CN103688358A - 用于将薄膜器件划分成单独的单元的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于将具有第一下电极层、第二活性层和第三上电极层的薄膜器件划分成串联地电气性互连单独的单元的方法，所有的所述层在所述器件的范围内连续，所述单独的单元，至少所述单元的划分跨越所述装置在加工头的单个行程中被执行，所述加工头在所述单个行程中至少执行以下步骤：a）制成穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层的第一切口；b）制造穿过所述第二层和所述第三层的第二切口，所述第二切口与所述第一切口相邻；c）制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口与所述第二切口相邻并且位于所述第二切口到所述第一切口的对侧上；其中，所述第一切口和第二切口中的至少一个在所述加工头跨越所述装置的单个行程期间通过顺序地使用两个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述层的至少一个的切口并且所述第二激光束形成穿过所述层的至少一个其它层的切口。

Description

用于将薄膜器件划分成单独的单元的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于将具有第一层、第二层和第三层的薄膜器件划分成单独的单元的方法以及用于执行所述方法的装置，所述第一层为下电极层，所述第二层为活性层，所述第三层为上电极层，所有的所述层在所述器件的范围内连续，所述单独的单元串联地电气性互连。
背景技术
用于制造薄膜光伏板的通常方法使用了激光束以穿过沉积在大的平的基层上的薄膜来刻划凹槽。光伏板由至少3个薄膜层组成：下电极层、光产生电的活性层以及上电极层。所述电极层的至少一个层是透明的，所以光能够到达所述活性层。为了增加所述板的输出电压，有必要将所述板划分成许多单独的单元，所述单元串联地电气性连接。在薄膜太阳能板中形成并互连单元的通常的方式牵涉顺序涂层和激光刻划工艺。为了实现所述结构，通常需要三个独立的涂层工艺和三个独立的激光工艺。通常在6个顺序的步骤中执行所述工艺，所述6个顺序的步骤由遵循每个涂层步骤的激光刻划步骤组成。在每个激光刻划步骤中，要求去除单个层。使用于所述3个单独的刻划步骤的激光束能够从涂层侧或（如果基层是透明的）非涂层侧来接触所述基层。
在一些情况下，所述多步工艺通过组合一些单独的涂层步骤来简化。例如，所述下电极层和活性层（或多个活性层）可被顺序地沉积并且然后所述两个层被刻划以形成穿过所述两个层的凹槽。所述凹槽通常填充了绝缘材料，接下来，互连过程通过穿过所述活性层的激光刻划、所述上电极层的沉积和所述上电极层的最终刻划来继续以使所述单元绝缘。因此，在这种情况下，存在穿过所述层的两个层刻划的要求。所述激光束能够从所述基层的涂层侧或（如果所述基层是透明的）从非涂层侧在所述基层上接触所述层。
WO2011/048352描述了“单步互连”工艺，其中所有的三个层在任何机构刻划发生之前被沉积。第一激光束穿过所有的三个层刻划以形成填充绝缘材料的凹槽。第二激光束穿过上部两个层刻划以留下所述下电极层，并且导电墨被应用以桥接绝缘体以将一个单元上的上电极层与相邻单元上的下电极层连接。第三激光束被使用以刻划所述上电极层以使所述单元绝缘。因此，在这种情况下，存在使所述激光刻划穿过多个层以形成单元互连的要求。WO2011/048352还描述了“单组合工艺”，其中，所有的切割步骤和喷墨工艺跨越所述基层在加工头的单个行程中被执行。并且如共同待审GB（还未得到号）中描述的，所使用的激光束能够从所述基层的涂层侧或（如果所述基层是透明的）从非涂层侧在所述基层上接触所述层。
本发明还试图提供所述工艺和用于执行所述工艺的装置的进一步改进。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将具有第一层、第二层和第三层的薄膜器件划分成单独的单元的方法，所述第一层为下电极层，所述第二层为活性层，所述第三层为上电极层，所有的所述层在所述器件的范围内连续，所述单独的单元将串联地电气性互连，至少所述单元的划分跨越所述装置在加工头的单个行程中被执行，所述加工头在所述单个行程中至少执行以下步骤：
a）制成穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层的第一切口；
b）制造穿过所述第二层和所述第三层的第二切口，所述第二切口与所述第一切口相邻；
c）制造穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口与所述第二切口相邻并且位于所述第二切口到所述第一切口的对侧上；
其中，所述第一切口和第二切口中的至少一个在所述加工头跨越所述装置的单个行程期间通过顺序地使用两个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述层的至少一个的切口并且所述第二激光束形成穿过所述层的至少一个其它层的切口。
