DE102010005970A1 - Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls (1), welches auf einem Substrat (2) eine Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) als Funktionsschichten (6) umfasst, wobei zur Bildung einer isolierenden Trennlinie (8) in dem Randbereich des Dünnschichtmoduls (1) die Funktionsschichten (3, 4, 5) mit einem Doppel-Laserstrahl vollständig von dem Substrat (2) entfernt werden, welcher durch eine Überlagerung eines ersten Laserstrahls (11) mit einer Wellenlängeim sichtbaren Spektralbereich (VIS) mit einem zweiten Laserstrahl (12) mit einer Wellenlänge im IR oder im UV gebildet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In einer üblichen Bauform eines solchen photovoltaischen Dünnschichtmoduls werden die Frontelektrodenschicht, der photovoltaische Absorber sowie die Rückelektrodenschicht auf ein Substrat wie z. B. eine Glasscheibe abgeschieden, welches in der späteren Anwendung die der Sonnenstrahlung zugewandte Vorderseite oder die abgewandte Rückseite darstellt, wobei im ersten Fall von einer Superstratkonfiguration und im zweiten Fall von einer Substratkonfiguration gesprochen wird. Die Funktionsschichten werden durch das Einbringen von Strukturierungslinien in der Regel in streifenförmige Segmente unterteilt, welche durch eine entsprechende Anordnung der Strukturierungslinien in Serie verschaltet werden. In einem weiteren Prozessschritt wird das sogenannte Rohmodul elektrisch kontaktiert. Rückseitig wird das photovoltaische Modul bei der Superstratkonfiguration in der Regel durch das Auflaminieren einer Klebefolie sowie z. B. durch eine weitere Glasscheibe bzw. eine weitere Folie verkapselt.
  • Um beim Betrieb eines photovoltaischen Moduls eine hinreichende elektrische Isolation der unter Spannung stehenden Funktionsschichten gegenüber der Umgebung (Rahmen, Montagegestell, Aufständerung) insbesondere im feuchten oder nassen Zustand zu gewährleisten sowie das Modul zuverlässig vor dem Eindringen von z. B. Feuchtigkeit zu schützen, werden vor dem Auflaminieren der Rückenseitenabdeckung mit der Klebefolie die Funktionsschichten am Rand des Moduls in Form eines umlaufenden Streifens von dem Substrat entfernt, so dass die Klebefolie im Randbereich flächig und direkt mit dem Substrat verbunden ist und damit eine hermetische Versiegelung der Funktionsschichten gegenüber der Umgebung erfolgt. Dieser Prozess wird auch als Randentschichtung bezeichnet. Durch diesen Prozess der Randentschichtung entsteht auf dem Dünnschichtmodul, bzw. seinem Vorprodukt, ein Übergangsbereich zwischen dem entschichteten und dem beschichteten Substrat, an dem es erfahrungsgemäß zu Kurzschlüssen, also niederohmigen elektrischen Verbindungen, oder hochohmigen Verbindungen zwischen Frontelektrodenschicht und Rückelektrodenschicht kommen kann. Über diese leitenden Verbindungen fließen beim späteren Betrieb des Dünnschichtmoduls Fehlströme ab, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle und des Solarmoduls verringern und welche zu einer unerwünschten Erwärmung führen. Daher wird in der Regel zusätzlich zu der flächigen Randentschichtung in geringem Abstand von dem entschichteten Bereich zusätzlich eine isolierende Strukturierungslinie, auch Iso-Cut genannt, in das Schichtsystem des Dünnschichtmoduls eingebracht, welche alle Funktionsschichten durchtrennt und eine zuverlässige Isolierung von Front- und Rückelektrodenschicht sicherstellt, ohne diese an den Schnittkanten elektrisch zu verbinden.
  • Für das Einbringen dieser Trennlinie (Iso-Cut) ist im Stand der Technik unter anderem die Verwendung von Laserstrahlung bekannt. In diesem Fall wird auch von einem Schreiben der Trennlinie durch Laserstrahlung gesprochen. Da sich ein photovoltaisches Schichtsystem jedoch durch sehr unterschiedliche Absorbtionseigenschaften der einzelnen Funktionsschichten auszeichnet, wird bei dem Abtrag des Schichtsystems mit Laserstrahlung in der Regel nur ein unvollständiger Abtrag des Schichtsystems erreicht.
  • In der DE19933703 A1 ist zum Beispiel die Verwendung eines gepulsten Nd:YAG-Lasers zum Schreiben der Trennlinie beschrieben, wobei die Laserstrahlung entweder durch das transparente Substrat oder von der gegenüberliegenden Seite in das abzutragende Schichtsystem einer Dünnschichtsolarzelle eingebracht wird. Die Verwendung eines IR-Lasers führt jedoch nach Erfahrungen der Erfinder nicht zu einer ausreichend zuverlässigen Entfernung des Schichtsystems. Bei der Einkopplung der IR-Laserstrahlung kann es aufgrund eines relativ geringen Absorptionskoeffizienten und der Absorption der Laserenergie in einem relativ großen Volumen zum Aufschmelzen des photovoltaischen Schichtsystems kommen, wodurch unerwünschte Kurzschlüssen zwischen den Elektrodenschichten entstehen können. Ferner können Schichtrückstände verbleiben, welche den Isolationswiderstand gegenüber der Umgebung des Moduls absenken, d. h. die Frontelektrode wird nicht zuverlässig durchtrennt.
