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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds, auf ein Verfahren zum Modifizieren zumindest einer, von einer Deckschicht abgedeckten Schicht eines Schichtverbunds, auf ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbunds, auf ein Verwenden eines Lasers zum Trocknen einer auf einen Schichtverbund aufgebrachten Schicht sowie auf eine Vorrichtung zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds.
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Bei einem herkömmlichen Schichtaufbau eines Schichtverbunds wird eine einzelne Schicht aufgetragen und mittels Wärmeeintrag in das Substrat über Wärmeleitung, einen Ofenprozess, Infrarotstrahler oder Heißluft getrocknet, bevor eine nächste Schicht aufgetragen werden kann. Wenn eine Schicht getrocknet ist, können Eigenschaften der Schicht über eine Wärmebehandlung verändert werden. Dazu kann der Schichtverbund als Einheit in einen Temperofen verbracht werden und komplett wärmebehandelt werden. Werden Schichten oder Schichtsysteme in Temperöfen einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen, so können gewünschte Eigenschaftsprofile eingestellt werden. Dafür ist es jedoch erforderlich, komplette Systeme zu erwärmen, was für einige Teile des Systems von Nachteil sein kann sowie die Energieeffizienz des Herstellprozesses senkt. Zusätzlich stellen die Temperprozesse langsame Fertigungsschritte dar, welche die Produktivität in einer Fertigung hemmen.
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Die
DE 10 2007 052 782 A1 beschreibt ein Verfahren zur Veränderung der Eigenschaften einer TCO-Schicht (Transparent and Conductive Oxide).
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds, ein Verfahren zum Modifizieren zumindest einer, von einer Deckschicht abgedeckten Schicht eines Schichtverbunds, ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbunds, ein Verwenden eines Lasers zum Trocknen einer auf einen Schichtverbund aufgebrachten sowie eine Vorrichtung zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Schichtsysteme in der organischen Photovoltaik (OPV) können über Vakuumverfahren, wie Aufdampfen oder Sputtern, oder über lösemittelbasierte Prozesse, wie Drucken, Sprühen oder Gießen, hergestellt werden. Die in den Prozessen entstehende Schichtmorphologie hängt maßgeblich von den Prozessparametern ab. Aufgrund thermisch empfindlicher Teilsysteme oder Substrate bestehen in der Prozessführung Einschränkungen, welche die Möglichkeiten hinsichtlich Morphologiegestaltung in den Schichten stark einschränken. Die Morphologiegestaltung kann jedoch flexibler gestaltet werden, wenn eine Erwärmung einer Schicht lokal mittels eines Laserstrahls erfolgt.
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Eine Lasertrocknung lösemittelprozessierter Schichten bietet sich als eine Alternative zu Heißluft oder IR-Strahlern an, bei denen die gesamte Baugruppe erwärmt wird. Der Prozess der Lasertrocknung kann dabei sehr schnell erfolgen, es ist somit keine Erwärmung der gesamten Baugruppe über mehrere Sekunden bis mehrere Minuten erforderlich. Durch die schnelle Lasertrocknung direkt im Anschluss an den Druckprozess kann die Einwirkdauer des Lösemittelfilms auf darunter liegende Schichten reduziert werden, wodurch eine nachteilige Beeinflussung dieser Schichten wie Anlösen, Quellen, Verspröden, o.Ä. vermieden werden kann. Dadurch können die Möglichkeiten nasschemischer Mehrschichtaufbauten stark erweitert werden.
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Beim Annealing (Tempern/Ausheilen) bereits trockener Schichtsysteme aus lösemittelbasierten oder Vakuum-Prozessen werden einzelne Schichten oder Schichtsysteme erwärmt, um dadurch Morphologieänderungen in den einzelnen Schichten oder dem Schichtverbund zu erreichen. Durch den Einsatz von Laserstrahlen weist dieser Prozess eine hohe Energieeffizienz auf und es wird eine Beeinträchtigung von ggf. temperatursensiblen Teilen der Baugruppe vermieden. Über das gezielte Erwärmen der zu modifizierenden Schicht oder Schichten durch (wellenlängen-)selektive Absorption des eingestrahlten Laserlichts ist es möglich, gezielt eine Einzelschicht, insbesondere die Absorberschicht, zu modifizieren (zu annealen), ohne den Rest der Baugruppe zu beeinträchtigen. Insbesondere förderlich ist ein solches Verfahren z. B. für die Prozessierung auf einem temperatursensiblen Substrat.
