DE102013109480A1 - Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen und Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtsolarmodul - Google Patents

Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen und Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtsolarmodul Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Lasers mit einer Laser-Wellenlänge, – Bereitstellen eines Substrates (1) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, das für die Laser-Wellenlänge transparent ist, wobei die erste Seite des Substrats eine metallische Rückelektrodendünnschicht (2) aufweist und auf der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) eine Absorberdünnschicht (3) für Dünnschichtsolarzellen angeordnet ist, – Einstrahlen eines Laserstrahls (L) auf das Substrat, – Bewegen des Laserstrahls (L) entlang einer Schreiblinie über das Substrat (1) und/oder Bewegen des Substrates (1) relativ zum Laserstrahl (L) entlang einer Schreiblinie. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, der Laserstrahl (L) auf die zweite Seite des Substrats (1) eingestrahlt wird, durch das Substrat (1) hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht (2) fällt und mit Laserpulsen im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und derart bewegt wird, dass entlang der Schreiblinie die über der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) angeordnete Absorberdünnschicht (3) abgesprengt wird und eine laserbeeinflusste metallische Rückelektrodendünnschicht (2) auf dem Substrat verbleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen und ferner ein Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtsolarmodul.
  • Dünnschichtsolarmodule weisen üblicherweise monolithisch miteinander in Serie verschaltete Dünnschichtsolarzellen auf. Zur Herstellung der monolithischen Verschaltung der Dünnschichtsolarzellen in einem Substrataufbau wird zunächst eine Rückelektrodendünnschicht auf dem Substrat abgeschieden. Das Substrat kann als Glasplatte mit einer Stärke von beispielsweise drei Millimetern und die Rückelektrodendünnschicht aus Metall, beispielsweise aus Molybdän mit einer Schichtdicke von mehreren hundert Nanometern ausgebildet sein. Diese Rückelektrodendünnschicht wird in einem ersten Strukturierungsschritt, der oftmals auch als P1-Strukturierung bezeichnet wird, in eine Mehrzahl benachbarter Streifen aufgeteilt. Zwischen diesen Streifen der Rückelektrodendünnschicht verlaufen schmale Gräben mit einer Breite von üblicherweise weniger als einem Millimeter, an deren Stelle die Rückelektrodendünnschicht durch den P1-Strukturierungsschritt entfernt worden ist, um die einzelnen Streifen elektrisch voneinander zu isolieren. Der P1-Strukturierungsschritt erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Lasers, dessen Strahl auf die Rückelektrodendünnschicht trifft und diese entlang von Schreiblinien verdampft, sublimiert und/oder absprengt und somit die so genannten P1—Gräben bildet.
  • Auf diese strukturierten Streifen der Rückelektrodendünnschicht wird anschließend eine Absorberdünnschicht abgeschieden, die sich vollflächig über die strukturierten Streifen und über die dazwischen liegenden P1-Gräben erstreckt. Diese Absorberdünnschicht kann aus mehreren Teilschichten bestehen und weist üblicherweise eine Dicke von weniger als zwei Mikrometer auf. Danach folgt ein als P2-Strukturierungsschritt bezeichneter Prozess. Dabei wird benachbart zu den abgedeckten P1-Gräben die Absorberdünnschicht bis zur Rückelektrodendünnschicht entlang der so genannten P2—Gräben entfernt.
  • Im Anschluss daran wird eine transparente Frontseitenelektrodendünnschicht vollflächig über die mit den P2-Gräben strukturierte Absorberdünnschicht abgeschieden.
  • Daran schließt sich die so genannte P3-Strukturierung an. Wiederum benachbart und parallel zu den abgedeckten P2-Gräben wird das Schichtpaket Absorberdünnschicht und Frontseitenelektrodendünnschicht entlang so genannter P3-Gräben herunter bis auf die Rückelektrodendünnschicht entfernt. Der P3-Graben liegt möglichst dicht neben dem P2-Graben, jedoch ist der minimale Abstand von P2- und P3-Graben durch die endliche Mess- und Positioniergenauigkeit begrenzt.
