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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von insbesondere linienförmigen Ausnehmungen in ein Substrat mittels eines Laserstrahls, bei der das Substrat mittels einer Transporteinheit in Durchlaufrichtung entlang einer Transportachse beweglich antreibbar ist, wobei der Laserstrahl zum Einbringen der linienförmigen Ausnehmungen entlang einer zu der Durchlaufrichtung quer verlaufenden Hauptachse ablenkbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein für die Vorrichtung bestimmtes Verfahren.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von linienförmigen Ausnehmungen in Substrate zur Strukturierung von Dünnschicht-Solarzellen werden in der Praxis bereits vielfach eingesetzt und zählen somit zum Stand der Technik.
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Dünnschicht-Solarmodule bestehen zumeist aus einem Glassubstrat, auf das zwei Elektroden aus leitenden Materialien aufgebracht werden, wobei dazwischen ein Lichtabsorber mittels Dünnschichtverfahren angeordnet ist.
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Zur Herstellung der Dünnschicht-Solarmodule werden die Glassubstrate in Beschichtungsanlagen vorzugsweise mit drei Schichten beschichtet. Zur Serienverschaltung der einzelnen Zellen innerhalb eines Solarmoduls werden die Schichten in mehreren Strukturierungsschritten selektiv aufgetrennt, indem Linien in die Solarmodule eingebracht werden.
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Die Dünnschicht-Solarmodule sind dabei in Struktureinheiten unterteilt, die voneinander durch Übergangsbereiche getrennt sind. In den Struktureinheiten findet bei Bestrahlung mit Licht die Trennung von Elektronen und Löchern statt, während mit den Übergangsbereichen die elektrische Verschaltung und Kontaktierung der Struktureinheiten erfolgt. Dazu sind in den Übergangsbereichen Spuren bildende Ausnehmungen erforderlich, in denen Material einer dünnen Schicht entfernt ist und gegebenenfalls durch ein anderes Material, etwa das Material einer darüberliegenden Schicht oder eines Leiters, etwa Silber, ersetzt ist. In den Übergangsbereichen liegen mehrere Spuren in einer bestimmten Abfolge nebeneinander.
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Die nebeneinanderliegenden Spuren dürfen sich nicht kreuzen, da sonst elektrische Kurzschlüsse auftreten können, die eine oder mehrere Struktureinheiten unbrauchbar machen würden. Bei der Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls wird üblicherweise auf einem planeren Substrat zunächst eine erste dünne Schicht vollflächig aufgebracht und anschließend strukturiert.
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Nach jedem Beschichtungsprozess werden in gleichmäßigen Abständen mittels Laser Kanäle in die Schicht eingebracht. In die nachfolgende Schicht werden die Kanäle jeweils mit einem kleinen Versatz zu den zuerst eingebrachten Kanälen eingebracht. Im Ergebnis der Strukturierung aller drei Schichten ergibt sich eine Aufteilung der gesamten Modulfläche in einzelne Solarzellen, die in Reihe zueinander verschaltet sind.
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An die Verfahren zur Strukturierung der Dünnschicht-Solarmodule werden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die einerseits aus der Notwendigkeit der rationellen und kostengünstigen Produktion, andererseits aus dem Streben nach bestmöglicher Ausnutzung der Modulfläche resultieren.
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Die Kosten der Strukturierung werden maßgeblich durch die Investitionskosten in die Strukturierungsanlage, in deren Platzbedarf und Produktivität bestimmt. Angestrebt werden kompakte, kostengünstige Strukturierungsanlagen mit einem hohen Durchsatz an Dünnschicht-Solarzellen pro Zeiteinheit. Zur Steigerung der Produktivität von Strukturierungsanlagen werden in der Praxis meist mehrere Laserstrahlen parallel eingesetzt, die von einer oder mehreren Laserquellen bereitgestellt werden. Daneben hat es sich in der Praxis gezeigt, dass Kosten und Produktivität der Strukturierungsanlagen wesentlich durch die Zeit für das Zuführen der Glassubstrate beeinflusst werden, insbesondere dann, wenn während des Zuführvorgangs die Laser als kostenintensivster Teil der Anlage ausgeschaltet bleiben müssen.