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Für eine Funktionsverbesserung können transparente Leitoxid-Schichten (TCOs) mittels einer Laserlicht-Linie bearbeitet werden, welche senkrecht zu ihrer Ausdehnung über ein Stückgut oder Bandmaterial geführt wird und so eine räumlich und zeitlich begrenzte Materialerwärmung bewirkt. Die Laserlicht-Linie kann ebenfalls eingesetzt werden, um Silizum-Absorberschichten zu rekristallisieren.
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Mit den hier vorgestellten Verfahren kann eine gewünschte Morphologie in Einzelschichten von beispielsweise organischen Solarzellen gezielt eingestellt werden. Dazu erfolgt eine gezielte Trocknung lösemittelprozessierter Schichten und zusätzlich oder alternativ eine Lasernachbehandlung (Annealing). Die Nachbehandlung kann auch an anderweitig aufgetragenen Schichten erfolgen (z. B. CVD, PVD).
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Ein Verfahren zum Aufbauen einer neuen Schicht eines Schichtverbunds weist die folgenden Schritte auf:
Ausführen einer Relativbewegung zwischen einer bestehenden Schicht des Schichtverbunds und einem Applikationsbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit, vorteilhafter Weise zwischen 0,5m/min und 10m/sec;
Aufbringen der neuen Schicht auf die bestehende Schicht in dem Applikationsbereich; und
Trocknen der Schicht in einem Wirkbereich, der einen vorgegebenen Abstand zu dem Applikationsbereich aufweist, mittels eines Laserstrahls, der auf die neue Schicht gerichtet ist.
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Unter einem Schichtverbund kann ein schichtweise auf ein Trägermaterial aufgebrachtes Mehrlagenmaterial verstanden werden. Beispielsweise kann der Schichtverbund Teil einer Photovoltaik-Zelle sein. Die Schichten können verschiedene Materialien umfassen. Beispielsweise können verschiedenen Schichten unterschiedlich dotiert sein, oder die Schichten können verschiedene Eigenschaften aufweisen. Die aufzubringende neue Schicht kann beispielsweise ein transparenter leitfähiges Material sein, das nicht flüssig bleibt, sondern eine feste Schicht bildet. Ein Applikationsbereich kann einen Wirkbereich einer Einrichtung, beispielsweise eine Rakel, zum Aufbringen eines Schichtmaterials der aufzubringen neuen Schicht auf die bestehende Schicht kennzeichnen. Bei einer Relativbewegung kann die neue Schicht bewegt werden oder es kann der Applikationsbereich bewegt werden. Es können auch beide bewegt werden. Eine Vorschubgeschwindigkeit kann in eine Vorschubrichtung gerichtet sein. Eine bestehende Schicht kann das Trägermaterial oder eine bereits auf das Trägermaterial bzw. den Schichtverbund aufgebrachte Schicht sein. Unter einem Trocknen kann ein Verdampfen eines Lösungsmittels oder einer Flüssigkeit aus der Schicht verstanden werden. Ein Laserstrahl kann ein näherungsweise monochromatischer und/oder kohärenter Lichtstrahl sein. Der Laserstrahl kann eine punktförmige Projektionsfläche aufweisen. Dann kann der Laserstrahl über den Schichtverbund, beispielsweise zeilenweise, geführt werden. Der Laserstrahl kann auch eine linienförmige Projektionsfläche aufweisen. Dann kann die projizierte Linie beispielsweise quer zu der Vorschubrichtung ausgerichtet sein.
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Die neue Schicht kann mittels eines nasschemischen Prozesses auf die bestehende Schicht aufgebracht werden. Ein nasschemischer Prozess kann ein Auftragen einer pastösen oder tintenförmigen Schicht beispielsweise mittels einer Rakel sein. Alternativ kann die neue Schicht beispielsweise durch Sprühbeschichten oder diverse Drucktechniken wie Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck, Flexodruck oder Inkjet auf die bestehende Schicht aufgebracht werden. In der pastösen Schicht ist zur Verflüssigung das Lösemittel enthalten und wird beim Trocknen verdampft. Die neue Schicht kann auch aufgespritzt werden. Ebenso kann der nasschemische Prozess ein Ausfällen von festen Bestandteilen einer chemischen Komponente auf der bestehenden Schicht sein, wobei ein Restanteil flüssiger Komponente in der neuen Schicht verbleibt und durch das Trocknen ausgetrieben wird.
