DE112010004503T5

DE112010004503T5 - Verfahren und vorrichtung zum abtragen dünnerschichten von einem substrat

Info

Publication number: DE112010004503T5
Application number: DE112010004503T
Authority: DE
Inventors: Jens Guenster; Martin Bauer; Peter Rechsteiner
Original assignee: Oerlikon Solar AG
Current assignee: TEL Solar AG
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-10-25
Also published as: KR20120101460A; CN102640304A; TW201128795A; WO2011061160A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material (3, 4, 5) von einem Substrat (2) mit einem Laser, wobei eine Lenkeinrichtung vorgesehen ist, die dazu geeignet ist, einen Laserspot des Lasers relativ zu einer Oberfläche des Substrats (2) in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bewegen (13) des Substrats (2) relativ zum Laserspot; und b) Bewegen des Laserspots auf der Oberfläche des Substrats (2) in einem geschlossenen Schleifenmuster (12) durch Beaufschlagen der Lenkeinrichtung mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der zwei unterschiedlichen Richtungen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen von Material von einem Substrat durch einen Laser. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Dünnschicht-Solarmoduls mit einer ersten Elektrodenschicht, einer Halbleiterschicht und einer zweiten Elektrodenschicht, die auf einem Substrat stapelförmig angeordnet sind, wobei dieser sogenannte Schichtstapel in mehrere Dünnschicht-Solarzellen geteilt ist, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum lokalen Entfernen des an einem Umfang des Dünnschicht-Solarmoduls angeordneten Schichtstapels durch einen Laserstrahl.
Hintergrundtechnik
Eine Dünnschicht-Solarzelle weist typischerweise eine amorphe und/oder eine mikrokristalline Siliziumschicht mit einer p-i-n- oder n-i-p-Übergangsstruktur auf, die parallel zur Dünnschichtoberfläche angeordnet ist. Die p-i-n-/n-i-p-Strukturen sind zwischen Elektrodenschichten, z. B. transparenten Elektrodenschichten, sandwichartig angeordnet, die sich in jedem von mehreren Bereichen auf einer Hauptfläche eines Substrats, wie beispielsweise eines lichtdurchlässigen Substrats, das häufig als Superstrat bezeichnet wird, kontinuierlich erstrecken.
Weil der für eine Dünnschicht-Solarzelle verwendete Beschichtungsprozess normalerweise das gesamte Substrat beeinflusst, ist eine geeignete elektrische Isolierung zu einem Rahmen oder einem Gehäuse eines endgefertigten Dünnschicht-Solarzellenmoduls erforderlich. Außerdem ist es erforderlich, photovoltaische aktive Zellen vor Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff, zu schützen. Daher ist es gemäß dem Stand der Technik bekannt, photovoltaische aktive Schichten beispielsweise durch Auflaminieren des Substrats auf eine weitere Abdeckung, wie beispielsweise ein rückseitiges Glas, durch Kleben oder Laminieren einer Folie zwischen dem Substrat und der Abdeckung einzukapseln. Es ist offensichtlich, dass den Randbereichen, den sogenannten Umfangsbereichen, des Substrats besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, weil diese Umfangsbereiche auch die Kontaktfläche für die vorstehend erwähnten Umgebungseinflüsse bilden.
Daher wird der Schichtstapel, der die Elektrodenschichten und die Halbleiterschicht aufweist, die auch als aktive Schichten bezeichnet werden, häufig in einem schmalen Streifen parallel zu den Rändern entfernt, d. h. im Umfangsbereich. Zum Ausführen einer derartigen Abtragung lehrt der Stand der Technik die Verwendung von Sandstrahlen, was jedoch die negative Auswirkung hat, dass entweder die aktiven Schichten in diesem Umfangsbereich nicht vollständig entfernt werden, und/oder das darunterliegende Substrat beschädigt wird, was schließlich zu einer noch größeren Gefahr führt, dass Feuchtigkeit und Sauerstoff den Betrieb eines Dünnschicht-Solarmoduls negativ beeinflussen.
Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Entfernen von unerwünschtem Material von Randbereichen eines Substrats bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen ausführlich beschrieben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren zum Abtragen von Material von einem Substrat mit einem Laser gelöst, wobei eine Lenkeinrichtung vorgesehen ist, die dazu geeignet ist, einen Laserspot des Lasers relativ zu einer Oberfläche des Substrats in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bewegen des Substrats relativ zum Laserspot; und Bewegen des Laserspots auf der Oberfläche des Substrats in einem geschlossenen Schleifenmuster durch Beaufschlagen der Lenkeinrichtung mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der zwei unterschiedlichen Richtungen.