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Die bestmögliche Ausnutzung der Solarmodulfläche wird erreicht, wenn die linienförmigen Kanäle und die Abstände zwischen ihnen auf die elektrisch notwendigen Breiten reduziert werden, wobei sich die Kanäle weder berühren noch kreuzen dürfen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Glassubstrat durch einige Beschichtungsprozesse plastische Verformungen erfährt, die dazu führen, dass zuvor korrekt eingebrachte Kanäle ihre Lage verändern. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass die drei aufeinanderfolgenden Strukturierungsschritte oftmals auf unterschiedlichen Laseranlagen durchgeführt werden, was zu weiteren Lagetoleranzen der Kanäle führen kann.
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Bisherige Laserstrukturierungsanlagen für Dünnschicht-Solarmodule arbeiten nach verschiedenen Verfahren, die die Forderungen nach Kosteneffizienz und hohem Durchsatz einerseits und bestmöglicher Ausnutzung der Modulfläche andererseits nur unzureichend erfüllen.
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Die
US 2003/0029848 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Glassubstrat an einem Galvanometerscanner vorbeigeführt wird, welcher einen Laserstrahl über die gesamte Breite des Glassubstrats ablenkt. Dieses Verfahren eliminiert weitgehend die Zuführzeiten, in denen der Laser ausgeschaltet bleibt. Es ist jedoch mit mehreren prinzipiellen Nachteilen behaftet. Erstens bedingt die große Scanlänge eine lange Brennweite der Laserfokussierung und damit einen vergleichsweise großen Laserspot auf der Schicht, was zu einem relativ breiten Kanal und damit zu einem Verlust an aktiver Modulfläche führt. Die Galvanometerscanner begrenzen zweitens die Zahl der Laser, die verlässlich parallel eingesetzt werden können. Das Nachverfolgen eines vorher eingebrachten Kanals und das Einbringen eines Kanals in die Folgeschicht mit einem konstanten Abstand zum nachverfolgten Kanal werden durch den großen Arbeitsabstand stark erschwert.
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Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, dass eine Anzahl von Laserstrahlen so nebeneinander positioniert wird, dass ihre Abstände zueinander einem Vielfachen des Kanalabstands einer Struktur bzw. der Zellenbreite entsprechen. Zur Änderung der Strahlabstände wird jeder Laserstrahl durch eine Achse oder einen Galvanometerscanner quer zur Durchlaufrichtung zugestellt. Das Substrat wird mit Greifern gefasst und mittels einer sehr dynamischen mechanischen Achse unter oder über den Laserstrahlen entlang der Durchlaufrichtung bewegt. Danach wird die Position der Laserstrahlen mittels der Zustellachsen um eine Zellenbreite verändert und das Glassubstrat wird in entgegengesetzter Richtung unter oder über den Strahlen entlang bewegt. Der Vorgang wird wiederholt, bis alle Kanäle eingebracht sind. Dann wird das Substrat aus der Anlage transportiert und ein nachfolgendes Substrat wird zugeführt und wiederum gegriffen. Anlagen nach diesem Verfahren können die Zuführzeit nicht eliminieren. Sie benötigen ein Transportsystem zusätzlich zum Hauptantrieb, der das Substrat bewegt. Letzterer muss mindestens die doppelte Länge des Substrats verfahren können und muss speziell für die Substratgröße und das Substratgewicht ausgelegt werden. Solche Anlagen sind vergleichsweise groß, schwer und teuer.
