DE102007034644A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Laserstrukturierung von Solarzellen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur effizienten Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von Elektroden und Funktionsschichten auf einem Solarmodul, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen, hochproduktiven und thermisch schonenden Rolle-zu-Rolle-Prozess mit einem Nanosekunden-Laserpuls lokal und schichtweise Material von dem beschichteten Trägermaterial, welches mit mindestens einer Funktionsschicht beschichtet ist, abgetragen wird, so dass parallele, von einander isolierte Leiterbahnen und Solarzellen entstehen, wobei die hohe Produktivität dadurch erreicht wird, dass der Laserstrahl in parallele, fokussierte Linien über die gesamte Breite der Rolle aufgefächert wird und die Durchgängigkeit der Isolationsgräben zwischen den Solarzellen durch die Abstimmung der Pulsrate auf die Bandgeschwindigkeit mittels einer Synchronisierungseinheit garantiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen, hochproduktiven und thermisch schonenden Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von Elektroden und Funktionsschichten auf einem Solarmodul mit dem Ziel, einzelne Solarzellen zu separieren und diese miteinander parallel oder in Reihe zu verschalten.
  • [Stand der Technik]
  • Zur Herstellung großflächiger Solarmodule ist es erforderlich, diese in einzelne Solarzellen einer bestimmten Größe zu unterteilen und diese Solarzellen dann je nach Erfordernis miteinander parallel oder in Reihe zu verschalten. Gemäß dem Stand der Technik wird dies dadurch erreicht, dass die üblicherweise im Herstellungsprozess großflächig aufgebrachten Front- und/oder Rückelektroden mittels mechanischen Ritzens, Photolithografie oder Laserabtrag in kleinere, voneinander isolierte Elektrodenabschnitte unterteilt werden. Für die Herstellung von anorganischen Dünnschichtsolarzellen auf Glas sind diese Verfahren etabliert. Hierbei wird z. B. mit einem fokussierten Laserstrahl, welcher mit hoher Geschwindigkeit abgelenkt wird, die transparente ITO-Schicht und/oder die Metallisierung und/oder die fotoaktive Schicht lokal entfernt. So wird in EP 0962990 ein Laser zur Strukturierung eines Cadmiumsulfidfilms einer Solarzelle verwendet. Ebenfalls bekannt ist die Laserstrukturierung von transparenten Metalloxidschichten wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), z. B. EP 0322258 , JP 10256583 , JP 2006114428 und dünnen metallischen Schichten.
  • In JP 2000208794 wird eine Laserstrukturierungsmethode für Solarzellen beschrieben, bei der mehrere dünne rechteckige Strahlprofile durch Pumpen mehrerer Laseroszillatoren (Farbstofflaser) generiert werden und mit diesen das Solarmodul, welches mit einem x-y-Tisch in zwei zu einander senkrechten Richtungen bewegt werden kann, strukturiert wird.
  • Jedoch sind zur Herstellung von Solarzellen auf flexiblen Substraten wie Kunststofffolien, welche in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt werden, die bekannten Strukturierungs- und Separierungstechniken nicht oder nur bedingt geeignet. So wird in DE 10212639 ein Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierungsverfahren zur Strukturierung von Funktionspolymeren beschrieben, bei welchem eine homogen ausgeleuchtete Maske benutzt wird. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung beliebiger Elektrodenstrukturen mit hoher Auflösung. Ein Nachteil jedoch ist, dass aus energetischen Gründen die je Laserpuls strukturierbare Fläche nur wenige Quadratzentimeter betragen kann. Das hat zur Folge, dass nur Substratbreiten kleiner ca. 4 cm kontinuierlich im Rolle-zu-Rolle-Prozess bearbeitet werden können.
  • Ebenfalls ein Maskenverfahren mit einem Excimerlaser zur Strukturierung von ITO und metallischen Leitern in Mehrschichtstrukturen auf Kunststofffolien für die Verwendung in LCDs und OLEDs wird in WO 02065527 sowie die so strukturierten Mehrschichtstrukturen in US 2002/0110673 beschrieben. Der Nachteil dieses Verfahrens ist wieder die geringe pro Laserpuls bearbeitbare Fläche und die daraus resultierende geringe Bearbeitungsbreite von wenigen Zentimetern.
  • Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von parallelen elektrischen Leitern aus Metallen oder ITO auf Kunststofffolien oder Glas wird auch in US 5216543 angegeben.
  • Hierbei wird ein Array aus Zylinderlinsen benutzt, welches mit dem aufgeweiteten Strahl eines YAG-Lasers durchstrahlt wird. Das im Fokus der Linsen befindliche leitfähige Material bzw. eine darunter befindliche Absorberschicht wird dabei thermisch verdampft und dadurch werden isolierende Gräben erzeugt. Das Zylinderlinsenarray ist z. B. eine entsprechend strukturierte Kunststoffplatte oder -folie. Nachteil dieses Verfahrens ist die thermische Verdampfung von Material, wodurch angrenzende Bereiche, insbesondere solche, die mit thermisch empfindlichen organischen Funktionsmaterialien, wie bei der Polymer- oder organischen Solarzelle, beschichtet sind, beeinträchtigt werden können.