根据本发明的第二方面，提供了用于将具有第一层、第二层和第三层的薄膜器件划分成单独的单元的装置，所述第一层为下电极层，所述第二层为活性层，所述第三层为上电极层，所有的所述层在所述器件的范围内连续，所述单独的单元将串联地电气性互连，所述装置包括加工头，所述加工头上设置有：
a）一个或多个的用于制成第一切口、第二切口和第三切口的切割单元，所述第一切口穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层，所述第二切口穿过所述第二层和所述第三层，所述第二切口与所述第一切口相邻，所述第三切口穿过所述第三层，所述第三切口与所述第二切口相邻并且位于所述第二切口到所述第一切口的对侧上；
b）用于相对于所述装置移动所述加工头的驱动装置；以及
c）控制装置，所述控制装置用于控制所述加工头相对于所述装置的运动并且驱动所述一个或多个切割单元，使得将所述器件划分成单独的单元能够跨越所述装置在所述加工头的单个行程中被执行，
一个或多个的切割单元包括第一激光源和第二激光源，所述第一激光源和所述第二激光源沿对应于所述加工头在所述行程期间的运动的方向的方向相互间隔固定距离，所述控制装置被布置为控制所述第一激光源和所述第二激光源，使得所述第一切口和所述第二切口中的至少一个在所述加工头跨越所述装置的单个行程期间通过顺序地使用两个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述层的至少一个的切口并且所述第二激光束形成穿过所述层的至少一个其它层的切口。
在上述的薄膜太阳能板制造情况下，单个激光束被使用以制成每个刻划，不管一层或多层被穿透。单个激光束通常在穿过单个层刻划方面非常有效，但是可能不是制成穿过多于一层的刻划的最有效的方式。
因此，在此描述的本发明的关键点是，多于一个的激光束被使用以制成单个刻划，其中多于一个层被穿透。使用于每个刻划的激光束通常在以下特征中的一个或多个特征方面不同：波长、脉冲长度、脉冲重复频率、光斑尺寸和能量密度；并且使用于每个刻划的激光束可从所述基层的涂层侧或非涂层侧在所述基层上接触所述层。替代性地，被用来产生单个刻划的激光束能够采用相同类型并且可甚至起源于相同的激光源。所述激光束在空间上沿刻划方向被分隔，使得所述第一激光束与基层表面上的材料相互作用的时间稍早于所述第二激光束。为了确保被用来产生单个刻划的单独的激光束被相互正确地对准，所述激光束被安装在相同的加工头上或被按照在被锁定到一起的相对的加工头上（因此，所述加工头一体地移动）。
优选地，顺序的激光束被对准使得由所述激光束形成的凹槽的中心线重合或至少大体上重合，所以由两个或多个激光形成的切口的横截面关于其中心线对称。所述第二激光束采用与所述第一激光束相同的宽度或采用比所述第一激光束窄的宽度。在后者的情况下，因为所述两个光束的中心线是重合的，所述切口的底部将具有位于其每一侧上的凸缘。
因此，在此所述的本发明提供了选择用以穿过单独的层的每一个切割的激光束的特征的能力。尤其是当所述层由不同的材料制成时，所要求的特征可针对各自的层而不同，所以所述特征能够被选择以便优化用于具体材料的切割工艺和/或优化制造工艺的其它特性。
在一些情况下，不同的激光束可起源于不同类型的激光源（例如，如果要求不同的波长），但是在其它的情况下，不同的激光束可起源于相同类型的激光源或相同的激光源。在后者的情况下，所述激光束可例如被分开并且每个部分的特征按照要求被调整。
优选的布置包含：
所述第一激光束和所述第二激光束来源于不同的激光源，
所述第一激光束和所述第二激光束在波长和脉冲长度方面相同，
所述第一激光束和所述第二激光束来源于相同的激光源。
本发明尤其适合于上述用于在薄膜太阳能板上形成并连接单元的“一步互连”工艺，所述工艺穿过需要制成的不同材料的两层或三层来刻划。本发明还适合于其它的多层薄膜器件（例如，电池、基于有机或无机的发光材料的照明板、致动器等）的互连。
例如上文和下文的术语即本文所使用的上侧和下侧应被理解为指的是平面装置的对侧的相对位置（就好像通过设置在所述装置的上侧上的层来定向）并且不受所述装置在空间中的定向的限制。实际上，所述装置可以处于任何定向并且相对于重力水平和竖直的示例被给出。
在接下来的本发明的详细描述中，被使用以形成穿过各个层的切口的切割单元都基于激光，来自所述激光的光束被聚焦以切除并去除材料以形成绝缘切口。然而，不是所有的切口都需要由激光来制成（除了从所述装置的上侧形成的那些切口或由两个或多个激光的连续使用形成的那些切口以外）。切割的其它方法可被使用；一种用于形成切口的替代性的方法是通过细线和蚀刻针的机械刻划。
说明书和权利要求涉及第一激光束、第二激光束、第三激光束等。应注意，在一些情况下，涉及的所述“第二激光束”是与第一激光束连续使用以形成单个凹槽（或切口）的第二激光，并且在其它情况下，涉及的所述“第二激光束”是被用于形成与由第一激光束形成的第一凹槽（或切口）隔开的第二凹槽或切口的第二激光束。然而，有关含义应从术语使用的上下文中清晰可见。相同的含义应用于术语“第三激光束”等的使用。
本发明的其它优选的且可选的特征将从下文的描述并从说明书的从属权利要求中清晰可见。
附图说明
现在将参考附图仅以示例性的方式来描述本发明，在附图中：