  • Nach Abschluss der Sequenz von Dünnschichtabscheidungen und P1-, P2- und P3-Strukturierung liegt eine Mehrzahl monolithisch in Serie miteinander verschalteter Dünnschichtsolarzellen vor, die ein Dünnschichtsolarmodul bilden. Je enger die P2- und P3-Gräben zueinander positioniert werden können, desto höher ist die Ausnutzung an Absorberdünnschicht als aktive Zone der verschalteten Dünnschichtsolarzellen.
  • Insbesondere bei einer Rückelektrodendünnschicht aus Metall, zum Beispiel aus Molybdän, wird der P2- und P3-Strukturierungsschritt mechanisch mit Hilfe dünner Nadeln durchgeführt. An diesen Nadeln treten Verschleißerscheinungen auf und die mechanische Genauigkeit bei der Positionierung der Nadeln ist im Bereich mehrerer Zehntel Millimeter begrenzt oder erfordert bei höheren Genauigkeiten einen unverhältnismäßig großen Aufwand. Weiterhin kommt es beim Einsatz von Nadeln bei der Strukturierung regelmäßig dazu, dass die Rückelektrodendünnschicht derart in Mitleidenschaft gezogen wird, dass der Wirkungsgrad des Solarmoduls reduziert wird.
  • Aus der WO 2012/051574 A2 ist ein Herstellungsverfahren für Dünnschichtsolarmodule bekannt, bei dem insbesondere die P2- und P3-Strukturierung mittels eines Lasers durchgeführt wird. Dieses Verfahren weist die folgenden Schritte auf.
    • – Bereitstellen eines Lasers mit einer Laser-Wellenlänge,
    • – Bereitstellen eines Substrates mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, das für die Laser-Wellenlänge transparent ist, wobei die erste Seite des Substrats eine metallische Rückelektrodendünnschicht aufweist und auf der metallischen Rückelektrodendünnschicht eine Absorberdünnschicht für Dünnschichtsolarzellen angeordnet ist,
    • – Einstrahlen eines Laserstrahls auf die erste Seite des Substrats und
    • – Bewegen des Laserstrahls entlang einer Schreiblinie über das Substrat und/oder Bewegen des Substrates relativ zum Laserstrahl entlang einer Schreiblinie. Bei diesem Verfahren ist es nicht ausgeschlossen, dass durch die Laserstrahlung herausgesprengte Dünnschichtpartikel zurück in die Strukturgräben gelangen. Dort können diese Partikel, insbesondere nach der P3-Strukturierung einen Kurzschluss zwischen der Frontelektrodendünnschicht und der Rückelektrodendünnschicht hervorrufen.
  • Weiterhin ist dieses Verfahren dann problematisch, wenn auf der Fronelektrodendünnschicht beispielsweise eine zusätzliche Schicht in Form eines Elektronensammelnetzes mit einer Schichtdicke von mehreren Mikrometern aufgebracht ist. Die Frontelektrodendünnschicht und das Elektronensammelnetz bilden zusammen die Frontelektrodenstruktur. Diese leitfähigen Strukturen weisen üblicherweise Schichtdicken im Bereich bis 10 µm auf. Diese Schichtdicke ist im Vergleich zum darunter liegenden Dünnschichtpaket deutlich größer. Der von außen auf diese Struktur treffende Laserstrahl wird in der Schicht absorbiert und wirkt nicht mehr bis in das darunter liegende Dünnschichtpaket hinein. Folglich kann die erforderliche P3— Strukturierung auch nicht durchgängig erzeugt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen bereit zu stellen, das die genannten Nachteile überwindet.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl auf die zweite Seite des Substrats eingestrahlt wird, durch das Substrat hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht fällt und mit Laserpulsen im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und derart bewegt wird, dass entlang der Schreiblinie die über der metallischen Rückelektrodendünnschicht angeordnete Absorberdünnschicht abgesprengt wird und eine laserbeeinflusste metallische Rückelektrodendünnschicht auf dem Substrat verbleibt. Unter dem beanspruchten Zeitbereich wird der Bereich größer einer Femtosekunde bis kleiner 1000 Nanosekunden verstanden.
