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Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Herstellung von photovoltaischen Dünnschichtzellen mit
- a) einem Ofengehäuse, dessen Wand eine Isolierschicht umfasst;
- b) einer das Ofengehäuse umgebenden gasdichten Hülle, in deren Innenraum eine kontrollierte Atmosphäre vorliegt;
- c) einem eine Vielzahl von Tragrollen umfassenden Fördersystem, mit dem Substratplatten durch das Ofengehäuse förderbar sind;
- d) einer Antriebseinrichtung für das Fördersystem, welche jeweils an einem Endbereich jeder Tragrolle angreift, um diese in Drehung zu versetzen;
- e) mindestens einer die kontrollierte Atmosphäre im Innenraum des Ofengehäuses auf Arbeitstemperatur bringenden Heizeinrichtung.
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In jüngster Zeit lösen sog. photovoltaische Dünnschichtzellen zunehmend die älteren photovoltaischen Zellen ab, bei denen das die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom bewirkende Halbleitermaterial möglichst in einkristallinem Zustand vorliegen sollte. Bei der Dünnschicht-Technologie werden amorphe Halbleiterschichten eingesetzt, die weniger als zehn Mikron dick ein können. Sie können in einem Ofen in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren hergestellt werden, wie dies etwa in der
DE 693 34 189 T2 näher erläutert ist. In einem solchen Ofen können auch reine Glühprozesse ohne Materialaufbringung durchgeführt werden.
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Von Bedeutung im vorliegenden Zusammenhang ist, dass die Herstellung der photovoltaischen Zellen in einer ”kontrollierten” Atmosphäre erfolgen muss. Unter einer solchen ”kontrollierten” Atmosphäre ist eine von der äußeren, auf Normaldruck befindlichen Atmosphäre unterschiedliche Atmosphäre gemeint, deren Parameter an die innerhalb des Ofengehäuses bei der Beschichtung stattfindenden physikalisch/chemischen Vorgänge angepasst ist. ”Kontrollierte” Atmosphäre kann insbesondere eine Atmosphäre mit gegenüber Normaldruck verändertem Druck und/oder eine Atmosphäre mit einem besonderen Gas, insbesondere Schutz- oder Inertgas, sein.
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Die o. g. Druckschrift beschreibt einen Ofen der eingangs genannten Art. Bei diesem ist die gesamte Antriebseinrichtung für das Fördersystem mit Ausnahme der Motoren selbst innerhalb der gasdichten Hülle angeordnet. Dies bringt einen dreifachen Nachteil mit sich: Zum einen eignen sich die handelsüblichen Antriebseinrichtungen von Haus aus nicht ohne weiteres zum Betrieb in einer ”kontrollierten” Atmosphäre im obigen Sinne. Zum zweiten können von der Antriebseinrichtung Verunreinigungen ausgehen, welche die Qualität der hergestellten Produkte beeinträchtigen. Schließlich sind die Komponenten der Antriebseinrichtung beim Gegenstand der
DE 693 34 189 T2 auch verhältnismäßig hohen Temperaturen ausgesetzt, was ebenfalls besondere Anforderungen an diese Komponenten stellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ofen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Antriebseinrichtung preiswerter gehalten werden kann und zuverlässiger arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- f) die Antriebseinrichtung für das Fördersystem außerhalb der gasdichten Hülle in Normalatmosphäre angeordnet ist;
- g) in der Lagereinrichtung, in welcher die mit der Antriebseinrichtung verbundenen Endbereiche der Tragrollen gelagert sind, Dichtungseinrichtungen vorgesehen sind, welche mit den Tragrollen verbundene, zur Antriebseinrichtung führende Antriebswellen gegen die Lagereinrichtung abdichten;