图1示出了太阳能板的已知形式的部分，所述太阳能板被划分成单独的单元，所述单元利用三个激光涂层工艺和三个激光刻划工艺被串联地电气性连接。所述基层1具有三个层：下电极层2、活性层3和上电极层4。激光刻划5、6和7允许待形成的相邻单元之间的电气连接和绝缘（如上文参考的现有技术中描述的）。
图2A-2F示出了太阳能板位于两个相邻单元之间的分界的附近的区域可如何根据已知的工艺技术来制造。图2A-2F示出了用于形成并连接所述单元的各个顺序涂层和激光刻划阶段。在图2A中，所述下电极层2已被应用到所述基层1上。图2B示出了第一激光束8如何被使用以穿过所述下电极层2到所述基层1刻划线5以限定单元分界。所述激光束8被示出从涂层侧接触所述基层1，但是在所述基层是透明的情况下，所述光束能够从下方穿过所述基层1被指向。在图2C中，所述活性层3已被应用到所述基层1上，从而填充第一机构刻划线5。图2D示出了第二激光束9如何被使用以在不破坏所述下电极层2的情况下穿过所述活性层3平行于所述第一线5来刻划线6。在所述基层1是透明情况下，第二光束9＇能够如虚线示出的箭头所示穿过所述基层1被指向。在图2E中，上电极层4已被应用到基层上，从而填充第二激光刻划线6。图2F示出了最终状态，其中，第三激光束10被使用以完全穿透所上电极层4地平行于所述第二线6来刻划线7。所述刻划能够部分地或完全地穿透所述活性层3。在所述基层1是透明的情况下，第三激光束10＇可如虚线示出的箭头所示穿过所述基层被指向。
图3示出了在单元互连进行之前所述下电极层和所述活性层都被应用的情况下的已知的工艺的示例。图3A示出了具有应用的两个涂层2和3的基层1。图3B示出了第一激光束11或11＇如何被使用以穿透所述两个层2和3直到所述基层来刻划线12。图3C示出了绝缘流体13如何被应用到第一激光切口12中。一种用于进行所述应用的方法是使用喷墨喷嘴。流体13随后被固化以形成固体。图3D示出了第二激光束14或14＇然后如何被使用以刻划线15，所述线15仅穿透了所述两个层的上层3。图3E示出了上电极层4如何被应用，从而填充所述第二激光刻划线15。图3F示出了最终状态，其中，第三激光束16或16＇被使用以穿过所述上电极层4来刻划线17。所述刻划能够部分地或完全地穿透所述活性层3。
图4示出了使用上文参考的“单步互连”工艺的工艺的示例并且示出了所有的三个层（所述下电极层、所述活性层和所述上电极层）在单元互连进行之前被应用的情况的示例。附图示出了由WO2011/048352中描述的装置来传输到基层表面的激光工艺和喷墨工艺的顺序。图4A示出了基层1，由下电极层2、活性层3和上电极层4组成的堆叠的层18已沉积在所述基层1上。所述层随后在没有任何中间的激光工艺的情况下被应用。图4B示出了然后被执行的三个激光工艺中的第一激光工艺。第一激光束19或19＇被使用以穿过所有的三个层直到所述基层1来刻划线20。在所述第一激光工艺被完成之后，绝缘材料立即通过喷墨印刷被应用到所述第一激光刻划线中。图4C示出了绝缘流体13如何利用第一喷墨喷嘴（未示出）被应用到所述第一激光刻划线20中。所述流体13立即被紫外光固化（或在后来的阶段被热固化）以形成固体。图4D示出了下一步骤，其中，第二激光束21或21＇被使用以穿过所述上部两个层直到所述下电极层2平行于所述第一刻划线20来刻划线22。图4E示出了下一步骤，其中，为导电的或含有导电粒子的流体23利用第二喷墨喷嘴（未示出）在所述绝缘流体13之上被应用到第一刻划线20中并且还被应用到第二激光刻划线22中。所述流体23在所述绝缘流体13之上形成了电桥以将互连的左侧上的上电极层4连接到互连的右侧上的下电极层2上以串联地连接相邻单元。图4F示出了所述互连工艺的最后的步骤，其中，第三激光束24或24＇被使用以平行于所述第二刻划线22并在所述第二刻划线22远离所述第一刻划线20的侧上穿过所述上层来刻划线25。所述刻划还能够部分地或完全地穿透到所述活性层3中，但是不允许破坏所述下电极层2。
如WO2011/048352中描述的，随着加工头跨越所述基层表面移动，所有的三个邻近的激光刻划20、21、24都同时被执行。
图5示出了用于执行激光刻划方法的已知的装置，如图1-3所示（每个刻划线由单个激光束形成并且每次仅刻划单类型的线），所述装置被用来在薄膜太阳能板中穿过层来刻划凹槽。图5示出了典型的加工头布置。太阳能板26沿其沿方向Y的长度具有多个单元。这意味着互连通过所述加工头相对于所述板沿方向X的相对运动来形成。包含相邻单元在其中被连接的区域的板的区域27在图的右侧上被放大示出并且所述区域27示出了具有与其有关的激光束29的移动的加工头28的部分，随着所述头跨越所述基层移动，所述激光束29被用来在所述基层上穿过一个或多个层来刻划线30。取代了沿所述方向X（如图所示）在固定的基层表面上移动所述加工头，相同的结构能够通过保持所述加工头28固定并且沿相对的X方向移动所述板来实现。所述加工头和所述基层的相对运动能够沿任一X方向。