  • Auch aus der EP1005096 A2 geht hervor, dass die Funktionsschichten mit einem Laser entfernt werden können. Dazu wird ein frequenzverdoppelter YAG-Laser verwendet, der Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm im sichtbaren Bereich emittiert, also ein frequenzverdoppelter Neodym-dotierter Laser. Auch damit können die Funktionsschichten jedoch im allgemeinen nicht zuverlässig abgetragen werden. Wenn der Laserstrahl zum Beispiel auf die Rückelektrodenschicht fokussiert wird, tritt von vornherein eine Absorption des Laserlichts durch die Halbleiterschicht und die Rückelektrodenschicht ein, welche primär abgetragen werden. Reste der Frontelektrode können auf dem Substrat verbleiben. Ebenso wenig wird die Frontelektrodenschicht zuverlässig abgetragen, wenn der Laserstrahl durch das Glassubstrat eintritt, da der Laserstrahl aufgrund der Transparenz der Frontelektrodenschicht in dieser nicht absorbiert wird.
  • Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik mehrstufige Prozesse bekannt, wobei das Einbringen der isolierenden Trennlinie das Schreiben einer ersten Strukturierungslinie umfasst, welches zu Beginn des Herstellungsprozesses nach dem Aufbringen der Frontelektrodenschicht erfolgt, sowie das Schreiben mindestens einer weiteren Strukturierungslinie in Absorberschicht und Rückelektrode, welches gegen Ende des Herstellungsprozesses des Dünnschichtmoduls nach Aufbringen der Rückelektrode erfolgt. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass jeweils ein dem abzutragenden Schichtsystem angepasster Lasertyp gewählt werden kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten nach den entsprechenden Beschichtungsprozessen eingebrachten Strukturierungslinien exakt übereinander liegen müssen, um eine ausreichende Isolationswirkung zu erreichen, was aufgrund der geringen Strukturbreite der Linie in Verbindung mit der Positioniergenauigkeit entsprechender mechanischer Verfahr- bzw. Positioniereinheiten zum Beispiel mit optischen Erkennungs-/Justiersystemen problematisch ist. Unter anderem ist bei der Positionierung des Dünnschichtmoduls sogar die thermische Ausdehnung zu berücksichtigen, wenn das Modul bei den einzelnen Strukturierungsprozessen unterschiedliche Temperaturen aufweist. Dies ist in der Regel der Fall, da das Dünnschichtmodul nach dem Beschichtungsprozess mit dem photovoltaischen Absorber noch eine Temperatur von über 100°C aufweisen kann. Dieses Positionierungsproblem wird derzeit z. B. durch ein mehrfaches Schreiben parallel angeordneter Strukturierungslinien gelöst, was mit größeren Prozesszeiten verbunden und daher ineffizient ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Laser-basiertes Verfahren zum Einbringen einer isolierenden Trennlinie (Iso-Cut) bei der Herstellung photovoltaischer Dünnschichtmodule bereitzustellen, welches eine zuverlässige Auftrennung und Abtragung von Frontelektrodenschicht, Absorber und Rückelektrodenschicht und damit einen hohen Isolationswiderstand zum entschichteten Randbereich sicherstellt und welches außerdem einen hohen Isolationswiderstand zwischen Front- und Rückelektrodenschicht mit hohem Isolationswiderstand sicherstellt. Das Verfahren soll sich außerdem durch die Verwendung marktüblicher Laserquellen auszeichnen sowie insbesondere durch eine hohe Effizienz. Insbesondere soll der Iso-Cut in einem einzigen Prozessschritt eingebracht werden.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von 1 dargestellt, in welcher das photovoltaische Dünnschichtmodul dargestellt ist, welches auf einem Substrat (2) eine Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) als Funktionsschichten (6) umfasst.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Funktionsschichten (3, 4, 5) zur Bildung einer isolierenden Trennlinie (8) (Iso-Cut) mit einem Laserstrahl vollständig von dem Substrat (2) entfernt werden, wobei der Laserstrahl durch eine Strahlführungsoptik geführt wird, und durch eine Fokussieroptik (13) auf die Funktionsschichten (6) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laserstrahl um einen Doppel-Laserstrahl (14) handelt, welcher einen ersten Laserstrahl einer ersten Wellenlänge λ1 im sichtbaren Spektralbereich (VIS) und einen zweiten Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge λ2 im IR oder im UV umfasst.
