DE102012104230A1

DE102012104230A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Strukturlinien in Dünnschicht-Photovoltaikmodule

Info

Publication number: DE102012104230A1
Application number: DE201210104230
Authority: DE
Inventors: Frank Schmieder
Original assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Strukturlinien (21) in Dünnschicht-Photovoltaikmodule (2), mit denen Strukturlinien (21) einer abgestuften Tiefe hergestellt werden können, indem die Strukturlinien (21) über ihren Querschnitt mit Laserstrahlung unterschiedlicher abgestufter Intensität zeitgleich oder zeitlich nacheinander beaufschlagt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Strukturlinien in Dünnschicht-Photovoltaikmodule.
Für die Belegung von Dach- und Fassadenflächen von Gebäuden mit Photovoltaikmodulen, die gleichzeitig für den Eintritt von Tageslicht vorgesehen sind, werden spezielle BIPV-Module (Building integrated photovoltaics) mit Glas als Trägermaterial verwendet. Die BIPV-Module weisen abwechselnd nichttransparente Bereiche mit dem photosensitiven Material und transparente Bereiche auf. Das können entweder Photovoltaikmodule auf Basis von kristallinen Silizium-Wafern sein, bei denen zwischen den einzelnen Silizium-Wafern eines Moduls ungenutzte Zwischenräume verbleiben oder Dünnschicht-Photovoltaikmodule, bei denen eine eingebrachte strukturierte Entschichtung dazu führt, dass die Dünnschicht-Photovoltaikmodule teiltransparent werden.
Es ist bekannt, dass die Herstellung der strukturierten Entschichtung in Dünnschicht-Photovoltaikmodulen durch die Anwendung eines gepulsten Lasers erfolgen kann. Die Laserpulse erzeugen im Schichtsystem eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls eine lokal konzentrierte thermische Wirkung, die wiederum zu einem lokalen Schichtabtrag führt. Im Bereich des Schichtabtrags ist dann das transparente Trägerglas freigelegt, sodass Licht durch das Dünnschicht-Photovoltaikmodul hindurchtreten kann. Die Geometrie und Anordnung der transparenten Bereiche ist technologisch und gestalterisch flexibel anpassbar.
Entsprechend des Schichtaufbaus des Schichtsystems und der Geometrie der strukturierten Entschichtung können sich die Laserverfahren im Ablauf und in der Richtung der Laserstrahleinbringung unterscheiden. Allen Verfahren gleich ist, dass der Schichtabtrag durch Anpassung der Laserstrahlintensität entweder gleichzeitig auf den gesamten Schichtaufbau wirkt oder einzelne Schichten des Schichtsystems nacheinander selektiv abgetragen werden.
Es ist bekannt, dass es beispielsweise beim Abtrag der Rückelektrode zur Ausbildung von Spritzern aus aufgeschmolzenem Material kommen kann. Die Spritzer führen zu unerwünschten elektrisch leitenden Verbindungen, sogenannten Shunts, zwischen einzelnen Schichten des Schichtsystems. Dadurch können Kurzschlüsse im Schichtsystem verursacht werden, welche einzelne photovoltaischen Zellen eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls unbrauchbar machen. Im Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Vermeidung dieser Shunts aufgeführt.
In der Patentschrift JP 2010-251575 A wird ein Verfahren zur Randentschichtung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen offenbart. Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen gepulsten Laserleistungen erfolgt hier ein schichtselektiver Abtrag. Bei einer ersten geringen Laserleistung [0017 unter (1)] werden alle Schichten, außer die Schicht der Rückelektrode, abgetragen [0017 Mitte]. Die Breite des mit geringer Laserleistung durchgeführten Schichtabtrags beträgt von der Außenkante des Trägerglases aus gemessen mindestens 10 mm [0017 Mitte]. Mit einer zweiten deutlich höheren Laserleistung wird die Schicht der Rückelektrode abgetragen. Der Abtrag kann dabei sowohl durch das Trägerglas hindurch als auch von der gegenüberliegenden Seite mit dem Schichtsystems her erfolgen [0017 am Ende]. Die Rückelektrode wird so abgetragen, dass deren Abtragsrand einen relativen Abstand zum Abtragsrand der darüber liegenden anderen Schichten aufweist [0019]. Der relative Abstand zwischen den Abtragsrändern beträgt mindestens 0,1 bis 1 mm oder mehr [0017 0019]. Der Schichtabtrag der Rückelektrode erfolgt vorzugsweise von der Seite des Trägerglases ausgehend, um die Abtragsränder der anderen Schichten nicht zu beschädigen [0019 Mitte]. Aus diesem Grund sollte der Abtrag aller anderen Schichten vor dem Abtrag der Rückelektrode [0018] erfolgen. Durch diese Maßnahmen kann die Bildung von Shunts durch geschmolzenes Material der Rückelektrode reduziert werden [0009] [0031]. Es ist auch möglich alle Schichten zuerst mit der hohen Laserleistung abzutragen und danach den relativen Abstand zwischen den Schichträndern der Rückelektrode und der anderen Schichten mit der geringen Laserleistung herzustellen [0022 unter (3) + 0023].
