DE102004016313A1 - Method and equipment for manufacturing individual solar cells from flexible metal band, previously coated with solar cell layer, with edge regions separated in band longitudinal direction by slitting and cut positions of band by double slit - Google Patents

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Abstract

Manufacturing system for individual solar cells from flexible metal bands, previously coated with solar cell layer, slits band edge regions in longitudinal direction and band cutting positions by double slit prior to band dividing into individual cells. Cell dividing is carried out mechanically, or by laser, between double slit. Preferably slitting is carried out by laser beam. After longitudinal slitting, first quality of solar coating is tested and only then cross slitting is carried out.

Description

In jüngster Zeit werden vermehrt Anstrengungen gemacht, die Herstellungskosten von Dünnschicht-Solarzellen zu reduzieren, indem durchlaufende Bandverfahren („roll-to-roll-process") Einsatz finden. Besondere Beachtung verdient der Vorschlag, eine Chalcopyrit-Halbleiterschicht auf einem flexiblen Band aus Metall abzuscheiden. Hierbei wird auf das elektrisch leitfähige Substrat-Band zunächst der sogenannte precursor, d.h. die Elemente Kupfer, Indium, Selen und/oder Schwefel bzw. deren Legierungen (Kupferselenid, Indiumselenid) aufgebracht. Nach einer RTP-Behandlung („rapid thermal process"), die zur Bildung des Verbindungshalbleiters („absorber") führt, erfolgt eine Tauchdotierung (CdS-CBD, Cadmiumsulfid – „chemical bath deposition"). Nachfolgend wird eine transparente, jedoch elektrisch gut leitende „Fensterschicht" aufgebracht, beispielsweise Zinkoxid und Aluminium- oder Gallium-dotiertes Zinkoxid. Während die precursor-Abscheidung gelegentlich schon elektrochemisch, d.h. als Non-Vakuum-Prozess erfolgt, ist die Deposition der Fensterschicht in aller Regel ein PVD- oder CVD-prozess („physical/chemical vapor deposition").In recently, Time, efforts are increasingly made, the production costs of thin-film solar cells be reduced by using roll-to-roll-process. Of particular note is the proposal, a chalcopyrite semiconductor layer to deposit on a flexible band of metal. This will be on the electrically conductive Substrate tape first the so-called precursors, i. the elements copper, indium, selenium and / or Sulfur or their alloys (copper selenide, indium selenide) applied. To an RTP treatment ("rapid thermal process "), which leads to the formation of the compound semiconductor ("absorber"), an immersion doping (CdS-CBD, cadmium sulfide - "chemical bath deposition "). Subsequently, a transparent, but highly electrically conductive "window layer" is applied, for example Zinc oxide and aluminum or gallium doped zinc oxide. While the precursor deposition occasionally already electrochemical, i. as a non-vacuum process is done, the deposition of the window layer is usually a PVD or CVD process ("physical / chemical vapor deposition ").

Es entstehen nun bei der quasi endlosen, ununterbrochenen Abscheidung einer photoelektrisch aktiven Halbleiterschicht auf flexiblem Metallband, neben den ersichtlichen Vorteilen, auch zwei Probleme, die ernst genommen werden müssen, wenn die Solarzellen einen guten Wirkungsgrad und eine hohe Alterungsbeständigkeit (geringe „degradation") haben sollen:
Zum einen besteht an den Rändern des Bandes die Gefahr von Kurzschlüssen, indem entweder mikroskopisch kleine Metallspäne der Schnittkante eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Rückkontakt/Substrat und Fensterschicht bilden oder indem die Fensterschicht über den precursor hinausreicht und mit der Rückkontaktschicht (meist Molybdän) oder der Schnittkante des metallischen Trägerbandes einen Kurzschluss herstellt.
Zum andern, indem beim Zerschneiden des endlosen Bandes in einzelne Zellen durch den Schnittvorgang ein Kurzschluss zwischen Fensterschicht und dem Rückkontakt/Trägerband entsteht, entweder sofort oder, was noch abträglicher ist, langsam durch Veränderungen der undefinierten Struktur der „offenen" Schnittkante.Now arise in the quasi endless, continuous deposition of a photoelectrically active semiconductor layer on flexible metal strip, in addition to the apparent advantages, also two problems that must be taken seriously when the solar cells have good efficiency and high resistance to aging (low "degradation") should:
On the one hand there is a risk of short circuits at the edges of the band by either microscopically small metal chips of the cut edge form an electrically conductive connection between the back contact / substrate and window layer or by the window layer extends beyond the precursor and with the back contact layer (usually molybdenum) or the cutting edge the metallic carrier tape makes a short circuit.
On the other hand, when cutting the endless belt into individual cells by the cutting process, a short circuit between the window layer and the back contact / carrier tape is created, either immediately or, what is even more detrimental, slowly by changes in the undefined structure of the "open" cut edge.