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Die Vorschubgeschwindigkeit kann abhängig von einer vorgegebenen Einwirkdauer zwischen dem Aufbringen und dem Trocknen der neuen Schicht und dem Abstand zwischen dem Applikationsbereich und dem Wirkbereich sein und liegt vorteilhafter Weise zwischen 0,5m/min und 10m/sec. Unter einer Einwirkdauer kann eine Zeitspanne verstanden werden, die die neue Schicht beispielsweise benötigt, um eine starke Bindung zu der bereits bestehenden Schicht aufzubauen. Je schneller die Vorschubgeschwindigkeit ist, umso größer kann der Abstand bei gleicher Einwirkdauer sein.
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Ein Verfahren zum Modifizieren zumindest einer, von einer Deckschicht abgedeckten Schicht eines Schichtverbunds, weist die folgenden Schritte auf:
Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Schichtverbund und einem Wirkbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit, vorteilhafter Weise zwischen 0,5m/min und 10m/sec; und
Bestrahlen der Schicht in dem Wirkbereich mit zumindest einem Laserstrahl, wobei der Laserstrahl die Deckschicht durchdringt, um die Schicht zu bestrahlen.
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Eine oder mehrere Schichten des Schichtverbunds können wie zuvor beschrieben aufgebracht worden sein. Unter einer Deckschicht kann eine schützende Schicht verstanden werden, die beispielsweise transparent sein kann. Für die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung soll die Deckschicht möglichst vollständig transparent sein.
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Der Laserstrahl kann eine vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, die an wellenlängenselektive Eigenschaften der Deckschicht und der Schicht angepasst sein kann. Unter einer wellenlängenselektiven Eigenschaft kann eine Absorptionsfähigkeit der Schicht oder der Deckschicht für bestimmte Wellenlängenbereiche verstanden werden. Dadurch kann der Laserstrahl vorwiegend Energie an eine vorbestimmte Schicht des Schichtverbunds abgeben, ohne angrenzende Schichten zu beeinflussen.
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Die Wirkfläche kann insbesondere eine oder mehrere strichförmige Projektionsflächen in einer Erstreckungsebene der Schicht umfassen. Dabei sind auch andere Strahlgeometrien denkbar, z. B. kleine Flächen oder Punkte. Der Laserstrahl kann als Linienlaser ausgebildet sein, um eine große Fläche mit einem Durchgang zu bestrahlen. Die Linie des Laserstrahls kann unterbrochen sein, um vorbestimmte Bereiche der Schicht zu behandeln. Beispielsweise können behandelte Bereiche eine verbesserte Leitfähigkeit aufweisen und nicht behandelte Bereiche können eine hohe Transparenz aufweisen. Die Unterbrechungen können variabel sein.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbunds weist die folgenden Schritte auf:
die Schritte des Verfahrens zum Aufbauen einer neuen Schicht des Schichtverbunds gemäß dem hier vorgestellten Ansatz;
Abdecken der neuen Schicht mit einer Deckschicht, um den Schichtverbund herzustellen; und
die Schritte des Verfahrens zum Modifizieren der neuen Schicht des Schichtverbunds gemäß dem hier vorgestellten Ansatz.
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Die Schritte des Verfahrens zum Aufbauen einer neuen Schicht können entsprechend einer vorgegebenen Anzahl von Schichten wiederholt werden, wobei in den Schritten des Verfahrens zum Modifizieren der Laserstrahl die aufgebauten Schichten in einem Durchgang modifizieren kann.
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Somit kann gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen ein Laser zum Trocknen einer nasschemisch, z. B. mittels Sprühen, Gießen, Schablonendruck, Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck, Flexodruck, Inkjetdruck oder Aerosoljetdruck auf einen Schichtverbund aufgebrachten Schicht des Schichtverbunds verwendet werden.
