DE102009043604A1

DE102009043604A1 - Verfahren zur Randentschichtung von Dünnschichtsolarzellenmodulen mittels Hochleistungs-Festkörperlaser

Info

Publication number: DE102009043604A1
Application number: DE102009043604A
Authority: DE
Inventors: Frank Schmieder
Original assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Verfahren zur Entschichtung eines Randbereiches von Dünnschichtsolarzellenmodulen, bei dem ein Laserstrahl den Randbereich des Dünnschichtsolarzellenmoduls segmentweise abscannt, wobei Spuren von aneinandergereihten Strahlflecken, die jeweils durch einen Laserpuls verursacht werden, mit wechselndem Richtungssinn und jeweils um eine Spurbreite versetzt, erzeugt werden, wobei jedes Segment mit einer ununterbrochenen Pulskette, bestehend aus einem Erstpuls und einer Vielzahl von Folgepulsen, abgescannt wird und der Erstpuls neben das Dünnschichtsolarzellenmodul in eine Laserfalle gerichtet wird, um einen örtlich überhöhten Energieeintrag durch die überhöhte Intensität des Erstpulses zu vermeiden. Vorteilhaft wird die Pulsfrequenz vor dem Wechsel des Richtungssinns verringert und anschließend wieder auf die vorgegebene Pulsfrequenz erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie es gattungsgemäß aus der DE 20 2008 005 970 U1 bekannt ist.
Zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellenmodulen (Modulen) werden heutzutage überwiegend Glasplatten (Substratschicht), die in ihren Abmessungen einem Vielfachen der Abmaße eines Moduls entsprechen, z. B. 2,60 m × 2,20 m, mit verschiedenen Funktionsschichten beschichtet und strukturiert, bevor sie entlang ihrer Ränder (Streifen, welche die Ränder der aufgetrennten Module bilden) wieder entschichtet, in einzelne Module aufgetrennt und verkapselt werden.
Aus der DE 20 2008 005 970 U1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Randentschichten von Dünnschichtsolarzellenmodulen mittels Laserstrahlung bekannt.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein gepulster Laserstrahl, von der unbeschichteten Seite des Substrates her, auf den zu entschichtenden Randbereich gerichtet. Der Laserstrahl hat einen rechteckförmigen Querschnitt mit relativ scharfen Rändern und gleichförmiger Intensitätsverteilung. In Abhängigkeit von der Wiederholrate der Laserpulse, die hier mit 50 Hz als typisch angegeben wurde, tastet der Laserstrahl mit einer solchen Geschwindigkeit den Randbereich ab, sodass dieser vollständig ohne große Überlappungsverluste vom Laserstrahl beaufschlagt wird. Dabei versetzt der Scanner den auftreffenden rechteckförmigen Strahlfleck mit jedem Laserpuls um eine Breitseite unter Beibehaltung einer kleinen Überlappung. So wird entlang einer Linie Rechteck an Rechteck aufgereiht und dann um eine Längsseite versetzt, um die nächste Reihe abzutasten. Insgesamt wird ein 10 × 60 mm² großes Segment des zu entschichtenden Randbereiches mit dem Scanner abgerastert. Die Scanbewegung wird von einer wesentlich langsameren translatorischen Relativbewegung zwischen dem Scanner und dem Dünnschichtsolarzellenmodul entlang der Richtung der Mittellinie des umlaufenden Randes realisiert, womit in Richtung der Mittellinie aneinander gereihte Segmente entschichtet werden.
Aus der Angabe, dass die Überlappung der Strahlflecken beibehalten wird, kann der Fachmann ableiten, dass der Laser über die Zeitdauer, in der der Schwingspiegel des Galvo-Scanners, welcher die Linienabtastung verursacht, seine Schwingrichtung ändert, abgeschaltet wird. Da die Bewegung des Schwingspiegels unvermeidbar vor dem Umkehrpunkt eine negative Beschleunigung bis auf die Geschwindigkeit Null und anschließend wieder eine positive Beschleunigung auf seine Schwinggeschwindigkeit erfährt, können die Überlappungsbereiche nicht gleich gehalten werden.
Die Abschaltung des Lasers, insbesondere wenn es sich um einen Hochleistungs-Festkörperlaser handelt, hat jedoch zwei auf das Abtragsergebnis negativ wirkende Folgen.
Zum einen haben diese Laser in der Regel die Eigenschaft, dass sie bei abgeschaltetem Pulsregime eine gewisse cw-Strahlung mit 20% der gepulsten Laserstrahlleistung emittieren und zum anderen hat der Erstpuls nach dem Wiedereinschalten eine um 50–200% höhere Einzelpulsenergie, als die Folgepulse der Pulskette, deren Pulsenergie nahezu gleich ist.
Die cw-Strahlung mit 20% der gepulsten Laserstrahlleistung, die in der Zeitdauer auf das Solarzellenmodul auftrifft, in der die Geschwindigkeit nahezu Null ist und damit nahezu auf einen Auftreffbereich auftrifft der in seiner Ausdehnung nicht viel größer ist als ein Strahlfleck, führt zu einem örtlich stark überhöhten Energieeintrag. Dieser wird mit dem Erstpuls noch erhöht. Dadurch kann es zur Beschädigung des Substrates, z. B. durch das Generieren von Mikrorissen, kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren gemäß der DE 20 2008 005 970 U1 dahingehend zu verbessern, dass eine Beschädigung durch einen temporär zu hohen Energieeintrag vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch beschrieben.
Wie bereits einleitend erläutert, besteht ein Dünnschichtsolarzellenmodul aus einer Substratschicht, die in der Regel durch eine Glasplatte gebildet wird, und mehreren darauf aufgebrachten Funktionsschichten. Bevor das Dünnschichtsolarzellenmodul in einzelne Zellen aufgetrennt wird und diese dann einzeln verkapselt werden, wird es in den Bereichen, die später die Randbereiche der einzelnen Zellen bilden, entschichtet, was als Randentschichtung bezeichnet wird.
Gleich anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird mit einem, von einem Hochleistungs-Festkörperlaser ausgesendeten Laserstrahl, mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz und einer vorgegebenen Scangeschwindigkeit, der Randbereich des Dünnschichtsolarzellenmoduls segmentweise abgescannt. Dazu wird der Laserstrahl auf einen Zweiachs-Galvanometer-Scanner gerichtet. Die beiden Schwingspiegel des Zweiachs-Galvanometer-Scanners werden so angesteuert, dass der gepulste Laserstrahl Spuren von aneinander gereihten Strahlflecken, mit wechselndem Richtungssinn und jeweils um eine Spurbreite versetzt, erzeugt. Über die Einschaltdauer bildet der Laserstrahl eine Pulskette mit einem Erstpuls und einer Vielzahl von Folgepulsen, wobei jeder Puls einen Strahlfleck innerhalb des Segmentes abbildet.
Es ist erfindungswesentlich, dass der Erstpuls neben das Dünnschichtsolarzellenmodul in eine Laserfalle gerichtet wird, um einen örtlich überhöhten Energieeintrag durch die überhöhte Intensität des Erstpulses zu vermeiden.
Der anschließende erste Folgepuls und alle weiteren Folgepulse treffen dann auf ein abzuscannendes Segment des Randbereiches auf. Die Pulsfrequenz, die Scangeschwindigkeit und die Laserleistung sind so gewählt, dass vorteilhaft pro Puls die von einem Strahlfleck beaufschlagte Fläche entschichtet wird und sich die Strahlflecken nur geringfügig überlappen, um eine vollständige Entschichtung sicherzustellen. Die genannten Verfahrensparameter können aber z. B. auch so eingestellt werden, dass sich die Strahlflecken hälftig überlappen, womit eine gleiche Fläche zur Entschichtung mit zwei Pulsen beaufschlagt wird.
Die Strahlflecken weisen vorteilhaft eine rechteckige Form und eine homogene Intensitätsverteilung auf.
Dadurch dass der erste Schwingspiegel, welcher die Strahlablenkung entlang einer Spur bewirkt, seinen Schwingungsrichtungssinn ändert, wird die Schwinggeschwindigkeit unmittelbar vor dem Umkehrpunkt abgebremst, geht auf Null und steigt anschließend wieder auf die vorgegebene Schwinggeschwindigkeit an. Der erste Schwingspiegel behält dabei die Schwingungsrichtung bei, ändert jedoch den Schwingungsrichtungssinn.
Über die Zeitdauer der nicht konstanten Schwinggeschwindigkeit, die einige ms andauern kann und in der die Schwingbewegung des ersten Schwingspiegels durch die Schwingbewegung des zweiten Schwingspiegels überlagert wird, welche den Laserstrahl um eine Spurbreite versetzt, verändert sich die Überlappung der Strahlflecken und damit der örtliche Energieeintrag.
Gemäß dem Stand der Technik werden nur solche Strahlflecken abgebildet, die eine gleiche Überlappung haben, das heißt, die Pulskette wird an den Umkehrpunkten unterbrochen und anschließend wieder gestartet.
Der Anmelder hat jedoch festgestellt, dass sich die Verfahrensparameter so einstellen lassen, dass auch dann in den Randbereichen der Segmente eine ordnungsgemäße Entschichtung vonstatten geht, wenn die Pulskette nicht unterbrochen wird.
Die Veränderung der Überlappung am Rand der Segmente kann vorteilhaft verringert werden, indem die Pulsfrequenz vor dem Wechsel des Richtungssinns verringert und anschließend wieder auf die vorgegebene Pulsfrequenz erhöht wird, wodurch ein örtlich überhöhter Energieeintrag vermieden wird.
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

