CN103119731A - 用于将薄膜器件划分为单独的单元格的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于将薄膜器件划分为单独的单元格的方法和设备，薄膜器件具有为下电极层的第一层、为活性层的第二层和为上电极层的第三层，层在器件上各为连续，单元格各具有宽度W，并被互连结构串联互连。单元格的划分和在相邻单元格之间的互连结构的形成由加工头实现，加工头设置为能在在器件上来回经过的序列中同时在多于一个互连上操作，加工头进行以下步骤：a）制造穿过第一层、第二层和第三层的第一切口；b）制造穿过第二层和第三层的第二切口，第二切口邻近第一切口；c）制造穿过第三层的第三切口，第三切口邻近进第二切口，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非传导材料沉积到第一切口内；以及e）使用第二喷墨印制头来施加传导材料，以在第一切口中的非传导材料上搭桥，并且完全或者部分填充第二切口，以便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，可以在加工头横跨器件的单次经过中以任何顺序实行步骤）。并且在至少一次使加工头在器件上经过的期间，步骤中的至少两个步骤各自在单独的互连结构上被实行。薄膜器件可为太阳能板、照明板或电池。

Description

用于将薄膜器件划分为单独的单元格的方法和设备
技术领域
本申请设计一种使用刻绘和喷墨印制技术形成单独的电气单元格、并将所述单元格串联地互连以制造各种薄膜器件的工艺。特别地，本申请描述一种新颖的方法，其用于在具有底部电极材料、半导体材料和顶部电极材料的连续层的太阳能板中形成所述单元格和串联互连结构。所述方法特别适合用于在柔性基板上形成的太阳能板，因为所述工艺消除了与相继的层到层刻绘对齐相关联的问题。该方法还适合用于制造其它薄膜器件，例如照明板和电池。本申请还涉及用于实行所述方法的设备。
背景技术
在薄膜太阳能板中形成并互连单元格的通常的方式涉及相继层涂覆和激光器刻绘工艺。为了完成所述结构，通常需要三个单独的涂覆工艺和三个单独的激光器工艺。通常以如下所述的由每个涂覆步骤继以激光器步骤而构成的六步骤的序列来进行这些工艺：
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，但也可为聚合物片材。该下层通常是透明的传导氧化物，比如氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）或铟锡氧化物（ITO）。有时，该下层为不透明金属，比如钼（Mo）。
b）激光刻绘刚好穿透所述下电极层以将所述连续的膜分隔成电隔离的单元格区域的、典型地间隔5mm至10mm的横跨所述板的表面的平行线。
c）在整个基板区域上沉积活性发电层。该层可由单个非晶硅层或非晶硅和微晶硅的双层组成。还使用诸如碲化镉与硫化镉（CdTe/CdS）和铜铟镓二硒化物（CIGS）之类的其他半导体材料的层。
d）激光器以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的方式穿过所述活性层刻绘线条。
e）在整个板的区域上沉积第三顶部电极层，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）激光器以尽量靠近并平行于其他线条的方式在该第三层内刻绘线条，以打断所述顶部电极层的电连续性。
一般地，在这些步骤中每个步骤之间需要在不同环境之间（例如真空或大气环境）移动所述基板。
继以激光器隔离的该沉积程序将所述板分成多个单独的长窄单元格，并在所述板中的所有单元格之间制造电串联连接。通过这种方式，整个板所产生的电压由每个单元格内形成的电势与单元格的数目的乘积给出。板被划分成典型地为50至100个的单元格，使得整个板的输出电压典型地在50伏至100伏的范围内。每个单元格典型地为5mm至15mm宽，并约1000mm长。JP10209475中给出了该多步骤太阳能板制造方法中使用的工艺的详尽描述。
已经设计出方案，以通过组合部分所述单独的层涂覆步骤而简化制造太阳能板的该多步骤工艺。这减少了必须将所述基板从真空移至大气环境的次数，并从而有可能改善层的质量以及提高太阳能板的效率。US6919530、US6310281和US2003/0213974A1都描述了用于制造太阳能板的方法，其中在进行激光器刻绘之前涂覆所述三个需要的层中的两个层。所述下电极层和所述活性层（或多层活性层）被相继沉积，然后这两个层被一起激光器刻绘，以形成槽，该槽随后被绝缘材料填充。在US6310281和US2003/0213974A1中提出了所述槽填充是通过喷墨印制来进行的。在所述槽填充之后的是如上所述的互连程序，具有穿过所述活性层激光器刻痕、所述顶部电极层的沉积、以及隔离所述单元格的所述顶部电极层的最终刻痕。
