中所示的棱镜器件将来自单个激光部件的光束分光以形成第一、第二和第三激光束的集合以便在所述基板上产生单个电池单元到电池单元的互联结构。与所述三束激光束相关联的第一和第二喷墨头在该图中未被示出。脉冲激光部件191发射光束192，光束192由镜193转向穿过聚焦透镜194以在基板195的表面上形成焦斑。位于所述光束中的截顶的双棱镜器件196，将所述光束分为三个成角度分开的光束，这三个成角度分开的光束中的每个光束都由透镜194聚焦以在所述基板表面上产生三个焦斑的直线197，所述三个焦斑对应于与单个互联结构相关联的第一、第二和第三激光束。透镜194的焦距和激光束192的属性限定了在所述表面上的焦斑的大小。截顶的双棱镜器件196的设计限定了所述三束光束之间的角距，并因此也与所述透镜的焦距一道限定了所述基板表面上的光斑的间距。所述双棱镜还能设计来控制各个光斑内的相对激光功率以便满足针对所述第一、第二和第三激光切口处理的单独的要求。所述双棱镜绕穿过其中心并垂直于其表面的轴的旋转允许在垂直于基板行进方向的方向上调整所述焦斑的间隔。
借助图20所示的装置将来自第一激光部件的光束分光以形成第一、第二和第三激光束中的两个光束，这两个光束随后与来自第二激光器的光束结合以总共形成三束光束，以在所述基板上产生单个电池单元到电池单元的互联结构。与所述三束激光束相关联的第一和第二喷墨头在该图中未被示出。脉冲激光部件201发射光束202，光束202由光束组合镜203转向穿过聚焦透镜204以在基板205的表面上形成焦斑。位于光束202中的可为DOE或者双棱镜的光学元件206将所述光束分为两个成角度分开的光束，这两个成角度分开的光束中的每个光束都由透镜204聚焦以在所述基板表面上产生两个焦斑207、207′，焦斑207、207′对应于与单个互联结构相关联的第一、第二和第三激光束中的任意两个激光束。透镜204的焦距和激光束202的属性限定了所述表面上的焦斑的大小。DOE或双棱镜206的设计限定了所述两束光束之间的角距，并因此与所述透镜的焦距一道限定了所述基板表面上的光斑的间距。所述DOE或双棱镜绕穿过其中心并垂直于其表面的轴的旋转允许在垂直于基板行进方向的方向上调整所述焦斑的间隔。
第二激光部件208发射光束209，光束209由镜2010转向以穿过光束组合镜203并穿过聚焦透镜204以在基板205的表面上形成焦斑2011。镜2010的调整允许由所述第二激光产生的焦斑2011相对于由第一激光束207、207′产生的两个光斑位于所述基板表面上任何期望的位置处。第二激光部件208可具有与第一激光部件201相同或不同的运行波长。如果所述第一和第二激光器的波长相同，则光束组合镜203是偏振灵敏的，使得光束组合镜203透射以所谓的P-偏振(p-polarization)入射的光束并且反射具有所谓的S-偏振的激光束。在该图中所示的情况下，在光束组合镜203处，第一激光器201因此应为S-偏振并且第二激光器208应为P-偏振。使用相同波长的两个激光器允许一个激光刻痕在与另外两个激光刻痕不同的重复频率和脉冲长度下运行。如果所述第一和第二激光器的波长是不同的，则光束组合镜203是波长灵敏的，使得其反射来自第一激光器201的光束并且透射来自第二激光器208的光束。当使用普通的聚焦透镜用于将来自两个激光器的光束聚焦到所述基板上时，通常需要位于一个或两个光束中的光束发散补偿光学器件2012。这一点在所述光束具有不同的波长时特别重要，而且在所述波长相同时也是可取的。使用不同波长的两个激光器允许进行一个激光刻痕操作时的波长在与进行另两个激光刻痕操作时的波长不同。就在所述上两个层中制造切口而不破坏所述第一层而言，这种布置经常是有利的。用于制造所述各种激光切口的优选的激光波长是在红外线、可见光和紫外线的范围内。具体的实例是1064nm、532nm或355nm。使用偏振类型的或波长灵敏(所谓的二色性)类型的光束组合镜的用法是公知的。
图21示出了适用于在薄膜太阳能面板上执行所述电池单元互联处理的装置。太阳能面板211安装在卡盘(chuck plate)212上，卡盘212安装在由伺服马达214、214′驱动的平移台213和213′上，使得所述面板能够沿平行于所述面板的边的两个正交的方向X和Y移动。镜216、216′将来自激光部件215的光束转向至安装在所述面板上方的加工头217。所述加工头中将所述光束分光为第一、第二和第三激光束的光学器件以及所述加工头上相关的第一和第二喷墨头的细节在图中未被示出。在运行中，所述加工头是静止的并且使所述面板沿Y方向进行一系列线性运动，其中跨过所述基板的每次行程都跟随着沿X方向的一个步进。所述加工头在每次行程中可处理单个电池单元互联，或者在优选的情况下在每次行程中可处理多个互联。所述图示出了静止的加工头以及沿两个轴运动的所述基板，但是其他布置在实际中也是可能的。优选的布置使所述基板沿一个轴移动而使所述加工头沿另一个轴移动。所述加工头沿两个正交的轴在静止的基板上方移动的布置也是可能的。