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Ein Laserstrahl kann schnell und gezielt Energie zum Verdunsten und/oder Verdampfen eines Lösungsmittels aus der neuen Schicht bereitstellen. Es können mehrere Laser nacheinander die Energie zum Trocknen bereitstellen, um den Trocknungsprozess schonend zu gestalten. Dann können mehrere, dafür geringere Energiemengen in die neue Schicht eingebracht werden und schwächere Laser verwendet werden. Durch das Verwenden eines oder mehrerer Laserstrahlen können rasch aufeinanderfolgend neue Schichten auf den Schichtverbund aufgetragen werden, ohne lange Trockenzeiten abzuwarten, ein Wiederanlösen bereits im vorangegangenen Schritt applizierter Schichten wird durch die Trocknung in enger zeitlicher Folge nach dem Schichtauftrag vermieden.
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Eine Vorrichtung zum Aufbauen einer neuen Schicht eines Schichtverbunds weist die folgenden Merkmale auf:
eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen einer bestehenden Schicht des Schichtverbunds und einem Applikationsbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit; vorteilhafter Weise zwischen 0,5m/min und 10m/sec.
eine Einrichtung zum Aufbringen der neuen Schicht auf die bestehende Schicht in dem Applikationsbereich; und
eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Laserstrahls zum Trocknen der neuen Schicht in einem Wirkbereich des Laserstrahls, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen in einem Abstand von beispielsweise unter einem Millimetern bis zu 100 Zentimetern zu der Einrichtung zum Aufbringen angeordnet ist.
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Die Einrichtung zum Aufbringen kann eine Druckwalze aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Schicht von einer Oberfläche der Druckwalze in dem Applikationsbereich auf die bestehende Schicht zu übertragen. Unter einer Druckwalze kann ein Zylinder verstanden werden, der eine Rotationsachse parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Schichtverbunds aufweist. Auf dem Druckzylinder kann die Schicht als durchgängige oder durchbrochene Schicht aufgetragen werden. Die Druckwalze kann eine Oberflächenstruktur aufweisen, die negativ in die Schicht eingeprägt werden kann.
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Eine Dicke einer jeweils getrockneten Schicht der unterschiedlichen Ausführungsformen kann beispielsweise zwischen 2nm und 100µm, insbesondere auch zwischen 50nm und 10µm liegen. Diese Werte sowie die für die Vorschubgeschwindigkeit genannten Werte sind ebenso wie weitere genannte Werte lediglich beispielhaft und können durch andere geeignete Werte ersetzt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Schichtverbunds;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds bestehend aus Einzelschichten mit einer Dicke der jeweils getrockneten Schicht vorteilhafter Weise zwischen 2nm und 100µm, besonders vorteilhaft zwischen 50nm und 10µm gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Modifizieren zumindest einer, von einer Deckschicht abgedeckten Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ohne oder mit nur geringer Beeinträchtigung der umliegenden Schichten;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6a und 6b eine Darstellung einer Trocknung einer Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7a und 7b eine Darstellung einer Modifizierung einer Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Schichtverbunds 100, der eine Mehrzahl miteinander verbundener Schichten aufweist. Der Schnittverbund 100 kann beispielsweise einen Schnitt durch eine organische Solarzelle darstellen. Eine, in der Darstellung unten gezeigte Schicht 102 ist ein Trägermaterial oder Substrat des Schichtverbunds 100. Beispielsweise besteht die Schicht 102 aus Glas oder Folie, insbesondere einer im sichtbaren Spektralbereich durchsichtigen Polymerfolie (z.B. PMMA, PC, PET, PEN, ...). Auf dem Trägermaterial 102 ist eine elektrisch leitende Metallschicht 104 angeordnet und mit dem Trägermaterial 102 verbunden. Auf der Schicht 104 ist eine Schicht 106 eines ersten Halbleitermaterials angeordnet und drüber eine Schicht 108 eines zweiten Halbleitermaterials. Die Schichten 106, 108 können geeignet sein, um aus einfallendem Licht elektrische Energie zu gewinnen. Über der Schicht 108 ist eine weitere elektrisch leitende Schicht 110 angeordnet. Die Schicht 110 besteht aus transparentem Leitermaterial (transparent conductive oxide TCO), durch das das einfallende Licht dringen kann. Das transparente Leitermaterial 110 ist zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit einer Deckschicht 112 abgedeckt.