Diese Probleme wurden zunächst teilweise nicht erkannt; beispielsweise wird in DE ... hervorgehoben, dass ein durchgehend beschichtetes Band zu hoher Fiexibilität führt, indem Zellen in beliebiger Länge abgeschnitten werden können. Von speziellen Maßnahmen an den Schnittstellen des Bandes ist keine Rede.These Problems were initially partially unrecognized; for example, in DE ... highlighted, that a continuously coated band leads to high flexibility by Cells of any length can be cut off. Of special measures at the interfaces of the tape is no question.

Auch Vorkehrungen zur Separation der Bandkante wurden zunächst nicht für nötig erachtet ( DE 196 34 580 ), erst später wurde ein sogenannter „Kantenschutz" in Form einer wärmebeständigen Isolierschicht auf der Bandkante vom Institut für Solar-technologie gGmbH, Frankfurt/O vorgeschlagen; bezüglich „Passivierung von Randgebieten von Solarzellen aus Silizium" siehe DE 100 32 279 .Also, arrangements for the separation of the band edge were initially not considered necessary ( DE 196 34 580 ), later, a so-called "edge protection" in the form of a heat-resistant insulating layer on the band edge by the Institute of Solar Technology gGmbH, Frankfurt / O proposed, regarding "Passivation of peripheral areas of solar cells made of silicon" see DE 100 32 279 ,

Lediglich die Schutzrechtsanmeldung DE 199 17 758 sieht von vorn herein eine Zellenabgrenzung in Längs- und Querrichtung durch eine wärmebeständige Isolierschicht vor.Only the patent application DE 199 17 758 provides frontal cell demarcation in the longitudinal and transverse directions through a heat-resistant insulating layer.

Letztgenannte Maßnahme zur Separation von Einzelzellen auf einem durchgehend solar beschichteten Band durch screen-printing einer ca. 3–5 μm dicken Isolierschicht auf dem Trägermaterial/Substrat stellt sicherlich einen vorteilhaften Lösungsversuch dar, ist jedoch noch mit einigen Nachteilen behaftet:

  • – Die Zerteilung des Bandes kann nur an den vorgesehenen Stellen erfolgen, d.h. eine Änderung der Zellenlänge ist nachträglich nicht möglich
  • – eine Optimierung des yield (der Ausbeute) durch Herausschneiden tediglich der fehlerbehafteten Bandbereiche ist nicht möglich
  • – der Kantenschutz soll definitionsgemäss die Bandkante isolierend abdecken; diese wird jedoch beim bandgalvanischen Prozess zur Stromeinspeisung benötigt, insbesondere dann, wenn 2 Bänder "Rücken zu Rücken" geführt werden, wodurch auch die Band-Rückseite für die Stromzufuhr entfällt. Die empfindliche, zu beschichtende Band-Vorderseite kann hierfür ohnehin nicht herangezogen werden.
  • – das Siebdrucken eines Sol/Gel-Systems, mit anschließendem Tempern, stellt einen vielleicht nicht beträchtlichen, aber spürbaren Mehr-Aufwand dar.
The latter measure for the separation of individual cells on a continuous solar-coated tape by screen-printing an approximately 3-5 microns thick insulating layer on the substrate / substrate is certainly an advantageous solution, but still has some disadvantages:
  • - The division of the band can only be done at the designated places, ie a change in the cell length is not possible later
  • - Optimization of the yield (yield) by cutting out only the faulty band areas is not possible
  • - The edge protection is intended to cover the band edge insulating; However, this is needed in the band galvanic process for power supply, especially when 2 bands "back to back" are performed, which also eliminates the back of the band for the power supply. The sensitive tape front to be coated can not be used for this anyway.
  • Screen-printing a sol / gel system, followed by tempering, may not be a considerable but noticeable added expense.