还提出了一种方案，其中在进行任何激光器刻绘之前，所有三个层都被涂覆。WO2007/044555A2描述了用于制造太阳能板的方法，其中在一个工艺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器刻痕。该激光器刻绘工艺是复杂的，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，所述激光器完全穿透所述整个三个层的堆叠直到所述基板，以便将所述下电极层电分隔，以限定所述单元格，而在所述刻痕的第二侧上，所述激光器仅穿透所述顶部层和活性层，以留下暴露下电极层材料的台（ledge）的区域。将绝缘材料局部施加于穿透到所述基板处的刻痕的第一侧，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，将传导材料沉积到所述刻痕内，使得所述传导材料桥接先前施加的绝缘材料，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材料的台上。
在WO2007/044555A2中描述的工艺是复杂的，并且需要仔细地控制。在所述二级激光器刻绘工艺的第二阶段期间生成的碎片可能会沉积到下电极材料的台的相邻顶部表面上，导致电连接较差。需要高度的控制以确保所述绝缘材料被精确地放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台上沉积。需要极高的精度，以确保所述传导材料被正确地放置，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，所以不大可能能够通过该方法高度可靠地连接单元格。
因此，仍需要用于太阳能板等的新的单元格形成和互连工艺，所述工艺从三个层的完全堆叠开始，但继续以快速、简单和可靠的方式来互连单元格。
这种工艺还将适用于用以制造诸如照明板或电池之类的其他薄膜器件的单元格的形成和串联互连。类似于太阳能板，这样的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。可通过将所述器件划分成多个单元格并串联连接所述单元格来实现在比基本的单个单元格电压更高的电压下的操作。此处提出的激光器和喷墨单元格形成和互连设备适用于这样的操作。
就照明板而言，所述下电极和上电极有可能是由与用于太阳能板的材料（例如，TCO或金属）类似的材料制成，但是所述活性材料非常不同。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）的。空穴和电子输运层通常与所述活性发光层相关联。就这些照明板而言，操作是在低电压下进行的，并且所有的层都是薄的，因此本文描述的互连工艺非常适用于将所述板划分成单元格，并串联连接所述单元格，以允许在显著地更高的电压下的操作。
就薄膜电池而言，所述层经常是更为复杂的。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，即锂磷氮氧化合物（LiPON）电解液。就这种电池而言，操作是在低电压下进行的，并且所有的层都是薄的，因此本文描述的互连工艺非常适用于将所述电池划分成单元格并串联连接所述单元格，以允许在显著地更高的电压下的操作。
本申请人在更早的（未公布的）专利申请中提出一种用于将薄膜太阳能板划分为单独的单元格并串联连接这些单元格的方法和设备。所述设备使用组合了三个激光器光束和两个流体喷嘴的加工头。该加工头上的所有这五个组成部分都针对于两个相邻单元格之间的单个互连结构，使得所述加工头在所述太阳能板上的单次经过产生单个互连结构。然后通过在垂直于互连方向的方向使所述加工头以等于单元格宽度或单元格宽度的倍数的距离步进、并使加工头再次横越所述板，来形成其它互连结构。本申请提供对在所述更早的申请中提出的方法和设备的改进。
发明内容
根据本申请的第一方面，提供了一种用于将薄膜器件划分为由互连结构加以串联互连的单独的单元格的方法，所述薄膜器件具有为下电极层的第一层、为活性层的第二层和为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述单元格的划分和在相邻单元格之间的互连结构的形成由加工头实现，所述加工头设置为能同时在多于一个互连上操作，并在在所述器件上来回经过（pass）的序列中在每个互连结构的形成中进行以下步骤：
a）制造穿过所述第一层、第二层和第三层的第一切口；
b）制造穿过所述第二层和第三层的第二切口，所述第二切口邻近所述第一切口；
c）制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口邻近所述第二切口，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非传导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传导材料，以在所述第一切口中的所述非传导材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，
其中，除步骤a）先于步骤d）、步骤d）先于步骤e）、并且步骤b）先于步骤e）以外，可以以任何顺序实行所述步骤，并且在至少一次使所述加工头在所述器件上经过的期间，所述步骤中的至少两个步骤分别在单独的互连结构上被实行。
根据本申请的第二方面，提供了一种用于将薄膜器件划分为由互连结构加以串联互连的单独的单元格的设备，所述薄膜器件具有为下电极层的第一层、为活性层的第二层和为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述单元格各具有宽度W，使得相邻的互连结构彼此间距W，所述设备包括加工头，在所述加工头上提供：