图6示出了图5中示出的装置可根据本发明的一个实施例如何被改进，在所述情况下，所述基层具有被沉积在其上的两个或多个层并且所述装置使用两个单独的激光束，所述激光束被顺序地应用到所述基层上以在所述加工头的单个行程中穿过所述两个或多个层来形成单个刻划线。太阳能板26沿其沿方向Y的长度具有多个单元。这意味着互连通过所述加工头相对于所述板沿方向X的相对运动来形成。包含相邻单元在其中被连接的区域的板的区域27在图的右侧上被放大示出。所述区域27示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得两个单独的激光束29和32顺序地被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过两个或多个层来刻划线。第一激光束29穿过上层刻划以形成刻划31，并且紧接着，第二激光束32穿过下层刻划以使所述刻划33完成要求的深度。所述第一激光束和所述第二激光束通常在波长、脉冲长度、能量密度或光斑尺寸中的一个或多个方面不同，但是在一些情况下，所述激光束可以类似或甚至相同。
图7示出了上文所述的两个顺序的激光工艺步骤，在所述情况下，所述基层具有两个被沉积在表面上的层并且图6中示出的类型的双激光束加工头跨越所述基层移动。图7A示出了初始基层1，所述初始基层1具有在任何激光工艺被执行之前被应用的下电极层2和活性层3。图7B示出了第一激光步骤，凭借所述步骤，从上侧应用的第一激光束29在不破坏所述下电极层2的情况下穿过上部活性层3来刻划以形成凹槽31。图7B还示出了替代性的第一激光步骤，如果所述基层和所述下电极层是透明的，所述替代性的第一激光步骤能够被使用。在这种情况下，第一激光束29＇穿过透明的基层1被传输以去除上部活性层3以产生所述凹槽31。图7C示出了第二激光步骤，凭借所述第二激光步骤，第二激光束32或32＇去除所述下电极层以产生凹槽33。在所述第二激光步骤中产生的穿过所述下电极层的凹槽33的宽度可以与由所述第一步骤产生的凹槽31的宽度相同或替代性地如图示地较窄。
图8示出了上述的两个顺序的激光工艺步骤，在所述情况下，所述基层具有三个被沉积在表面上的层并且图6中示出的类型的双激光束加工头跨越所述基层移动。图8A示出了初始基层1，所述初始基层1具有在任何激光工艺之前都被应用的下电极层2、活性层3和上电极层4。图8B示出了第一激光步骤，凭借所述第一激光步骤，从上侧应用的第一激光束29在不破坏所述下电极层2的情况下穿过上电极层4和活性层3来刻划以形成凹槽34。图8B还示出了替代性的第一激光步骤，如果所述基层和所述下电极层是透明的，所述替代性的第一激光步骤能够被使用。在这种情况下，第一激光束29＇穿过透明的基层被传输以去除上电极层4和活性层3以产生所述凹槽34。图8C示出了第二激光步骤，凭借所述第二激光步骤，第二激光束32或32＇去除所述下电极层以产生凹槽35。在所述第二激光步骤中产生的穿过所述下电极层的凹槽35的宽度可以与由所述第一步骤产生的凹槽34的宽度相同或替代性地如图示地较窄。
图9介绍了根据本发明的进一步的实施例的三个顺序的激光工艺的使用，在所述情况下，所述基层具有至少三个被沉积在其上的层，并且所述激光工艺使用三个单独的激光束，所述激光束被顺序地应用到所述基层上以在所述加工头的单个行程中穿过所有的层来形成单个刻划线。太阳能板26沿其沿方向Y的长度具有多个单元。包含相邻单元在其中被连接的区域的板的区域27在图的右侧上被放大示出。所述区域27示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得三个激光束29、32和36顺序地被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过所有的层来刻划单个线。第一激光束29至少穿过上电极层4刻划以形成刻划37。紧接着，第二激光束32至少穿过活性层3刻划以形成刻划38。最后，第三激光束36去除所述下电极层以使刻划39完成要求的深度。所述三个刻划的宽度能够相同或不同。所述第一激光束、所述第二激光束和所述第三激光束通常在波长、脉冲长度、能量密度或光斑尺寸中的一个或多个方面不同，但是在一些情况下，所述激光束中的两个或甚至三个可以类似或甚至相同。
图10示出了上述的三个顺序的激光工艺步骤，在所述情况下，所述基层具有三个被沉积在表面上的层并且图9中示出的类型的三重激光束加工头跨越所述基层移动。图10A示出了初始基层1，所述初始基层1具有在任何激光工艺之前都被应用的下电极层2、活性层3和上电极层4。图10B示出了第一激光步骤，凭借所述第一激光步骤，从上侧应用的第一激光束29穿过所述上电极层4来刻划以形成凹槽37。图10B还示出了替代性的第一激光步骤，如果所述基层和所述下电极层是透明的，所述替代性的第一激光步骤能够被使用。在这种情况下，第一激光束29＇穿过透明的基层被传输以去除所述上电极层4以产生所述凹槽37。图10C示出了第二激光步骤，凭借所述第二激光步骤，第二激光束32或32＇去除所述活性层以产生凹槽38。在所述第二激光步骤中穿过所述活性层的凹槽38的宽度可以与由所述第一步骤产生的凹槽34的宽度相同或替代性地如图示地较窄。图10D示出了第三激光步骤，凭借所述第三激光步骤，第三激光束36或36＇去除所述下电极层以产生凹槽39。在所述第三激光步骤中产生的穿过所述下电极层的凹槽39的宽度可以与由所述第一步骤和第二步骤产生的凹槽37或38的宽度相同或替代性地如图示地较窄。