Von daher liegt der Erfindung die Idee zugrunde, das Material durch Bewegen des Laserspots auf der Substratoberfläche in einem geschlossenen Schleifenmuster abzutragen, wodurch erreicht wird, dass das Material auf eine sehr gleichmäßige und zuverlässige Weise vom Substrat abgetragen wird. Weil eine vorzugsweise überlagerte sinusförmige Oszillation der Lenkeinrichtung in die beiden unterschiedlichen Richtungen veranlasst wird, wird der Laserspot, der vorzugsweise durch einen Bearbeitungslaserstrahl bereitgestellt wird, vorteilhaft konstant über die Substratoberfläche bewegt, so dass keinerlei Beschädigungen des Substrats aufgrund unerwünschter größerer Dichten von Laserschüssen pro Flächeneinheit des Substrats erhalten werden, sondern lediglich solche, die zum Entfernen des Materials erforderlich sind.
Der Laser kann ein beliebiger, Fachleuten bekannter Laser sein, wie beispielsweise ein Laserresonator, der einen Lichtpuls-Bearbeitungsstrahl erzeugt, z. B. ein Nd:YAG- oder ein Yt:YAG-Laser für Wellenlängen von 1064 und 1030 nm, mit Pulsdauern von weniger als 100 ns und mit einer Pulsenergiedichte in einem Bereich von 0,1 J/cm² bis 20 J/cm².
In einer weiteren Ausführungsform weist der Laser und/oder die Lenkeinrichtung ein Abbildungselement zum Abbilden eines quadratischen, eines flexiblen und/oder eines runden Faserkabelausgangssignals auf die zu bearbeitende Substratoberfläche auf. Das Substrat kann durch eine beliebige, Fachleuten bekannte Einrichtung relativ zum Laserspot bewegt werden, z. B. durch eine Positionierungseinrichtung in der Form eines Bandes oder von Rollen, die vorzugsweise in eine lineare Richtung bewegt wird.
Die Erfindung basiert daher auf der Entdeckung, dass, im Gegensatz zum Stand der Technik, durch Führen des Laserspots in einem geschlossenen Schleifenmuster unter Verwendung einer sinusförmigen harmonischen Oszillationsbewegung eine wesentlich effizientere Abtragung von unerwünschtem Material vom Substrat erzielt wird, während das Substrat in keinerlei Weise negativ beeinflusst wird. Wenn das Substrat innerhalb einer Dünnschicht-Solarzelle bereitgestellt wird, ist ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass aufgrund einer gleichmäßigen Abtragung des gesamten Materials der Halbleiter- und Elektrodenschichten des Solarmoduls eine gute elektrische Isolierung erzielt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch Abtragen von Material durch Bewegen eines Laserspots in Form eines geschlossenen Schleifenmusters über das Substrat gemäß der Lösung der Aufgabe der Erfindung ein wesentlich geringerer thermischer Abbau des Substrats erhalten wird, weil der Laserspot vorteilhaft konstant über das Substrat bewegt wird, so dass das Substrat, anders als dies gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, nicht beschädigt wird, wenn beispielsweise die Bewegung des Lasers bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung stoppt.
Im Allgemeinen kann die Lenkeinrichtung zum Führen des Laserspots eine beliebige herkömmliche Einrichtung sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Lenkeinrichtung jedoch eine Scanneroptik mit zwei schwenkbaren Spiegeln auf, die dazu geeignet sind, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen. Vorzugsweise weist die Scanneroptik einen Galvanometerscanner mit Kopfspiegeln auf, die die Führung des Laserspots in die beiden unterschiedlichen Richtungen bereitstellen. Die Scanneroptik ist insbesondere zum Bewegen des Laserspots in einer Ebene der Substratoberfläche geeignet. In einer anderen Ausführungsform weist die Scanneroptik drei oder mehr Spiegel auf. Derartige Ausführungsformen ermöglichen eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige Ausführungsform eine sehr präzise Weise zum Führen des Laserspots in einem geschlossenen Schleifenmuster auf der Substratoberfläche, während die sinusförmige harmonische Oszillation des Laserspots veranlasst wird.
Das Muster kann ein beliebiges, auf dem Stand der Technik bekanntes Muster zum Führen des Laserspots in einem geschlossenen Schleifenmuster auf der Substratoberfläche sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren jedoch die Schritte auf:

c) Schwenken der Spiegel mit der gleichen Frequenz und mit der gleichen Oszillationsphasenverschiebung von 0°, 90° oder 180°, oder
c') Schwenken der Spiegel mit verschiedenen Frequenzen und mit einer Oszillationsphasenverschiebung > 0°.