a）一个或更多个切割器单元，用于制造穿过所述第一层、第二层和第三层的第一切口、邻近所述第一切口的穿过所述第二层和第三层的第二切口、以及邻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的穿过所述第三层的第三切口；
b）第一喷墨印制头，用于将非传导材料沉积到所述第一切口中；以及
c）第二喷墨印制头，用于施加传导材料，以在所述第一切口中的所述非传导材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，所述一个或更多个切割器和所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头彼此间距W或W的倍数，所述加工头由此能同时在多于一个互连结构上操作，所述设备还包括：
d）驱动机构，用于相对于所述器件移动所述加工头；以及
e）控制机构，用于控制相对于所述器件的所述加工头的移动，并致动所述一个或更多个切割器单元和所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头，以便能在所述加工头在所述器件上来回经过的序列中将所述器件划分为单独的单元格，并形成所述互连结构。
因此，在本申请中，加工头上的三个激光器光束和两个流体喷嘴定位为同时在多于一个互连结构上操作。单元格典型地为5mm至10mm宽，所以所述激光器光束和流体喷嘴被该距离或该距离的倍数分隔开。用所有三个激光器工艺和两个喷墨工艺形成完整的互连结构要求加工头横跨板数次经过（而不是如更早的申请中那样单次经过）。仅当在每个个体互连结构上进行了所有三个激光器工艺和两个喷墨工艺时，该互连结构才完整。
本申请较更早的申请的一个显著优点是加工头在板上行进的两个方向上都能操作，而仍然保有简单的激光器光束和流体喷嘴的设置。更早的申请提到双向操作的可能，但其需要两组流体喷嘴，一组在加工头行进的一个方向上操作，另一组在行进的相反方向操作。本申请避免了该重复。
由说明书所附的权利要求和示出的实施例的说明可以清楚本申请的优选和可选特征。
本文中可互换地使用术语“刻绘”和“切割”。在本申请以下具体实施方式中，用于形成穿透各层的切口的切割器单元都基于激光器，激光器光束被聚焦，以消融并移除材料，以形成隔离切口（即激光器刻痕）。这是用于形成切口的优选方法，但也可以使用其它切割方法。用于形成切口的替换的方法是用细丝或刻针机械刻绘。可以使用这样的机械刻绘取代激光器刻绘或切割以形成所有或部分第一、第二或第三切口。
如WO2007/044555A2所述的申请，本申请涉及处理具有整个三层的堆叠的薄膜器件，但与WO2007/044555A2中所述的相比，相继层的切割和喷墨处理更不复杂且远为稳健，在任何切割或喷墨材料沉积前相继施加所有三层涂覆。理想地，这些涂覆可以在单个真空工艺中施加，但这不是必要的。本申请的关键点在于，在涂覆的沉积之后，使用单个组合的层切割和喷墨工艺，以制造单元格互连。“单个组合工艺”应理解为指所有切割工艺和所有相关的基于材料沉积工艺的喷墨都凭借在平行于在单元格之间的边界的方向以及在平行于基板表面的平面中的加工头的移动来进行。制造一个或更多个单元格互连所要求的所有切割器单元和所有喷墨印制头都附接于单个加工头，因此所有部件都横跨板以同一速度一起移动。
将各个层切割工艺和各个喷墨沉积工艺施加于基板的序列可以根据使用的材料而变化。各个层切割器单元和喷墨印制头附接于加工头的位置使得在加工头在基板上经过的序列中移动时实现希望的序列。
为便于描述，自此将参考激光器消融来描述层切割工艺。但应注意，如上所述，所有或部分这些激光器切割或激光器刻绘工艺都可以被机械刻绘工艺（或其它切割工艺）取代。
为在相邻的第一和第二单元格之间形成单个单元格互连结构，使三个相邻的激光器光束（由附接于加工头的三个相邻的光束传递单元传递）在平行于单元格之间的边界的方向相对于基板一起移动，以制造抵达各个层中的不同深度的三个平行的相邻刻痕。第一激光器光束制造限定第一单元格的边缘的第一刻痕线。第一刻痕线穿透所有层抵达基板。处在第一刻痕的第二单元格侧的第二激光器光束制造穿透除下电极层外的所有三层的第二刻痕线。处在第二刻痕的第二单元格侧的第三激光器光束制造穿透上电极层的第三刻痕线。第三刻痕仅需穿透第三层，但实际上也可部分或完全延伸穿透第二层（所以深度上可以类似于第二刻痕）。该第三刻痕限定第二单元格的范围。进行这三个激光器工艺的确切顺序并不是关键的，但以下讨论了优选的顺序。
第一喷墨印制工艺跟随部分或所有所述激光器工艺。针对该第一印制工艺，第一喷墨头带着至少一个喷嘴横跨基板表面移动，所述喷嘴设置为印制填充第一激光器刻痕的绝缘墨水的细线。该墨水可以为热固化类型的，其中在沉积后立即向沉积的液体局部地施加热量，以固化绝缘墨水，以制造填充第一刻痕的材料的绝缘固体线。替换地，继所有激光器和喷墨工艺之后，可以向整个基板施加热量，以固化绝缘墨水的线，以制造填充基板上所有第一刻痕的材料的绝缘固体线。该整体基板固化工艺可以发生在进行激光器刻绘和墨水沉积工艺的同一设备上，但实际上该固化更可能在单独的设备上进行。