图22示出了适用于控制在图21中示出的设备的装置。控制部件221产生控制激光器222、工作台伺服马达223、223′和喷墨印制头的控制器224、相关联的喷墨输送系统225、以及安装在加工头226中的喷墨印制头的信号。在上述实施例中，所述第一、第二和第三切口都是使用激光束切穿有关的层来形成的。同时，在许多情况下，这是优选的形成所述切口的方法，所述处理头上的一个或更多个所述切口部件可包括其他形式的切口用具。形成穿过一个或更多个层的切口的另一方式是通过使用例如由Lehmann
Figure BDA00001805177300301
GmbH制造的精度部件所携带的机械划线器，比如细金属丝或多个平行的刻针。由此，在上述实施例中的一个或更多个所述激光器可由机械划线器替代。
在许多情况下，所述第一切口将使用激光器形成，而所述第二和第三切口可由激光器或由机械划线器形成。然而，所有的切口均可由激光器形成(如上述)，或者所有的切口可由机械划线器或激光器和机械划线器的任意组合来形成。

Claims (19)

1.一种用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的方法，所述薄膜器件具有作为下电极层的第一层、作为活性层的第二层、和作为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述分离的电池单元被串联电互联，所述电池单元的分割和相邻的电池单元之间的电连接都是加工头在跨过所述器件的单次行程中执行的，所述加工头在所述单次行程中进行如下的步骤：
a)制造穿过所述第一、第二和第三层的第一切口；
b)制造穿过所述第二和第三层的第二切口，所述第二切口临近所述第一切口；
c)制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口临近所述第二切口并且在所述第二切口的与所述第一切口相对的一侧上；
d)使用第一喷墨印制头将不导电材料沉积到所述第一切口内；以及
e)使用第二喷墨印制头来施加导电材料以在所述第一切口中的所述不导电材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，
其中，步骤a)先于步骤d)、步骤d)先于步骤e)、并且步骤b)先于步骤e)，除此以外的步骤可在所述加工头跨过所述器件的单次行程中以任何顺序执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述单次行程中执行所述步骤的顺序是由所述第一和第二喷墨印制头在所述加工头上的相对位置以及所述加工头上用于形成所述第一、第二和第三切口的构件来确定的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一、第二和第三切口中的一个或更多个是使用一个或更多个激光光束来形成的。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述第一、第二和第三切口中的一个或更多个是使用一个或更多个机械划线器来形成的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加工头能够在单次行程中沿单向或双向跨过所述薄膜器件来执行所述所有步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中执行了一个或更多个固化步骤，以固化沉积到相应的切口后的所述不导电材料和/或所述导电材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述固化步骤中的一个或更多个步骤是在所述单次行程期间、在沉积所述不导电材料和/或所述导电材料之后执行的。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述固化步骤中的一个或更多个步骤是在单独的装置中、在所述单次行程之后执行的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述薄膜器件为下列中的一种：太阳能面板、照明面板、和电池。
