DE102008041437A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat (2) angeordneten Schichtsystems (4), insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem zeitlich nacheinander eine Mehrzahl unterschiedlicher Bearbeitungsschritte mit einer Mehrzahl von stationären und voneinander beabstandeten Bearbeitungsvorrichtungen (14, 15, 16) durchgeführt werden, wird eine aus dem flexiblen band- oder plattenförmigen Substrat (2) und dem darauf angeordneten Schichtsystem (4) gebildete flexible Folie (6) auf einem Träger (8) angeordnet, so dass sie auf dem Träger (8) aufliegt. Die stationären Bearbeitungsvorrichtungen (14, 15, 16) sind beabstandet vom Träger (8) nebeneinander angeordnet und die Bearbeitungsschritte werden in dem auf dem Träger (8) aufliegenden Bereich der Folie durchgeführt, wobei die Folie (6) bei der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen (14, 15, 16) auf dem Träger (8) ortsfest gehalten wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems, insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls.
  • Ein Vorprodukt bei der Serienfertigung von Dünnschichtsolarmodulen, beispielsweise auf der Basis von Cu(In, Ga)Se2 ist ein auf einem band- oder plattenförmigen Substrat großflächig aufgebrachtes Schichtsystem, aus dem mit einer Vielzahl von Bearbeitungsschritten einzelne, miteinander verschaltete Solarzellen hergestellt werden. Diese Bearbeitungsschritte umfassen sowohl materialabtragende Verfahren zum geometrischen Strukturieren des Substrats als auch materialauftragende Verfahren, beispielsweise das Aufbringen von Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung. Dabei müssen die einzelnen Bearbeitungen hinsichtlich ihrer Lage und geometrischen Form auf dem Substrat präzise aufeinander abgestimmt sein. Diese Bearbeitungsschritte erfolgen mit verschiedenen, räumlich voneinander getrennten Bearbeitungsvorrichtungen. Um sicherzustellen, dass die aufeinander folgenden Bearbeitungsschritte an räumlich zueinander präzise aufeinander abgestimmten Stellen erfolgt, muss vor Beginn einer Bearbeitung häufig eine genaue Vermessung der in einem vorhergehenden Bearbeitungsschritt erzeugten Strukturen vorgenommen werden, da insbesondere bei sehr dünnen Substraten durch äußere Einflüsse (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, mechanische Einwirkungen) Formänderungen eintreten können. Eine solche Vermessung ist mit einem hohen fertigungstechnischen Aufwand verbunden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems, insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, anzugeben, mit dem mit geringem Aufwand zeitlich aufeinander folgende Bearbeitungsschritte mit hoher Ortsgenauigkeit durchgeführt werden können. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
  • Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden bei dem Verfahren zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems, insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, zeitlich nacheinander eine Mehrzahl unterschiedlicher Bearbeitungsschritte mit einer Mehrzahl von stationären und voneinander beabstandeten Bearbeitungsvorrichtungen in der folgenden Weise durchgeführt:
    • a) ein aus dem flexiblen Substrat und dem darauf angeordneten Schichtsystem gebildete Folie wird auf einen Träger aufgelegt und auf diesem fixiert,
    • b) die Folie wird mit dem Träger von einer zur anderen Bearbeitungsvorrichtung transportiert, wobei
    • c) die Bearbeitungsschritte werden in dem auf dem Träger aufliegenden Bereich der Folie durchgeführt, und
    • d) die Folie wird bei der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen auf dem Träger ortsfest gehalten.