  • Deshalb ist es günstiger, UV-Laser mit sehr kurzen Pulslängen von 20 ns und darunter zu verwenden, da hier der Materialabtrag überwiegend photochemisch ohne nennenswerte thermische Belastung erfolgt. Darüber hinaus wird UV-Licht von fast allen Kunststofffolien gut absorbiert, so dass keine zusätzlichen Absorberschichten benötigt werden.
  • [Aufgabe der Erfindung]
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von Elektroden und Funktionsschichten auf einem Solarmodul anzugeben, mit dem Ziel, einzelne Solarzellen zu separieren und diese miteinander in Reihe zu verschalten. Dabei sollen größere Arbeitsbreiten durch Vergrößerung der pro Laserimpuls bearbeitbaren Fläche erzielt werden, sowie hohe Bandgeschwindigkeiten und eine thermische Belastung des flexiblen Trägermaterials oder von thermisch empfindlichen organischen Funktionsmaterialien soll vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Laserstrukturierung der betreffenden Schichten, welche zuvor auf einem flexiblen Trägermaterial abgeschieden wurden, bei kontinuierlicher Fortbewegung des beschichteten Trägermaterials in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess geschieht und das zur Verfügung stehende Laserlicht auf die sehr schmalen, nur ca. 100 μm breiten zu belichtenden Bereiche über eine Strahlformungseinheit konzentriert wird. Je nach Ausgestaltung der Erfindung können dabei Bandgeschwindigkeiten von mehreren m/s bei einer Bahnbreite von 5 cm bis ca. 1 m erreicht werden. Die Strukturierung erfolgt durch lokalen Abtrag der Schichten mit einem UV-Laserpuls ausreichend hoher Intensität. Dabei ist zu gewährleisten, dass der vollständige Abtrag mit nur einem Laserpuls erfolgt, um den Prozessfluss nicht zu unterbrechen. Mit einem Laserimpuls kann eine Schicht oder mehrere Schichten gleichzeitig abgetragen werden. Um die thermische Schädigung der angrenzenden, nicht abgetragenen Bereiche zu minimieren, wird bevorzugt eine Pulsdauer von wenigen Nanosekunden und darunter verwendet. Gleichzeitig wird damit sicher gestellt, dass sich das Band während der Belichtungszeit nur unwesentlich, d. h. deutlich weniger als 1 μm, weiter bewegt. Die Bandgeschwindigkeit und die Pulsrate des Lasers werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass eine lückenlose Strukturierung in der Laufrichtung erfolgt. Um die Ablagerung von abgetragenem Material auf dem Solarmodul zu vermeiden, wird eine leistungsfähige Absaugung benutzt. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Strukturierung im Vakuum erfolgen und/oder ein nachträglicher Reinigungsschritt durchgeführt werden. Der Reinigungsschritt muss so gestaltet sein, dass lose haftendes Material entfernt wird, jedoch die auf dem Substrat verbleibenden Funktionschichten nicht abgelöst werden. Hierfür kommen z. B. Druckluft oder ein Hochdruckwasserstrahl in Betracht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von Solarmodulen besteht aus einer Abwickeleinheit 3, einer Aufwickeleinheit 4, einem Laser 1, einer Strahlformungseinheit 2, einem Substrattisch 7, einer Synchronisationseinheit 8 und einer Absaugung. Die Auf- und Abwickeleinheit sorgen für den Transport des beschichteten Substrats 5 mit einer konstanten, einstellbaren Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit ist auf die Pulsrate des Lasers und die Länge der je Laserpuls abzutragenden Linien abgestimmt. Die Regelung der Pulsrate relativ zur Bandgeschwindigkeit übernimmt die Synchronisationseinheit, welche z. B. ein Kamerasystem sein kann. Der Substrattisch ist höhenverstellbar und sorgt dafür, dass das beschichtete Substrat in einer definierten Ebene gehalten wird, z. B. durch Ansaugen mit leichtem Unterdruck. Als Laser können gepulste Excimerlaser oder ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser verwendet werden, deren Pulsenergie und Pulsrate in einem gewissen Bereich geregelt werden können.
  • Die Strahlformungseinheit kann unterschiedlich gestaltet sein. In einer bevorzugten Variante wird der Laserstrahl mit einem oder mehreren Strahlteilern 10 in mehrere Strahlen aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden dann mit Zylinderlinsen 11 und 12 so fokussiert, dass mehrere parallele linienförmige Belichtungszonen entstehen. Alle optischen Elemente bestehen aus UV-transparentem Quarzglas. Dieses Feld paralleler Linien kann entweder parallel oder senkrecht zur Laufrichtung des Bandes ausgerichtet werden, so dass isolierende Gräben entweder längs oder quer zur Laufrichtung erzeugt werden können. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung können Bandgeschwindigkeiten des bewegten beschichteten Substrates von mehreren m/s erreicht werden.