  • Der Doppellaserstrahl zeichnet sich im Allgemeinen dadurch aus, dass die beiden Laserstrahlen sich zumindest in einer Querschnittsebene durch den Doppellaserstrahl so überlagern, dass sich die Brennflecken in einer Querschnittsebene, bevorzugt der Bearbeitungsebene, zumindest teilweise überlappen, wenn die Laser in kontinuierlichem Betrieb (cw-Betrieb) sind. Außerhalb dieser Querschnittsebene müssen sich die Laserstrahlen nicht zwangsweise überlagern.
  • Das VIS umfasst erfindungsgemäß den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm, das UV einen Wellenlängenbereich von 150 nm bis 400 nm und das IR einen Wellenlängenbereich von 800 nm bis 11000 nm.
  • Der erste Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ1 im sichtbaren Spektralbereich wird entsprechend den Absorptionseigenschaften einer Dünnschichtsolarzelle zu einem Großteil innerhalb der sehr dünnen Absorberschicht (4) und damit in einem sehr kleinen Volumen absorbiert. Es kommt zu einem schlagartigen Verdampfen der Absorberschicht (4), wodurch sich innerhalb des Schichtsystems ein hoher Gasdruck aufbaut und die Absorberschicht (4) und die darüberliegende Elektrodenschicht (5) abgesprengt werden. Im Gegensatz zu einem rein thermischen Abtrag, bei dem das gesamte abzutragende Material aufgeschmolzen und verdampft wird, liegt in diesem Fall ein sogenannter thermomechanischer Abtrag vor. Der thermomechanische Abtrag zeichnet sich in dem vorliegenden Fall insbesondere dadurch aus, dass das Schichtsystem im Randbereich des abgetragenen Bereiches hochwertige Schnittkanten aufweist, in denen nahezu kein Aufschmelzen des Schichtsystems und insbesondere keine Verschmelzung von Elektrodenschichten (3, 5) und Absorberschicht (4) beobachtet wird. Dadurch werden niederohmige oder hochohmige Verbindungen zwischen den Elektrodenschichten (3, 5) vermieden. Ferner erfolgt der thermomechanische Abtrag extrem schnell, so dass er im allgemeinen vor dem Abtragsprozess durch den zweiten Laserstrahl (12) abgeschlossen ist.
  • Nach dem thermomechanischen Abtrag durch den ersten Laserstrahl verbleibt auf dem Substrat (2) im allgemeinen die Frontelektrode (3) oder zumindest Rückstände der Frontelektrode, welche durch den ersten Laserstrahl (11) mit einer Wellenlänge λ1 im sichtbaren Spektralbereich (VIS) aufgrund ihrer Absorptionseigenschaften im allgemeinen nicht zuverlässig abgetragen werden können.
  • Diese auf dem Substrat verbleibende freigelegte Elektrode (3) wird durch den zweiten Laserstrahl (12) mit einer Wellenlänge λ2 im IR oder im UV abgetragen. Hierbei handelt es sich jedoch im Gegensatz zu dem ersten Abtragsprozess im allgemeinen um einen thermischen Abtragsprozess, d. h. die verbleibende Elektrode (3) wird aufgeschmolzen und verdampft. Die Verwendung eines UV-Lasers weist den Vorteil einer sehr hohen Absorption in der Frontelektrode auf und führt zu einer zuverlässigen Entfernung der Frontelektrode. Allerdings sind geeignete UV-Laserquellen relativ teuer. Bei Verwendung eines IR-Lasers wird die Laserstrahlung hingegen nicht so oberflächennah absorbiert. Auch mit IR-Lasern läßt sich jedoch die Frontelektrodenschicht zumindest soweit entfernen, dass die Frontelektrode elektrisch zuverlässig unterbrochen wird und damit eine hoher Isolationswiderstand zwischen dem umlaufendem Randbereich der Fontelektrode und dem zentralen Bereich der Frontelektrode erreicht wird.
  • Durch die Überlagerung der beiden Laserstrahlen in einem Doppel-Laserstrahl werden die Nachteile des Stands der Technik überwunden. Im Vergleich zu den Verfahren, die mit monochromatischer Laserstrahlung arbeiten, werden die Funktionsschichten vollständig und mit hoher Schnittkantenqualität und damit einem hohen Isolationswiderstand in einem Arbeitsschritt abgetragen. Ferner werden durch das Einbringen der Trennlinie in einem Prozessschritt die im Stand der Technik dargestellten Probleme der Positionierung mehrerer Strukturierungslinien zueinander, aus denen eine isolierende Trennlinie gebildet werden kann, vermieden. Auf ein mehrfaches Schreiben einer Strukturierungslinie kann daher vorteilhaft verzichtet werden, wodurch der Prozess deutlich schneller und damit effizienter wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher eine hohe Schnittqualität, und stellt einen hohen Isolationswiderstand zwischen Front- und Rückelektrodenschicht sowie einen hohen Isolationswiderstand von Front- und Rückelektrodenschicht zum Randbereich des Moduls sicher.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Das photovoltaische Dünnschichtmodul (1) kann entweder eine Substrat- oder ein Superstratanordnung aufweisen, wobei die einfallende solare Strahlung im Falle einer Superstratanordnung durch das Substrat in das Schichtsystem gelangt. Bei einer Superstratanordnung sind auf einem transparenten Substrat zumindest eine transparente Frontelektrode, eine photovoltaische Absorberschicht, sowie eine Rückelektrode angeordnet. Substrat und Frontelektrode müssen in diesem Falle zwangsweise transparent sein, wobei der Begriff transparent hier den Wellenlängenbereich der solaren Strahlung im VIS sowie im NIR umfasst. Des Weiteren umfasst ein Dünnschichtsolarmodul in der Regel weitere Schichten wie z. B. einen Rückreflektor, eine Rückseitenverkapselung sowie Elemente zur elektrischen Kontaktierung.