  • Der Erfindung liegt die überraschende Kenntnis zu Grunde, dass bei einem rückseitigen Eintritt der Laserstrahlung durch das für die Laserstrahlung hinreichend transparente Substrat Parameter-Fenster für die Einstellung der Laserstrahlung in Kombination mit der Relativbewegung zwischen Substrat und Laser existieren, bei denen die metallische Rückelektrodendünnschicht weitgehend intakt bleibt, jedoch alle auf der Rückelektrodendünnschicht befindlichen Dünnschichten aber auch Schichtdicken von vielen Mikrometern durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung entfernt werden. Dies ist vor dem Hintergrund überraschend, weil die zum Einsatz kommende Laserstrahlung eine Wellenlänge aufweist, für die die metallische Rückelektrodendünnschicht nicht transparent ist. Entscheidender Parameter ist der zeitliche und räumliche Verlauf der pro Volumen- und Zeiteinheit deponierten Laserenergie. Dies hängt ab von Parametern wie der Wellenlänge, der Pulsdauer, der Pulsenergie, der Pulsfrequenz, dem Pulsdurchmesser, Strahlprofil und der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat. Die verbleibende von der Laserstrahlung beeinflusste Rückelektrodendünnschicht hat im Bereich der Strukturierungsgräben üblicherweise weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% seiner Schichtdicke eingebüßt. Die Qualität der vom Laser beeinflussten Schicht ist jedenfalls im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Solarmoduls besser als die Qualität der nach mechanischer P2- oder P3-Strukturierung verbleibenden Rückelektrodendünnschichten.
  • Diese Erkenntnis zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht es sowohl die P2—Strukturierung als auch die P3-Strukturierung mittels eines geeignet eingestellten Laserstrahls und angepasster Relativbewegung zwischen Strahl und Substrat durchzuführen. Es existieren Prozessparameter-Fenster, bei denen das Material derart aus dem Dünnschichtpaket herausgesprengt wird, dass keine oder sehr wenige Bruchstücke im entstehenden Graben verbleiben. Dies gilt auch für den Fall, dass kein reines Dünnschichtpaket, sondern abschnittsweise eine über dem Dünnschichtpaket abgeschiedene mehrere Mikrometer starke Schicht vorhanden ist.
  • Bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens daher so ausgebildet, dass über der Absorberdünnschicht eine Frontelektrodenstruktur angeordnet ist und im Bereich der Schreiblinie die Absorberdünnschicht zusammen mit der darüber befindlichen Frontelektrodenstruktur abgesprengt wird. Diese Frontelektrodenstruktur weist eine oder mehrere Dünnschichten aus transparentem leitfähigem Oxid (TCO), beispielsweise aus dotiertem oder nicht dotiertem Zinkoxid auf und ist beispielsweise einen Mikrometer stark.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, sowohl die P2- als auch die P3-Strukturierung mittels der rückseitig eingestrahlten Laserstrahlung durchzuführen. Bevorzugt ist das Verfahren daher so weitergebildet, dass nach dem Bewegen des Laserstrahls entlang der Schreiblinie und/oder nach dem Bewegen des Substrates relativ zum Laserstrahl entlang der Schreiblinie eine Frontelektrodenstruktur auf die strukturierte Absorberdünnschicht aufgebracht wird und anschließend entlang einer lateral zur Schreiblinie versetzten weiteren Schreiblinie der Laserstrahl auf die zweite Seite des Substrats eingestrahlt wird, durch das Substrat hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht fällt und mit Laserpulsen im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat derart durchgeführt wird, dass entlang der weiteren Schreiblinie die über der metallischen Rückelektrodendünnschicht angeordnete Absorberdünnschicht zusammen mit der Frontelektrodenstruktur abgesprengt wird und eine laserbeeinflusste metallische Rückelektrodendünnschicht auf dem Substrat verbleibt
  • Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens zur Laserstrukturierung kommt zum Einsatz, wenn die Frontelektrodenstruktur als Frontelektrodendünnschicht oder als Frontelektrodendünnschicht mit einer darüber angeordneten gitternetzartigen metallischen Elektronensammelstruktur ausgebildet ist.
  • Bevorzugt kommt das Verfahren zur Laserstrukturierung für alle bisherigen beschriebenen Varianten derart zum Einsatz, dass ein Substrat aus Glas verwendet wird.