Durch derartige Ausführungsformen wird ein geschlossenes Schleifenmuster, wie beispielsweise ein Kreis, eine Linie und/oder eine Lissajous-Figur, vorzugsweise unter Verwendung des Galvanometerscannerkopfes bereitgestellt, der vorzugsweise zwei oder mehr Spiegel zum Überlagern der harmonischen Oszillationen auf der Substratoberfläche aufweist. Zum Bereitstellen eines Kreises ist die Schwenkfrequenz beider Spiegel vorzugsweise gleich, während die Phasenverschiebung zwischen den Oszillationen der beiden Scannerköpfe 90° beträgt. Eine Linie kann durch oszillierendes Bewegen beider Spiegel mit der gleichen Frequenz und mit einer Phasenverschiebung zwischen den Oszillationen der beiden Scannerköpfe von 0° oder 180° realisiert werden. Eine Lissajous-Figur kann durch andere Phasenverschiebungen von beispielsweise 10°, 40° und/oder 80° und verschiedene Frequenzen zwischen den Oszillationen der beiden Scannerköpfe realisiert werden. Derartige Scanmuster, insbesondere ein Lissajous-Figurmuster, sind insbesondere vorteilhaft, weil hohe Oszillationsfrequenzen zu einer zuverlässigen Abtragung des Materials und einer sehr geringen Qualitätsabnahme des Substrats führen. Daher ist dem Fachmann klar, dass jedes geschlossene Schleifenmuster auch ein offenes Schleifenmuster sein kann, wenn das Ein- und Ausschalten des Lasers zu Beginn bzw. am Ende des Abtragungsvorgangs berücksichtigt wird.
Es hat sich gezeigt, dass eine harmonische Oszillation der Scannerspiegel hohe Oszillationsfrequenzen der Spiegel ermöglicht und eine auf einer kontinuierlichen Bewegung des Scanmusters auf der zu bearbeitenden Substratoberfläche basierende Scanstrategie zum Entfernen des Materials vom Substrat am effizientesten ist. Aufgrund der Überlappung der vorzugsweise kreisförmigen Bewegung des Laserspots mit der Bewegung des kreisförmigen Scanmusters selbst entlang der Ränder des Substrats kann eine größere Wirkung der Laserbehandlung an Bereichen in der Nähe der Ränder erzielt werden, wie sich in verschiedenen Tests herausgestellt hat, während das Substrat hinsichtlich durch den Laserspot verursachten thermischen Spannungen und/oder Belastungen nicht negativ beeinflusst wird, weil der Laserspot vorteilhaft konstant über das Substrat bewegt wird.
Im Allgemeinen können die beiden unterschiedlichen Richtungen beliebige unterschiedliche Richtungen relativ zur Substratoberfläche sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die beiden unterschiedlichen Richtungen senkrecht zueinander und unter einem rechten Winkel bzw. parallel zu den Rändern und/oder den Grenzen des Substrats. Daher führen die Spiegel der Lenkeinrichtung vorzugsweise den Laserspot senkrecht bzw. parallel zu den Rändern des Substrats, wodurch eine Abtragung des Materials von der gesamten Substratoberfläche ermöglicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt Wiederholen von Schritt b) auf. Daher ist es bevorzugt, wenn Schritt b) mindestens zweimal ausgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Doppelscanstrategie, durch die die jeweilige Substratoberfläche durch mindestens zwei unabhängige, z. B. aufeinanderfolgende, Laserabtragungsvorgänge zweimal behandelt wird, zum Entfernen des gesamten Materials vom Substrat am erfolgreichsten ist. In einer anderen Ausführungsform wird Schritt b) mehr als zweimal wiederholt, z. B. dreimal, viermal oder fünfmal. Es ist außerdem bevorzugt, dass eine derartige Scanstrategie mit zwei oder mehr Scanvorgängen gemäß einem Scanmuster in der Form eines Kreises ausgeführt wird, weil es sich gezeigt hat, dass die Behandlung der Substratoberfläche durch ein kreisförmiges Scanmuster zum Entfernen des gesamten Materials am effizientesten ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat in einer Dünnschicht-Solarzelle angeordnet und weist das Material eine erste Elektrodenschicht, eine photoelektrische Umwandlungsschicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, wobei das Material in der genannten Folge auf dem Substrat aufgebracht ist, so dass die zweite Elektrodenschicht die durch den Laserspot zu behandelnde Oberfläche darstellt.
Der grundsätzliche Aufbau einer herkömmlichen Dünnschicht-Solarzelle oder eines Dünnschicht-Solarmoduls ist dem Fachmann bekannt. Eine derartige Dünnschicht-Solarzelle weist normalerweise ein Substrat auf, z. B. ein Glassubstrat, auf dessen Oberseite eine transparente oder halbtransparente Elektrodenschicht aufgebracht ist, gefolgt von einer photoelektrischen Umwandlungshalbleiterschicht, die aus einer dünnen amorphen und/oder mikrokristallinen Siliziumschicht gebildet wird, die eine p-i-n- oder eine n-i-p-Struktur (n = negativ dotiertes Silizium, i = intrinsisches Silizium, p = positiv dotiertes Silizium) aufweist, und einer rückseitigen Elektrodenschicht. Die rückseitige Elektrodenschicht kann wiederum eine transparente leitfähige Schicht plus eine Reflektorschicht, eine leitfähige und reflektierende Metallschicht oder ein technisches Äquivalent aufweisen. Die photoelektrische Umwandlungshalbleiterschicht kann als Single-, Tandem- oder Multiple-Junction-Halbleiterschicht ausgebildet sein, wobei jeder Übergang wiederum eine p-i-n- oder n-i-p-Struktur besitzt.