绝缘墨水也可以是UV固化类型的。此时凭借UV灯或其它适合的UV光源进行固化，此时在沉积后立即向沉积的液体局部地施加UC辐射，以固化绝缘墨水，以制造填充第一刻痕的材料的绝缘固体线。所述刻痕中绝缘层的深度在连续且无小孔的条件下尽量小。绝缘材料线的宽度为在第一刻痕的第一单元格侧与下方两个暴露层完全接触，以便保护这些层不受在第二喷墨印制工艺中随后施加的材料的影响。第一刻痕两侧的一定程度的绝缘墨水过填充是允许的，并甚至是可取的，但理想地，所述过填充的侧向范围应该保持在小于第一刻痕的宽度的值。
第二喷墨印制工艺跟随部分或全部所述激光器工艺以及第一喷墨印制工艺发生。针对该第二喷墨印制工艺，第二喷墨头带着至少一个喷嘴在基板表面上方移动，所述喷嘴设置为印制导电墨水带，所述导电墨水带宽度足以制造与第一激光器刻痕的第一单元格侧的顶部电极材料的电接触，以跨骑第一刻痕中的绝缘墨水材料并进入第二刻痕，以制造与第二单元格的下电极层材料的电接触。第一刻痕中的绝缘墨水在施加导电墨水时可以为固化或未固化的。如果绝缘墨水未固化，则导电墨水的组分为使得溶剂不显著扰动或溶解未固化的绝缘墨水材料。导电墨水可能为热固化类型的，此时跟随所有激光器和喷墨工艺向整个基板施加热量，以固化导电墨水带，以形成材料的固体传导带。以这种方式，形成了将一个单元格中的顶部电极连接到下一单元格中的下电极层上的导电桥。传导层的深度在稳健并具有足够低的电阻的情况下尽量小。传到材料线的宽度为完全接触第一刻痕的第一单元格侧的第一单元格顶部电极材料的区域，并完全填充第二刻痕。第二刻痕的第二单元格侧和第一刻痕的第一单元格侧的一定程度的导电墨水过填充是允许的，并甚至是可取的，但理想地，所述过填充的侧向范围应该保持在小于刻痕宽度的值。
由于使用了三个单独的激光器刻痕，可以个别地优化针对每个刻痕的激光器工艺参数，以消除基板或下层受损的可能性，降低形成层间电短路的风险，并最小化碎片沉积。
可以在垂直于该头的移动方向或与该头的移动方向成一角度的间隔开的位置上将个体光束传递头附接到加工头上，使得喷墨头的位置限定在加工头在基板上经过的序列中将工艺施加于基板的序列。用于所述五个工艺的优选序列为：
a．穿透所有三层到达基板表面以限定第一单元格的范围的第一激光器刻痕
b．在第一激光器刻痕中沉积绝缘墨水的第一喷墨工艺
c．穿透顶部两层到达下电极层的第二激光器刻痕工艺
d．在绝缘墨水上施加导电墨水带以形成自第一单元格侧的顶部电极至第二单元格侧的下电极的传导桥的第二喷墨工艺
e．穿透顶部电极层以隔离第一和第二单元格并限定第二单元格的范围的第三激光器刻痕工艺。如上所示，该第三刻痕也可以部分或完全延伸穿过第二层，但不应该穿透第一层，
使用该激光器和喷墨工艺序列，持续保护了堆叠中的下层不受来自更早的工艺的游离墨水材料和激光器消融碎片的影响，直至暴露前一刻；整个单元格互连工艺变得非常稳健。
例如，第一激光器工艺产生的部分碎片和第一印制工艺沉积的部分绝缘墨水可能会在第二激光器工艺穿透刻绘以暴露下电极的区域中在基板表面上形成。如果第二激光器工艺先于第一喷墨印制工艺，或第一激光器工艺，则任何游离碎片或绝缘墨水均可能进入第二激光器刻痕区域并污染暴露的下电极层。将第二激光器工艺留至第一激光器工艺和第一喷墨印制工艺之后意味着在第二激光器刻痕区域中的下电极层持续受到保护，并且在第二激光器工艺期间，该区域中的任何绝缘墨水和任何再沉积碎片都在所述激光器消融顶部两层时被移除。
作为另一示例，第二激光器工艺产生的碎片和第二印制工艺沉积的部分导电墨水可能会在第三激光器工艺穿透刻绘以分隔顶部电极层的区域中在基板表面上形成。如果第三激光器工艺先于第二印制工艺或第二或甚至第一激光器工艺，则任何游离碎片或墨水均可能沉积在第三激光器刻痕区域中的第二单元格的顶部表面上，并可能导致横跨刻痕区域的电连接。将第三激光器刻痕工艺留至第一和第二激光器工艺以及第一和第二印制工艺之后意味着消除了该互连故障源。
部分工艺必须先于其它工艺：
1）第一激光器刻痕工艺必须总是先于第一印制工艺
2）第一印制工艺必须总是先于第二印制工艺
3）第二激光器刻痕工艺必须总是先于第二印制工艺
在这些规则下，可能有若干不同的工艺序列，但以上给出的工艺序列是优选的。
有热固化和UV固化两种固化介电墨水的方式。导电墨水通常被热固化。如果两种墨水都能被热固化，且施加导电墨水时未固化的介电墨水不与导电墨水混合，则整个固化工艺可以在切割和沉积步骤之后单独地完成。此时加工头上不需要固化器件。但是在许多情况下，可取的是在沉积导电墨水之前固化（热固化或UV固化）介电墨水。此时在加工头上需要固化器件。如果介电墨水是UV固化的，则可能需要在施加导电墨水之前固化，因为导电墨水许多情况下是不透明的。
用于产生第一、第二和第三切口的激光器一般为操作在IR至UV范围内（即具有从1080nm下至340nm的波长）的脉冲Q开关类型。也可以使用操作在更短波长（例如下至250nm）处的激光器。在最简单的情况下，使用具有单个聚焦透镜的单个激光器，以产生与单个互连结构相关的所有三个切口。因此此时需要将单个光束划分为三个组成部分，以形成基板表面上的三个焦斑。互连中的切口分隔一般较小（在0.1mm至0.2mm范围内），因此制造三向光束划分的优选方式是使用定位在单个聚焦透镜前面的专用多面棱镜元件或衍射光学元件（DOE）。这样的器件向激光器光束的部分引入小角度偏差，引起透镜的焦点处的所需值的焦斑分隔。这样的器件还允许以适合的器件设计来设定个别光束中的相对功率。