  • Ebenso kann es sich um ein photovoltaisches Dünnschichtmodul in einer Substratanordnung handeln. Bei einer Superstratanordnung sind auf einem Substrat zumindest eine erste Elektrode, eine photovoltaische Absorberschicht, sowie eine zweite Elektrode angeordnet. Das Substrat muss in diesem Fall nicht transparent sein.
  • Bei dem Substrat (2) kann es sich in Abhängigkeit der genannten Transmissionsanforderungen um transparente Substrate zum Beispiel aus Glas, Glaskeramik oder Kunststoff handeln, oder aber um nicht transparente Substrate wie Metall. Das Substrat kann ferner starr oder flexibel sein. Bevorzugt handelt es sich um eine Glasscheibe mit einer Stärke von ca. 1 mm bis 8 mm, welche auch eine Antireflexschicht aufweisen kann, um im Falle einer Superstratkonfiguration eine möglichst hohe solare Transmission zu ermöglichen.
  • Die Frontelektrodenschicht (3) kann zum Beispiel eine TCO-Schicht aus SnO2, ITO (Indium-Titan-Oxid) oder ZnO umfassen, wobei ZnO zum Beispiel mit Al, Ga oder B dotiert ist und SnO2 und/oder ITO vorzugsweise mit F dotiert sind.
  • Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4), in welcher die Umwandlung der optischen Energie in elektrische Energie erfolgt, kann auf dem Halbleitermaterial Si in amorpher oder mikrokristalliner Form oder einer Mischform basieren, welche amorphe und mikrokristalline Si-Phasen umfasst, es kann sich jedoch auch um andere Materialsysteme wie CdTe oder CIGS (Cadmium Indium Gallium Sulfid/Selenid) handeln. Die photovoltaische Absorberschicht (3) kann einen oder mehrere p-n-Übergange umfassen, es kann sich zum Beispiel um Einzel- oder Mehrfachstapelzellen (insb. Tandem- oder Triple-Junction-Stapelzellen) aus amorphem und/oder mikrokristallinem Halbleitermaterial handeln. Erfindungsrelevant ist ein hohes Absorptionsvermögen der Absorberschicht insbesondere im sichtbaren Spektralbereich.
  • Die Rückelektrodenschicht (5) kann ebenfalls eine TCO-Schicht aus SnO2, ITO oder ZnO umfassen, wobei ZnO vorzugsweise mit Al, Ga oder B dotiert ist und SnO2 und/oder ITO vorzugsweise mit F dotiert sind. Die Rückelektrodenschicht (5) kann aber auch in Form einer Metallschicht vorliegen oder als Kombination einer TCO-Schicht mit einer Metallschicht vorliegen.
  • Die Strahlführungsoptik erfüllt die Funktion, den Laserstrahl zu der Bearbeitungsstelle zu führen. Sie kann übliche optische Elemente wie Spiegel, Linsen, Filter, Blenden, Polarisatoren, flexible Lichtleiter sowie Galvo-Scanner (Systeme mit z. B. zwei beweglichen Spiegeln) umfassen. Die optischen Elemente können dabei mit Antireflektionsschichten für die Wellenlängen λ1 und/oder λ2 versehen sein.
  • Die Fokussieroptik (13) bildet den Abschluss der Strahlführungsoptik. Sie fokussiert den geführten Doppel-Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle. In dem vorliegenden Falle eines Laserstrahles mit zwei Wellenlängen wird bevorzugt ein Achromat eingesetzt oder eine Fokussieroptik, die zumindest für die Wellenlängen λ1 und λ2 eine nahezu identische Brennweite besitzt, so dass beide Laserstrahlen in einer Ebene fokussiert werden. Die Fokussieroptik kann z. B. ein Einlinsensystem sein, wie es in 1 schematisch dargestellt ist, sie kann aber auch mehrere Linsen oder weitere optische Elemente umfassen.