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Die Schichten 104, 106, 108, 110 sind Zwischenschichten des Schichtverbunds 100 und können mit einem Verfahren zum Aufbauen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erstellt werden. Nach dem Abdecken mit der Deckschicht 112 können Eigenschaften der Schichten 104, 106, 108 und 110 durch eine selektive Wärmebehandlung mit einem Verfahren zum Modifizieren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbessert werden. Dabei können einzelne Schichten bearbeitet werden, obwohl die Zwischenschichten 104, 106, 108, 110 bereits von der Deckschicht abgedeckt sind. Es können auch mehrere Schichten gemeinsam bearbeitet werden. Da die Zwischenschichten mit der Deckschicht abgedeckt sind, kann das Modifizieren unter Abschluss von Luftsauerstoff und/oder Luftfeuchte erfolgen, wodurch verbesserte Ergebnisse erzielt werden können.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Ausführens, einen Schritt 204 des Aufbringens und einen Schritt 206 des Trocknens auf. Beispielsweise kann mit dem Verfahren 200 eine der Schichten des in 1 gezeigten Schichtverbunds aufgebaut werden.
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Im Schritt 202 des Ausführens wird eine Relativbewegung zwischen einer bestehenden Schicht des Schichtverbunds und einem Applikationsbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit vorteilhafter Weise zwischen 0,5m/min und 10m/sec ausgeführt. Im Schritt 204 des Aufbringens wird die Schicht auf die bestehende Schicht in dem Applikationsbereich aufgebracht. Im Schritt 206 des Trocknens wird die der Schicht mittels eines auf die Schicht gerichteten Laserstrahls in einem Wirkbereich getrocknet. Der Wirkbereich weist einen vorgegebenen Abstand zu dem Applikationsbereich auf.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Modifizieren zumindest einer, von einer Deckschicht abgedeckten Schicht eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ohne oder mit nur geringer Beeinträchtigung der umliegenden Schichten. Beispielsweise kann mit dem Verfahren 300 eine der innenliegenden Schichten des in 1 gezeigten Schichtverbunds modifiziert werden.
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Das Verfahren 300 weist einen Schritt 202 des Ausführens und einen Schritt 302 des Bestrahlens auf. Im Schritt 202 des Ausführens wird eine Relativbewegung zwischen dem Schichtverbund und einem Wirkbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit ausgeführt. Im Schritt 302 des Bestrahlens wird die Schicht in dem Wirkbereich mit zumindest einem Laserstrahl bestrahlt, wobei der Laserstrahl die Deckschicht durchdringt, um die Schicht zu bestrahlen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Laser, also zumindest zwei Laser unterschiedlicher Wellenlängen für die Bearbeitung unterschiedlicher Teilschichten genutzt. Auf diese Weise können im Schritt 302 des Bestrahlens unterschiedliche Teilschichten gleichzeitig oder zeitlich nacheinander von Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt werden. Die unterschiedlichen Teilschichten können in einer Schichtebene oder in unterschiedlichen Schichtebenen des Schichtverbunds angeordnet sein. Wirkbereiche der zumindest zwei Laser können sich überlappen oder voneinander beabstandet sein.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines Schichtverbunds gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 400 weist die Schritte eines Verfahrens 200 zum Aufbauen einer Schicht des Schichtverbunds gemäß dem hier beschriebenen Ansatz, einen Schritt 402 des Abdeckens und die Schritte eines Verfahrens 300 zum Modifizieren der Schicht des Schichtverbunds gemäß dem hier beschriebenen Ansatz auf. Beispielsweise kann mit dem Verfahren 400 der in 1 gezeigte Schichtverbund hergestellt werden.
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In den Schritten des Verfahrens 200 zum Aufbauen wird eine Schicht des Schichtverbunds auf ein Trägermaterial aufgebracht und nach Ablauf einer vorbestimmten Einwirkdauer mit einem Laser getrocknet. Die Schritte des Verfahrens 200 zum Aufbauen können wiederholt werden, um mehrere Schichten aufzubauen. Im Schritt 402 des Abdeckens wird die oberste der aufgebrachten Schichten mit einer Deckschicht abgedeckt, um den Schichtverbund herzustellen. In den Schritten des Verfahrens 300 zum Modifizieren wird eine Schicht unterhalb der Decklage mit einem Laser bestrahlt, um Eigenschaften dieser Schicht zu modifizieren. Aufgrund verschiedener Absorptionseigenschaften der Schichten können selektiv tiefer liegende Schichten bestrahlt werden. Dazu kann die Wellenlänge des Laserstrahls so gewählt werden, dass über den zu bestrahlenden Schichten liegende Schichten das Laserlicht dieser Wellenlänge nur geringfügig oder gar nicht absorbieren.