- h) die Lagereinrichtung in die gasdichte Hülle so dicht eingebunden ist, dass die in ihr enthaltenen Dichtungseinrichtungen Trennstellen zwischen der kontrollierter Atmosphäre im Innenraum der gasdichten Hülle und Außenatmosphäre darstellen.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß die Antriebseinrichtung für die Transportrollen des Fördersystemes aus der gasdichten Hülle herausgenommen wird, können für sie Komponenten eingesetzt werden, wie sie handelsüblich und an den Betrieb in Normalatmosphäre und bei mäßigen Temperaturen angepasst sind. Die Trennung zwischen der innerhalb der gasdichten Hülle befindlichen kontrollierten Atmosphäre und der Außenatmosphäre erfolgt, soweit sie nicht schon durch die gasdichte Hülle gewährleistet ist, in der Lagereinrichtung selbst, in welcher die angetriebenen Enden der Tragrollen gelagert sind. An dieser Stelle sind die die Tragrollen antreibenden Antriebswellen leicht abzudichten, leichter etwa auch, als die an und für sich naheliegende Dichtung der Tragrollen selbst gegen die Ofenwandung bei der Durchführung durch diese. Dies hängt nicht nur mit der in der Ofenwandung herrschenden höheren Temperatur sondern auch damit zusammen, dass die Tragrollen aus einem Material, insbesondere Keramik, bestehen, dessen Maßhaltigkeit und Oberflächengüte eine problemlose Abdichtung nicht ohne weiteres zulässt.
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Deshalb wird mit der vorliegenden Erfindung nicht die Tragrolle selbst, sondern eine mit der Tragrolle verbundene Antriebswelle abgedichtet, die aus einem günstigeren Material, insbesondere Metall, besteht und deren abzudichtende Mantelfläche glatt und gut maßhaltig ist. Günstig auf die Qualität der Abdichtung wirkt sich zudem die räumlche Nähe zwischen der Lagerstelle und der Stelle der Abdichtung aus.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung mindestens einen Lagerbock, der unter Zwischenschaltung mindestens einer Dichtung für jede in ihr gelagerte Tragrolle gegen die Außenfläche der gasdichten Hülle andrückbar ist. Auf diese Weise gelingt der gasdichte Anschluss zwischen der gasdichten Hülle und der Lagereinrichtung in einer Weise, welche zum einen die Herstellung des Ofens aber auch eine ggfs. später zu Wartungszwecken erforderliche Demontage erleichtert.
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Wie viele Tragrollen jeweils in einem Lagerbock gelagert werden, kann nach Zeckmäßigkeitsgesichtspunkten gewählt werden.
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In vielen Fällen erweist es sich als günstig, wenn jeder Lagerbock nur eine Tragrolle lagert. So lässt sich eine gute Abdichtung des Lagerbocks gegen die Antriebswelle und zwischen Lagerbock und gasdichter Hülle besonders einfach erreichen.
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Herstellungstechnisch kann es andererseits aber auch besonders günstig sein, wenn der Lagerbock eine Vielzahl von Tragrollen, insbesondere alle im Fördersystem vorhandene Tragrollen, lagert.
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Jeder Lagerbock kann für jede in ihr gelagerte Tragrolle einen Innenraum aufweisen, in welchem das dort befindliche Ende der Tragrolle über eine Kupplung mit einer Antriebswelle verbunden ist. Auf diese Weise stellt der Lagerbock gleichzeitig einen Schutzraum für die Verbindungsstelle zwischen der Tragrolle selbst und der entsprechenden Antriebswelle her.
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Schließlich ist es besonders günstig, wenn die Lagerung jeder Tragrolle durch Lagerung einer mit ihr verbundenen Antriebswelle in der Lagereinrichtung erfolgt. Die Gründe hierfür liegen wieder in den unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten und Maßhaltigkeiten der Tragrollen und der Antriebswellen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
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1 einen horizontalen Schnitt durch einen Ofen zur Herstellung photovoltaischer Dünnschichtzellen im Bereich einer seitlichen Längswand;
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2 eine Detailvergrößerung aus 1;
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3 in etwas größerem Maßstab einen vertikalen Schnitt durch den Ofen der 1 und 2 gemäß der dortigen Linie III-III;
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4 eine Detailvergrößerung aus 3.