  • Der Doppel-Laserstrahl wird bevorzugt dadurch erzeugt, dass der erste Laserstrahl (11) von einem ersten Laser mit der Wellenlänge λ1 und der zweite Laserstrahl (12) von einem zweiten Laser mit der Wellenlänge λ2 im IR oder im UV erzeugt werden und dass der Doppel-Laserstrahl (14) durch eine Überlagerung der beiden Laserstrahlen (11, 12) erzeugt wird. Die Überlagerung der beiden Laserstrahlen kann z. B. durch einen Interferenzspiegel erfolgen, welcher Laserstrahlung des einen Lasers transmittiert und die des anderen Lasers reflektiert. Es sind aber auch weitere Möglichkeiten zur Erzeugung eines Doppel-Laserstrahls, der mehrere Wellenlängen umfasst, denkbar, wie zum Beispiel der Einsatz nichtlinearer optischer Elemente.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist das Substrat (2) sowohl für die Wellenlänge λ1 als auch die Wellenlänge λ2 transparent, und der Doppel-Laserstrahl wird durch das Substrat (2) hindurch in die abzutragenden Funktionsschichten (6) eingebracht. Das hat den Vorteil, dass die abgetragenen Schichtbestandteile in Gas- oder Partikelform den Laserstrahl nicht abschatten können und ein besonders gleichmäßiger Abtrag erreicht wird. Es setzt voraus, dass das Substrat selbst für die Laserstrahlung beider Wellenlängen transparent ist und durch die Laserstrahlung nicht geschädigt wird. Unter einem transparenten Substrat ist hier ein Substrat zu verstehen, welches für beide Wellenlängen λ1 und λ2 weniger als ca. 20% der eingestrahlten Energie absorbiert. Durch die Lichtbrechung an der Substratoberfläche ergibt sich im allgemeinen eine Verschiebung der Fokuslage des Doppel-Laserstrahls (in 1 und 2 nicht dargestellt), welche bei der Fokussierung berücksichtigt werden muss.
  • Die isolierende Trennlinie (8) wird erzeugt, indem der Doppellaserstrahl auf die abzutragenden Funktionsschichten (6) fokussiert wird und der Brennfleck mit einer Schneidgeschwindigkeit v relativ zu dem Dünnschichtmodul bewegt wird. Unter Brennfleck ist im Sinne der vorliegenden Erfindung der Strahlquerschnitt des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene zu verstehen, wobei der Strahlquerschnitt eines Laserstrahls der Querschnittsbereich des Laserstrahls ist, in dem seine Intensität mindestens 50% des Maximalwertes entsprechend der gängigen Definition des Strahldurchmessers als voller Breite des Laserstrahls, in welcher die halbe Maximalintensität (FWHM = Full With Half Maximum) erreicht wird. Dabei wird das Dünnschichtmodul bzw. die Fokussieroptik (13) so angeordnet, dass sich die abzutragenden Funktionsschichten (6) etwa im Bereich des Fokuspunktes des Doppel-Laserstrahles befinden. Die Dicke der abzutragenden Funktionsschichten (6) ist in der Regel mit einer Gesamtstärke von weniger als 10 μm deutlich geringer als die Fokustiefe bzw. die Tiefenschärfe, so dass die Größenveränderung des Strahlquerschnitts innerhalb der abzutragenden Funktionsschichten vernachlässigt werden kann. Der Laserstrahl fällt bevorzugt senkrecht auf die abzutragenden Funktionsschichten, kann aber auch schräg einfallen. Die Schneidgeschwindigkeit v ist eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Dünnschichtmodul und dem Brennfleck des Lasers. Dabei kann entweder das Dünnschichtmodul oder aber der Brennfleck des Lasers oder aber beide relativ zueinander bewegt werden. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vorteile und sind möglich.
  • In einer bevorzugten Variante des Verfahrens mit annähernd senkrechtem Einfall des Doppel-Laserstrahls auf das Dünnschichtmodul bildet der erste Laserstrahl (11) auf den abzutragenden Funktionsschichten (6) einen im wesentlichen kreisförmigen Brennfleck mit dem Durchmesser D1 und der zweite Laserstrahl (12) einen im wesentlichen kreisförmigen Brennfleck mit dem Durchmesser D2 aus, wobei D1 bevorzugt größer oder gleich D2 ist.