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Bei einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Strukturierung von Dünnschicht-Solarmodulen werden die Kanäle stets quer zur Durchlaufrichtung des Substrats eingebracht. Dazu wird ein Bearbeitungskopf mit einem Paket aus mehreren Laserstrahlen auf einer schnellen Strukturierungsachse quer zur Durchlaufrichtung bewegt. Der Bearbeitungskopf enthält die Mittel zur Einstellung der Strahlabstände und zur Verfolgung eines vorher strukturierten Kanals. Das zu strukturierende Substrat wird durch Greifer gefasst und mittels einer dynamischen Zustellachse entlang der Durchlaufrichtung jeweils um eine Laserpaketbreite weitertransportiert. Bei diesem Verfahren sind die kompakte Anordnung der Laserstrahlen und die einfache Anordnung zur Nachverfolgung eines vorher strukturierten Kanals vorteilhaft. Im Übrigen treffen jedoch die Nachteile des zuvor beschriebenen Verfahrens hinsichtlich Transportsystem, Größe, Gewicht und Kosten sinngemäß auch auf dieses Verfahren zu.
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Die
DE 10 2006 051 555 A1 bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Strukturierung eines Dünnschicht-Solarmoduls, wobei auf ein Substrat mehrere dünne Schichten aufgebracht werden und wobei in die dünnen Schichten jeweils linienförmige Spuren eingebracht werden, in denen das Material mindestens einer dünnen Schicht wieder entfernt wird. Dabei führt eine Erwärmung während der Durchführung des Verfahrens zu einer dauerhaften Verformung vormals gerade verlaufender Spuren, die dadurch beispielsweise bogenförmig verzerrt werden. Um sicherzustellen, dass neu einzubringende Spuren nicht mit bereits vorhandenen Spuren infolge einer solchen Verzerrung kollidieren, wird zunächst der Verlauf einer vorhandenen Spur bestimmt und beim Einbringen der neuen Spur der Verlauf der neuen Spur relativ zum Verlauf der vorhandenen Spur geregelt.
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Die
DE 10 2006 033 296 A1 betrifft eine Anlage zur Strukturierung von Solarmodulen umfassend ein ein Solarmodul in einer Transportebene in eine erste Achsrichtung in der Durchlaufrichtung transportierendes Transportsystem. Die Anlage hat zwei Querachsen mit jeweils einem Strukturierungswerkzeug, nämlich eine erste Querachse mit einem Lasersystem und eine zweite Querachse mit einem mechanischen Strukturierungswerkzeug. Durch die quer zur Durchlaufrichtung angeordnete Querachse ist eine Strukturierung parallel zur kurzen als auch zur langen Seite des Solarmoduls möglich. Indem mehrere Laserstrahlen quer zur Bearbeitungsrichtung nebeneinander angebracht sind, können mehrere Spuren parallel bearbeitet werden. Dabei kann der Laser an der Querachse beweglich oder ortsfest angeordnet sein, wobei nur die Laseroptik entlang der Querachse beweglich ist. Durch die Kamera können der Linienverlauf der zuvor realisierten Strukturierung oder eingebrachte Referenzmarken ermittelt werden. Der aufgenommene Linienverlauf ist die Grundlage für die nachfolgende Strukturierung der zweiten Schicht. Hierzu wird eine Kurve über die gemessenen Stützpunkte interpoliert. Für die Strukturierung der Schichten kann das Einmessen alternativ auch durch das Vermessen von Referenzmarken erfolgen, die beispielsweise in einem vorhergehenden Schritt eingebracht wurden.