Aus der Schrift geht nicht hervor, wie und mit welchem Aufwand die unterschiedlichen Laserleistungen bereit gestellt werden. Mit Sicherheit ist jedoch davon auszugehen, dass die Bearbeitung des Materials in zwei Verfahrensschritten mit jeweils einer Laserleistung eine gewisse Taktzeit beansprucht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche das Einbringen von Strukturlinien in Dünnschicht-Photovoltaikmodule mittels selektivem Schichtabtrag und frei von elektrisch störenden Schäden oder Kurzschlüssen an den Strukturrändern zeitoptimiert gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und für ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 ein Prinzip der Laserstrahlbeeinflussung mit einem diffraktiven optischen Element,
3 ein Prinzip der Laserstrahlbeeinflussung mit einem Strukturspiegel,
4a das Prinzip der selektiven Entschichtung über die Breite a,
4b das Prinzip der selektiven Entschichtung über die Breite b und
5 das Prinzip der Entschichtung über die Breiten a und b
Die Vorrichtung weist, gemäß einem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel, eine rechteckige und flächige ausgedehnte Werkstückaufnahme 1 zur Aufnahme eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 auf. Die Werkstückaufnahme 1 weist in ihrer Längsausdehnung einen diese mittig teilenden Spalt 11 auf. Der Werkstückaufnahme 1 gegenüberliegend sind Mittel 5 zum Richten eines Laserstrahls 31, durch den Spalt 11 hindurch, auf das aufgenommene Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 und Mittel 6 zum Führen des Laserstrahls 31, entlang vorgesehener Strukturlinien 21 in der Oberfläche des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2, angeordnet. Zur Erzeugung des Laserstrahls 31 ist eine Laserstrahlquelle 3 vorgesehen. Der Laserstrahlquelle 3 nachgeordnet ist eine Optik 4 im Strahlengang des Laserstrahls 31 angeordnet.
Wie in der 1 dargestellt, wird das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 flach auf die Werkstückaufnahme 1 aufgelegt.
Das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 besteht aus einem transparenten Trägersubstrat 22, dass einseitig mit einer photovoltaisch wirkenden Schichtfolge beschichtet ist. Es wird mit der Seite des Trägersubstrats 22 auf der Werkstückaufnahme 1 abgelegt, sodass die beschichtete Seite des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 von der Werkstückaufnahme 1 weg weist.
Die Werkstückaufnahme 1 ist aus zwei rechteckigen Hälften aufgebaut, die durch einen freibleibenden Spalt 11 getrennt, unmittelbar nebeneinander liegend und in einer durch die Werkstückaufnahme 1 gebildeten Ebene angeordnet sind. Der Spalt 11 weist eine Breite auf, die dem Laserstrahl 31 ein ungehindertes Hindurchtreten durch den Spalt 11 der Werkstückaufnahme 1 und Auftreffen auf dem Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 ermöglicht.
Die Werkstückstückaufnahme 1 realisiert außerdem eine orthogonal zum Spalt 11 ausgeführte Zustellbewegung. Dadurch kann das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 relativ zum Spalt 11 bewegt werden.