  • Da die Folie während der erfolgenden Bewegung des Trägers auf der Oberfläche des Trägers ortsfest relativ zu dieser gehalten wird, und zwischen den Bearbeitungsschritten keine Formänderungen der Folie auftreten können, ist eine feste räumliche Beziehung zwischen den Positionen der Bearbeitungsstellen gegeben, so dass der Ort der Bearbeitungsstelle nach einer Bewegung des Trägers genau bekannt ist und die Bearbeitung in nachfolgenden Bearbeitungsvorrichtungen exakt an Stellen durchgeführt werden können, die in einer bekannten räumlichen Beziehung zu vorher bearbeiteten Stellen stehen, ohne dass es hierzu notwendig ist, die in vorhergehenden Bearbeitungsschritten durchgeführten Strukturierungen zu vermessen. Die Bewegung kann dabei sowohl schrittweise als auch kontinuierlich erfolgen. Bei einem kontinuierlichen Transport der Folie müssen lediglich die jeweiligen Bearbeitungsschritte, z. B. die Ablenkung eines Laserstrahls mit einem Galvospiegelsystem, an die Bewegungsgeschwindigkeit der Folie angepasst werden.
  • Wenn die flexible Folie in Form eines Bandes vorliegt, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Träger eine zylindrische Rolle vorgesehen, über die das Band geführt wird, so dass es in Umfangsrichtung der Rolle gesehen auf einer Teilfläche der Mantelfläche der Rolle aufliegt. Die Bearbeitungsvorrichtungen sind in Umfangsrichtung um die Rolle angeordnet, die zum Transport des Bandes schrittweise um ihre Zylinderachse gedreht wird.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 6, deren Vorteile sinngemäß den zu Anspruch 1 angegebenen Vorteilen entsprechen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen
  • 1 das Verfahren gemäß der Erfindung anhand eines schematischen Prinzipbildes,
  • 2 eine für die Bearbeitung eines auf einem flexiblen bandförmigen Substrat angeordneten Schichtsystems besonders geeignete Vorrichtung gemäß der Erfindung ebenfalls in einem schematischen Prinzipbild.
  • Gemäß 1 ist eine aus einem flexiblen Substrat 2 und einem darauf angeordneten Schichtsystems 4 gebildete Folie 6 auf einem Träger 8 mit einer planen Auflagefläche 9 angeordnet. Die Auflagefläche 9 ist in einem Bereich B, in dem die Folie 6 aufliegt, mit einer Vielzahl von Öffnungen 10 versehen, die durch die Folie 6 verschlossen werden und in eine innerhalb des Trägers 8 befindliche Kammer 12 münden, die an eine Saugleitung 13 angeschlossen ist. Durch den in der Kammer 12 erzeugten Unterdruck wird die Folie 6 sicher auf dem Träger 8 fixiert. Oberhalb der Auflagefläche 9 sind eine Mehrzahl von Bearbeitungsvorrichtungen nebeneinander angeordnet, bei denen es sich im Ausführungsbeispiel um eine Laserbearbeitungsvorrichtung 14 sowie um Tintenstrahldrucker 15, 16 handelt. Mit dem von der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 erzeugten Laserstrahl L wird das Schichtsystem 8 geometrisch strukturiert. Anschließend werden mit den Tintenstrahldruckern 15, 16 im Bereich der eingebrachten Strukturen und in einer festen Ortsbeziehung zu diesen Materialschichten aufgebracht. Hierzu wird der Träger 8 mit einem in der Figur schematisch dargestellten Antrieb A schrittweise verschoben, wie dies durch den Doppelpfeil veranschaulicht ist. Die Bearbeitung der Folie 6 erfolgt ausschließlich in einem Bereich der Folie 6, in dem diese auf dem Träger 8 aufliegt und flächig fixiert ist. Durch einen solchen schrittweisen Transport kann eine Bearbeitungsstelle nacheinander präzise im Arbeitsbereich der verschiedenen Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 positioniert werden, ohne dass es hierzu notwendig ist, die mit den Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 jeweils erzeugten Strukturen zu vermessen, da die Folie 6 während dieser Positioniervorgänge ortsfest auf dem Träger 8 fixiert ist.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine Arbeitsposition dargestellt, bei der alle Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 über dem Bereich B, in dem die Folie 6 auf der Auflagefläche 9 fixiert ist, angeordnet sind. Dies ist in nachfolgenden Bearbeitungsschritten, wenn beispielsweise die unter der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 befindliche Bearbeitungsstelle Z durch Verschieben des Trägers 8 nach rechts in das Bearbeitungsfeld des Tintenstrahldruckers 15 gerückt ist, nicht mehr der Fall. Grundsätzlich ist es auch nicht erforderlich, die Folie 6 auf einer solch großen Fläche zu fixieren. Vielmehr reicht es grundsätzlich aus, die Folie 6 nur in einem Flächenbereich zu fixieren, der den Abmessungen der jeweiligen Bearbeitungsfeldern entspricht.
  • Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die aus dem flexiblen Substrat 2 und dem Schichtsystem 4 gebildete Folie 6 bandförmig und auf einer motorisch angetriebenen Vorratsrolle 17 aufgewickelt. Bei dem flexiblen bandförmigen Substrat 2 handelt es sich beispielsweise um eine Kupferfolie oder eine Kunststofffolie, auf der ein Cu(In, Ga)Se2 als Absorbermaterial enthaltendes Schichtsystem 4 für die Herstellung eines CIS-Dünnschichtsolarmoduls aufgebracht ist. Die flexible bandförmige Folie 6 wird durch Antrieb der Vorratsrolle 17 von dieser abgewickelt und über eine als Träger 8 dienende zylindrische, drehbar gelagerte zylindrische Lagerrolle 18 zu einer ebenfalls motorisch angetriebenen Aufnahmerolle 19 geführt, auf die es aufgewickelt wird.
  • In Umfangsrichtung der Lagerrolle 18 sind radial beabstandet von diesem die Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 angeordnet. Die Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 sind hinsichtlich ihres Arbeitsbereiches ortfest relativ zur Zylinderachse 20 der Lagerrolle 18 nebeneinander in Umfangsrichtung der Lagerrolle 18 angeordnet.
  • Die mit ihrer dem Schichtsystem 4 abgewandten Flachseite in Umfangsrichtung der Lagerrolle 18 gesehen auf der Mantelfläche 22 der Lagerrolle 18 aufliegende bandförmige Folie 6 wird durch schrittweise Drehung der Lagerrolle 18 um ihre Zylinderachse 20 um einen Winkelschritt Δ vorwärts transportiert und für die Bearbeitung angehalten. Nach einer Anzahl n von Winkelschritten Δ gelangt die beispielsweise vorher im Arbeitsbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 befindliche Bearbeitungsstelle Z in den Arbeitsbereich der benachbarten Bearbeitungsvorrichtung 16 (α = nΔ). Dabei wird die Folie 6 während der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen 14, 16, 18 auf der Mantelfläche 22 des Trägers 8 ortsfest relativ zu dieser gehalten.
  • Im Innenraum 24 der hohlzylindrischen Lagerrolle 18 ist eine in Axialrichtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene ausgedehnte Trennwand 26 angeordnet, die den Innenraum 24 und die Mantel fläche 22 in zwei sich in Axialrichtung erstreckende Kammern 24a, b bzw. Teilflächen 22a, b aufteilt. Im Bereich B der im Schnitt einen Kreisbogen bildenden Teilfläche 22a der Mantelfläche 22 der Lagerrolle 18, in dem die Folie 6 auf dieser aufliegt, ist diese mit einer Vielzahl von radialen Öffnungen 28 versehen. Diese Teilfläche 22a ist kleiner als die Fläche, mit der die Folie 6 auf der Lagerrolle 18 aufliegt. Die Trennwand 26 liegt mit ihrer sich in Axialrichtung erstreckenden Längsseite 30 gleitend und dichtend an der Innenoberfläche der Lagerrolle 18 an und nimmt an deren Drehbewegung nicht teil. Die hohlzylindrische Lagerrolle 18 ist an ihren Stirnseiten mit Deckplatten 32, 34 verschlossen, wobei beispielsweise die Stirnfläche des Zylindermantels auf der rückseitigen Deckplatte 34 gleitend und dichtend aufliegt, die ebenso wie die Trennwand 26 nicht an der Drehbewegung der Lagerrolle 18 teilnimmt.