  • Das Verfahren zur Laserstrukturierung kommt bevorzugt bei Absorberdünnschichten aus ternären oder quaternären Halbleiter, beispielsweise CIGS oder CIS, zum Einsatz.
  • Für alle der vorangehend beschriebenen Variante des Verfahrens zur Laserstrukturierung gilt, dass die Laserwellenlänge im nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich gewählt wird. Mögliche Laserwellenlängen sind beispielsweise 515nm, 532 nm, 1030nm, 1047 nm, 1053 nm, 1060 nm, 1064 nm, 1080 nm und 1150 nm. Insbesondere eignen sich Seltenerd-dotierte Festkörperlaser für. Mögliche Laserwellenlängen sind daher deren Grundwellenlängen und höhere Harmonische.
  • Besonders saubere Schnittlinien werden bevorzugt dadurch erzielt, dass der Laserstrahl und/oder das Substrat derart bewegt wird, dass ein räumlicher Überlapp der Laserpulse von 10 bis 50% entlang der Schreiblinien gewährleistet wird.
  • Als weiterer bevorzugter Bereich für die zum Einsatz kommende Pulsenergie der Laserpulse ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Pulsenergie pro Puls im Bereich 1 bis 100 µJ, bevorzugt im Bereich 15 bis 30 µJ gewählt wird.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtsolarmodul aus monolithisch verschalteten Dünnschichtsolarzellen im Substrataufbau mit folgenden Schritten:
    • – Bereitstellen eines Glassubstrates,
    • – Abscheiden einer metallischen Rückelektrodendünnschicht auf dem Glassubstrat,
    • – Durchführen eines P1-Laserstrukturierungsschrittes der metallischen Rückelektrodendünnschicht,
    • – Abscheiden einer Absorberdünnschicht auf der strukturierten metallischen Rückelektrodendünnschicht,
    • – Durchführen eines P2-Laserstrukturierungsschrittes der Absorberdünnschicht,
    • – Abscheiden einer Frontelektrodendünnschicht auf der strukturierten Absorberdünnschicht,
    • – Durchführen eines P3-Laserstrukturierungsschrittes der Absorberdünnschicht zusammen mit der Frontelektrodendünnschicht,
    • – dauerhaft wetterfestes Verkapseln der monolithisch verschalteten Dünnschichtsolarzellen mit einem Frontseitenverkapselungselement und
    • – Anbringen einer dauerhaft wetterfesten elektrischen Solarmodul-Anschlusseinrichtung auf dem Substrat.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der P2-Laserstrukturierungsschritt und/oder der P3 Laserstrukturierungsschritt gemäß einer der vorangehend geschilderten Verfahrensvarianten zur Laserstrukturierung durchgeführt werden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass vor dem Verfahrensschritt des Verkapselns und des Anbringens einer Anschlusseinrichtung folgende, weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    • – Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Substrat,
    • – Bewegen des Laserstrahls entlang mindestens einer Schneidlinie über das Substrat und/oder Bewegen des Substrats relativ zum Laserstrahl zur Erzeugung mindestens eines Isoliergrabens mittels einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat, wobei der Laserstrahl auf die zweite Seite des Substrats eingestrahlt wird, durch das Substrat hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht fällt und mit Laserpulsen im Pico- oder im Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie samt der metallischen Rückelektrodendünnschicht die darüber angeordnete Absorberdünnschicht und die darauf angeordnete Frontelektrodenstruktur vom Substrat abgesprengt werden.
  • Die aufgezählten Laserparameter von ein und demselben Laser lassen sich derart einstellen, dass anders als bei den P2 bis P3 Laserstrukturierungsschritten die Molybdändünnschicht mit allen darüber liegenden Schichten abgesprengt wird. Durch diese Isoliergräben entstehen Sub-Solarmodule auf dem gleichen Substrat. Auf diese Weise wird die gesamte monolithische Strukturierung eines Dünnschichtsolarmoduls mit einer einzigen Lasereinrichtung möglich. Dadurch wird die Herstellung gegenüber dem Stand der Technik deutlich kostengünstiger.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der nachfolgenden beschriebenen Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 bis 9: den sequenziellen und rein schematisch dargestellten Ablauf der Schichtabscheidung, Strukturierung und Verkapselung zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten mehrfach zum Einsatz kommt.