Der von der Laserstrahlquelle 3 ausgehende Laserstrahl 31 wird von der Seite des Trägersubstrats 22 her auf das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 gerichtet. Zum Richten des Laserstrahls 31 auf das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 sind Mittel 5 vorgesehen. Das Mittel 5 ist gemäß des ersten Ausführungsbeispiels als ein Scanner ausgeführt. Der Scanner führt den Laserstrahl 31, entlang der in das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 einzubringenden Strukturlinien 21, durch den Spalt 11 der Werkstückaufnahme 1. Der Scanner realisiert somit auch die Relativbewegung des Laserstrahls 31 gegenüber dem Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 und übernimmt damit gleichzeitig die Funktionen des Mittels 6 zum Führen des Laserstrahls 31 entlang der Strukturlinien 21.
Anstelle des Scanners können in weiteren Ausführungsbeispielen für die Vorrichtung auch ein oder mehrere Laserbearbeitungsköpfe verwendet werden, die den Laserstrahl 31 auf das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 richten. Zum Bewegen der Laserbearbeitungsköpfe entlang des Spalts 11 ist das Mittel 6 zum Führen des Laserstrahls 31 entlang der einzubringenden Strukturlinien 21 vorgesehen. Das kann eine parallel zur Werkstückaufnahme 1 angeordnete Linearachse sein, welche den oder die Laserbearbeitungsköpfe relativ zum Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 bewegen.
Es ist genauso gut möglich, die Strukturlinien 21 von der beschichteten Seite des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 aus einzubringen. Dazu wird der Laserstrahl 31 direkt auf die photovoltaisch wirkende Schichtfolge gerichtet. In diesem Fall sind die Mittel 5 zum Richten des Laserstrahls 31 auf das aufgenommene Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 und die Mittel 6 zum Führen eines Laserstrahls 31 entlang einer gewünschten Strukturlinie 21 der Werkstückaufnahme 1 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet. Der Spalt 11 ist in diesem Fall ebenfalls nicht erforderlich.
Der Laserstrahlquelle 3 nachfolgend ist eine Optik 4 im Strahlengang des Laserstrahls 31 angeordnet. Der von der Laserstrahlquelle 3 erzeugte Laserstrahl 31 weist einen Strahlquerschnitt mit einer symmetrischen, ersten Intensitätsverteilung 32 auf. Mittels der Optik 4 wird die erste Intensitätsverteilung 32 derart beeinflusst, dass eine abgestufte, zweite Intensitätsverteilung 33 entsteht. Die Optik 4 kann dazu unterschiedlich ausgeführt sein.
In einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Optik 4 als ein diffraktives optisches Element 41 (im folgenden mit DOE 41 bezeichnet) ausgeführt. Wie in 2 dargestellt, kann dazu ein Laserstrahl 31 mit einem kreisrunden Strahlquerschnitt und der ersten Intensitätsverteilung 32 in Form eines Gauss-Profils, verwendet werden. Das DOE 41 ist so gestaltet, dass es das Gauss-Profil des Laserstrahls 31 beim hindurchtretenden durch das DOE 41 in eine zweite Intensitätsverteilung 33 mit einem abgestuften Top-Hat-Profil umwandelt. Das abgestufte Top-Hat-Profil weist einen Zentralbereich 34 höherer und einen den Zentralbereich 34 umgebenden Randbereich 35 geringerer Intensität auf.
Der optisch wirksame Durchmesser des DOE’s 41 und der Strahlquerschnitt mit erster Intensitätsverteilung 32 sind aufeinander abgestimmt, sodass in der Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 exakt die zum Einbringen der Strukturlinien 21 erforderliche zweite Intensitätsverteilung 33 erzeugt werden kann.
In einer weiteren Ausführung wird ein Strukturspiegel 42 als Optik 4 eingesetzt. Zur Erzeugung eines vorteilhaft rechteckförmigen bzw. quadratischen Strahlquerschnitts des Laserstrahls 31 ist der Strukturspiegel 42 ebenfalls als Rechteck bzw. Quadrat ausgeführt. Der Strukturspiegel 42 weist, wie in 3 dargestellt, ein Zentrum 43 und einen Rand 44 mit sich unterscheidendem Reflexionsvermögen auf. Das Zentrum 43 ist nichtreflektierend, dass heißt es ist mit einem möglichst kleinen Reflexionsgrad versehen. Die Stärke des Reflexionsgrads entspricht der einer Grenzflächenreflexion des Laserstrahls 31 an einer für diesen entspiegelten optischen Fläche. Der Rand 44 weist einen wesentlich höheren Reflexionsgrad auf. Der Reflexionsgrad ist entsprechend des gewünschten Schichtabtrags an die Materialien der Schichtfolge der Dünnschicht-Photovoltaikmodule 2 anzupassen und liegt in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft bei 80–85 % ± 1 %. Der Rand 44 mit dem höheren Reflexionsgrad ist zur Außenkante des Strukturspiegels 42 hin abgewinkelt, sodass der rückreflektierte Anteil des Laserstrahls 31 nach Außen aus dem Strahlengang des Laserstrahls 31 heraus reflektiert wird.