  • Die im Bereich der Öffnungen 28 gebildete Kammer 24a ist an eine in die Rückseite der Stirnplatte mündende Saugleitung 40 angeschlossen, über die innerhalb der Kammer 24a ein Unterdruck erzeugt wird. Auf diese Weise wird die Folie 6 sicher und rutschfest auf der Lagerrolle 18 fixiert, so dass sichergestellt ist, dass sich die Bearbeitungsstelle nach n Winkelschritten Δ von der Bearbeitungsvorrichtung 14 zur Bearbeitungsvorrichtung 15 unter dieser Bearbeitungsvorrichtung 15 in einer dort genau bekannten Position befindet.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 26 ein Winkelprofil und teilt den Innenraum 24 in zwei Kammern 24a, b auf, die im Querschnitt kreissektorförmig sind. Grundsätzlich kann die Trennwand auch eine Platte sein, die den Innenraum in zwei Segmente aufteilt.
  • Mit Hilfe der in Umfangsrichtung des Trägers 10 angeordneten Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 wird das Schichtsystem 4 der Folie 6 strukturiert und bearbeitet, so dass eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dünnschichtsolarzellen gebildet werden. Dabei werden alle Bearbeitungsschritte ausschließlich in dem auf dem, im Beispiel durch die Lagerrolle 18 gebildeten Träger 8 aufliegenden, flächig fixierten Bereich der Folie 6 durchgeführt.
  • Zusätzlich zu den in der Figur dargestellten Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 können auf dem Weg der Folie 6 zur Aufnahmerolle 19 weitere Bearbeitungszonen angeordnet sein, beispielsweise eine Lichtquelle zum Aushärten eines mit Ultraviolettlicht aushärtbaren, auf die Folie 6 aufgetragenen Materials oder eine Heizquelle zum thermischen Behandeln der bearbeiteten Folie 6. Grundsätzlich können auch materialabtragende Bearbeitungsvorrichtungen und materialauftragende Bearbeitungsvorrichtungen in einer anderen als der beispielhaft dargestellten Reihenfolge hintereinander angeordnet sein.
  • Die Vorratsrolle 17 sowie die Aufnahmerolle 19 werden kontinuierlich gedreht. Da die Lagerrolle 18 in diskreten Winkelschritten Δ bewegt wird und jeweils während der Bearbeitung mit den Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 angehalten wird, sind zwischen der Vorratsrolle 17 und der Lagerrolle 18 sowie der Lagerrolle 18 und der Aufnahmerolle 19 Speicherkammern 42 angeordnet, in denen das Band 4 lose einliegt und durch Erzeugen eines Unterdruckes in den Speicherkammern 42 gehalten wird.
  • Um ein faltenfreies Anlegen der Folie 6 auf die Lagerrolle 18 sicherzustellen, ist neben der Lagerrolle 6 ein Luftrakel 44 angeordnet, mit dem die Folie 6 durch einen auf sie gerichteten Luftstrom linienförmig an die Oberfläche der Lagerrolle angepresst wird.
  • Anstelle des im Ausführungsbeispiel der 2 veranschaulichten schrittweisen Transports der bandförmigen Folie 6, ist es grundsätzlich auch möglich, diese kontinuierlich zu transportieren, so dass sie für die Durchführung der einzelnen Bearbeitungsschritte nicht mehr angehalten werden muss. Hierzu muss lediglich die Steuerung der Ablenksysteme der einzelnen Bearbeitungsvorrichtungen 14, 15, 16 an die bekannte Bewegungsgeschwindigkeit der Folie 6 angepasst sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat (2) angeordneten Schichtsystems (4), insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem zeitlich nacheinander eine Mehrzahl unterschiedlicher Bearbeitungsschritte mit einer Mehrzahl von stationären und voneinander beabstandeten Bearbeitungsvorrichtungen (14, 15, 16) durchgeführt werden, mit folgenden Merkmalen: a) ein aus dem flexiblen Substrat (2) und dem darauf angeordneten Schichtsystem (4) gebildete Folie (6) wird auf einen Träger (8) aufgelegt und auf diesem fixiert, b) die Folie (6) wird mit dem Träger (8) von einer zur anderen Bearbeitungsvorrichtung (14, 15, 16) transportiert, wobei c) die Bearbeitungsschritte in dem auf dem Träger (8) aufliegenden Bereich der Folie (6) durchgeführt werden und d) die Folie (6) bei der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen (14, 15, 16) auf dem Träger (8) ortsfest gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das flexible Substrat bandförmig ist und mit dem darauf angeordneten Schichtsystem eine flexible bandförmige Folie bildet, die über eine als Träger dienende zylindrische Lagerrolle geführt wird, so dass es in Umfangsrichtung der Lagerrolle gesehen auf einer Teilfläche der Mantelfläche der Lagerrolle aufliegt, und bei dem die Bearbeitungsvorrichtungen in Umfangsrichtung um die Lagerrolle angeordnet sind, die zum Transport der Folie schrittweise um ihre Zylinderachse gedreht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Band auf der Oberfläche des Trägers durch Erzeugung eines Unterdruckes fixiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem zeitlich nacheinander materialabtragende und materialauftragende Verfahrensschritte durchgeführt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zumindest ein materialabtragender Verfahrensschritt mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführt wird.