  • Der Durchmesser D1 liegt bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 400 μm und besonders bevorzugt im Bereich 30 μm bis 200 μm und der Durchmesser D2 bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 150 μm und besonders bevorzugt 15 μm bis 70 μm. Die Einstellung dieser unterschiedlichen Durchmesser D1 und D2 der Brennflecken kann zum Beispiel durch unterschiedliche Strahldurchmesser oder Divergenz der beiden Laserstrahlen vor der Fokussierung erreicht werden. Durch diese bevorzugte Einstellung der Brennfleckdurchmesser wird eine isolierende Trennlinie (8) erzeugt, deren Strukturbreite in der Absorberschicht und der Rückelektrodenschicht etwa dem Brennfleckdurchmessers D1 entspricht und in der Frontelektrodenschicht (3) etwa dem Durchmesser des Brennfleckdurchmessers D2 entspricht. Die besonderen Vorteile der unterschiedlichen Durchmesser der Brennflecken ergeben sich in Verbindung mit der folgenden bevorzugten Ausführungsform und sind dort detailliert ausgeführt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brennfleck des zweiten Lasers innerhalb des Brennfleckes des ersten Lasers senkrecht zur Schneidrichtung zum Rand des photovoltaischen Moduls hin verschoben. Dieser Fall ist in 2 dargestellt. Dabei befindet sich der gesamte Brennfleck des zweiten Lasers innerhalb des Brennflecks des ersten Lasers. In diesem Fall wird die besonders relevante auf der Modulinnenseite liegende Abtragskante der Rückelektrodenschicht (5) und der Absorberschicht (4) ausschließlich durch den thermomechanischen Abtrag erzeugt, welcher eine hohe Schnittqualität besitzt und niederohmige Verbindungen zwischen Front- und Rückelektrode vermeidet. Die Frontelektrode kann in diesem Bereich teilweise stehen bleiben. Auf der Außenseite der Trennlinie folgt auf den thermomechanischen Abtrag durch den ersten Laserstrahl der rein thermische Abtrag der Frontelektrode durch den zweiten Laserstrahl, welcher auf der Modulaußenseite zu einem schlechteren Abtragsergebnis führen kann und auch Verschmelzungen von Front- und Rückelektrode in dem Randbereich zwischen Trennlinie und randentschichtetem Bereich (7) nicht zuverlässig ausschließt. In diesem elektrisch nicht verschalteten und genutzten Bereich der Solarzelle ist ein reduzierter Widerstand zwischen Front- und Rücklektrode jedoch unschädlich. Damit bleibt die hochwertige Schnittqualität der auf der Modulinnenseite liegenden Abtragskante der Rückelektrodenschicht bzw. der isolierenden Trennlinie erhalten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Brennfleck des zweiten Lasers innerhalb des Brennflecks des ersten Lasers entgegen der Schneidrichtung verschoben. Dadurch wird eine unbearbeitete Stelle des Dünnschichtmoduls grundsätzlich erst von dem ersten Laserstrahl und anschließend von dem zweiten Laserstrahl erreicht. Es kann also ein geringer zeitlicher Abstand der beiden Abtragsprozesse erreicht werden, wodurch sichergestellt ist, dass der zweite Laserstrahl erst nach dem ersten Laserstrahl auf eine unbearbeitete Stelle trifft. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung gepulster Laser, die für die Abtragsprozesse bevorzugt eingesetzt werden. Lägen beide Brennflecken deckungsgleich übereinander und würden die beiden gepulsten Laser nicht parallel getriggert, so könnte entweder der erste oder zweite Laserstrahl zuerst auf die unbearbeitete Stelle treffen, was zu einem ungleichmäßigen Abtrag führt und durch diese bevorzugte Ausführungsform vermieden werden kann.
  • Besonders bevorzugt sind die Brennflecke der beiden Laserstrahlen konzentrisch angeordnet, so dass sich in der Bearbeitungsebene eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung der Laserstrahlung um den gemeinsamen Mittelpunkt der Brennflecke ergibt. Dieser Fall ist in 1 dargestellt. Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen asymmetrische Intensitätsverteilungen des Doppel-Laserstrahls in der Bearbeitungsebene vorliegen und die Ausrichtung/Drehung des Laserstrahl für eine einheitliche Schnittqualität in jeder Schnittrichtung jeweils an die Schneidrichtung anzupassen ist und deswegen bei einer Änderung der Schneidrichtung Dünnschichtmodul oder Laserstrahl relativ zueinander gedreht werden müssen, ist dies bei einer rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung nicht der Fall. In jeder beliebigen Schnittrichtung wird eine strukturierende Trennlinie mit dem gleichem Querschnitt-Profils und der gleichen Schnittqualität erzeugt. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn die strukturierende Trennlinie z. B. eine mäandernde Form haben soll oder mehrere Richtungswechsel aufweist. Ist der Brennfleckdurchmesser D1 entsprechend größer als der Brennfleckdurchmesser D2, bleiben auch die weiter oben beschriebenen Vorteile erhalten, d. h. insbesondere eine hohe Schnittkantenqualität der innen liegenden Abtragskante der Frontelektrode.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Lasern um gütegeschaltete Festkörperlaser. In dem relevanten Wellenlängenbereich stellen diese Laserquellen eine hohe Laserleistung sowie eine gute Strahlqualität sowie insbesondere eine ausreichend hohe Pulsspitzenleistung zur Verfügung, welche die Strukturierung der abzutragenden Funktionsschichten bei minimaler thermischer Belastung ermöglicht.
  • Als erster Laser mit einer Wellenlänge im VIS wird bevorzugt ein frequenzverdoppelter Neodym-dotierter Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge von bis zu 100 ns eingesetzt, z. B. ein Nd:YAG-Laser, ein Nd:YVO4-Festkörperlaser oder ein Faserlaser.