产生与单个互连结构相关的第一、第二、和第三光束的另一优选方法涉及使用两个不同的脉冲激光器和单个聚焦透镜。此时所述激光器可以具有不同的波长，这就优化移除上层而不损伤下层材料而言通常是有利的。当使用两个激光器形成单个互连结构所需的三个光束时，第一激光器用于形成所述光束中的两个光束，第二激光器用于形成第三个光束。使用DOE或简单双棱镜以如上所述针对仅使用单个激光器且光束被划分为三个组成部分的情况下的相同方式将第一光束划分为两个组成部分。使来自第二激光器的光束与自第一激光器产生的光束组合，且所有光束都穿过单个聚焦透镜，以产生具有基板表面上所需的分隔的三个斑。通常使用以专用反射镜组合的光束，所述反射镜使用第一和第二激光器之间的波长差或偏振来透射一个光束并反射另一个光束。当第一、第二和第三刻痕在分隔的互连上进行时，可以针对每个刻痕使用单独的透镜。
使用受伺服马达驱动的台来相对于加工头移动基板。在操作中，加工头可以是静止的，板在平行于单元格方向的方向上在一系列线性移动中向两个轴线移动，横跨基板的每次经过都继以正交方向的步进。可能有其它台设置。优选的设置使基板向一个轴线移动并使加工头向另一轴线移动。还可以是加工头在静止的基板上向两个正交方向移动的设置。
由说明书所附权利要求将明了本申请的其它优选和可选特征。
附图说明
现在将仅通过示例参考附图来说明本申请，附图中：
图1显示根据本申请人更早的（未公布的）申请所述的设备的一部分的放大的示意性平面图;
图2A至图2D显示由图1中示出的设备传递给基板表面的优选的激光器和喷墨工艺序列；
图3显示用于相对于图1的加工头在两个方向上移动基板的设备；
图4显示图1中示出的设备的另一修改形式的放大的示意性平面图；
图5显示图1中示出的设备的修改形式的放大的示意性平面图；
图6至图11显示根据本申请的设备的第一至第六实施例的放大的示意性平面图；
图12显示相对于诸如图4至图11中示出的加工头在两个方向上移动基板的设备；以及
图13显示用于控制相关移动系统、喷墨头和激光器的操作的设备。
为简单起见，附图将层切割工艺显示为激光器消融式的。但是如上所述，这些激光器切割工艺可全部或部分被机械刻绘工艺或其它切割工艺取代。
具体实施方式
图1显示如上述更早的（未公布的）申请中提出的基本加工头的细节。借助于加工头2沿Y方向将太阳能板1划分为多个单元格，加工头2沿X方向横跨太阳能板1移动。加工头的放大图显示穿过太阳能板上的薄膜层分别刻绘槽6、7和8的三个激光器光束3、4和5。喷嘴9将液体绝缘墨水10施加到刻痕6中。该墨水需要被固化，这是通过热的方法或通过UV激活完成的。器件11代表局部加热源（例如IR灯、IR二极管激光器或其它IR激光器器件）或局部UV源（例如UV灯、UV激光器二极管或向板表面传递UV辐射的光导）。喷嘴12施加导电墨水13，以在填充激光器刻痕6的绝缘墨水10上搭桥并进入激光器刻痕7。所有激光器光束和两个喷嘴都横跨板在X方向一起移动，以在单次经过（pass）中制成单个互连结构。在该头横跨板经过之后，使板（或头）向Y方向步进单元格宽度，以处理相邻的互连。因为直到形成激光器槽6后才能施加绝缘墨水10，并且直到绝缘墨水被施加并被固化之后才能施加导电墨水13，所以容易看到示出的头设置仅能向一个方向操作。
图2显示由图1中示出的头设置的类型在板表面形成结构的序列。如图2A中示出的，基板14具有施加于表面的三层的堆叠15。简言之，这些层即下电极层、活性层和上电极。如图2B中示出的，三个激光器光束3、4和5横跨板的经过，产生三个刻痕6、7和8；其中，刻痕6穿透所有层直到基板表面，刻痕7仅穿透两个顶部层到达下电极层，而刻痕8至少穿透顶部电极层，但也可以如刻痕7一样穿透中间层。图2C显示第一喷墨喷嘴9如何施加绝缘墨水10，以填充刻痕6，而图2D显示导电墨水13如何被第二喷墨喷嘴12施加，以在绝缘墨水上搭桥并进入刻痕7，以制造自刻痕6左侧单元格上的上电极层至刻痕6右侧单元格中刻痕7的底部处的下电极层的电连接。
图3显示用于相对于太阳能板移动上述加工头的一种可能的设置。板1支撑在工艺卡盘16上，工艺卡盘16被由伺服马达18驱动的线性台17向Y方向移动，并被由伺服马达18'驱动的线性台17'向X方向移动。来自激光器19的光束被反射镜20、20'引导至加工头2处，并在该处被划分为三个组成部分，以产生三个刻痕6、7和8。加工头2还包含两个喷墨喷嘴。所有五个组成部分都设置在沿X方向的线21中，以在板向X方向在加工头下方被移动时处理单个单元格互连结构22。对于每个单元格互连，板必须朝相同方向在加工头下方移动，以使刻痕和墨水施加的序列正确。因此在朝Y的每个板步进处，板必须被移回到X方向中同一开始点处。
图4显示如何能在上述加工头2的修改形式在板1上的单次经过中同时形成若干互连。通过使用框架23来实现这一点，框架23传递多个（在示出的示例中，五个）类型3的激光器光束，以形成多个类型6的刻痕，其中框架23的角度调节为使得激光器光束3之间在Y方向的距离精确地等于单元格宽度（或单元格间距的倍数）。
框架24携带多个类型4的激光器光束，以形成多个类型7的刻痕，而框架25携带多个类型5的激光器光束，以形成多个类型8的刻痕。框架26携带多个绝缘墨水配给喷嘴9，框架27携带多个墨水固化器件11，并且框架28携带多个导电墨水配给喷嘴12。