Für die Separation von Dünnschicht Solarzellen auf Glas ist es üblich, mechanische Verfahren (Ritzen = scribing) einzusetzen. Bei Solarzellen, die durch Deposition auf flexiblem Material entstanden sind, ist das mechanische Ritzen weniger geeignet: im Gegensatz zu Glas geben flexible Trägermaterialien dem Druck der Ritznadel nach und haben eine weniger ebenmäßige Oberfläche, sodass das mechanische Ritzen mit größeren Problemen behaftet ist.For the separation of thin film Solar cells on glass it is common to use mechanical methods (scribing). For solar cells, which are created by deposition on flexible material is the mechanical scribing less suitable: unlike glass give flexible carrier materials The pressure of the scoring needle and have a less even surface, so the mechanical scribing with bigger problems is afflicted.

Auch Laser-Ritzen entspricht an sich dem Stand der Technik bei der Separation von Dünnschicht-Zelten bei der Abscheidung auf Glas. Es ist jedoch weder bekannt noch naheliegend, diese Technologie für die Abtrennung der Randbereiche oder Schnittkanten von Dünnschicht-Zellen auf einem flexiblen Band einzusetzen: einerseits soll nicht, wie dies bei den Dünnschicht Modulen aus Glas der Fall ist, eine integrierte Verschaltung der Einzelzellen hergestellt werden, sondern es sollen potentiell fehlerhafte Bereiche, die den Wirkungsgrad der Gesamtzelle beeinträchtigen würden, separiert werden; die Verschaltung der Zellen erfolgt später durch „Schindeln".Laser scribing also corresponds to the state of the art in the separation of thin-film tents during deposition on glass. However, it is neither known nor obvious to use this technology for the separation of the edge regions or cut edges of thin-film cells on a flexible band: on the one hand, it is not intended, as is the case with the thin-film modules made of glass, to have an integrated interconnection of the individual cells but it should be separated potentially defective areas that would affect the efficiency of the whole cell; the interconnection of the cells is done later by "shingles".

Andererseits ist die Laserritzung bei Bandzellen schwierig, weil die elektrisch leitende Fensterschicht durchtrennt werden soll, die hochtransparent ist, während die darunter liegende Absorberschicht Strahlung, zumindest im sichtbaren Spektralbereich, bestens absorbiert. Um die Fensterschicht im „Ritzgraben" zu verdampfen, muss also eine Wellenlänge der Laser-Strahlung gewählt werden, die vom Fenstermaterial absorbiert wird. Gleichzeitig soll das Absorbermaterial in der unmittelbaren Umgebung des Ritzgrabens nicht wesentlich über 200°C erwärmt werden, weil dies seine photoelektrische Funktion beeinträchtigen könnte. Ist der Ritzgraben zu tief, d.h. wird das Absorbematerial vollständig abgetragen, so besteht die Gefahr, dass der Rückkontakt (in der Regel Molybdän) verdampft und hierdurch Kurzschlüsse, die ja gerade separiert werden sollen, überhaupt erst erzeugt werden.on the other hand The laser scribing in ribbon cells is difficult because the electric conductive window layer is to be severed, which is highly transparent, while the underlying absorber layer radiation, at least in the visible Spectral range, well absorbed. In order to evaporate the window layer in the "Ritzgraben", must So a wavelength of Laser radiation selected which is absorbed by the window material. At the same time the absorber material in the immediate vicinity of the Ritzgraben not much above Heated to 200 ° C, because this affects its photoelectric function could. If the Ritzgraben is too deep, i. the absorbent material is completely removed, so there is a risk that the back contact (usually molybdenum) evaporates and thereby shorts, which are to be separated, in the first place.

Obwohl die geschilderten Schwierigkeiten zunächst den Einsatz von Laserstrahlen zur Zellen-Separation bei Bandzellen problematisch erscheinen lassen, haben Versuche die Eignung erwiesen, bei richtiger Wahl der Wellenlänge, Bestrahlungs-Intensität und – zeit, Brennfleck-Größe und Vorschubgeschwindigkeit usw. In der Laser-Benutzung liegt also eine wesentliche Verbesserung des Erfindungsgedankens.Even though the difficulties described initially the use of laser beams make the cell separation problematic in band cells, Experiments have shown suitability, with proper choice of wavelength, irradiation intensity and time, Focal spot size and feed rate So in laser use is a significant improvement of the inventive concept.