图11示出了如WO2011/048352中描述的已知的形式的加工头，所述加工头被使用以在薄膜太阳能板中穿过所述层来刻划凹槽（用于所述刻划的步骤在图4中示出）。附图示出了如WO2011/048352中描述的用于形成按照图4中示出的工艺所需要的三个刻划的加工头，其中，所有的三个刻划在所述加工头跨越所述基层的单个行程期间形成。太阳能板26沿其沿方向Y的长度具有多个单元。包含相邻单元在其中被连接的区域的板的区域27在图的右侧上被放大示出。所述区域27示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得三个激光束29、40和41平行于所述基层被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过所述层的所有层或一些层来刻划三个平行的凹槽。第一激光束29穿过所有的三个层刻划以形成刻划42。第二激光束40穿过上部两个层刻划以形成刻划43。第三激光束41至少穿过上层刻划以形成刻划44。所使用的三个激光束能够采用相似类型或不同类型并且所形成的三个平行刻划的宽度能够为相同的或不同的。应注意，所述三个激光束不必如附图中（所有的三个刻划同时发生）示出地对准。光束能够被放置为使得刻划能够以任何顺序进行。各种附加的喷墨工艺被需要以完成图4中示出的单元互连，但是所述单元互连在图11中没有示出。
图12示出了针对基层具有三个被沉积在表面上的层并且图11中示出的类型的三重激光束加工头跨越所述基层移动的情况的使用三个激光工艺步骤的已知的工艺。图12A示出了初始基层1，所述初始基层1具有在任何激光工艺之前都被应用的下电极层2、活性层3和上电极层4。图12B示出了被平行执行的三个激光工艺（即，在所述加工头跨越所述基层的单个行程期间）。第一激光束29或29＇通过去除所有的三个层来产生凹槽42。第二激光束40或40＇通过去除所述上电极层和所述活性层（留出所述下电极层）来产生凹槽43。第三激光束41或41＇通过去除所述上电极层并且另外部分地或完全地去除所述活性层3来产生凹槽44。应注意，所述三个激光刻划不必同时被执行并且能够通过光束在所述加工头上的位置的适当的布置以任何需要的顺序被执行。各种附加的喷墨工艺被需要以完成图4中示出的单元互连，但是所述单元互连在图12中没有示出。
图13示出了本发明应用到WO2011/048352中描述的并在图4、11和12中示出“一步互连”工艺的实施例。图13示出了使用的布置，其中，针对图12中示出的工艺所需要的所有的三个刻划在所述加工头跨越所述基层的单个行程期间进行。太阳能板26沿其沿方向Y的长度具有多个单元。包含相邻单元在其中被连接的区域的板的区域27在图的右侧上被放大示出。所述区域27示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得三个激光束29、40和41被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过所述层的一层或两层来刻划三个平行的凹槽。在附图中，所述第一激光束、第二激光束和第三激光束被布置为使得所述三个刻划同时发生。这不是工艺的需要并且所述刻划能够在所述加工头在所述基层上的行程期间在不同时间和以任何顺序来发生，只要在所述头的单个行程期间完成所有的刻划。在第一优选的实施例中，第一激光束29形成第一刻划45、第二激光束40形成第二刻划43并且第三激光束形成第三刻划44，所有的所述刻划在上两层的材料被去除而保持所述下电极层完整方面类似。在这种情况下，所述第一激光束、所述第二激光束和所述第三激光束（实际上，便利地）能够在波长、脉冲长度、光斑尺寸和能量密度方面具有类似或甚至相同的性能。对于成功的单元互连，仅要求激光束41去除上层并且所述活性层的部分的或甚至完全的穿透对所述单元互连没有有害作用，所以在本发明的另一实施例中，第一激光束29和第二激光束40都去除所述上部两层而第三激光束41仅去除上电极层或上层和所述活性层的一部分。在所述第一激光束、第二激光束和第三激光束已在所述基层上穿过之后，所述第二刻划43和第三刻划44被完成但是所述第一刻划45没有完成，因为所述下电极层的完全去除被要求以允许最后的单元成形和互连。因此，第四激光束32在所述第一激光束29穿过并去除所述下电极层之后被指向所述刻划45以使所述刻划42完成所需的深度。所述第一刻划、第二刻划和第三刻划的宽度能够是相同的或不同的。由所述第四激光束32产生的刻划的宽度与由所述第一激光束产生的刻划的宽度相同或小于由所述第一激光束产生的刻划的宽度。
图14示出了针对基层具有三个被沉积在表面上的层并且图13中示出的类型的四重激光束加工头跨越所述基层移动的情况的四个激光工艺步骤。图14A示出了初始基层1，所述初始基层1具有在任何激光工艺之前都被应用的下电极层2、活性层3和上电极层4。图14B示出了由第一激光束、第二激光束和第三激光束执行的激光工艺。第一激光束29或29＇产生凹槽45并且第二激光束40或40＇通过去除所述上电极层和所述活性层而留出所述下电极层来产生凹槽43。第三激光束41或41＇通过去除所述上电极层而部分地或完全地去除所述活性层3的附加的可能性地产生凹槽44。图14C示出了由第四激光束执行的激光工艺，所述第四激光束被指向所述凹槽45，所述凹槽45通过第一激光束29在所述第一激光束与所述基层的相互作用之后的时间形成。第四激光束32或32＇通过去除所述下电极层2的材料来形成刻划42。由所述第四激光束形成的刻划42的宽度能够与由所述第一激光束产生的刻划45的宽度相同或替代性地如图示地较窄。