  • Als zweiter Laser mit einer Wellenlänge im IR oder UV wird bevorzugt ein Neodym-dotierter Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Pulslänge von bis zu 1000 ns oder ein frequenzverdreifachter Neodymdotierter Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulslänge von bis zu 900 ns eingesetzt, z. B. ein Nd:YAG-Laser oder ein Nd:YVO4-Festkörperlaser oder ein Faserlaser.
  • Vorzugsweise werden Laser verwendet, die kurze Laserpulse von weniger als etwa 1000 ns emittieren. Bei längeren Laserpulsen besteht die Gefahr, dass das zu entfernende Material zum Teil nur erhitzt und nur zum Teil entfernt wird und zudem die thermische Energie des erhitzten Materials die Substratoberfläche beschädigt.
  • Aufgrund der vorzugsweise gepulsten Festkörperlaser wird die isolierende Trennlinie (8) durch hintereinander gereihte, sich überlappende Brennflecke gebildet. Der Überlapp der einzelnen Laserpulse, für beide Wellenlängen, ist so zu wählen, dass eine durchgehende Laserlinie entsteht. Der Vorschub, respektive die Strukturierungsgeschwindigkeit, soll dabei mindestens 1000 mm/s betragen.
  • Bevorzugt weist der zweite Laser mit der Wellenlänge λ2 eine Pulsfrequenz f2 auf, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz f1 des ersten Laser mit der Wellenlänge λ1 entspricht, so dass die Laserpulse beider Laser synchronisiert werden können. Insbesondere kann durch gemeinsame Triggerung beider Laser ein konstanter Zeitversatz der Pulsen des ersten und des zweiten Lasers in der Bearbeitungsebene eingestellt werden. Der zweite Laser mit der zweiten Wellenlänge kann somit gleichmäßig zeitversetzt emittieren. Auch können die Laser mit gleicher Pulsfrequenz betrieben werden, hier ist dann evtl. eine asymmetrische Fokuslage bei gleichem Fokusdurchmesser, zu berücksichtigen. Das nicht ganzzahlige Vielfache der Pulsfrequenzen vom zweiten Laser ist ebenfalls möglich, jedoch nicht bevorzugt, da dadurch nicht zuverlässig verhindert werden kann, dass die Pulse des ersten und des zweiten Laserstrahles gleichzeitig auf die Funktionsschichten treffen, wodurch es zu unerwünschten Wechselwirkungen kommen könnte. Zum anderen kann der Abtragsprozess in Verbindung mit der Differenz der Brennfleckdurchmesser und der Schneidgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass die abzutragenden Funktionsschichten vor einem Puls des zweiten Laserstrahls, welcher ja die Frontelektrode abtragen soll, zuerst durch mindestens einen Puls des ersten Laserstrahls getroffen wird. Die gleiche Pulsfrequenz sowie das zeitversetzte Emittieren können zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Laser durch ein gemeinsames Triggersignal angesteuert werden.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
  • 1: schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Randbereich des photovoltaischen Dünnschichtmoduls senkrecht zur Schneidrichtung mit symmetrischem Doppel-Laserstrahl
  • 2: schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Randbereich des photovoltaischen Dünnschichtmoduls senkrecht zur Schneidrichtung mit asymmetrischem Doppel-Laserstrahl
  • In 1 ist der Querschnitt durch den Randbereich des photovoltaisches Dünnschichtmoduls (1) senkrecht zur Schneidrichtung dargestellt, welches auf einem Substrat (2) eine Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) als Funktionsschichten (6) umfasst. Ferner ist der randentschichtete Bereich (7) sowie die isolierende Trennlinie (8) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel wird der Doppel-Laserstrahl (14) zur Erzeugung der Trennlinie durch das Substrat hindurch eingekoppelt. Der Doppel-Laserstrahl besteht in dem dargestellten Beispiel aus einem ersten Laserstrahl (11) einer Wellenlänge im VIS, welcher im Bereich der Trennlinie die Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) abträgt, sowie einem zweiten Laserstrahl (12), welcher die Frontelektrode (3) abträgt. In diesem Fall besitzt auch die Trennlinie eine entsprechende Symmetrie. Die Fokussieroptik sowie der Strahlengang sind ebenfalls nur systematisch dargestellt.
  • In 2 ist ebenfalls ein Querschnitt durch den Randbereich des photovoltaisches Dünnschichtmoduls (1) senkrecht zur Schneidrichtung dargestellt. In 2 ist der Fall dargestellt, dass der Brennfleck des zweiten Laserstrahls innerhalb des Brennfleckes des ersten Laserstrahles zum Randbereich des photovoltaischen Moduls hin verschoben ist. Der zweite Laserstrahl kann aber auch über den Randbereich des ersten Laserstrahls hinausragen (z. B. 50% von Brennfleckdurchmesser D2). In diesem Fall besitzt die Trennlinie eine entsprechende asymmetrische Form.