  • Gemäß 1 wird ein Glassubstrat 1 bereit gestellt und wie in 2 gezeigt eine Rückelektrodendünnschicht beispielsweise in Form einer 100 bis 200 Nanometer starken Molybdänschicht aufgesputtert. Gemäß 3 erfolgt eine periodische Strukturierung der Rückelektrodendünnschicht mittels Laserstrahlen L. Entweder werden die Laserstrahlen L mittels einer Optik entlang des Substrats 1 bewegt und/oder das Substrat 1 wird unter dem ortsfesten Laserstrahl L bewegt. Im Ergebnis entstehen entlang den durch die Relativbewegung zwischen Laserstrahl L und Substrat 1 definierte Gräben P1 in der Molybdändünnschicht der Rückelektrodendünnschicht 2. Anschließend wird wie in 4 schematisch gezeigt auf diese strukturierten Streifen der Rückelektrodendünnschicht 2 eine Absorberdünnschicht 3 abgeschieden, die sich vollflächig über die strukturierten Streifen und über die dazwischen liegenden Gräben P1 erstreckt. Diese Absorberdünnschicht 3 kann aus mehreren Teilschichten bestehen, beispielsweise aus einer CIGS (Cu(In, Ga)(Se, S)2) Schicht, die mit einer CdS-Pufferschicht kombiniert ist und weist üblicherweise eine Dicke von weniger als zwei Mikrometer auf.
  • Danach folgt gemäß 5 ein als P2-Strukturierungsschritt bezeichneter Prozess. Dabei wird benachbart zu den abgedeckten Gräben P1 die Absorberdünnschicht 3 bis zur Rückelektrodendünnschicht 2 entlang der Gräben P2 entfernt. Dieser Prozessschritt erfolgt wiederum durch Einsatz eines Laserstrahls L. Anders als beim P1-Strukturierungsschritt wird der Laser jetzt jedoch von hinten zunächst durch das Glassubstrat 1 hindurch auf die Rückelektrodendünnschicht gelenkt. Die Laserparameter lassen sich derart passend einstellen, dass ausgehend von der Rückelektrodendünnschicht 2 eine Schockwelle induziert wird, die die über der Rückelektrodendünnschicht 2 liegende Absorberdünnschicht 3 vollständig absprengt, die Rückelektrodendünnschicht 2 selbst jedoch im Wesentlichen unversehrt lässt. Mikroskopisch ist erkennbar, dass die Rückelektrodendünnschicht 2 vom Laserstrahl L beeinflusst worden ist. So nimmt die Schichtdicke üblicherweise etwas ab, jedoch ist der Materialverlust so gering, dass die zurückbleibende Metalldünnschicht der Rückelektrodendünnschicht 2 für die Funktion des monolithisch verschalteten Solarmoduls vollkommen ausreicht. Die Eigenschaften sind darüber hinaus im Vergleich zu den von mechanischen Kratzverfahren zurück bleibenden Oberflächen der Rückelektrodendünnschicht 2 besser.
  • Im Anschluss daran wird gemäß 6 eine transparente Frontseitenelektrodendünnschicht 40 vollflächig über die mit den Gräben P2 strukturierte Absorberdünnschicht 3 abgeschieden.
  • Zur Komplettierung der Frontseitenelektrodenstruktur 4 wird in einem in 7 gezeigten Schritt eine Elektrodensammelstruktur 41 über der transparenten Frontseitenelektrodendünnschicht 40 aufgebracht. Die Elektrodensammelstruktur 41 besteht aus einer nicht transparenten elektrisch gut leitfähigen Netzstruktur, die deutlich weniger als 1% der Lichteinfallsfläche des Solarmoduls abdeckt. Üblicherweise werden diese Netzstrukturen als Schichten mit Stärken von vielen Mikrometern realisiert.