针对基于玻璃基层（具有钼（Molybdenum，Mo）的下电极层、镉铟镓硒（Cadmium Indium Gallium diSelenide，CIGS）的活性层和掺杂氧化锌的上电极层）的太阳能板的、非常有效地用于执行图13和14中示出的四个激光工艺步骤的一组激光参数被发现并且作为示例被给出。对于1064纳米并且所述基层和所述激光束之间的相对速度为500毫米/秒的四个激光束操作，刻划45、43和44由三个相同的光束29、40、41产生，所述三个相同的光束29、40、41各自以基层上的50微米直径的光斑尺寸、3毫微秒的脉冲长度、12.5千赫的重复频率以及125毫瓦的功率来操作，而所述刻划42在使用了30微米的光斑尺寸、10毫微秒的脉冲长度、20千赫的重复频率以及800毫瓦的功率的刻划29之后立即被产生。这是特定的示例并且所述参数的每一个都可例如在+/-10-20%的范围内变化，并且激光参数的其它组合还能够被使用以根据情况来执行工艺。
各种附加的喷墨工艺被需要以完成图4中示出的单元互连，但是所述单元互连没有在所述附图中示出。
图15示出了本发明应用到三层结构的“一步互连”的实施例，其中，多于四个的激光束被使用以在所述加工头跨越所述基层的单个行程期间制成三个要求的刻划。附图示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得可能具有相同性能的三个激光束29、40和41被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过所述上电极层来刻划平行的第一、第二和第三凹槽。在所述第一激光束、第二激光束和第三激光束已在所述基层之上穿过时，仅所述第三刻划被完成，所以所述第三激光束32和第四激光束47于是分别被指向所述第一刻划和第二刻划以去除所述活性层（保留所述下电极层）。第四激光束和第五激光束可能在波长、脉冲长度、能量密度和光斑尺寸方面相互类似，但是可能与所述第一激光束和第二激光束不同。替代性地，所述第四激光束和第五激光束可分别与所述第一激光束和第二激光束类似。在所述第四激光束和第五激光束已在所述基层上穿过之后，所述第二刻划被完成但是所述第一刻划仍未完成。因此，可能与所述第一激光束29和所述第四激光束32都不同但是可与所述第一激光束29和所述第四激光束32中的一个或两个类似的第六激光束46被指向所述第一刻划以去除所述下电极层以完成所述刻划。
因此，当三个激光束在单个行程中被顺序地使用以在基层上穿过不同材料的三个层形成单个凹槽时，第一光束去除第一层、第二光束去除第二层并且第三光束去除第三层。并且，优选地，所有的三个层是不同的。
图16示出了本发明应用于加工头的另一实施例，所述加工头被布置为能够在所述基层上沿所述加工头的运动的两个方向执行“一步互连”工艺。附图示出了移动的加工头28的部分，所述加工头28被布置为随着所述头跨越所述基层移动，使得三个激光束29、40和41被传输到所述基层上，以便在所述基层上穿过所述层的一层或两层来刻划三个平行的凹槽48、48＇和48＇＇。在第一优选的实施例中，第一激光束29形成第一刻划、第二激光束40形成第二刻划并且第三激光束形成第三刻划，所有的所述刻划在上两层的材料被去除而保持所述下电极层完整方面类似。在这种情况下，所述第一激光束、所述第二激光束和所述第三激光束（实际上，便利地）在波长、脉冲长度、光斑尺寸和能量密度方面具有类似或甚至相同的性能。在所述第一激光束、第二激光束和第三激光束已在所述基层上穿过之后，所述第二刻划和第三刻划被完成但是所述第一刻划未完成，因为所述下电极层的完全去除被要求以允许最后的单元成形和互连。因此，可与所述第一激光束29不同或类似的第四激光束32在所述第一激光束29去除所述下电极层之后被指向所述第一刻划以使所述刻划完成所需的深度。当所述头和所述基层的相对运动沿相对的X反向时，与所述第四激光束相同并在所述第一激光束的对侧上被布置在连接第一激光束和第四激光束的线48上的第五激光束49被启动。
图17示出了被要求以允许沿上述头的运动的两个方向完成“一步互连”的加工头的一些附加组件。用于在第一刻划、第二刻划和第三刻划中去除所述上部两层的所述第一激光束29、第二激光束40和第三激光束41以及第四激光束32和第五激光束49被示出以沿所述头在所述基层上的行的任一X方向完成所述第一刻划（如关于图16所描述的）。另外，用于将绝缘墨沉积到所述第一刻划中的第一喷墨头50和第二喷墨头50＇和用于将导电墨沉积在填充的第一刻划上和所述第二刻划中的第三喷墨头51和第四喷墨头51＇被示出。
如上所述（并且如附图中的虚线所示），当激光束从下方朝所述基层指向时，来自正形成的切口的材料从所述装置的上侧喷射。因此，需要提供提取装置（未示出）以收集所述碎片，因此，所述碎片不会回落到所述装置的表面上。例如，吸嘴可被设置在位于所述装置的上方的加工头上。