Das Substrat kann ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Substrat sein, das zum Herstellen von Dünnschichtbauelementen geeignet ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Substrat ein Floatglas, ein Sicherheitsglas und/oder ein Quarzglas. Floatglas, vorzugsweise mit größeren Größen, das normalerweise zum Herstellen von Solarzellen verwendet wird, wird allgemein durch vorzugsweise kontinuierliches Zuführen von geschmolzenem Glas zu einem langgestreckten Zinnbad in einer Formungskammer hergestellt. Daraufhin verteilt sich das geschmolzene Glas auf der Zinnoberfläche und/oder wird durch eine geeignete Einrichtung als eine flache, kontinuierliche Glasplatte oder -lage in mindestens eine Richtung gezogen, Durch sorgfältiges Steuern des Abkühlungs- und Ziehprozesses können sowohl die Form, als auch die Dicke der erhaltenen Glasplatte eingestellt werden. Das Substrat wird vorzugsweise als ein im Wesentlichen flaches Substrat bereitgestellt.
Die erfindungsgemäßen Schichten können durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Beschichtungstechniken aufgebracht werden. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die Dünnschichtlagen durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), z. B. durch einen Vakuum-Sputterprozess, aufgebracht. Der Gasphasenabscheidungsprozess ist bevorzugter ein plasmaunterstützter CVD-(PECVD)Beschichtungsprozess, ein Atmosphärendruck-CVD-(APCVD)Beschichtungsprozess und/oder ein metallorganischer CVD-(MOCVD)Beschichtungsprozess. Am bevorzugtesten ist der Gasphasenabscheidungsprozess ein Niedrigdruck-CVD-Beschichtungsprozess (LPCVD).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Substratoberfläche in einen Innenbereich und einen den Innenbereich umgebenden Umfangsbereich geteilt und weist das Verfahren an Stelle von Schritt b) einen Schritt b') zum Bewegen des Laserspots nur auf der Oberfläche des Umfangsbereichs des Substrats in einem geschlossenen Schleifenmuster durch Beaufschlagen der Lenkeinrichtung mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der beiden unterschiedlichen Richtungen auf.
Daher weist, wenn das Substrat innerhalb einer Dünnschicht-Solarzelle angeordnet ist, das Substrat bzw. die Dünnschicht-Solarzelle vorzugsweise einen Innenbereich mit den Elektrodenschichten und der photoelektrischen Umwandlungsschicht, die auf dem Substrat aufgebracht sind, so dass der Innenbereich auch als ein aktiver Innenbereich bezeichnet wird, und einen Umfangsbereich auf, der gemäß Schritt b') dafür vorgesehen ist, durch das erfindungsgemäße Verfahren abgetragen zu werden. Ein derartiger abgetragener Umfangsbereich wird auch als passiver Umfangsbereich bezeichnet. Daher weist das Substrat bzw. die Dünnschicht-Solarzelle nach Ausführen des Schritts b') einen aktiven Innenbereich mit den Elektrodenschichten und der photoelektrischen Umwandlungsschicht, die auf dem Substrat aufgebracht sind, und einen umgebenden passiven Umfangsbereich auf, der aufgrund der Abtragung durch den Laserspot frei von Material ist und daher vorzugsweise nur das Substrat aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Innenbereich benachbart zum Umfangsbereich angeordnet.
Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Substratoberfläche im passiven Bereich gemäß Schritt b') gemäß der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform in einem geschlossenen Schleifenmuster in der Form eines Kreises bearbeitet wird, die Dichte von Laserschüssen pro Flächeneinheit an den Rändern des Umfangsbereichs am größten ist. Weil vorzugsweise einer der Ränder der Außenrand des zu bearbeitenden Substrats und der andere Rand der Grenzbereich zwischen dem Innenbereich und dem Umfangsbereich des Moduls ist, ist ein Scanmuster in der Form eines Kreises zum Gewährleisten einer glatten Grenze des Innenbereichs und einer sicheren Entfernung des gesamten in der Nähe des Substrataußenrades aufgebrachten Materials besonders vorteilhaft.