Der Strukturspiegel 42 kann mit Laserstrahlen 31 verwendet werden, dessen Strahlquerschnitt entweder kreisförmig oder rechteckig ist und eine erste Intensitätsverteilung 32 in Form eines Top-Hat-Profils aufweist. Die Größe des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 31 ist mindestens so groß, dass dieser die gesamte Fläche des Strukturspiegels 42 überdeckt. Nach dem Durchtritt des Laserstrahls 31 durch den Strukturspiegel 42, weist die zweite Intensitätsverteilung 33 die Form des abgestuften Top-Hat-Profils auf. Dadurch wird der Zentralbereich 34 höherer und der den Zentralbereich 34 umgebenden Randbereich 35 geringerer Intensität erzeugt.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nachfolgend anhand der Erzeugung von Strukturlinien 21 erläutert werden, welche in die Schichtfolge eines auf Basis einer CIS/CIGS-Technologie hergestellten Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 eingebracht werden.
Die Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 auf Basis der CIS/CIGS-Technologie ist einseitig auf einem transparenten Trägersubstrat 22 aufgebracht. Sie besteht im wesentlichen aus drei funktionellen Schichten. Diese sind eine direkt auf dem Trägersubstrat 22 aufgebrachte inneren Kontaktschicht 23 aus Metall, gefolgt von einer photoelektrischen Halbleiterschicht 24 und einer abschließenden, äußeren Kontaktschicht 25 aus einem transparenten und leitenden Material.
Dem Fachmann ist klar, dass die Schichtfolge eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 auf Basis der CIS/CIGS-Technologie aus weiteren als den hier genannten Einzelschichten besteht. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Erläuterung der Zusammenhänge bedarf es hier aber keiner weiteren Differenzierung.
Ziel des Verfahrens ist eine komplette Entschichtung des Trägersubstrats 22 entlang der Strukturlinien 21. Durch die koaxiale Einwirkung von Laserstrahlen 31 vergleichsweise geringerer und höherer Intensität zeitlich nacheinander oder die Einwirkung eines Laserstrahles mit einer abgestuften, symmetrischen Intensitätsverteilung, erfolgt die Entschichtung schichtselektiv, womit Vorkehrungen zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen der inneren und äußeren Kontaktschicht 23 und 25 getroffen werden.
Wie hoch die geringere und die höhere Intensität ist, wird in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der Schichten und den sonstigen Prozessparametern, wie die Pulsfolgefrequenz und die Geschwindigkeit mit der der Laserstrahl 31 geführt wird, vorgegeben, um den gewünschten Abtrag zu erzielen.
Um Strukturlinien mit einer abgestuften Tiefe zu erzeugen, muss wenigstens der Abtrag der geringeren Tiefe mit einer geringeren Intensität erfolgen, sodass ein Abtrag der inneren Kontaktschicht 23 im Randbereich c vermieden wird.
Nur für die Ausführung des Verfahrens bei welcher ein zeitgleicher Abtrag erfolgt, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbar.
Im Folgenden wird die erstgenannte Ausführung des Verfahrens erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein selektiver Schichtabtrag der photoelektrischen Halbleiterschicht 24 zusammen mit der äußeren Kontaktschicht 25. Dazu wird ein Laserstrahl 31 geringerer Intensität von der Seite des Trägersubstrats 22 auf die Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 gerichtet und entlang der gewünschten Strukturlinien 21 über das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 geführt.