  • Daran schließt sich gemäß 8 die so genannte P3-Strukturierung an. Wiederum benachbart und parallel zu den abgedeckten Gräben P2 wird das Schichtpaket Absorberdünnschicht 3 und Frontseitenelektrodenstruktur 4 entlang von Gräben P3 herunter bis auf die Rückelektrodendünnschicht 2 entfernt. Diese P3-Strukturierung erfolgt ebenso wie die in 5 gezeigte P2-Strukturierung durch Laserstrahlen L, die von hinten durch das Glassubstrat 1 auf die Rückelektrodendünnschicht 2 gestrahlt werden. Die Einstellung der Laserparameter und der Relativbewegung zwischen Substrat 1 und Laserstrahl L ist wiederum derart gewählt, dass alle oberhalb der aus Molybdän gebildeten Rückelektrodendünnschicht 2 liegenden Dünnschichten und auch Schichten mit vielen Mikrometern Dicke abgesprengt werden. Zurück bleibt eine hinreichend dicke und von ihrer Mikrostruktur her geeignete Rückelektrodendünnschicht 2.
  • Im letzten Schritt gemäß 9 wird zum einen ein Frontseitenverkapselungselement 5 auf die Lichteinfallsseite appliziert. Dieses Frontseitenverkapselungselement 5 kann zum Beispiel aus einer zweiten Glasplatte mit einer darunter liegenden Folie aus EVA (Ethylenvinylacetat) oder aus einer hinreichend wetterstabilen Polymerfolie gebildet sein. Dadurch werden die monolithisch verschalteten Dünnschichtzellen dauerhaft wetterfest verkapselt. Zum anderen wird noch eine Solarmodul-Anschlusseinrichtung 6 zur elektrischen Kontaktierung der in Serie verschalteten Dünnschichtzellen am Modul montiert. Die von der Solarmodul-Anschlusseinrichtung 6 durch das Substrat 1 zu den Dünnschichtzellen reichenden elektrischen Kontakte sind in 9 nicht dargestellt.
  • Geeignete Laserparameter für die beschriebene P2- bzw. P3-Strukturierung bei Laser-Wellenlängen wie 1064nm und 532nm sind Pulslängen im Picosekundenbereich, bei Pulsenergien im Bereich von 10 bis 35 µJ, wobei die Relativbewegung derart eingestellt ist, dass ein räumlicher Überlapp zweier aufeinander folgender Pulse im Bereich von 10 bis 50% realisiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    Rückelektrodendünnschicht
    3
    Absorberdünnschicht
    4
    Frontelektrodenstruktur
    40
    Frontelektrodendünnschicht
    41
    Elektrodensammelstruktur
    5
    Frontseitenverkapselungselement
    6
    Solarmodul-Anschlusseinrichtung
    P1
    Strukturierungsgräben der Rückelektrodendünnschicht
    P2
    Strukturierungsgräben der Absorberdünnschicht
    P3
    Strukturierungsgräben der Frontelektrodenstruktur
    L
    Laserstrahl
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/051574 A2 [0008]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Laser-Strukturierung von Dünnschichten auf einem Substrat für die Herstellung monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Lasers mit einer Laser-Wellenlänge, – Bereitstellen eines Substrates (1) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, das für die Laser-Wellenlänge transparent ist, wobei die erste Seite des Substrats eine metallische Rückelektrodendünnschicht (2) aufweist und auf der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) eine Absorberdünnschicht (3) für Dünnschichtsolarzellen angeordnet ist, – Einstrahlen eines Laserstrahls (L) auf das Substrat, – Bewegen des Laserstrahls (L) entlang einer Schreiblinie über das Substrat (1) und/oder Bewegen des Substrates (1) relativ zum Laserstrahl (L) entlang einer Schreiblinie, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) auf die zweite Seite des Substrats (1) eingestrahlt wird, durch das Substrat (1) hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht (2) fällt und mit Laserpulsen im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und derart bewegt wird, dass entlang der Schreiblinie die über der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) angeordnete Absorberdünnschicht (3) abgesprengt wird und eine laserbeeinflusste metallische Rückelektrodendünnschicht (2) auf dem Substrat verbleibt.