DE 202008005970 U1 [0001, 0003, 0009]

Claims

Verfahren zur Entschichtung eines Randbereiches von Dünnschichtsolarzellenmodulen, bei dem ein Hochleistungs-Festkörperlaser einen Laserstrahl mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz emittiert und dieser, über einen Zweiachs-Galvanometer-Scanner umgelenkt, den Randbereich des Dünnschichtsolarzellenmoduls mit einer vorgegebenen Scangeschwindigkeit segmentweise abscannt, wobei Spuren von aneinander gereihten Strahlflecken, die jeweils durch einen Laserpuls verursacht werden, mit wechselndem Richtungssinn und jeweils um eine Spurbreite versetzt, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment mit einer ununterbrochenen Pulskette, bestehend aus einem Erstpuls und einer Vielzahl von Folgepulsen, abgescannt wird und dass der Erstpuls neben das Dünnschichtsolarzellenmodul in eine Laserfalle gerichtet wird, um einen örtlich überhöhten Energieeintrag durch die überhöhte Intensität des Erstpulses zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz vor dem Wechsel des Richtungssinns verringert und anschließend wieder auf die vorgegebene Pulsfrequenz erhöht wird, wodurch ein örtlich überhöhter Energieeintrag durch die zunehmende Überlappung der Strahlflecken an den Segmenträndern vermieden wird.