Der Laserstrahl 31, der vorteilhaft eine Wellenlänge im Bereich von 1030 nm bis 1090 nm aufweist, wird dazu gepulst betrieben. Vorteilhaft weist der Laserstrahl 31 dazu eine mittlere Laserleistung von 100–120 W bei einer Pulsfolgefrequenz von 12–25 kHz und einer Pulslänge von 30 ns auf.
Wie in 4a dargestellt, wird in diesem ersten Verfahrensschritt ein Laserstrahl 31 verwendet, dessen Strahlquerschnitt eine Breite a aufweist und eine Intensitätsverteilung in Form eines Top-Hat-Profils aufweist.
Das Trägersubstrat 22 ist für den Laserstrahl 31 transparent, sodass der Laserstrahl 31 von der für diesen nicht transparenten inneren Kontaktschicht 23 absorbiert wird. Aufgrund der kurzen Pulslängen führt die Absorption zu einer abrupten und lokalen Aufheizung der inneren Kontaktschicht 23, sodass die thermisch empfindlichere photoelektrische Halbleiterschicht 24 ebenso schnell verdampft. Durch die Expansion der photoelektrischen Halbleiterschicht 24 beim Verdampfen, wird auch die äußere Kontaktschicht 25 im Bereich der Breite a aus der Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 entfernt. Da die innere Kontaktschicht 23 thermisch deutlich stabiler als die anderen Schichten 24 und 25 ist, bleibt die innere Kontaktschicht 23 im ersten Verfahrensschritt vom Laserstrahl 31 mechanisch völlig unbeeinflusst.
Nach dem ersten Verfahrensschritt sind im Bereich der gewünschten Strukturlinie 21 alle Schichten der Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2, außer der inneren Kontaktschicht 23, entfernt. Es ist ein selektiv entschichteter Bereich entstanden, in dem die innere Kontaktschicht 23 in der Breite a vollständig freigelegt ist.
In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt der Schichtabtrag der inneren Kontaktschicht 23. Dazu wird ein Laserstrahl 31 höherer Intensität von der Seite des Trägersubstrats 22 auf die innere Kontaktschicht 23 gerichtet und entlang der gewünschten Strukturlinien 21 über das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 geführt.
Der gepulste Laserstrahl 31 weist dazu vorteilhaft die mittlere Laserleistung von 700 W bei 12–25 kHz Pulsfolgefrequenz und der Pulslänge von 30 ns auf.
Wie in 4b dargestellt, ist der Laserstrahl 31 in diesem Verfahrensschritt in einer Breite b und ebenfalls einer Intensitätsverteilung in Form eines Top-Hat-Profils ausgeführt, wobei die Breite b kleiner als die Breite a ist.
Der Laserstrahl 31 wird mittig durch den im ersten Verfahrensschritt hergestellten selektiv entschichteten Bereich geführt. Er tritt durch das Trägersubstrat 22 hindurch und wird von der, für diesen nicht transparenten, inneren Kontaktschicht 23 absorbiert. Die Absorption führt zu einer abrupten und lokalen Aufheizung der inneren Kontaktschicht 23, sodass diese aufgrund der höheren Intensität ebenso schnell verdampft und abgetragen wird.
Nach dem zweiten Verfahrensschritt ist das transparente Trägermaterial 22 mit der Breite b freigelegt und die Strukturlinie 21 vollständig in das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 eingebracht.
Nach einer Zustellbewegung des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 in orthogonaler Richtung zur Strukturlinie 21 relativ zum Laserstrahl 31 kann das Verfahren nach dem gleichen Ablauf wie beschrieben fortgesetzt werden, bis alle gewünschten Strukturlinien 21 in das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 eingebracht wurden.
Dadurch, dass die Breite a größer als die mittig zur Breite a eingebrachte Breite b ist, zeigt die Strukturlinie 21 ein abgestuftes und symmetrisches Querschnittsprofil. Zwischen den Abtragskanten der inneren Kontaktschicht 23 und den Abtragskanten der äußeren Kontaktschicht 25, einschließlich der photoelektrischen Halbleiterschicht 24, verbleibt ein Abstand c.