Es hat sich gezeigt, dass ein solches Ergebnis unter Verwendung eines kreisförmigen Scanmusters auch in der Nähe des Substratrandes erzielt werden kann. Daher ist eine derartige Ausführungsform zum sicheren und präzisen Entfernen von Material im Umfangsbereich des Substrats vorteilhaft, wodurch ein guter Schutz des Umfangsbereichs gegen Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit und Sauerstoff, erhalten wird. Am bevorzugtesten folgt der Laserspot einem kreisförmigen Scanmuster, während der Laserspot parallel zu einem Rand und/oder einer Grenze des Substrats konstant bewegt wird bzw. das Substrat derart bewegt wird, dass der Laserspot das Material entlang eines Randes und/oder einer Grenze des Substrats, z. B. entlang des Umfangsbereichs, vorzugsweise vollständig abträgt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es besonders bevorzugt, wenn die maximale Breite des geschlossenen Schleifenmusters auf der Substratoberfläche kleiner oder gleich der Breite des zwischen dem Innenbereich und dem Rand des Substrats angeordneten Umfangsbereichs ist. Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die gesamte Breite des Umfangsbereichs durch das geschlossene Schleifenmuster des Laserspots im Umfangsbereich in einem ”Bewegungsablauf” des Laserspots über das Substrat abgefahren wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Laserbehandlungssystem mit einer Halterung für ein zu behandelndes Substrat, einem Laserresonator zum Bereitstellen eines Bearbeitungslaserstrahls, einem im Pfad des Bearbeitungslaserstrahls angeordneten optischen System zum Abbilden des Bearbeitungslaserstrahls als einen Laserspot auf die auf der Halterung anzuordnende Substratoberfläche, einer Scanneroptik, die dazu geeignet ist, den Laserspot in einer Ebene der Substratoberfläche zu bewegen, und einer Positionierungseinrichtung gelöst, die dazu geeignet ist, das Substrat relativ zum Bearbeitungslaserstrahl zu bewegen, wobei die Scanneroptik dazu geeignet ist, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der beiden Richtungen zu bewegen, wodurch ein geschlossenes Schleifenmuster auf der Substratoberfläche erzeugt wird.
Ein derartiges Laserbehandlungssystem bietet eine vorteilhafte Lösung zum Abtragen z. B. von Material vom Substrat, indem der Laserspot in Form eines geschlossenen Schleifenmusters auf der Substratoberfläche harmonisch oszillierend bewegt wird, wodurch eine sehr präzise und zuverlässige Abtragung von unerwünschtem Material ermöglicht wird.
Der Laserresonator erzeugt vorzugsweise einen Lichtpuls-Bearbeitungsstrahl mit Pulsdauern von weniger als 100 ms und einer Pulsenergiedichte im Bereich von 0,1 J/cm² bis 20 J/cm². In einer weiteren Ausführungsform weist das optische System ein Abbildungselement zum Abbilden eines quadratischen oder runden Faserkabelausgangssignals auf die zu bearbeitende Substratoberfläche auf. Die Halterung und/oder die Positionierungseinrichtung können eine beliebige auf dem Fachgebiet bekannte Einrichtung zum Halten bzw. Positionieren eines Substrats sein. Vorzugsweise ist das Laserbehandlungssystem dazu geeignet, ein vorstehend beschriebenes Verfahren auszuführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Scanneroptik zwei schwenkbare Spiegel auf, die dazu geeignet sind, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen. Im Zusammenhang damit ist es bevorzugt, wenn die schwenkbaren Spiegel dazu geeignet sind, die Spiegel mit der gleichen Frequenz und mit einer Oszillationsphasenverschiebung von 0°, 90° oder 180° zu schwenken oder die Spiegel mit verschiedenen Frequenzen und mit einer Oszillationsphasenverschiebung > 0° zu schwenken.
In einer anderen Ausführungsform wird der Laserspot mit einer Relativgeschwindigkeit bezüglich des Substrats von 7 m/s bis 10 m/s, vorzugsweise 1 m/s bis 4 m/s und am bevorzugtesten 100 mm/s bis 400 mm/s bewegt, und/oder das Substrat wird durch die Positionierungseinrichtung relativ zum Bearbeitungslaserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s bis 400 mm/s bewegt.
Das Substrat kann innerhalb einer Dünnschicht-Solarzelle bereitgestellt werden, wobei die Dünnschicht-Solarzelle ein durch den Bearbeitungslaserstrahl zu behandelndes Material aufweisen kann, wobei das Material eine erste Elektrodenschicht, eine photoelektrische Umwandlungsschicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen kann und das Material in der genannten Folge auf dem Substrat aufgebracht sein kann, so dass die zweite Elektrodenschicht als die Substratoberfläche bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Substratoberfläche in einen Innenbereich und einen den Innenbereich umgebenden Umfangsbereich geteilt, wobei die Scanneroptik dazu geeignet ist, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen mit einer sinusförmigen Oszillation in jeder der beiden Richtungen zu bewegen, um ein geschlossenes Schleifenmuster nur auf dem Umfangsbereich der Substratoberfläche zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Laserbehandlungssystems für eine Mikrobearbeitung, eine thermische Oberflächenbehandlung, eine laserinduzierte Oberflächenmodifikation und/oder eine Oberflächenhärtung eines Substrats. Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Laserbehandlungssystem auch in anderen technischen Gebieten anwendbar ist, wo mit Schichten bedeckte Flächen durch Laser von einem Basissubstrat abgetragen werden sollen. Derartige Anwendungen können Mikrobearbeitung, thermische Oberflächenbehandlung, laserinduzierte Oberflächenmodifikation von Material, Oberflächenhärten und ähnliche sein.
Ein Fachmann wird in der Lage sein, Merkmale und Parameter der Erfindung, wie beispielsweise die Laserleistung oder -wellenlänge, innerhalb des Umfangs der Erfindung anzupassen oder zu modifizieren, um diese Ziele zu erreichen.