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Optische Vorrichtungen zur Nachverfolgung eines vorher eingebrachten Kanals sind weiterhin auch in der
JP 2004-170455 A und der
DE 10 2006 051 555 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders wirtschaftliche Vorrichtung zur Strukturierung von Substraten zu schaffen. Insbesondere sollen eine Vorrichtung für einen optimalen Arbeitsprozess sowie ein damit realisierbares, optimiertes Verfahren geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß hat also die Vorrichtung zur Ablenkung mehrerer Laserstrahlen auf das Substrat zumindest eine entlang einer zu der Transportachse parallelen Nachführachse bewegliche Ablenkeinheit. Erfindungsgemäß wird die Anforderung nach einem wirtschaftlichen Verfahren zur Strukturierung von hocheffizienten Dünnschicht-Solarmodulen mit einer einfachen und kostengünstigen Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Substrate mittels der Transporteinheit an einer Ablenkeinheit für die Laserstrahlen als eine kompakte Strukturierungseinheit zum Einbringen der linienförmigen Ausnehmungen in das Substrat vorbeigeführt werden, wobei mehrere Laserstrahlen sowohl quer als auch parallel zur Transportachse bewegt werden. Die Vorrichtung umfasst eine quer zur Durchlaufrichtung des Substrats bewegliche Hauptachse und einen Bearbeitungskopf mit einer Anzahl sehr leichter, in Durchlaufrichtung als Nachführachsen bewegter Ablenkeinheiten, die zusätzlich jeweils entlang der Hauptachse verfahren werden. Jeder Laserstrahl wird entlang dieser Nachführachse derart abgelenkt, dass insbesondere eine zu der Bewegung des Substrats in Durchlaufrichtung synchrone Bewegung erzeugt wird, wobei zugleich auch weitere Einflussfaktoren, die eine wirtschaftliche und effiziente Bearbeitung des Substrats begünstigen, berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann die Nachführachse sowohl dem Ausgleich der in Durchlaufrichtung erfolgenden Bewegung des Substrats als auch der Position und der Orientierung zuvor eingebrachter und erfasster linienförmiger Ausnehmungen sowie der Einstellung der gewünschten Abstände der linienförmigen Ausnehmungen voneinander dienen und dementsprechend mittels einer Steuereinheit einzeln angesteuert werden. In der Praxis werden dabei insbesondere Glassubstrate eingesetzt.
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Vorzugsweise ist dabei jedem Laserstrahl eine separate Ablenkeinheit zugeordnet, wobei auch Varianten realisierbar sind, bei denen mehrere Laserstrahlen gemeinsam, mit einem festen Abstand auf das Substrat abgelenkt werden.
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Die Bewegung der Ablenkeinheit entlang der Nachführachse kann in beliebiger Weise realisiert werden, wobei beispielsweise auch Schwenkkörper oder Kulissenführungen verwendet werden können. Hingegen ist es besonders vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Ablenkeinheiten einen in Richtung der Nachführachse beweglichen Schlitten aufweisen, der entlang einer Schiene vorzugsweise in Verbindung mit einer reibungsarmen Lagerung parallel zu der Transportachse beweglich ausgeführt ist.
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Eine besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass jede Ablenkeinheit eine gemeinsam mit einem Ablenkspiegel in Richtung der Nachführachse bewegliche Fokussieroptik zur Ablenkung eines auf die Ablenkeinheit treffenden Laserstrahls auf das Substrat aufweist. Durch die Fokussierung der Laserstrahlen an der Ablenkeinheit ergeben sich sehr kleine Laserfokuspunkte auf dem Material und damit sehr schmale Ausnehmungen, die ein Optimum aus der elektrisch notwendigen Breite und der effizienten Flächenausnutzung bilden. Indem die Ablenkeinheiten unabhängig voneinander mittels eines jeweiligen Antriebs in Richtung der Nachführachse beweglich ausgeführt sind, ergibt sich eine unabhängige Ansteuerungsmöglichkeit aller Laserstrahlen.
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Jede Ablenkeinheit könnte mit einer in Richtung der Nachführachse beweglichen Laserquelle oder mit einem beweglichen Faserende ausgestattet sein, wobei ein Ablenkspiegel gegebenenfalls dann entbehrlich ist, wenn der Laserstrahl in Richtung auf das Substrat aus der Laserquelle oder aus dem Faserende austritt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird hingegen dadurch erreicht, dass die den einzelnen oder mehreren Ablenkeinheiten zugeordneten Laserstrahlen entlang einer Strahlachse parallel zu der Hauptachse, insbesondere als Freistrahl zuführbar sind und mittels eines jeder Ablenkeinheit zugeordneten Umlenkspiegels in Richtung der Transportachse ablenkbar sind. Hierdurch wird eine weitere wesentliche Vereinfachung der Vorrichtung und damit eine Reduzierung der bewegten Masse erreicht, die eine hohe Prozessdynamik gestattet. Die Laserstrahlen werden dabei zunächst seitlich parallel zu der Hauptachse in einer geschlossenen Strahlstrecke oder als Freistrahl zugeführt und treffen dann auf einen dem jeweiligen Strahl zugeordneten Umlenkspiegel, der synchron zu dieser entlang der Hauptachse beweglich oder als Teil der Ablenkeinheit ausgeführt ist, wobei der Umlenkspiegel hierzu an der Ablenkeinheit stationär, also gemeinsam mit dieser aber relativ zu dem Ablenkspiegel sowie der Fokussieroptik unbeweglich angeordnet ist.