不同框架23、24、25的相对位置在Y方向是固定的，并且所述框架全部围绕垂直于板表面的轴线被转动，使得所有三个激光器槽6、7和8以及墨水流10和13对于每个互连都被正确定位。因此，在加工头横跨板经过之后，形成了多个（在本示例中，5个）完整的单元格互连。然后使基板向Y方向步进单元格宽度的所要求的倍数数目，以便形成其它互连。由于该头上的组成部分的设置，会看到仅能在相对于板的加工头的移动的一个方向上处理。
图5显示图1中示出的加工头的另一修改版本，所述修改版本能允许双向处理单个互连。此时如所示，需要附加的喷嘴和墨水固化器件。绝缘墨水配给喷嘴9、墨水固化器件11和导电墨水配给喷嘴12在加工头静止、并且板被向图顶部方向移动时起作用，而绝缘墨水配给喷嘴9'、墨水固化器件11'和导电墨水配给喷嘴12'仅在加工头静止、并且板被向图底部方向移动时起作用。这样的设置是复杂而低效率的，因为任何时候都仅有一半喷墨喷嘴和固化器件被使用。
图6显示根据本申请的设备的第一实施例的加工头。框架29现在携带间隔设置的三个激光器头3、4和5、两个喷墨喷嘴9和12以及墨水固化器件11，使得每个组成部分都针对单独的互连结构。
所述六个组成部分以要进行各种激光器和墨水填充（和固化）工艺的序列所给出的顺序以等于单元格的宽度的间距处在框架29上。板1向X方向移动，使得头2覆盖板的整个宽度，在向两个X方向之一的每次X经过之后，板1向Y方向（向图中右侧）步进一个单元格宽度。以这种方式，由头2上的每个组成部分顺序处理每个互连位置。在图中，当头向X方向横跨板移动时，激光器头3针对板的未被处理的区域，并穿透所有3层刻绘，以在互连30中形成槽6。同时激光器头4穿透顶部两层刻绘，以在互连31中形成槽7，互连31早已被激光器头3处理过。激光器头5穿过顶部层刻绘，以在互连32中形成槽8，互连32早已被激光器头3、4处理过。墨水配给喷嘴9将绝缘墨水沉积到槽6中（槽6早已被激光器头1在互连33上形成），墨水固化器件11固化由喷嘴9先前沉积的与互连34相关的绝缘墨水，以及最后，墨水配给喷嘴12将导电墨水沉积到互连35上，以在先前沉积的绝缘墨水上搭桥，并进入由激光器头4先前刻绘的槽7。
这样，在板向Y方向以一个单元格宽度步进六次之后，互连形成循环周期完成，并形成分离的单元格和其间的互连。
图7：在图6示出的设置中，由喷嘴9施加的绝缘墨水的固化不立即发生，而是等到板向Y方向做一个步进之后发生。该时间延迟可达一秒或更多秒，这对于可能要求迅速固化以防止或限制侧向散布的某些墨水来说太长了。图7显示在加工头上的组成部分的替换的设置，当需要在绝缘墨水被配给到槽6中之后立即固化被喷嘴9施加的该绝缘墨水时，使用所述替换的设置。
此时需要在所述头上邻近喷嘴9定位两个固化器件11和11'。当板向图顶部向Y方向移动时，固化器件11固化由喷嘴9铺设的绝缘墨水。当板向相反的Y方向移动时，固化器件11'固化由喷嘴9铺设的绝缘墨水。
图8类似于图7的设置，只是加工头上的框架的组成部分以不同的序列排序。所述头上的组成部分的许多序列都是可能的，因为仅有有限数目的对于所述互连形成过程而言重要的工艺排序条件：
1）刻绘槽6的激光器头3必须在绝缘墨水配给喷嘴9之前
2）绝缘墨水配给喷嘴9必须在导电墨水配给喷嘴12之前
3）刻绘槽7的激光器头4必须在导电墨水配给喷嘴12之前
当需要在沉积导电墨水之前固化绝缘墨水时，固化器件11还必须跟在绝缘墨水配给喷嘴9之后。
任何满足上述三个条件的所述头上的组成部分的序列都是可能的。在图8中示出的设置中，当板向Y方向步进时，每个互连见到如下工艺序列：
1）激光器头3刻绘穿透所有三层的槽6
2）绝缘墨水被墨水喷嘴9配给到槽6中，并被固化器件11或11'立即固化
3）激光器头4刻绘穿透顶部两层的槽7
4）导电墨水被墨水喷嘴12配给到绝缘墨水上，并进入槽7中
5）激光器头5刻绘穿透顶部层的槽8
图9：当墨水配给喷嘴较大且难于被设在单个单元格间距上时，如图9中示出的替换的设置是可能的，所述替换的设置中墨水配给喷嘴设在多个所述间距上。在所述设置中，激光器头3、4和5针对相邻的互连30、31和32，但喷嘴9、固化器件11和喷嘴12针对被两个单元格宽度分隔开的互连33、34和35。
其它组成部分间距也是可能的，只要组成部分之间的距离是单元格宽度的倍数。
图10：在某些情况下，可能便于借助衍射光学元件（DOE）来产生所述三个激光器光束3、4和5，所述衍射光学元件将单个入射光束划分为单个透镜的焦平面处的三个焦斑。此时，如图10所示，便于使所有三个光束处在单个互连上。此时，激光器光束3、4和5全部操作在互连30上，而绝缘墨水配给喷嘴9、墨水固化器件11和导电墨水配给器件12分别操作在分隔的互连32、33和34上。
图11：如图11所示，其它类似的设置是可能的，所述其它类似的设置中仅两个激光器光束操作在同一互连上，而第三个激光器光束操作在分隔的互连上。
图12显示用于相对于太阳能板移动如图6至图11中示出的加工头的一种可能设置。板1支撑在工艺卡盘16上，工艺卡盘16被由伺服马达18驱动的线性台17向Y方向移动，并被由伺服马达18'驱动的线性台17'向X方向移动。来自激光器19的光束被反射镜20、20'引导至加工头2处，并在该处被划分为三个组成部分，以产生三个刻痕6、7和8。加工头2还包含两个喷墨喷嘴和一个固化器件。所有六个组成部分都设置在沿Y方向的线21中，并在完成板向X方向在加工头下6次经过以及板向图右侧在Y方向的6个单元格宽度步进之后，完成形成单元格互连结构22的整个工艺。