Weitere Vorteile und/oder Ausführungsformen des Laserbehandlungssystems und/oder der Verwendung des Laserbehandlungssystems können durch den Fachmann anhand des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtragen von Material abgeleitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden unter Bezug auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen deutlich. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer herkömmlichen Dünnschicht-Solarzelle;
2 eine Draufsicht einer herkömmlichen Dünnschicht-Solarzelle; und
3 eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils einer herkömmlichen Dünnschicht-Solarzelle 1.
Auf einem transparenten Isolatorsubstrat 2 ist eine transparente vorderseitige Elektrodenschicht 3 angeordnet. Eine photoelektrische Umwandlungshalbleiterschicht 4 ist auf der transparenten vorderseitigen Elektrodenschicht 3 angeordnet, und eine weitere transparente rückseitige Elektrodenschicht 5 ist auf der photoelektrischen Umwandlungshalbleiterschicht 4 angeordnet. Die transparenten Elektrodenschichten 3 und 5, die auch als transparentes leitfähiges Oxid (TCO) bezeichnet werden, können SnO₂, Indiumzinnoxid (ITO) oder ZnO aufweisen, wobei das letztgenannte Material vorzugsweise durch ein LPCVD-(Niederdruck-CVD)Verfahren hergestellt wird.
Die photoelektrische Umwandlungshalbleiterschicht 4 weist einen dünnen amorphen und/oder mikrokristallinen Siliziumschichtstapel auf, der, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, durch ein CVD-, vorzugsweise durch ein PECVD-Verfahren hergestellt und schichtweise dotiert wird, um photovoltaische Eigenschaften zu erhalten.
1 zeigt ferner Nuten 6, 7 und 8. Zweck dieser Strukturierung ist es, ein Photovoltaikmodul 1 bereitzustellen, das aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten Solarzellen besteht. Daher wird die transparente Elektrodenschicht 3 durch eine erste Isoliernut 6 geteilt, die die Zellenbreite bestimmt. Die photoelektrische Umwandlungshalbleiterschicht 4 füllt diese Nut, wenn der gesamte Schichtstapel während des Herstellungsprozesses in der Folge: Schicht 3 – Nut 6 – Schicht 4 – Nut 7 – Schicht 5 – Nut 8 aufgebaut wird.
Die Nut 7, gefüllt mit dem Material der transparenten rückseitigen. Elektrodenschicht 5, ermöglicht einen elektrischen Kontakt zwischen den benachbarten Zellen. Tatsächlich steht die rückseitige Elektrode einer Zelle mit der vorderseitigen Elektrode der benachbarten Zelle in Kontakt. Die rückseitige Elektrodenschicht 5 und die photoelektrische Umwandlungshalbleiterschicht 4 werden schließlich durch eine dritte Isoliernut 8 geteilt. Dieser Strukturierungsprozess wird vorzugsweise unter Verwendung von Laserlicht oder auf ähnliche Weise ausgeführt.
In weiteren Verarbeitungsschritten wird typischerweise ein elektrischer Kontakt an der Dünnschicht-Solarzelle befestigt, und eine rückseitige Reflektorschicht und eine Einkapselungseinrichtung werden z. B. durch Auflaminieren von Schutzschichten und Substraten bereitgestellt.
2 zeigt eine Draufsicht der in Verbindung mit 1 beschriebenen Dünnschicht-Solarzelle 1. Die in Serie geschalteten Zellen bauen ein elektrisches Potenzial bezüglich der Umgebung auf. Daher ist eine geeignete elektrische Isolierung bezüglich der Zellenumgebung erforderlich, die durch Trennen des auf dem Substrat ausgebildeten Dünnschichtstapels 3, 4, 5 in einen Umfangsbereich 10, z. B. durch Entfernen des Dünnschichtstapels 3, 4, 5, und einen Innenbereich 9 mit dem auf einem aktiven Halbleiter basierenden photovoltaischen Dünnschichtbereich erhalten wird.
3 zeigt den Umfangsbereich 10 und den Innenbereich 9, wobei der Innenbereich entlang den Rändern des Moduls 1 angeordnet ist und eine typische Breite 11 zwischen 12,8 mm und 15 mm hat. In Abhängigkeit von individuellen Spezifikationen können Breiten 11 zwischen 5 mm und 20 mm realisiert werden.
Zum Entfernen des Schichtstapels 3, 4, 5 des Dünnschicht-Solarmoduls 1 im Umfangsbereich 10 werden Laser verwendet. Ein derartiges Lasersystem weist einen Laserresonator zum Erzeugen eines Lichtpuls-Bearbeitungsstrahls mit Pulsdauern von weniger als 100 ns und einer Pulsenergiedichte im Bereich von 0,1 J/cm² bis 20 J/cm² auf.