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Der nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebene und insgesamt mit dem Bezugszeichen
1 versehene Ofen ähnelt in seinem Grundaufbau demjenigen, der in der oben schon erwähnten
DE 693 34 189 T2 beschrieben ist. Auf diese Druckschrift wird ergänzend Bezug genommen. Dies gilt insbesondere für alle Einrichtungen, mit denen diejenigen Substanzen in den Ofen
1 eingebracht oder in dem Ofen
1 erzeugt werden, die auf die durch den Ofen
1 bewegten Substratplatten aufgebracht werden sollen. Weggelassen sind außerdem alle Einrichtungen, die der Erzeugung der innerhalb des Ofens
1 gewünschten kontrollierten Atmosphäre dienen, also beispielsweise Vakuumpumpen oder Leitungen, über welche ein Schutzgas zugeführt werden kann. Der Ofen
1 unterscheidet sich von dem bekannten im Wesentlichen nur in dem Bereich, der in
1 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben ist.
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Der grobe Aufbau des Ofens 1 ist besonders gut der 3 zu entnehmen. Sie zeigt ein Ofengehäuse 2, welches seinerseits eine innere, verhältnismäßig dicke Isolierschicht 3 aus Mineralwolle und eine die Isolierschicht 3 umgebende gasdichte Hülle 4 aus Blechmaterial umfasst. Auch die vertikalen Seitenwände 5, 6 sind in dieser Weise aufgebaut. Das gesamte Ofengehäuse 2 steht etwas erhöht über dem Raumboden auf einem Stahlbau 7.
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Die zu beschichtenden Substratplatten werden mit Hilfe eines Rollenfördersystemes 8 durch das Ofengehäuse 2 hindurchbewegt; die Förderrichtung sei in 1 von links nach rechts im Sinne des Pfeiles 9 angenommen.
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Das Fördersystem 8 umfasst eine Vielzahl von parallel zueinander, in Abstand voneinander angeordneten Tragrollen 10 aus einem geeigneten, temperaturbeständigen Material, beispielsweise Keramik. Die Tragrollen 10 erstrecken sich senkrecht zu den beiden Seitenwänden 5, 6 des Ofengehäuses 2 und sind mit ihren Endbereichen durch entspechende Öffnungen 11 in den Seitenwänden 5, 6 hindurchgeführt. Die über die Seitenwände 5, 6 nach außen vorstehenden Endbereiche der Tragrollen 10 sind in nachfolgend beschriebener Weise gelagert:
Die in 3 linken Endbereiche der Tragrollen 10, die in den 1 und 2 nicht gezeigt sind, finden ihre Lagerung in als Loslager ausgebildeten herkömmlichen Kugel- oder Wälzlagern, die eine Axialbewegung der Tragrollen 10 zulassen und von denen in 3 nur eine schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist. Eine Ausbuchtung 4a der Hülle 4 umgibt dabei die überstehenden Enden der Tragrollen 10, so dass auch hier eine gasdichte Trennung zwischen der Außenatmosphäre und der im Inneren der Hülle 4 bestehenden kontrollierten Atmosphäre gewährleistet ist. Die Öffnungen 11 innerhalb der Seitenwände 5, 6, durch welche sich die Tragrollen 10 erstrecken, sind selbst nicht gasdicht.
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Interessanter im vorliegenden Zusammenhang ist die Art der Lagerung der gegenüberliegenden, in 3 rechten Endbereiche der Tragrollen 10, die auch in den 1 und 2 gezeigt ist.
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Am besten sind die entsprechenden Verhältnisse der 4 zu entnehmen, in welcher die Art der Lagerung und des Antriebes einer der vielen Tragrollen 10 des Fördersystems 8 gezeigt ist.