Der Abstand c verhindert das Auftreten von leitenden Verbindungen zwischen der inneren Kontaktschicht 23 und der äußeren Kontaktschicht 25. Leitende Verbindungen können durch Aufschmelzungen an den Abtragskanten der inneren Kontaktschicht 23 entstehen. Diese Aufschmelzungen bilden sich in unmittelbarer Nähe der Abtragskanten. Je nach den Eigenschaften des Laserstrahls 31 entsteht dort eine mehr oder weniger breite Übergangszone, in der die Aufheizung der inneren Kontaktschicht 23 nicht in dem Maße erfolgt, dass diese vollständig verdampfen kann. Durch die zu geringe Aufheizung wird das Material der inneren Kontaktschicht 23 nur aufgeschmolzen. Teile dieser Schmelze werden durch die Expansion des verdampfenden Materials mitgerissen, sodass aus der Schmelze heraus Spritzer entstehen können, die nach dem Erkalten die beiden Kontaktschichten 23 und 25 dauerhaft leitend verbinden. Ein somit kurzgeschlossener Bereich des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 steht nicht mehr zur photovoltaischen Energiegewinnung zur Verfügung.
Die Ausdehnung der Übergangszone kann mit der Pulslänge des Laserstrahls 31 beeinflusst werden. Die sehr kurze Pulslänge von 30 ns verhindert ein langsames Aufheizen des Materials der inneren Kontaktschicht 23 durch Wärmeleitung an den Abtragskanten. Die Übergangszone mit Schmelze kann dadurch minimal gehalten werden. Außerdem kann eine große Flankensteilheit des Strahlprofils des Laserstrahls 31 höherer Intensität dazu beitragen die Ausdehnung der Übergangszone zu minimieren. Durch diese Maßnahmen kann gleichzeitig auch die Kantensteilheit des Materials an den Abtragskanten der Schichten 23, 24 und 25 gesteigert werden.
Die mit den Verfahrensschritten herstellbare Breite b der Strukturlinie 21 liegt vorteilhaft in einem Bereich von 0,5–5 mm. Zur Herstellung eines ausreichenden Abstands c ist die Breite a vorteilhaft 0,1–2 mm größer als die Breite b ausgeführt. Damit ergibt sich ein Abstand c von 0,05–1 mm zwischen den Abtragskanten der beiden Kontaktschichten 23 und 25.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens, kann die Abarbeitung der Verfahrensschritte auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
Im ersten Verfahrensschritt werden alle Schichten der Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 vollständig abgetragen. Dazu wird der Laserstrahl 31 höherer Intensität von der Seite des Trägersubstrats 22 auf die Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 gerichtet und entlang der gewünschten Strukturlinien 21 über das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 geführt. Der Laserstrahl 31 weist in diesem Verfahrensschritt die Breite b mit der zweiten Intensitätsverteilung 33 in Form eines Top-Hat-Profils auf.
Der Laserstrahl 31 höherer Intensität wird von der inneren Kontaktschicht 23 absorbiert, wodurch diese verdampft und abgetragen wird. Durch den Abtrag der inneren Kontaktschicht 23 werden alle darüber liegenden Schichten ebenfalls entfernt. Es entsteht ein entschichteter Bereich mit der Breite b, in dem das Trägersubstrat 22 vollständig freigelegt ist.
Im zweiten Verfahrensschritt wird der Abstand c zwischen den Abtragskanten der inneren Kontaktschicht 23 und den Abtragskanten der äußeren Kontaktschicht 25 erzeugt. Dazu wird der Laserstrahl 31 geringerer Intensität mittig entlang des im ersten Verfahrensschritt erzeugten entschichteten Bereichs über das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 geführt. Der Laserstrahl 31 weist in diesem Verfahrensschritt die Breite a mit der zweiten Intensitätsverteilung 33, ebenfalls in Form eines Top-Hat-Profils auf, wobei die Breite a größer ist als die Breite b.
Der Laserstrahl 31 wird von der inneren Kontaktschicht 23 absorbiert und heizt diese auf. Die thermisch empfindlichere photoelektrische Halbleiterschicht 24 wird dadurch verdampft und abgetragen, wobei durch die Expansion der photoelektrischen Halbleiterschicht 24 beim Verdampfen auch die äußere Kontaktschicht 25 im Bereich der Breite a angetragen wird. Da die innere Kontaktschicht 23 thermisch deutlich stabiler als die anderen Schichten ist, bleibt die innere Kontaktschicht 23 vom Laserstrahl 31 mechanisch völlig unbeeinflusst.