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Grundsätzlich sind auch solche Varianten denkbar, bei denen die Ablenkeinheiten unabhängige Baueinheiten bilden und somit unabhängig voneinander in Richtung der Hauptachse verfahrbar sind. Hierzu können die Ablenkeinheiten unabhängig voneinander mittels eines jeweiligen Antriebs beweglich ausgeführt sein. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn mehrere Ablenkeinheiten an einem gemeinsamen Bearbeitungskopf in Richtung der Hauptachse beweglich angeordnet sind, sodass die Vorschubgeschwindigkeit aller Laserfokuspunkte auf dem Substrat für alle Laserstrahlen übereinstimmt. Zugleich kann so eine konstruktive Vereinfachung durch eine Zusammenfassung der Ablenkeinheiten zu einer Baueinheit erfolgen, die mittels eines Antriebs in Richtung der Hauptachse beweglich ist.
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Dabei erweist es sich als besonders Erfolg versprechend, wenn die Ablenkeinheiten in Abhängigkeit von dem erfassten Verlauf, der erfassten Abweichung, der Geschwindigkeit, der Position und/oder der Orientierung zumindest einer zuvor eingebrachten linienförmigen Ausnehmung und/oder des Substrats entlang der Nachführachse an dem Bearbeitungskopf beweglich angeordnet sind. Indem die Steuerung bzw. Regelung der Ablenkeinheiten in Abhängigkeit von der Ist-Situation erfolgt, wird ein optimales Arbeitsergebnis sichergestellt. Dabei werden solche abweichenden Werte ermittelt, die sich sowohl aus Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung ergeben als auch aufgrund äußerer oder indirekter Einwirkungen, wie beispielsweise thermische Verformungen aufgrund des Energieeintrags bei der Beschichtung.
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Zwar könnte die Nachführbewegung zum Ausgleich des Substratvorschubs für alle Laserstrahlen gemeinsam durch eine Bewegung des Bearbeitungskopfs in Richtung der Ablenkachsen realisiert werden, sodass die synchrone Bewegung zu dem Substrat durch die Bewegung des Bearbeitungskopfs realisiert werden kann. Besonders vorteilhaft ist dagegen die Realisierung der gesamten Ablenkbewegung für jeden Laserstrahl individuell, also allein durch den jeder Ablenkeinheit zugeordneten Antrieb, da so die geringste Masse bewegt werden muss.
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Eine weitere, besonders zweckmäßige Gestaltung der Erfindung wird dadurch realisiert, dass die Vorrichtung insbesondere in dem Bearbeitungskopf Mittel zur Aufteilung eines zugeführten Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen aufweist. Durch einen derartigen Strahlverteiler für Laserstrahlung wird ein eingehender Strahl in mehrere Teilstrahlen aufgespaltet, indem der Laserstrahl beispielsweise zunächst auf einen Polarisationsrotator trifft. Durch die variabel einstellbare Polarisation des Laserstrahls wird dieser an einem im weiteren Strahlengang angeordneten Polarisationsstrahlteiler entsprechend anteilig reflektiert bzw. transmittiert, sodass sich eine Mehrzahl von Teilstrahlen ergibt.