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An die vertikale Außenfläche der Isolierschicht 3 schließt sich im Bereich der Öffnung 11 zunächst eine weitere Isolierschicht 35 an, welche die Tragrolle 10 umgibt. Erneut ist eine Ausbuchtung 4b der Hülle 4 vorgesehen, welche die Isolierschicht 35 und den durch sie hindurchlaufenden Bereich der Tragrolle 10 übergreift und umgibt. Im Gegensatz zu der in 3 links dargestellten, die nicht angetriebenen Endbereiche der Tragrollen 10 umgebenden Ausbuchtung 4a ist jedoch der angetriebene, in 4 dargestellte Endbereich jeder Tragrolle 10 durch ein Loch 14 der Ausbuchtung 4b hindurchgeführt. Auch diese Durchführung ist selbst nicht gasdicht.
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Im äußersten Endbereich ist die Tragrolle 10 mittels einer Kupplung 15, deren genauer Aufbau hier nicht von Interesse ist, drehschlüssig mit einer Antriebswelle 16 verbunden. Das Ende der Tragrolle 10 und die Kupplung 15 sind dabei in einem becherförmigen Innenraum 18 eines Lagerbocks 17 untergebracht, die sich entlang der gesamten Seitenwand 6 erstreckt (vgl. 1 und 2).
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Die Antriebswelle 16 ist durch eine koaxiale Bohrung 19 des Lagerbocks 17 hindurchgeführt und in dieser mittels eines Lagers 36 gelagert. Nur wenig weiter ausserhalb sind zwischen der Antriebswelle 16 und der Mantelfläche der Bohrung 19 zwei Dichtringe 20 angeordnet, welche hier für eine gasdichte Trennung zwischen der Außenatmosphäre und der im Inneren der Hülle 4 vorliegenden kontrollierten Atmosphäre sorgen.
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Der Lagerbock 17 seinerseits wird durch ein U-förmiges Profilblech 21 getragen. Dieses steht mit seiner Basis verschiebbar auf einer ebenen, horizontalen Fläche einer Strebe 37, die höhenverstellbar an einem Ausleger 22 des Stahlbaues 7 befestigt ist.
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An seiner der Ausbuchtung 4b zugewandten Stirnseite trägt der Lagerbock 17 für jede Tragrolle 10 eine Ringdichtung 23 in einer nicht mit Bezugszeichen versehenen Nut. Der gesamte Lagerbock 17 wird mit Hilfe einer Klemmeinrichtung 24 gegen die Außenfläche der Ausbuchtung 4b so angedrückt, dass an dieser Stelle eine gasdichte Trennung zwischen Außenatmosphäre und innerer kontrollierter Atmosphäre stattfindet.
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Die Klemmeinrichtung 24 umfasst ein oberes Winkelblech 25 und ein unteres Winkelblech 26, die an der oberen bzw. unteren horizontalen Fläche der Ausbuchtung 4b der Hülle 4 befestigt sind. Die Winkelbleche 25, 26 erstrecken sich über die gesamte Längswand 6. Ein Klemmblech 27 besitzt einen oberen, ebenen Schenkel 27a und einen hiermit fluchtenden unteren ebenen Schenkel 27b, die durch eine den äußeren Bereich des Lagerbocks 17 umgebende Ausbuchtung 27c verbunden sind. Mit Hilfe einer Vielzahl von Bolzen 28a und zugehörigen Muttern 28b, die durch fluchtende Bohrungen einerseits in den Schenkeln 27a, 27b des Klemmblechs 27 und andererseits in den vertikal verlaufenden Schenkeln der Winkelbleche 25, 26 hindurchgeführt sind, lässt sich das Klemmblech 27 und insbesondere der ”Boden” der Ausbuchtung 27c gegen die äußere Stirnfläche des Lagerbocks 17 und damit der Lagerbock 17 gegen die äußere Stirnfläche der Ausbuchtung 4b der Hülle 4 gasdicht andrücken.
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Die Antriebswellen 16 sind durch Öffnungen 38 der Ausbuchtung 27c des Klemmbleches 27 herausgeführt.