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 500 zum Aufbauen einer Schicht 106 eines Schichtverbunds 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 500 weist eine Einrichtung 502 zum Ausführen einer Relativbewegung, eine Einrichtung 504 zum Aufbringen der Schicht 106 und eine Einrichtung 506 zum Bereitstellen eines Laserstrahls auf. Die Vorrichtung 500 kann eingesetzt werden, um das anhand von 2 beschriebene Verfahren zum Aufbauen einer Schicht eines Schichtverbunds auszuführen.
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Die Einrichtung 502 zum Ausführen der Relativbewegung ist dazu ausgebildet, die Relativbewegung zwischen einer bestehenden Schicht 102 des Schichtverbunds 100 und einem Applikationsbereich mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit auszuführen. Dabei kann die Einrichtung 502 zum Ausführen ausgebildet sein, um die bestehende Schicht 102 in Form eines Substrats bzw. in Form eines in vorangegangenen Schritten erstellten Schichtsystems zu bewegen oder alternativ die Einrichtungen 504, 506 über den Schichtverbund 100 zu bewegen. Die Einrichtung 504 zum Aufbringen ist dazu ausgebildet, die Schicht 106 auf die bestehende Schicht 102 des Schichtverbunds 100 in dem Applikationsbereich aufzubringen. Insbesondere kann die Einrichtung 504 zum Aufbringen dazu ausgebildet sein, ein pastöses oder tintenförmiges Material unter Verwendung eines nasschemischen Prozesses mit einer gleichbleibenden Schichtdicke auf die bestehende Schicht 102 aufzubringen. Die Einrichtung 506 zum Bereitstellen ist dazu ausgebildet, den Laserstrahl zum Trocknen der Schicht 106 in einem Wirkbereich des Laserstrahls bereitzustellen. Die Einrichtung 506 zum Bereitstellen ist in einen Abstand 508 zu der Einrichtung zum Aufbringen 504 angeordnet.
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Die 6a und 6b zeigen eine Darstellung einer Trocknung einer Schicht 106a eines Schichtverbunds 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Aufbringung und Trocknung der Schicht 106a kann mit einer Vorrichtung 500 zum Aufbauen durchgeführt werden, wie sie anhand von 5 beschrieben ist.
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6a zeigt eine Draufsicht auf den Schichtverbund 100, wobei in 6a eine Vorrichtung zum Aufbauen 500 der Schicht 106 nicht dargestellt ist, um freie Sicht auf den Schichtverbund 100 zu gewähren.
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6b zeigt eine Seitenansicht des Schichtverbunds und der Vorrichtung 500 zum Aufbauen. Die Draufsicht aus 6a ist in Bezug zu der Seitenansicht aus 6b dargestellt.
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Der Schichtverbund 100 wird in einer Vorschubrichtung 604 relativ zu der Vorrichtung 500 mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt. Wenn der Schichtverbund 100 geringe Abmessungen aufweist, kann vorteilhafterweise eine Einrichtung zum Aufbringen und eine Einrichtung zum Trocknen, wie sie in 5 gezeigt sind, über den Schichtverbund 100 bewegt werden. Wenn der Schichtverbund 100 große Abmessungen aufweist, beispielsweise Endlosmaterial bzw. Bandmaterial, kann vorteilhafterweise der Schichtverbund 100 unter der Vorrichtung 500 bewegt werden.
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Der Schichtverbund 100 weist, wie es beispielhaft in 1 dargestellt ist, ein Trägermaterial 102 als unterste Schicht auf. Auf dem Trägermaterial ist als bestehende Schicht ein Leitermaterial 104 angeordnet. Auf das Leitermaterial 104 wird in einem Applikationsbereich 606 die erste von mehreren möglichen Zwischenschichten 106a aufgetragen. Die Zwischenschicht 106a wird in diesem Ausführungsbeispiel von einer Druckwalze 608 aufgetragen, die auf der bestehenden Schicht 104 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v abrollt. Anstelle der Druckwalze 608 kann die Schicht 106a auch mittels einer Rakel oder einer Schlitzdüse oder als Spray aufgebracht werden.