10.一种用于将薄膜器件分割成分离的电池单元的装置，所述薄膜器件具有作为下电极层的第一层、作为活性层的第二层、和作为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述分离的电池单元被串联电互联，所述装置包括加工头，在所述加工头上提供有：
a)一个或更多个切割器部件，所述一个或更多个切割器部件用于制造穿过所述第一、第二和第三层的第一切口、临近所述第一切口并穿过所述第二和第三层的第二切口、以及穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口临近所述第二切口并在所述第二切口的与所述第一切口相对的一侧上；
b)第一喷墨印制头，所述第一喷墨印制头用于将不导电材料沉积到所述第一切口内；以及
c)第二喷墨印制头，所述第二喷墨印制头用于施加导电材料以在所述第一切口中的所述不导电材料上搭桥并且完全或部分填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，所述装置还包括：
d)驱动用具，所述驱动用具用于使所述加工头相对于所述器件移动；以及
e)控制用具，所述控制用具用于控制所述加工头相对于所述器件的移动并且驱动所述一个或更多个切割器部件和所述第一和第二喷墨印制头，使得将所述器件分割成分离的电池单元和在相邻的电池单元之间形成电连接的操作都能够在所述加工头跨过所述器件的单次行程中执行。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述一个或更多个切割器部件包括用于形成所述第一、第二和第三切口的单个脉冲激光器。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述一个或更多个切割器部件包括用于形成所述第一、第二和/或第三切口的两种或更多种类型的脉冲激光器。
13.根据权利要求11或12所述的装置，所述装置包括用于将第一、第二和第三激光光束传递到所述器件上的聚焦透镜，所述光束间具有角度偏向，使得在所述透镜的由所述第一、第二和第三激光光束形成的焦点处的焦斑在所述器件的表面上具有用来形成所述第一、第二和第三切口所要求的空间间隔。
14.根据权利要求11或12所述的装置，所述装置包括衍射光学元件，所述衍射光学元件用于将来自脉冲激光器的激光光束分光，以形成用来形成所述第一、第二和第三切口的第一、第二和第三激光光束。
15.根据权利要求11或12所述的装置，所述装置包括棱镜光学元件，所述棱镜光学元件用于将来自脉冲激光器的激光光束分光，以形成用来形成所述第一、第二和第三切口的第一、第二和第三激光光束。
16.根据权利要求11或12所述的装置，所述装置包括衍射光学元件和第二脉冲激光器，所述衍射光学元件用于将来自第一脉冲激光器的激光光束分光，以形成所述第一、第二和第三激光光束中的任意两个激光光束，所述第二脉冲激光器用于提供所剩下的激光光束，该剩下的激光光束的布置使得来自所述第一和第二脉冲激光器的光束结合以在所述器件的表面上形成用于形成所述第一、第二和第三切口的三个空间上分离的激光光斑。
17.根据权利要求11或12所述的装置，所述装置包括双棱镜类型的棱镜光学元件和第二脉冲激光器，所述棱镜光学元件用于将来自第一脉冲激光器的激光光束分光，以形成所述第一、第二和第三激光光束中的任意两个激光光束，所述第二脉冲激光器用于提供所剩下的激光光束，该剩下的激光光束的布置使得来自所述第一和第二脉冲激光器的光束结合以在所述器件的表面上形成用于形成所述第一、第二和第三切口的三个空间上分离的激光光斑。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的装置，其中所述驱动用具包括用于将所述加工头沿两个正交的方向相对于所述器件移动的双轴伺服马达。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的装置，其中所述控制系统布置为使得所述器件和所述加工头在跨过所述器件的连续的路径上沿平行于所述第一和第二切口的长度的第一方向相对于彼此移动，并且在所述路径的终点处沿垂直于所述第一方向的方向行进等于要在所述器件中形成的所述电池单元的宽度的预定距离。
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