  • Bei Ausrichtung der Isoliergräben parallel zur Laufrichtung ergibt sich die bearbeitbare Bahnbreite aus der Anzahl der erzeugten Teilstrahlen und dem für die optimale Funktion des Solarmoduls erforderlichen Linienabstand auf dem Substrat. Bei Ausrichtung der Isoliergräben senkrecht zur Laufrichtung ergibt sich die bearbeitbare Bahnbreite aus der geometrischen Länge der zum Fokussieren verwendeten Zylinderlinse 12.
  • Eine andere Variante der Strahlformungseinheit erzeugt einen fokussierten Laserstrahl mit quadratischem oder kreisförmigem Strahlprofil, der mit einer hohen Pulswiederhohlrate über die Substratoberfläche sowohl quer als auch längs zur Laufrichtung bewegt wird. Die Ablenkung kann mit einem Galvanoscanner erfolgen. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung liegen die erreichbaren Bandgeschwindigkeiten des bewegten beschichteten Substrates im Bereich von einigen cm/s.
  • Beispiel 1
  • Eine ITO beschichtete Polyesterfolie mit einer ITO-Schichtdicke von 100 nm und einem Oberflächenwiderstand von 60 Ω wird mit einem Excimerlaserpuls der Wellenlänge 248 nm, der Pulsenergie 45 mJ und einer Pulsdauer von ca. 20 ns bestrahlt. Zur Fokussierung und Strahlformung werden zwei gekreuzte plankonvexe Zylinderlinsen aus Quarzglas verwendet. Der Abstand der Linsen betrug 25 cm. Die laserseitige Linse hat eine Brennweite von 100 mm und eine Länge von 50 mm. Die substratseitige Linse hat eine Brennweite von 60 mm und eine Länge von 50 mm. Auf diese Weise erhält man einen isolierenden Graben in der ITO-Schicht mit einer Breite von 117 μm und einer Länge von 50 mm.
    • 1
    Laser
    2
    Strahlformungseinheit
    3
    Abwickeleinheit
    4
    Aufwickeleinheit
    5
    beschichtetes flexibles Substrat (Solarmodul)
    6
    Spiegel
    7
    Substrattisch
    8
    Synchronisationseinheit
    10
    Strahlteiler
    11
    Zylinderlinse
    12
    Zylinderlinse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0962990 [0002]
    • - EP 0322258 [0002]
    • - JP 10256583 [0002]
    • - JP 2006114428 [0002]
    • - JP 2000208794 [0003]
    • - DE 10212639 [0004]
    • - WO 02065527 [0005]
    • - US 2002/0110673 [0005]
    • - US 5216543 [0006]

Claims (13)

  1. Verfahren zur effizienten Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von Elektroden und Funktionsschichten auf einem Solarmodul, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen, hochproduktiven und thermisch schonenden Rolle-zu-Rolle-Prozess mit einem Nanosekunden-Laserpuls lokal und schichtweise Material von dem beschichteten Trägermaterial, welches mit mindestens einer Funktionsschicht beschichtet ist, abgetragen wird, so dass parallele, von einander isolierte Leiterbahnen und Solarzellen entstehen, wobei die hohe Produktivität dadurch erreicht wird, dass der Laserstrahl in parallele, fokussierte Linien über die gesamte Breite der Rolle aufgefächert wird und die Durchgängigkeit der Isolationsgräben zwischen den Solarzellen durch die Abstimmung der Pulsrate auf die Bandgeschwindigkeit mittels einer Synchronisierungseinheit garantiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem beschichteten Trägermaterial nur eine Schicht strukturiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem beschichteten Trägermaterial, mehrere Schichten gleichzeitig strukturiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Abtrag mit genau einem Laserpuls erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des verwendeten Lasers im UV liegt und die Pulsdauer ≤ 20 ns ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Leiterbahnen und Solarzellen parallel zur Bewegungsrichtung des Foliensubstrates generiert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Leiterbahnen und Solarzellen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Foliensubstrates generiert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1#–7, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetragene Material abgesaugt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Laserbearbeitung ein Reinigungsschritt durchgeführt wird, bei dem lose anhaftendes Material entfernt wird.
  10. Vorrichtung zur Separierung von flexiblen Dünnschichtsolarzellen bestehend aus einer Abwickeleinheit, einer Aufwickeleinheit, einem Laser, einer Strahlformungseinheit, einer Synchronisierungseinheit und einem Substrattisch, die es ermöglicht, die Separierung in einem kontinuierlichen, hochproduktiven Rolle-zu-Rolle-Prozess durchzuführen, wobei von dem sich kontinuierlich bewegenden beschichteten Substratmaterial lokal und schichtweise Material abgetragen wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein gepulster UV-Laser, insbesondere ein Excimer- oder ein frequenzvervielfachter Nd:YAG-Laser ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit aus mehreren Strahlteilern und zueinander parallel angeordneten Zylinderlinsen besteht, wobei sich die Substratebene genau im Fokus der Zylinderlinsen befindet.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinheit die Bandgeschwindigkeit misst und den Laser entsprechend der Bandgeschwindigkeit triggert.
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