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Besonders sinnvoll ist weiterhin auch eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Vorrichtung ein insbesondere an dem Bearbeitungskopf angeordnetes Mittel zur Erfassung zuvor eingebrachter Ausnehmungen aufweist, um so eine Spurnachverfolgung innerhalb des Bearbeitungskopfs zu realisieren. Zusätzliche Sensoren sind dabei nicht erforderlich.
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Weiterhin ist es besonders Erfolg versprechend, wenn die Vorrichtung eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der Fokuslage eines Laserstrahls in Abhängigkeit des kontinuierlich erfassten Abstands des Bearbeitungskopfs von dem Substrat im Bereich der einzubringenden Ausnehmung aufweist, um so auch eine Veränderung der Materialstärke oder eine Verformung gegenüber der ebenen Beschaffenheit des zugeführten Substrats zuverlässig zu erkennen. Insbesondere werden so Wölbungen des Substrats erfasst und der dadurch veränderte Abstand durch die Fokuslagennachführung ausgeglichen.
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Besonders praxisgerecht ist es auch, wenn das Einbringen der linienförmigen Ausnehmungen während der reversierenden Bewegung des Bearbeitungskopfs entlang der Hauptachse in beide Richtungen erfolgt. Hierdurch wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend erhöht.
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Weiterhin kann je nach den Anforderungen in der Praxis der Bearbeitungskopf unterhalb oder oberhalb des Substrats beweglich angeordnet sein, wobei selbstverständlich eine Bearbeitung des Substrats in einer Hochkantposition nicht ausgeschlossen ist. Hierbei können beispielsweise Vakuumgreifer für eine sichere Fixierung des Substrats eingesetzt werden.
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Weiterhin ist es besonders sinnvoll, wenn das Substrat mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Geschwindigkeit in Durchlaufrichtung bewegt wird, um so einerseits einen verlässlichen Durchsatz zu erreichen, andererseits den Aufwand für die Transportbewegung des Substrats zu reduzieren, indem der Aufwand für das dynamische Positionieren durch Beschleunigen und Abbremsen entfällt.
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Die zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Anwendung bei der Vorrichtung zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere Laserstrahlen zum Einbringen der Ausnehmungen zugleich auf das Substrat abgelenkt werden, wobei jeder Laserstrahl unabhängig von den übrigen Laserstrahlen entlang einer zu der Transportachse parallelen Nachführachse mittels einer entlang der Nachführachse beweglichen Ablenkeinheit derart auf das Substrat abgelenkt wird, dass die Bewegung des Substrats in Durchlaufrichtung, die Position und die Orientierung zuvor eingebrachter und erfasster Ausnehmungen und/oder der gewünschten Abstände der Ausnehmungen voneinander eingestellt oder ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß werden also die Ablenkeinheiten während einer Bewegung des Bearbeitungskopfs in Richtung der Hauptachse quer zur Transportachse des Substrats zugleich entlang der jeweiligen Nachführachsen parallel zu der Transportachse bewegt, um so die Vorwärtsbewegung des Substrats zu kompensieren. Der durch den Laserstrahl eingebrachte Kanal verläuft im Wesentlichen parallel zu der Vorderkante des Substrats und/oder zu der Lage eines vorher eingebrachten Kanals, sodass sowohl Abweichungen der nachverfolgten Ausnehmung von ihrer Soll-Lage als auch Ungleichförmigkeiten der Bewegung des Substrats ausgeglichen werden. Am Ende der Bewegung der Hauptachse werden die Nachführachsen um eine Strahlpaketbreite zurückgestellt. Während der Bewegung der Hauptachse in entgegengesetzter Richtung quer zum Substrat wiederholen die Nachführachsen die oben beschriebene Bewegung in Durchlaufrichtung unter Berücksichtigung der Lage eines zuvor eingebrachten Kanals und der aktuellen Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats.