  • Besonders gute Ergebnisse wurden zum Beispiel für folgendes Schichtsystem und folgende Strukturierungsparameter erreicht:
    Substrat: Glas, 4 mm
    Frontelektrode: SnO2, ca. 1000 nm Schichtdicke
    Halbleiterschicht: Si-Tandemzelle
    Rückelektrode: ZnO-Schicht und metallische
    Schichten, ca. 500 nm
    Wellenlänge λ1: 532 nm
    Wellenlänge λ2: 1064 nm
    Pulsbreite des ersten Lasers: ca. 40 ns
    Pulsbreite des zweiten Lasers: ca. 40 ns
    Fokusdurchmesser D1: ca. 80 μm
    Fokusdurchmesser D2: ca. 40 μm
    Schneidgeschwindigkeit: 1500 mm/sec
    Gemessene Isolationswiderstände:
    Frontelektrode zu Rückelektrode: > 10 MΩ·m
    Frontelektrode innen zu Randentschichtung: > 10 MΩ·m
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    photovoltaisches Dünnschichtmodul
    2
    Substrat
    3
    Frontelektrodenschicht
    4
    Halbleiterschicht
    5
    Rückelektrodenschicht
    6
    Funktionsschichten
    7
    entschichteter Randbereich
    8
    Isolierende Trennlinie (Iso-Cut)
    11
    erster Laserstrahl mit einer Wellenlänge im VIS
    12
    zweiter Laserstrahl mit einer Wellenlänge im IR oder UV
    13
    Fokussieroptik
    14
    Doppel-Laserstrahl
  • 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 19933703 A1 [0005]
    • EP 1005096 A2 [0006]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls, welches auf einem Substrat (2) eine Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) als Funktionsschichten (6) umfasst, wobei zur Bildung einer isolierenden Trennlinie (8) in dem Randbereich des Dünnschichtmoduls (1) die Funktionsschichten (3, 4, 5) mit einem Laserstrahl vollständig von dem Substrat (2) entfernt werden, wobei der Laserstrahl durch eine Strahlführungsoptik geführt wird, und durch eine Fokussieroptik (13) auf die Funktionsschichten (6) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laserstrahl um einen Doppel-Laserstrahl (14) handelt, welcher einen ersten Laserstrahl (11) einer ersten Wellenlänge λ1 im sichtbaren Spektralbereich (VIS) und einen zweiten Laserstrahl (12) einer zweiten Wellenlänge λ2 im IR oder im UV umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (11) von einem ersten Laser mit der Wellenlänge λ1 und der zweite Laserstrahl (12) von einem zweiten Laser mit der Wellenlänge λ2 im IR oder im UV erzeugt wird und dass der Doppel-Laserstrahl (14) durch eine Überlagerung der beiden Laserstrahlen (11, 12) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) sowohl für die Wellenlänge λ1 als auch die Wellenlänge λ2 transparent ist, und dass der Doppel-Laserstrahl durch das Substrat (2) hindurch in die abzutragenden Funktionsschichten (6) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Laserstrahl auf die abzutragenden Funktionsschichten (6) fokussiert wird und der Brennfleck mit einer Schneidgeschwindigkeit v relativ zu dem Dünnschichtmodul bewegt wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (11) auf den abzutragenden Funktionsschichten (6) einen im wesentlichen kreisförmigen Brennfleck mit dem Durchmesser D1 und der zweite Laserstrahl (12) einen im wesentlichen kreisförmigen Brennfleck mit dem Durchmesser D2 ausbildet, wobei D1 bevorzugt größer oder gleich D2 ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D1 bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 400 μm und besonders bevorzugt 30 μm bis 200 μm liegt und der Durchmesser D2 bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 150 μm und besonders bevorzugt 15 μm bis 70 μm liegt.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck des zweiten Laserstrahls (12) innerhalb des Brennfleckes des ersten Laserstrahls (11) senkrecht zur Schneidrichtung zum Rand des photovoltaischen Moduls hin verschoben ist.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck des zweiten Laserstrahls (12) innerhalb des Brennflecks des ersten Laserstrahls (11) entgegen der Schneidrichtung verschoben ist.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennflecke der beiden Laserstrahlen (11, 12) konzentrisch angeordnet sind, so dass sich in der Bearbeitungsebene eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung der Laserstrahlung um den gemeinsamen Mittelpunkt der Brennflecke ergibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 2 sowie wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beiden Lasern um gütegeschaltete Festkörperlaser handelt.
  11. Verfahren nach Anspruch 2 sowie wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser ein frequenzverdoppelter Neodym-dotierter Festkörper-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge von bis zu 100 ns ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 2 sowie wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laser ein Neodym-dotierter Festkörper-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, und einer Pulslänge von bis zu 1000 ns, oder ein frequenzverdreifachter Neodym-dotierter Festkörper-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulslänge von bis zu 900 ns oder ein Faserlaser ist.
  13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Trennlinie (8) durch hintereinander gereihte, sich überlappende Brennflecke gebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 2 sowie wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laser mit der Wellenlänge λ2 eine Pulsfrequenz f2 aufweist, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz f1 des ersten Lasers mit der Wellenlänge λ1 entspricht.
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