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Die oben beschriebene Anordnung im Bereich der Lagerung der angetriebenen Endbereiche der Tragrollen 10 ist also so, dass die gasdichte Trennung zwischen der Außenatmosphäre und der inneren kontrollierten Atmosphäre entlang der Hülle 4, deren Ausbuchtung 4b, dem Lagerbock 17 und sodann wieder der Ausbuchtung 4b und der Hülle 4 erfolgt.
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Die Antriebswellen 16 werden ihrerseits von einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 29 versehenen Antriebs einrichtung in Rotation versetzt, die vollständig außerhalb der kontrollierten Atmosphäre in Normalatmosphäre liegt und nunmehr insbesondere anhand der 1 und 2 näher beschrieben wird.
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Die eigentliche Antriebsquelle für die Antriebseinrichtung 29 ist ein Elektrogetriebemotor 30 mit zwei gegenüberliegenden, fluchtenden Abtriebswellen, welche jeweils eine sich parallel zur Längswand 6 erstreckende Hauptwelle 31 in Drehung versetzen kann. Jede Hauptwelle 31 wirkt mit mehreren Kreuzgetrieben 32 zusammen, von denen in 1 zwei dargestellt sind; entsprechende Kreuzgetriebe 32 sind auf der rechts von dem Elektrogetriebemotor 30 liegenden, in 1 nicht mehr dargestellten Seite zu denken.
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Über jedes dieser Kreuzgetriebe 32 wird eine parallel zur Hauptwelle 31 geführte Königswelle 33 in Drehung versetzt. Jeder dieser Königswellen 33 ist eine bestimmte Anzahl von Antriebswellen 16 und damit von Tragrollen 10 zugeordnet, die auf diese Weise angetrieben werden können.
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Die Königswellen 33 wirken hierzu über geeignete, bekannte Getriebe mit den Enden der entsprechenden Antriebswellen 16 zusammen.
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Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die Antriebswellen 16 zweiteilig, wobei die beiden fluchtenden Teile durch eine Axialausdehnungen der Antriebswelle 16 aufnehmende Kupplung 34 miteinander verbunden sind.
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Sowohl der Elektrogetriebemotor 30 als auch die Kreuzgetriebe 32 und schließlich diejenigen Teile, welche die Königswellen 33 lagern, sind ebenfalls an dem Ausleger 22 des Stahlbaues befestigt und werden von diesem getragen.
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Im Betrieb des Ofens
1 ist dessen Innenraum mit einer kontrollierten Atmosphäre gefüllt, bei der es sich, wie schon oben angedeutet und im Einzelnen in der
DE 693 34 189 D2 erläutert, um eine Gasfüllung mit gegenüber Normaldruck verändertem Druck und/oder aus einem geeigneten Inertgas, beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff oder Edelgas, handeln kann. Diese kontrollierte Atmosphäre wird durch die gasdichte Hülle
4 mit ihren Ausbuchtungen
4a und
4b sowie den die angetriebenen Endbereiche der Tragrollen
10 umgreifenden Lagerbock
17 dauerhaft aufrecht erhalten. Am Einlass und am Auslass des Ofens
1 sind geeignete Schleusen vorgesehen, die hier im Einzelnen nicht dargestellt und beschrieben sind und dafür sorgen, dass beim Einbringen der Substratplatten und beim Ausbringen der beschichteten Substratplatten der Verlust an kontrollierter Atmosphäre so gering wie möglich gehalten wird.
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Durch die Anordnung der Antriebseinrichtung 29 vollständig außerhalb der kontrollierten Atmosphäre, also in einer Normalluft enthaltenden, sich auf Normaldruck und im Wesentlichen nahe Zimmertemperatur befindenden Atmosphäre, lassen sich die Anforderungen an die Kosten der Antriebseinrichtung 29 deutlich reduzieren; die Störanfälligkeit der Antriebseinrichtung 29 ist reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69334189 T2 [0002, 0004, 0020]
- DE 69334189 D2 [0040]