如上所述，所述加工头相对于所述装置移动以便沿所述X方向穿过所述装置并从一个互连到待形成的下一个互连沿所述Y方向步进。所述基层和所述加工头之间的相对运动能够以许多方式被产生，例如，所述基层可以是固定的基层并且所述加工头沿两个轴线移动，所述加工头可以使固定的并且所述基层沿两个轴线移动，或所述加工头沿一个轴线移动并且所述基层沿正交轴线移动。

Claims (28)

1.一种用于将具有第一层、第二层和第三层的薄膜器件划分成串联地电气性互连的单独的单元的方法，所述第一层为下电极层，所述第二层为活性层，所述第三层为上电极层，所有的所述层在所述器件的范围内连续，至少所述单元的划分通过加工头跨越所述器件的单个行程被执行，所述加工头在所述单个行程中至少执行以下步骤：
a）制作穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层的第一切口；
b）制作穿过所述第二层和所述第三层的第二切口，所述第二切口与所述第一切口相邻；
c）制作穿过所述第三层的第三切口，所述第三切口与所述第二切口相邻并且相对于所述第一切口位于所述第二切口的相反侧；
其中，所述第一切口和所述第二切口中的至少一个切口通过在所述加工头跨越所述器件的单个行程期间顺序地使用两个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述层中的至少一个的切口并且所述第二激光束形成穿过所述层中的至少另一个的切口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，相邻单元之间的电气连接也在所述单个行程期间被执行，所述加工头还在所述单个行程中执行以下步骤：
d）使用第一喷墨印刷头以将不导电材料沉积到所述第一切口中；以及
e）使用第二喷墨印刷头以应用导电材料来桥接所述第一切口中的不导电材料并且完全地或部分地填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间形成电气连接，
步骤（a）在步骤（d）之前，步骤（d）在步骤（e）之前，并且步骤（b）在步骤（e）之前，或者说所述各步骤可以通过所述加工头跨越所述器件的单个行程以任何顺序被执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤在所述单个行程中执行的顺序由所述第一喷墨印刷头和所述第二喷墨印刷头和/或用于形成所述第一切口、所述第二切口和所述第三切口的部件在所述加工头上的相对位置来确定。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，单个加工头被设置在所述器件的上方并且所述两个激光束从所述单个加工头提供并沿所述加工头在所述行程期间的运动的方向相互间隔开固定距离。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述加工头包括所述器件上方的第一部分和所述器件下方的第二部分，所述第一激光束从所述第一部分提供并且所述第二激光束从所述第二部分提供，所述第一部分和所述第二部分被布置为相对于所述器件一体地移动，并且所述第一激光束和所述第二激光束沿所述加工头在所述行程期间的运动的方向相互间隔开固定距离。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第一激光束形成穿过所述第二层和所述第三层的切口，并且所述第二激光束接着形成穿过所述第一层的切口。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第一激光束和第二激光束通过一个或多个以下特征而相互不同：波长、脉冲长度、脉冲重复频率、光斑尺寸和能量密度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束来源于不同的激光源。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束来源于相同的激光源。
10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束具有相同的波长和脉冲重复频率。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述第一切口通过在所述加工头跨越所述器件的单个行程期间连续地使用三个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述第三层的切口，所述第二激光束形成穿过所述第二层的切口并且所述第三激光束形成穿过所述第一层的切口。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束、第二激光束和第三激光束的一个或多个特征都相互不同。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，所述加工头能够沿跨越所述薄膜器件的任一方向或两个方向在单个行程中执行所有的所述步骤。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中，所述薄膜器件为太阳能板、照明板和电池中的一种。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，所述薄膜器件在两个阶段中制造，在第一阶段中，所述器件包括所述第一层和所述第二层，并且所述第一切口的一部分通过所述第一激光束穿过所述第二层并通过所述第二激光束穿过所述第一层来制成，并且在第二阶段，所述第三层被沉积并且穿过所述第三层形成切口以完成所述第一切口。