Ein Abbildungselement bildet ein quadratisches oder rundes Faserkabelausgangssignal auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Solarmoduls 1 ab. Weil die Fläche des Bildes des Faserkabelausgangssignals auf der Oberfläche, im folgenden als Laserspot bezeichnet, wesentlich kleiner ist als die Fläche des Umfangsbereichs, wird der Laserspot durch eine Scanneroptik im Umfangsbereich 10 auf der Oberfläche des Moduls 1 bewegt. Die Scanneroptik kann z. B. durch bewegliche Spiegel realisiert werden. Die Spiegel werden nach Erfordernis geschwenkt oder das Abbildungselement wird beispielsweise in der x-y-Richtung bewegt, während das Laserlicht über eine flexible Faser bereitgestellt wird.
Zum Erhalten einer guten elektrischen Isolierung ist eine gleichmäßige Entfernung im Wesentlichen des gesamten Materials 3, 4, 5 der Halbleiterschicht 4 und der Elektrodenschichten 3, 5 des Solarmoduls 1 erforderlich. Hierbei spielt das Scanmuster 12 eine entscheidende Rolle: Erfindungsgemäß wird das Scanmuster 12, das die Bewegung des Laserspots relativ zur Oberfläche des Substrats 2 beschreibt, durch eine sinusförmige harmonische Oszillation der Galvanometerscannerkopfspiegel in zwei unterschiedlichen Richtungen erhalten, d. h. senkrecht und parallel zu den jeweiligen Rändern des Moduls 1. Indem zwei harmonische Oszillationen der beiden Spiegel der Galvanometerscannerköpfe auf der zu bearbeitenden Oberfläche überlagert werden, können verschiedene Scanmuster 12 realisiert werden.
Ein Kreis kann durch die gleiche Schwenkfrequenz der beiden Spiegel und eine Phasenverschiebung zwischen den Oszillationen der beiden Köpfe von 90° erhalten werden, eine Linie kann durch die gleichen Schwenkfrequenzen der beiden Spiegel und eine Phasenverschiebung zwischen den Oszillationen der beiden Köpfe von 0° oder 180° erhalten werden, oder Lissajous-Figuren können durch andere Phasenverschiebungen und verschiedene Frequenzen zwischen den Oszillationen der beiden Köpfe erhalten werden. Ein Vorteil dieser Scanstrategie ist die erzielbare hohe Oszillationsfrequenz.
Ein Kreis ist besonders vorteilhaft, weil:

1) Die Dichte von Laserschüssen pro Flächeneinheit an den Rändern des Umfangsbereichs 10 am größten ist. Einer der Ränder ist der Außenrand des zu bearbeitenden Substrats 2, und der andere ist die Grenze zwischen dem Innenbereich 9 und dem Umfangsbereich 10 des Moduls, vgl. auch 3.

Daher gewährleistet ein Scanmuster 12 in der Form eines Kreises eine glatte Abgrenzung zum Innenbereich 9 und ein sicheres Entfernen des gesamten in der Nähe des Außenrandes des Substrats 2 aufgebrachten Materials 3, 4, 5. Dies trifft auch dann zu, wenn in der Nähe des Randes des Substrats 2 an der Oberfläche des Substrats 2, die dem photovoltaischen Schichtstapel 3, 4, 5 gegenüberliegt, Material 3, 4, 5 zufällig aufgebracht wurde.

2) Eine harmonische Oszillation der Scannerspiegel ermöglicht hohe Oszillationsfrequenzen der Spiegel und damit eine auf einer kontinuierlichen Bewegung des Scanmusters 12 auf der zu bearbeitenden Oberfläche basierende Scanstrategie. Die Überlappung der kreisförmigen Bewegung des Laserspots mit der Bewegung des kreisförmigen Scanmusters selbst entlang den Rändern führt zu einer erhöhten Wirkung der Laserbehandlung in Bereichen in der Nähe der Ränder.
3) Es hat sich gezeigt, dass eine Doppelscanstrategie, gemäß der der gesamte Umfangsbereich 10 durch zwei unabhängige, z. B. aufeinanderfolgende, Laserabtragungsvorgänge behandelt wird, zum Entfernen des gesamten Materials von der Halbleiterschicht 4 und den Elektrodenschichten 3, 5 des Dünnschicht-Solarmoduls 1 am erfolgreichsten ist. Diese Doppelscanstrategie, die durch ein Scanmuster 12 in der Form eines Kreises erhalten wird, ist am zeiteffizientesten.

Das Entfernen von Material von Randbereichen eines Substrats 2 führt zu einer Abgrenzung des als Innenbereich 9 auf dem Substrat 2 ausgebildeten aktiven Dünnschichtstapels vom Umfangsbereich. Diese Trennung kann durch Entfernen der Halbleiterschicht 4 und der Elektrodenschichten 3, 5 im Umfangsbereich 10 des mit einer Dünnschicht beschichteten Substrats 2 z. B. durch Sandstrahlen oder durch einen Laser erhalten werden.