  2. Verfahren zur Laser-Strukturierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über der Absorberdünnschicht (3) eine Frontelektrodenstruktur (4) angeordnet ist und im Bereich der Schreiblinie die Absorberdünnschicht (3) zusammen mit der darüber befindlichen Frontelektrodenstruktur (4) abgesprengt wird.
  3. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bewegen des Laserstrahls (L) entlang der Schreiblinie und/oder nach dem Bewegen des Substrates (1) relativ zum Laserstrahl entlang der Schreiblinie eine Frontelektrodenstruktur (4) auf die strukturierte Absorberdünnschicht aufgebracht wird und anschließend entlang einer lateral zur Schreiblinie versetzten weiteren Schreiblinie der Laserstrahl (L) auf die zweite Seite des Substrats (1) eingestrahlt wird, durch das Substrat (1) hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht (2) fällt und mit Laserpulsen im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1) derart durchgeführt wird, dass entlang der weiteren Schreiblinie die über der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) angeordnete Absorberdünnschicht (3) zusammen mit der Frontelektrodenstruktur (4) abgesprengt wird und eine laserbeeinflusste metallische Rückelektrodendünnschicht (2) auf dem Substrat verbleibt
  4. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontelektrodenstruktur (4) als Frontelektrodendünnschicht (40) oder als Frontelektrodendünnschicht (40) mit einer darüber angeordneten gitternetzartigen metallischen Elektrodensammelstruktur (41) ausgebildet ist.
  5. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus Glas ausgebildet ist.
  6. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberdünnschicht (2) als ternärer oder als quaternärer Halbleiter ausgebildet ist.
  7. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Laserwellenlänge des Laserstrahls (L) im nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich gewählt wird.
  8. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) und/oder das Substrat (1) derart bewegt wird, dass ein räumlicher Überlapp der Laserpulse von 10 bis 50% entlang der Schreiblinien gewährleistet wird.
  9. Verfahren zur Laserstrukturierung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie pro Puls im Bereich 1 bis 100 µJ, bevorzugt im Bereich 15 bis 30 µJ gewählt wird.
  10. Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtsolarmodul aus monolithisch verschalteten Dünnschichtsolarzellen im Substrataufbau mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrates (1) aus Glas, – Abscheiden einer metallischen Rückelektrodendünnschicht auf dem Substrat (1), – Durchführen eines P1-Laserstrukturierungsschrittes der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2), – Abscheiden einer Absorberdünnschicht (3) auf der strukturierten metallischen Rückelektrodendünnschicht (2), – Durchführen eines P2-Laserstrukturierungsschrittes der Absorberdünnschicht (3), – Abscheiden einer Frontelektrodendünnschicht (40) auf der strukturierten Absorberdünnschicht (3), – Durchführen eines P3-Laserstrukturierungsschrittes der Absorberdünnschicht (3) zusammen mit der Frontelektrodendünnschicht (40), – dauerhaft wetterfestes Verkapseln der monolithisch verschalteten Dünnschichtsolarzellen mit einem Frontseitenverkapselungselement (5) und – Anbringen einer dauerhaft wetterfesten elektrischen Solarmodul-Anschlusseinrichtung (6) auf dem Substrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass der P2-Laserstrukturierungsschritt und/oder der P3 Laserstrukturierungsschritt gemäß einem der Verfahren zur Laserstrukturierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt werden.
  11. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt des Verkapselns und des Anbringens einer Anschlusseinrichtung folgende, weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Einstrahlen eines Laserstrahls (L) auf das Substrat, – Bewegen des Laserstrahls (L) entlang mindestens einer Schneidlinie (S) über das Substrat (1) und/oder Bewegen des Substrats (1) relativ zum Laserstrahl (L) zur Erzeugung mindestens eines Isoliergrabens (I1, I2, I3, I4) mittels einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1), wobei der Laserstrahl (1) auf die zweite Seite des Substrats (1) eingestrahlt wird, durch das Substrat (1) hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht (2) fällt und mit Laserpulsen im Pico- oder im Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1) derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie (S) samt der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) die darüber angeordnete Absorberdünnschicht (3) und die darauf angeordnete Frontelektrodenstruktur (4) vom Substrat (1) abgesprengt werden.
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