Nach dem zweiten Verfahrensschritt weist die Strukturlinie 21 ein abgestuftes und symmetrisches Querschnittsprofil auf. Zwischen den Abtragskanten der inneren Kontaktschicht 23 und der äußeren Kontaktschicht 25, einschließlich der photoelektrische Halbleiterschicht 24, ist der Abstand c hergestellt. Durch den Abtrag der photoelektrischen Halbleiterschicht 24 und der äußeren Kontaktschicht 25 werden die im ersten Verfahrensschritt entstandenen Shunts mit entfernt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu verwendet werden, die beiden Verfahrensschritte in nur einem Verfahrensschritt auszuführen. Hierzu kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden.
Wie in 5 dargestellt, erfolgt der selektive Schichtabtrag der photoelektrischen Halbleiterschicht 24 zusammen mit der äußeren Kontaktschicht 25 gleichzeitig mit dem Abtrag der inneren Kontaktschicht 23. Dazu wird der Laserstrahl 31 höherer Intensität und mit entsprechend angepasster zweiter Intensitätsverteilung 33 von der Seite des Trägersubstrats 22 auf die Schichtfolge des Dünnschicht-Photovoltaikmoduls 2 gerichtet und entlang der gewünschten Strukturlinien 21 über das Dünnschicht-Photovoltaikmodul 2 geführt.
Der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 31 ist in einen Zentralbereich 34 mit der höheren Intensität und in einen den Zentralbereich 34 umgebenden Randbereich 35 mit geringerer Intensität aufgeteilt. Der Randbereich 35 ist in der Breite a und der Zentralbereich 34 ist in der Breite b ausgeführt und beide Bereiche 34 und 35 weisen eine zweite Intensitätsverteilung 33 in Form eines Top-Hat-Profils auf. Die mit einem derartigen Laserstrahl 31 eingebrachte Strukturlinie 21 ist nach einem Verfahrensschritt bereits abgestuft ausgeformt.
Durch die Reduzierung des Verfahrens auf einen Verfahrensschritt kann die Zeit zur Durchführung des Verfahrensablaufs nahezu halbiert werden.
Eine weitere Zeitersparnis wird durch die Verwendung des Laserstrahls 31 mit einem rechteckförmigen anstatt einem kreisförmigen Strahlquerschnitt erreicht. Bei der Führung des Laserstrahls 31 entlang der Strukturlinie 21 kann die zur Herstellung einer durchgängig entschichteten Strukturlinie 21 vorteilhafte Überlappung der Strahlprofile gegenüber einem kreisförmigen Strahlprofil um mindestens 25 bis 30 % reduziert werden, sodass weniger Pulse zur Erzeugung der Strukturlinie 21 erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

1: Werkstückaufnahme
11: Spalt
2: Dünnschicht-Photovoltaikmodul
21: Strukturlinie
22: Trägersubstrat
23: innere Kontaktschicht
24: photoelektrische Halbleiterschicht
25: äußere Kontaktschicht
3: Laserstrahlquelle
31: Laserstrahl
32: erste Intensitätsverteilung
33: zweite Intensitätsverteilung
34: Zentralbereich des Laserstrahls
35: Randbereich des Laserstrahls
4: Optik
41: diffraktives optisches Element (DOE)
42: Strukturspiegel
43: Zentrum des Strukturspiegels
44: Rand des Strukturspiegels
5: Mittel zum Richten des Laserstrahls (auf das Dünnschicht-Photovoltaikmodul (2))
6: Mittel zum Führen des Laserstrahls (entlang der Strukturlinien (21))

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-251575 A [0006]

Claims

Vorrichtung zum Einbringen von Strukturlinien (21) in Dünnschicht-Photovoltaikmodule (2), mit einer Werkstückaufnahme (1), zur Aufnahme eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls (2), einer Laserstrahlquelle (3) zur Erzeugung eines Laserstrahls (31) mit einem Strahlquerschnitt und einer symmetrischen Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt, Mittel (5) zum Richten des Laserstrahls (31) auf ein aufgenommenes Dünnschicht-Photovoltaikmodul und Mittel (6) zum Führen des Laserstrahls entlang vorgesehener Strukturlinien (21) sowie einer der Laserstrahlquelle (3) in Strahlungsrichtung nachgeordneten Optik (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) eine die Intensitätsverteilung abstufende Optik (4) ist, wodurch Strukturlinien (21) erzeugt werden können, die über ihren Querschnitt eine abgestufte Tiefe aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung eine Gaußverteilung ist und als Optik (4) ein diffraktives optisches Element (41) vorgesehen ist, das eine Top-Hat-Intensitätsverteilung mit einem Zentralbereich (34) höherer und einem Randbereich (35) geringerer Intensität bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung eine Top-Hat-Verteilung ist und als Optik (4) ein Strukturspiegel (42) vorgesehen ist, der in ein nichtreflektierendes Zentrum (43) und einen hierzu unterschiedlich reflektierenden Rand (44) unterteilt ist, sodass er eine Top-Hat-Intensitätsverteilung mit einem Zentralbereich (34) höherer und einem Randbereich (35) geringerer Intensität bewirkt.