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In einem Abstand D zu dem Applikationsbereich 606 wird die aufgetragene Schicht 106a an einer Laserlichtlinie 612 von einem Laserlicht 610 getrocknet. Nach dem Trocknen liegt die vormals nasse Schicht 106a als getrocknete Schicht 106b vor. Die getrocknete Schicht 106b kann beispielsweise der in 1 gezeigten Schicht 106 entsprechen. Die Laserlichtlinie 612 kennzeichnet eine Position eines Wirkbereichs, auf den das Laserlicht 610 fokussiert oder gerichtet ist. Das Laserlicht 610 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ununterbrochenes Strichlaserlicht 610 ausgebildet, das auch „Lichtlinie“ oder „Linienlaser“ genannt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Laserlichtlinie 612, wie sie über die Breite der in 6a gezeigten Schicht verläuft, auch unterbrochen sein. Dann kann das Laserlicht beispielsweise die Form eines Laserkamms aufweisen, das in der Schicht 106a strichförmige getrocknete Bereiche 106b neben strichförmigen nassen Bereichen 106a erzeugt.
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Zwischen dem Applikationsbereich 606 und dem Wirkbereich der Laserlichtlinie 612 ist die Schicht 106a nass und enthält Lösungsmittel, die ein Verbinden mit der bestehenden Schicht 104 ermöglichen. Während die Schicht 106a zwischen dem Applikationsbereich 606 und dem Wirkbereich 612 verweilt, verstreicht eine Einwirkdauer. Wenn der Laserstrahl 610 auf die Schicht 106a trifft, wird sie erwärmt und das Lösungsmittel ausgetrieben. Indem der Laserstrahl 610 über die nasse Schicht 106a geführt wird, wird aus der nassen Schicht 106a eine trockene Schicht 106b. Die Schicht 106b ist trocken und besteht aus getrocknetem Funktionsstoff. Die Einwirkdauer, während der die nasse Schicht 106a auf die bestehenden Schicht 104 einwirken kann, errechnet sich aus der Strecke D zwischen dem Auftragen 606 und der Laserlinie 612 dividiert durch die Vorschubgeschwindigkeit v.
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Gemäß dem anhand der 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispiel kennzeichnet die Vorschubrichtung 604 eine Vorschubrichtung eines Auftragesystems zum Auftragen der Schicht 106a und der Laserlinie 612.
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Durch die Anwendung der hier vorgestellten Verfahren in der Herstellung der insbesondere organischen Solarzellen lassen sich Vorteile erzielen. Durch Lasertrocknung der Schicht 106a in lösemittelbasierten Prozessen wird der Aufbau neuartiger Schichtsysteme 100 ermöglicht, eine Schädigung bereits vorher aufgetragener Schichten 104 durch Eindringen von Lösemittel wird unterbunden.
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Die 7a und 7b zeigen eine Darstellung einer Modifizierung einer Schicht 106a eines Schichtverbunds 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Modifizierung kann entsprechend dem anhand von 3 beschriebenen Verfahren zum Modifizieren mittels eines Laserstrahls 610 durchgeführt werden.
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7a zeigt eine Draufsicht auf den Schichtverbund 100, wobei in 7a eine Vorrichtung zum Modifizieren der Schicht 106a nicht dargestellt ist, um freie Sicht auf den Schichtverbund 100 zu gewähren. Eine Laserlichtlinie des Laserstrahls 610 kennzeichnet den Übergang zwischen der Schicht 106a vor der Lasermodifikation und der Schicht 106b nach der Lasermodifikation durch den Laserstrahl.
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7b zeigt eine Seitenansicht des in 7a gezeigten Schichtverbunds 100. Die Draufsicht der 7a ist in Bezug zu der Seitenansicht der 7b dargestellt.
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Entsprechend zu dem anhand der 6a und 6b beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der in den 7a und 7b gezeigte Schichtverbund 100 ein Trägermaterial 102 auf, auf dem eine metallische Schicht 104 angeordnet ist. Eine auf der metallischen Schicht angeordnete Schicht 106a, 106b ist getrocknet und mit einer Decklage 112 abgedeckt. Der Schichtverbund 100 ist damit komplett.