Eine wertere Verbesserung besteht darin, den Wirkungsgrad von Bandbereichen am durchlaufenden Band zu messen oder Fehler der durchgehenden Solarzellen-Beschichtung zu dedektieren, z.B. durch Thermographie, bevor das Band in Einzelzellen zerschnitten ist, und mit dem Messergebnis über einen Prozessrechner die Zerlegung des Bandes durch Quer-Ritzen und Schneiden zu steuern. Dies wird an einem Beispiel deutlich: angenommen, die Länge der Einzelzellen soll 40 cm betragen; am durchlaufenden Band wird nun ein Fehler in 8 cm Abstand vom Zellenanfang entdeckt. Der Prozessrechner veranlasst eine Doppel-Ritzung, Abtrennung und Neubeginn in 10 cm Abstand vom Zellenanfang, sodass statt einer kompletten Zelle nur 25% verworfen werden. Bedenkt man, dass die Ausbeute (yield) massgeblich die Ertragslage von Herstellerfirmen von Dünnschicht-Solarzellen/-modulen bestimmt, so liegt in dieser Vorgehensweise ein erheblicher Vorteil, welcher durch andere Methoden der Separation von Einzelzellen aus einem Zellenband, beispielsweise durch das Drucken einer isolierenden Sperrschicht als Zellenbegrenzung nach DE 199 17 758 , nicht erreichbar ist.A further improvement consists of measuring the efficiency of band areas on the continuous band or detecting defects of the continuous solar cell coating, for example by thermography, before the band is cut into individual cells, and with the result of the measurement via a process computer, the separation of the band by transverse To control scribing and cutting. This is illustrated by an example: suppose the length of the single cells should be 40 cm; on the passing band an error is now detected at a distance of 8 cm from the beginning of the cell. The process computer initiates a double scratching, separation and restart at a distance of 10 cm from the beginning of the cell so that only 25% is discarded instead of a complete cell. Considering that the yield determines significantly the earnings situation of manufacturers of thin-film solar cells / modules, there is a considerable advantage in this procedure, which can be achieved by other methods of separating individual cells from a cell ribbon, for example by printing an insulating cell Barrier layer as a cell boundary after DE 199 17 758 , is not available.

Claims (4)

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Einzelzellen aus flexiblen Bändern, die zuvor durchgehend mit einer Solarzellen-Schicht versehen wurden, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche durch Ritzung in Längsrichtung des Bandes und die Schnittstellen des Bandes durch eine doppelte Ritzung abgetrennt werden, bevor das Solarzellenband mechanisch oder durch Laserschnitt im Bereich zwischen der doppelten Ritzung in Einzelzellen zerlegt wird.Method and device for producing single cells from flexible tapes, which were previously provided with a continuous solar cell layer, characterized in that the edge regions are separated by scribing in the longitudinal direction of the tape and the interfaces of the tape by a double scribe, before the solar cell belt mechanically or broken down into single cells by laser cutting in the area between the double scribe. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ritzung ein Laserstrahl Verwendung findet.Method and device according to claim 1, characterized in that that for the scribe uses a laser beam. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ritzung in Längsrichtung zunächst eine Qualitätsprüfung der solaren Beschichtung erfolgt und erst nachfolgend eine Laser-Ritzung quer zum Zellenband stattfindet, wobei diese entsprechend dem Ergebnis der Qualitätsprüfung derart gesteuert wird, dass fehlerfreie Zellenbereiche vorgegebener Länge und fehlerhafte Bereiche durch eine Doppel-Ritzung separiert werden, wodurch das Band mit optimaler Ausnutzung in brauchbare Einzelzellen und Ausschuss-Stücke zerschnitten wird.Method and device according to claim 1 or 2, characterized that after scribing in the longitudinal direction first a quality inspection of Solar coating takes place and only then a laser scribe takes place transversely to the cell band, this according to the result of the Quality inspection such is controlled that error-free cell areas of predetermined length and faulty areas are separated by a double scratch, whereby the tape with optimal utilization into usable single cells and scrap pieces is cut. Verfahren und Einrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend die Ritze mit einem isolierenden Kunststoff verfüllt werden.Method and device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that subsequently the crack with an insulating plastic filled become.
DE200410016313 2004-03-29 2004-03-29 Method and equipment for manufacturing individual solar cells from flexible metal band, previously coated with solar cell layer, with edge regions separated in band longitudinal direction by slitting and cut positions of band by double slit Withdrawn DE102004016313A1 (en)

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