Verfahren zum Einbringen von Strukturlinien (21) in ein Dünnschicht-Photovoltaikmodul (2), wobei das Dünnschicht-Photovoltaikmodul (2) ein transparentes Trägersubstrat (22) aufweist, das einseitig mit einer Schichtenfolge versehen ist, die beginnend am Trägersubstrat (22) eine innere Kontaktschicht (23), eine die Schichtenfolge abschließende äußere Kontaktschicht (25) und wenigstens eine zwischen diesen Schichten angeordnete photoelektrische Halbleiterschicht (24) umfasst, bei dem mit wenigstens einem Laserstrahl (31), der auf das Dünnschicht-Photovoltaikmodul (2) gerichtet und entlang von gewünschten Strukturlinien (21) geführt wird, ein selektiver Schichtabtrag aller Schichten der Schichtfolge, außer der inneren Kontaktschicht (23) über eine Breite a und ein selektiver Schichtabtrag der inneren Kontaktschicht (23) über eine Breite b erfolgt, wobei die Breite b kleiner als die Breite a ist, sodass Strukturlinien (21) mit einer abgestuften Tiefe entstehen, die innerhalb aller Schichten der Schichtfolge außer der inneren Kontaktschicht (23) eine Breite a und innerhalb der inneren Kontaktschicht (23) eine Breite b aufweisen und zwischen den entstehenden Abtragskanten der inneren Kontaktschicht (23) und den entstehenden Abtragskanten aller anderen Schichten der Schichtfolge ein Abstand c verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Schichtabtrag aller Schichten der Schichtfolge zeitgleich erfolgt, indem ein Laserstrahl (31) mit einer abgestuften Intensitätsverteilung verwendet wird, die einen Zentralbereich (34) vergleichsweise höherer und einen Randbereich (35) vergleichsweise geringerer Intensität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Schichtabtrag aller Schichten der Schichtenfolge zeitlich nacheinander erfolgt, indem alle Schichten der Schichtfolge außer der inneren Kontaktschicht (23) über die Breite b mit einem Laserstrahl (31) einer vergleichsweise geringeren Intensität über die Breite a abgetragen werden und anschließend die innere Kontaktschicht (23) mit einem Laserstrahl (31) einer vergleichsweise höheren Intensität über die Breite b abgetragen wird,
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den selektiven Schichtabtrag der wenigstens einen photoelektrischen Halbleiterschicht (24) und der äußeren Kontaktschicht (25) eine mittlere Laserleistung von 100–120W bei einer Pulsfolgefrequenz von 12–25 kHz vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den selektiven Schichtabtrag der inneren Kontaktschicht (23) eine mittlere Laserleistung von bis zu 700 W bei einer Pulsfolgefrequenz von 12–25 kHz vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Schichtabtrag aller Schichten der Schichtenfolge zeitlich nacheinander erfolgt, indem alle Schichten der Schichtfolge mit einem Laserstrahl (31) einer vergleichsweise höheren Intensität über die Breite b abgetragen werden und anschließend alle anderen Schichten, außer der inneren Kontaktschicht (23), mit einem Laserstrahl (31) einer vergleichsweise geringeren Intensität zur Herstellung des Abstands c abgetragen werden.