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Dadurch, dass die Fokussierung der Laserstrahlen in der jeweiligen Ablenkeinheit des Bearbeitungskopfs erfolgt, ergeben sich sehr kleine Laserfokuspunkte auf dem Material und damit sehr schmale Kanäle. Durch die Regelung der Abstände zu einem vorher eingebrachten Kanal können die Abstände der kanalartigen Ausnehmungen einer Zelle zueinander auf das elektrisch notwendige Maß minimiert werden. Damit erfüllt das Verfahren den Anspruch nach maximal möglicher Ausnutzung der Substratfläche.
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Gleichzeitig entfällt der nach dem Stand der Technik erforderliche teure Antrieb für eine diskontinuierliche Bewegung des relativ schweren Substrats, der durch eine Anzahl kleiner Antriebe für den jeweiligen Laserstrahl ersetzt wird, die jeweils nur eine sehr kleine Masse bewegen müssen, sowie einen insbesondere kontinuierlichen Antrieb des Substrats. Dies führt zu erheblichen Kosten- und Gewichtseinsparungen an der Strukturierungsvorrichtung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zusätzlich ein kontinuierlicher Transport der Substrate möglich, was zur Minimierung der Zuführzeiten, zur bestmöglichen Ausnutzung der Laser und damit zu erhöhtem Durchsatz führt. Das Verfahren erfüllt damit in besonderer Weise den Anspruch der Wirtschaftlichkeit.
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In Abhängigkeit der jeweiligen individuellen Anforderungen des Anwenders können so die Laserstrahlen auf eine Beschichtungsseite des Substrats oder auf eine der Beschichtungsseite abgewandte Rückseite abgelenkt werden.
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Grundsätzlich könnte mit zumindest einem Sensor die Lage eines oder mehrerer vorher eingebrachter Kanäle erfasst werden und alle Strahlen eines Laserstrahlpakets jeweils dem Verlauf eines der erfassten Kanäle nachgeführt werden. Beispielsweise eignet sich eine Ausführungsform mit zwei Sensoren für zwei Laserstrahlpakete.
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Eine weitere Erfolg versprechende Ausgestaltung des Verfahrens wird hingegen auch dann erreicht, wenn lediglich die Abweichung der erfassten Ist-Positionen einzelner zuvor eingebrachter, weiterer Ausnehmungen von ihrer jeweiligen Soll-Positionen erfasst wird, und rechnerisch, insbesondere mittels interpolierender Rechenverfahren, die Abweichung der übrigen Ausnehmungen ermittelt wird, um die so bestimmte Abweichung bei der Regelung einzelner oder mehrerer Schlitten entlang der Nachführachsen zugrunde zu legen. Diese Variante der Erfindung geht davon aus, dass die Abweichungen mehrerer vorher eingebrachter Kanäle zu ihren Soll-Lagen zu jedem beliebigen Zeitpunkt vergleichbar sind. Insbesondere bei solchen Abweichungen, die im Wesentlichen durch plastische Verformung des Substrats nach dem Einbringen der Ausnehmungen auftreten, weisen diese eine annähernd gleichmäßige Verteilung über die Fläche des Substrats auf und sind zudem eher langwelliger Natur. In einfacher Weise können daher die Abweichungen zweier Kanäle zu ihren Soll-Positionen verglichen und aus der Differenz mittels Interpolation auf die Abweichungen der dazwischenliegenden Kanäle geschlossen werden. Da jedem Laserstrahl eine individuelle Nachführachse zugeordnet ist, kann diese auch mit dem ermittelten Interpolationswert beaufschlagt werden.