图13显示用于控制图12中示出的设置的典型方法。支撑在工艺卡盘16上的板1被受伺服马达18、18'驱动的线性台17、17'在加工头下移动，伺服马达18、18'被主控制器单元36控制。激光器单元19和配给喷嘴控制单元37和38以及固化器件控制单元39也被主控制器单元36控制。

Claims (23)

1.一种用于将薄膜器件划分为由互连结构加以串联互连的单独的单元格的方法，所述薄膜器件具有为下电极层的第一层、为活性层的第二层和为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述单元格的划分和在相邻单元格之间的互连结构的形成由加工头实现，所述加工头设置为能同时在多于一个互连上操作，并在在所述器件上来回经过的序列中在每个互连结构的形成中进行以下步骤：
a）制造穿过所述第一层、第二层和第三层的第一切口；
b）制造穿过所述第二层和第三层的第二切口，所述第二切口邻近所述第一切口；
c）制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口邻近所述第二切口，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非传导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传导材料，以在所述第一切口中的所述非传导材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，
其中，除步骤a）先于步骤d）、步骤d）先于步骤e）、并且步骤b）先于步骤e）以外，可以以任何顺序实行所述步骤，并且在至少一次使所述加工头在所述器件上经过的期间，所述步骤中的至少两个步骤分别在单独的互连结构上被实行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述步骤的顺序是由用于在垂直于所述头的移动方向或与所述头的移动方向成一角度的方向上形成所述第一切口、第二切口和第三切口的所述加工头上的组成部分以及所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头在所述加工头上的相对位置来确定的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一切口、第二切口和第三切口中的一个或更多个切口是使用一个或更多个激光器光束形成的。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述第一切口、第二切口和第三切口中的一个或更多个切口是使用一个或更多个机械刻绘器形成的。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述加工头在横跨所述器件的两个方向上经过的序列中实行所述步骤。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中在沉积到各个切口中之后，实行一个或更多个固化步骤，以固化所述非传导材料和/或所述传导材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中一个或更多个所述固化步骤是在所述加工头在所述器件上经过时，由提供在所述加工头上的一个或更多个固化装置实行的。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中一个或更多个所述固化步骤是在所述经过的序列之后在单独的设备中实行的。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述薄膜器件是下述之一：太阳能板、照明板以及电池。
10.一种用于将薄膜器件划分为由互连结构加以串联互连的单独的单元格的设备，所述薄膜器件具有为下电极层的第一层、为活性层的第二层和为上电极层的第三层，所有所述层在所述器件上是连续的，所述单元格各具有宽度W，使得相邻的互连结构彼此间距W，所述设备包括加工头，在所述加工头上提供：
a）一个或更多个切割器单元，用于制造穿过所述第一层、第二层和第三层的第一切口、邻近所述第一切口的穿过所述第二层和第三层的第二切口、以及邻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的穿过所述第三层的第三切口；
b）第一喷墨印制头，用于将非传导材料沉积到所述第一切口中；以及
c）第二喷墨印制头，用于施加传导材料，以在所述第一切口中的所述非传导材料上搭桥，并且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一层和所述第三层之间制造电连接，所述一个或更多个切割器和所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头彼此间距W或W的倍数，所述加工头由此能同时在多于一个互连结构上操作，所述设备还包括：