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Der Schichtverbund 100 wird in einer Vorschubrichtung 604 relativ zu der Vorrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt. Wenn der Schichtverbund 100 geringe Abmessungen aufweist, kann vorteilhafterweise ein Laserstrahl 610 über den Schichtverbund 100 bewegt werden. Wenn der Schichtverbund 100 große Abmessungen aufweist, beispielsweise Endlosmaterial bzw. Bandmaterial, kann vorteilhafterweise der Schichtverbund 100 unter dem Laserstrahl 610 bewegt werden.
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Um Eigenschaften der Mittelschicht 106a nach dem Abdecken zu verbessern, wird der Laserstrahl 610 in einem Wirkbereich konzentriert. Der Wirkbereich ist unterhalb der Deckschicht 112 angeordnet und kann nur eine der Schichten 104, 106a oder mehrere der Schichten 104, 106a einschließen. Gemäß dem in den 7a und 7b gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt der Laserstrahl 610 auf einen noch nicht modifizierten Bereich 106a der Mittelschicht. Die Schichten 104, 106a, 112 können unterschiedliche Lichtspektren absorbieren. Damit kann eine Schicht, beispielsweise die Deckschicht 112 für den Laser 610 transparent sein, während eine andere Schicht, beispielsweise die Schicht 106a, den Laserstrahl 610 absorbiert. Der Laserstrahl 610 erwärmt in diesem Ausführungsbeispiel nur die Schicht 106a und ermöglicht eine Gefügeumwandlung in der Schicht 106a, wodurch aus der Schicht 106a die Schicht 106b entsteht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen die 7a und 7b das Prinzip des gezielten Annealens einer Einzelschicht 106a in einem Schichtverbund 100. Bei den in 7b gezeigten weiteren Schichten 102, 104, 112 handelt es sich um durch den eine Laserlichtlinie darstellenden Laserstrahl 610 nicht beeinflusste Schichten. In 7a ist durch die noch nicht modifizierte Schicht 106a das Schichtsystem 100 vor der Lasermodifikation durch den Laserstrahl 610 und durch die modifizierte Schicht 106b das Schichtsystem 100 nach der Lasermodifikation durch den Laserstrahl 610 gezeigt.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt das Verwenden einer Laserlinie eines Laserstrahls 610 zur selektiven Modifikation von Schichten 106a und Schichtsystemen 100 beispielsweise in der Dünnschicht Photovoltaik. Die Laserlinie des Laserstrahls 610 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel senkrecht zu ihrer Ausdehnung über ein Stückgut oder Bandmaterial 100 geführt, sodass eine räumlich linienhafte und durch die Bewegung zeitlich begrenzte Erwärmung erfolgt. Die dabei erreichbaren Aufheiz- und Abkühlraten liegen bei 1000000K/s.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine gezielte Absorption der Laserstrahlung 610 aufgrund einer wellenlängenspezifischen Absorption des Laserstrahls 610 in der Schicht 106, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine photoaktive Absorberschicht darstellt. Durch die Absorption wird die Schicht 106a selektiv erwärmt und modifiziert, ohne dass weitere Schichten 104 des Verbunds 100 thermisch beeinträchtigt werden. Weiterhin kann eine Diffusion von Atomen zwischen den einzelnen Schichten 104, 106a, 112 auf ein Minimum reduziert werden, da die zur Diffusion notwendige Temperatur nur kurz erreicht wird.
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Ein Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes ist das gezielte, zeitlich und/oder räumlich eng begrenzte Aufheizen einer einzelnen Schicht 106a aus einem Schichtverbund 100, um dort eine Funktionsverbesserung zu erreichen. Dieser Effekt kann applikationsspezifisch für Trocknung und Nachbehandlung genutzt werden. Beispielsweise können transparente Leitschichten 110, insbesondere aus lösemittelbasierten Prozessen getrocknet werden. P- oder n-Leitende Transportschichten 106, 108, insbesondere basierend auf organischen Materialien können verbessert werden. Absorberschichten 106, 108 in der Dünnschicht Photovoltaik, insbesondere der organischen Photovoltaik können verbessert werden.
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Mit dem hier vorgestellten Ansatz können charakteristische Leistungsmerkmale im Schichtaufbau, der Schichtmorphologie und der Funktion des Schichtverbundes verbessert werden. Insbesondere in der Dünnschicht-Photovoltaik ergeben sich Anwendungsvorteile. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in der Batterietechnik und ggf. bei der Herstellung flächiger/dünnschichtbasierter Beleuchtung.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007052782 A1 [0003]