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Einbringen von linienförmigen Ausnehmungen 2 in ein Substrat 3 wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert. Zum Einbringen der parallelen Ausnehmungen 2 werden zugleich mehrere Laserstrahlen 4 auf das Substrat 3 abgelenkt, welches seinerseits mittels einer Transporteinheit 5 mit einer kontinuierlichen Vorschubgeschwindigkeit in Durchlaufrichtung 6 entlang einer Transportachse 7 gefördert wird. Um die Ausnehmungen 2 im Wesentlichen quer zu der Transportachse 7 in das Substrat 3 einzubringen, sind mehrere, dem jeweiligen Laserstrahl 4 zugeordnete und in einer vergrößerten Detailansicht der 1 erkennbare Ablenkeinheiten 8 an einem Bearbeitungskopf 9 in Richtung einer Hauptachse 10 gemeinsam beweglich, die zu der Durchlaufrichtung 6 des Substrats 3 quer verläuft. Jede Ablenkeinheit 8 hat darüber hinaus eine individuelle Nachführachse 11 parallel zu der Transportachse 7, durch die beispielsweise eine synchrone Bewegung einer an einem Schlitten 12 angeordneten Fokussieroptik 13 der Ablenkeinheit 8, durch die der eingekoppelte Laserstrahl 4 mittels eines Ablenkspiegels 14 auf die Substratoberfläche abgelenkt wird, und dem durchlaufenden Substrat 3 erreicht wird. Zugleich werden bei der Steuerung jeder Ablenkeinheit 8 auch erfasste Messwerte der Position sowie der Orientierung des Substrats 3, eventueller Verformungen des Substrats 3, insbesondere aufgrund der thermischen Einflüsse, sowie die Ist-Position zuvor eingebrachter Ausnehmungen 2 berücksichtigt. Weiterhin werden auch mögliche Änderungen des Abstands a der Ablenkeinheit 8 von der Substratoberfläche erfasst und die Fokuslage zur Einhaltung konstanter Fokusdurchmesser nachgeführt. Eine zu einem Laserstrahlpaket zusammengefasste Mehrzahl von Laserstrahlen 4 werden zum Einbringen der Ausnehmungen 2 quer und längs zur Transportachse 7 insbesondere derart bewegt, dass die Bewegungsbahnen der einzelnen fokussierten Laserstrahlen 4 des Laserstrahlpakets gleichzeitig durch die Substratbewegung, die Lage einer vorher eingebrachten Ausnehmung 2 und die Zellenbreite des herzustellenden Solarmoduls bestimmt wird. Die Zuführung der Laserstrahlen 4 erfolgt ausgehend von einer jeweiligen Strahlquelle 15 der Vorrichtung 1 parallel zu der Transportachse 7 in entgegengesetzten Richtungen, die dann auf gegenüberliegende Reflexionsflächen eines Umlenkprismas 16 treffen. An diesem Umlenkprisma 16, das an einem die Transporteinheit 5 überspannenden Portal 17 angeordnet ist, werden die Laserstrahlen 4 parallel zu der Hauptachse 10 abgelenkt. Eine erneute Ablenkung der Laserstrahlen 4 erfolgt dann individuell für jeden Laserstrahl 4 an einem Umlenkspiegel 18 der jeweiligen Ablenkeinheit 8 separat, wobei der Umlenkspiegel 18 nicht an dem Schlitten 12 der Ablenkeinheit 8, sondern an dem Bearbeitungskopf 9 angeordnet ist. Da die Fokussieroptik 13 an dem Schlitten 12 angeordnet ist, ändert sich bei der Bewegung des Schlittens 12 die Fokuslage nicht, sodass der Fokuspunkt unabhängig von der Position des Schlittens 12 entlang der Nachführachse 11 eine konstante Größe aufweist. Es ist leicht verständlich, dass es bei dieser konstruktiven Ausführung nicht darauf ankommt, in welcher Reihenfolge der zugeführte Laserstrahl 4 auf die Fokussieroptik 13 sowie den Ablenkspiegel 14 trifft. Jedoch ist ein konstanter, gegebenenfalls einstellbarer Abstand erforderlich. Obwohl der Schlitten 12 unter anderem die Vorschubbewegung des Substrats 3 ausgleichen kann, können bei einer Variante der Vorrichtung 1, bei welcher zusätzlich das Portal 17 in Richtung der Transportachse 7 in Pfeilrichtung 19 beweglich ist, die erforderlichen Verfahrwege der Schlitten 12 der Ablenkeinheiten 8 verkürzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0029848 A1 [0012]
- DE 102006051555 A1 [0015, 0017]
- DE 102006033296 A1 [0016]
- JP 2004-170455 A [0017]