d）驱动机构，用于相对于所述器件移动所述加工头；以及
e）控制机构，用于控制相对于所述器件的所述加工头的移动，并致动所述一个或更多个切割器单元和所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头，以便能在所述加工头在所述器件上来回经过的序列中将所述器件划分为单独的单元格，并形成所述互连结构。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或更多个切割器单元包括用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的单个脉冲激光器。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或更多个切割器单元包括用于形成所述第一切口、第二切口和/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所述的设备，包括：聚焦透镜，用于向所述器件传递第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束，在所述光束之间有角偏差，使得由所述第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束形成的在所述透镜的焦点处的焦斑在用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上具有所要求的空间分隔。
14.根据权利要求11或12所述的设备，包括：衍射光学元件，用于将来自脉冲激光器的激光器光束分裂，以形成用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束。
15.根据权利要求11或12所述的设备，包括：棱镜光学元件，用于将来自脉冲激光器的激光器光束分裂，以形成用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束。
16.根据权利要求11或12所述的设备，包括：衍射光学元件，用于将来自第一脉冲激光器的激光器光束分裂，以形成所述第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束中的任意两个激光器光束；以及用于提供余下的激光器光束的第二脉冲激光器，所述设备设置为使得来自所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器的光束组合，以在用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上形成三个空间分隔的激光器光斑。
17.根据权利要求11或12所述的设备，包括：双棱镜式的棱镜光学元件，用于将来自第一脉冲激光器的激光器光束分裂，以形成所述第一激光器光束、第二激光器光束和第三激光器光束中的任意两个激光器光束；以及用于提供余下的激光器光束的第二脉冲激光器，所述设备设置为使得来自所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器的光束组合，以在用于形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上形成三个空间分隔的激光器光斑。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的设备，其中所述加工头包括以距离W或W的倍数间隔开的一行六个组成部分，即所述三个切割器单元、所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头、以及固化器件。
19.根据权利要求10至17中任一项所述的设备，其中所述加工头包括以距离W或W的倍数间隔开的一行五个组成部分，即所述三个切割器单元以及所述第一喷墨印制头和第二喷墨印制头，并且所述加工头还包括与所述第一喷墨印制头或第二喷墨印制头相邻的第一固化器件和第二固化器件，其中一个固化器件用于在该头在所述器件上朝第一方向移动期间操作，另一个固化器件用于在该头在所述器件上朝相反方向移动期间操作。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述三个切割器器件彼此间隔W，并且所述第一喷墨印制头或第二喷墨印制头彼此间隔W的倍数。
21.根据权利要求14或15所述的设备，其中所述激光器光束中的两个或三个激光器光束定位为便于在同一互连结构上操作，并且所述第一喷墨印制头或第二喷墨印制头距离所述激光器光束的间距以及彼此间的间距均为W或W的倍数。
22.根据权利要求10至17中任一项所述的设备，其中所述驱动机构包括：双轴伺服马达，用于在两个正交方向上相对于所述器件来移动所述加工头。
23.根据权利要求10至18中任一项所述的设备，其中所述控制系统设置为在横跨所述器件的连续路径中在平行于所述第一切口和第二切口的长度的方向上使所述器件和加工头相对于彼此移动，并且在所述路径的末端向垂直于第一方向的方向步进距离W，W等于要在所述器件中形成的所述单元格的宽度。
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