16.一种用于将具有第一层、第二层和第三层的薄膜器件划分成串联地电气性互连的单独的单元的设备，所述第一层为下电极层，所述第二层为活性层，所述第三层为上电极层，所有的所述层在所述器件的范围内连续，所述设备包括加工头，所述加工头上设置有：
a）一个或更多个切割单元，所述切割单元用于制作第一切口、第二切口和第三切口，所述第一切口穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层，所述第二切口穿过所述第二层和所述第三层，所述第二切口与所述第一切口相邻，所述第三切口穿过所述第三层，所述第三切口与所述第二切口相邻并且相对于所述第一切口位于所述第二切口的相反侧；
b）驱动装置，所述驱动装置用于使所述加工头相对于所述器件移动；以及
c）控制装置，所述控制装置用于控制所述加工头相对于所述器件的运动并且驱动所述一个或更多个切割单元，使得将所述器件划分成单独的单元能够在所述加工头的单个行程中跨越所述器件执行，
一个或更多个的切割单元包括第一激光源和第二激光源，所述第一激光源和所述第二激光源沿着与所述加工头在所述行程期间的运动的方向对应的方向相互间隔开固定距离，所述控制装置被布置为控制所述第一激光源和所述第二激光源，使得所述第一切口和所述第二切口中的至少一个切口在所述加工头跨越所述器件的单个行程期间通过顺序地使用两个激光束来形成，所述第一激光束形成穿过所述层中的至少一个的切口并且所述第二激光束形成穿过所述层中的至少另一个的切口。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述加工头还设置有：
d）第一喷墨印刷头，所述第一喷墨印刷头用于将不导电材料沉积到所述第一切口中；以及
h）第二喷墨印刷头，所述第二喷墨印刷头用于应用导电材料来桥接所述第一切口中的不导电材料并且完全地或部分地填充所述第二切口，使得在所述第一层和所述第三层之间形成电气连接。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，一个或多个切割单元和/或所述第一喷墨印刷头和所述第二喷墨印刷头在所述加工头上的相对位置确定了所述步骤在所述单个行程中执行的顺序。
19.根据权利要求16、17或18所述的设备，其中，单个加工头设置有设置在所述加工头上的第一激光源和第二激光源，并且所述第一激光源和所述第二激光源沿所述加工头在所述行程期间的运动的方向相互间隔开固定距离。
20.根据权利要求16、17或18所述的设备，其中，所述加工头包括放置在所述器件上方的第一部分和放置在所述器件下方的第二部分，所述第一激光源被设置在所述第一部分上并且所述第二激光源被设置在所述第二部分上，所述第一部分和所述第二部分被布置为相对于所述器件一体地移动并且所述第一激光源和所述第二激光源沿所述加工头在所述行程期间的运动的方向相互间隔开固定距离。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的设备，其中，所述第一激光源和第二激光源通过一个或多个以下特征而相互不同：波长、脉冲长度、脉冲重复频率、光斑尺寸和能量密度。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述第一激光源和所述第二激光源包括单独的激光。
23.根据权利要求21所述的设备，其中，所述第一激光源和所述第二激光源来源于相同的激光。
24.根据权利要求21、22或23所述的设备，其中，所述第一激光源和所述第二激光源具有相同的波长和脉冲重复频率。
25.根据权利要求16-24中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个切割单元包括三个激光源，所述三个激光源能够在所述加工头跨越所述器件的单个行程期间被顺序地使用以形成所述第一切口，所述第一激光源用于形成穿过所述第三层的切口，所述第二激光源用于形成穿过所述第二层的切口并且所述第三激光源用于形成穿过所述第一层的切口。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述第一激光源、第二激光源和第三激光源的一个或多个特征与其它的激光源不同。
27.根据权利要求16-26中任一项所述的设备，其中，所述加工头被布置为能够沿跨越所述薄膜器件的任一方向或两个方向在单个行程中执行所有的所述步骤。
28.根据权利要求16-27中任一项所述的设备，其中，所述控制系统被布置为使得所述器件和所述加工头沿第一方向通过连续路径跨越所述器件地相对于彼此移动，所述第一方向与所述第一切口和所述第二切口的长度平行，并且在所述路径的末端处沿垂直于所述第一方向的方向步进预定距离，所述预定距离等于将形成在所述器件中的所述单元的宽度或等于所述宽度的整数倍。
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