  6. Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen Substrat angeordneten Schichtsystems, insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, a) mit einem Träger zum Auflegen der aus dem flexiblen Substrat und dem darauf angeordneten Schichtsystem gebildete Folie, b) mit einer Einrichtung zum ortsfesten Halten der Folie auf dem Träger, c) mit einer Mehrzahl von im Bereich des Trägers angeordneten Bearbeitungsvorrichtungen zum Bearbeiten der Folie in ihrem auf dem Träger aufliegenden Bereich, d) sowie mit einem Antrieb zum Bewegen des Träger von einer zur anderen Bearbeitungsvorrichtung, wobei e) die Folie bei der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen auf dem Träger ortsfest gehalten wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Folie an die Auflagefläche des Trägers durch Erzeugen eines Unterdruckes zwischen Träger und Folie angesaugt wird.
  8. Vorrichtung zum Bearbeiten eines auf einem flexiblen bandförmigen Substrat angeordneten Schichtsystems, insbesondere bei der Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, a) mit einer zylindrischen Lagerrolle, die drehbar um ihre Zylinderachse gelagert ist, und deren Mantelfläche in Umfangsrichtung der Lagerrolle gesehen in einem Teilbereich als Auflagefläche für ein aus dem flexiblen bandförmigen Substrat und dem darauf angeordneten Schichtsystem gebildeten bandförmigen Folie dient, b) mit einer Einrichtung zum ortsfesten Halten der bandförmigen Folie in diesem Teilbereich auf der Mantelfläche der Lagerrolle, c) mit einer Mehrzahl von im Bereich der Auflagefläche in Umfangsrichtung der Lagerrolle angeordneten Bearbeitungsvorrichtungen zum Bearbeiten des Bandes in dem auf der Lagerrolle aufliegenden Bereich des Bandes, d) sowie mit einem Antrieb zum Drehen der Lagerrolle um die Zylinderachse, wobei e) das Band bei der Bearbeitung und beim Transport zwischen den Bearbeitungsvorrichtungen auf der zylindrischen Lagerrolle ortsfest gehalten wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, mit einer hohlzylindrischen Lagerrolle, deren Mantelfläche mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist, und in deren Innenraum eine in Axialrichtung ausgedehnte Trennwand angeordnet ist, die den Innenraum und die Mantelfläche in zwei sich in Axialrichtung erstreckende Kammern bzw. Teilflächen aufteilt und die mit ihren sich in Axialrichtung erstreckenden Längsseiten gleitend und dichtend an der Innenoberfläche der Lagerrolle anliegt, so dass sie an der Drehbewegung der Lagerrolle nicht teilnimmt, wobei die Kammer, die von der als Auflagefläche dienenden Teilfläche begrenzt wird, an eine Saugleitung zum Erzeugen eines Unterdrucks angeschlossen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, bei der zumindest eine der Bearbeitungsvorrichtungen eine Laserbearbeitungsvorrichtung ist.
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