In einem Laserbehandlungssystem zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Nd:YAG- oder Yt:YAG-Laserresonator verwendet werden, der Licht mit Wellenlängen von 1064 bzw. 1030 nm bereitstellt. Vorzugsweise hat der Laser Pulsdauern von weniger als 100 ns und eine Pulsenergiedichte im Bereich von 0,1 J/cm² bis 20 J/cm². Ein im Pfad des Bearbeitungsstrahls angeordnetes optisches System weist ein quadratisches oder rundes Faserkabel und ein optisches Abbildungselement zum Abbilden eines Ausgangssignals des optischen Faserkabels auf die zu bearbeitende Oberfläche des Solarmoduls 1 auf. Eine Scanneroptik ermöglicht das Bewegen des Laserspots in der Ebene der zu bearbeitenden Oberfläche. Die relative Scangeschwindigkeit der Scanneroptik wird vorzugsweise zwischen 7 m/s und 20 m/s auf der zu bearbeitenden Oberfläche gewählt, und eine Positionierungseinrichtung bewegt das Modul mit einer relativen Vorschubgeschwindigkeit zwischen 100 mm/s und 400 mm/s. Ein derartiges Laserbehandlungssystem kann ferner eine Halterung für das zu behandelnde Substrat 2 aufweisen.
Die bevorzugte Scanstrategie des Laserspots auf der zu bearbeitenden Oberfläche ist ein Kreis mit einem Durchmesser, der der Breite 11 des Umfangsbereichs 10 des Moduls gleicht oder im Wesentlichen gleicht. Andere Pfade für den Laserspot sind beispielsweise Lissajous-Figuren, die die Breite 11 des Umfangsbereichs 10 überspannen und durch Überlagern zweier harmonischer Oszillationen der Spiegel einer Galvanometerscanneroptik erzeugt werden, die Teil des Laserbehandlungssystems ist, wobei der Laserspot sich entlang eines Kreises oder anderer Lissajous-Figuren mit einer relativen Tangentialgeschwindigkeit zwischen 7 m/s und 20 m/s bewegt, und wobei sich der Kreis oder andere Lissajous-Figuren entlang der Ränder des zu bearbeitenden Moduls 1 mit einer Relativgeschwindigkeit von 100 mm/s bis 400 mm/s bewegt, wobei die letztgenannte Bewegung durch Bewegen des Substrats 2 durch die Positionierungseinrichtung mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s bis 400 mm/s relativ zum optischen System der Maschine erhalten wird.
Die Erfindung wurde unter Bezug auf die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung ausführlich dargestellt und erläutert, wobei diese Darstellung und Erläuterung lediglich im veranschaulichenden oder exemplarischen, nicht aber im einschränkenden Sinne verstanden werden sollen, d. h. die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
Für Fachleute ist anhand einer praktischen Anwendung der beanspruchten Erfindung, anhand einer Analyse der Zeichnungen, der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden können. In den Ansprüchen soll der Ausdruck ”aufweisen” andere Elemente oder Schritte nicht ausschließen, und ein unbestimmter Artikel wie ”ein” oder ”eine” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass in wechselseitig verschiedenen abhängigen Ansprüchen bestimmte Maßnahmen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht auch vorteilhaft verwendbar wäre. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden.
Bezugszeichenliste

1: Dünnschicht-Solarzelle
2: Substrat
3: erste Elektrodenschicht
4: photoelektrische Umwandlungsschicht
5: zweite Elektrodenschicht
6: Nut
7: Nut
8: Nut
9: Innenbereich
10: Umfangsbereich
11: Breite
12: Scanmuster
13: Bewegung

Claims

Verfahren zum Abtragen von Material (3, 4, 5) von einem Substrat (2) mit einem Laser, wobei eine Lenkeinrichtung vorgesehen ist, die dazu geeignet ist, einen Laserspot des Lasers relativ zu einer Oberfläche des Substrats (2) in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bewegen (13) des Substrats (2) relativ zum Laserspot; und b) Bewegen des Laserspots auf der Oberfläche des Substrats (2) in einem geschlossenen Schleifenmuster (12) durch Beaufschlagen der Lenkeinrichtung mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der zwei unterschiedlichen Richtungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lenkeinrichtung eine Scanneroptik mit zwei schwenkbaren Spiegeln aufweist, die dazu geeignet sind, den Laserspot in die beiden unterschiedlichen Richtungen zu führen.
Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: c) Schwenken der Spiegel mit der gleichen Frequenz und mit der gleichen Oszillationsphasenverschiebung von 0°, 90° oder 180°, oder c') Schwenken der Spiegel mit verschiedenen Frequenzen und mit einer Oszillationsphasenverschiebung > 0°.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zwei unterschiedlichen Richtungen sich senkrecht zueinander und rechtwinklig bzw. parallel zu den Rändern des Substrats erstrecken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit dem Schritt Wiederholen von Schritt b).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) innerhalb einer Dünnschicht-Solarzelle (1) bereitgestellt wird, das Material (3, 4, 5) eine erste Elektrodenschicht (3), eine photoelektrische Umwandlungsschicht (4) und eine zweite Elektrodenschicht (5) aufweist, und wobei das Material (3, 4, 5) in der genannten Folge auf dem Substrat (2) angeordnet ist, so dass die zweite Elektrodenschicht (5) als die Oberfläche des Substrats (2) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oberfläche des Substrats (2) in einen Innenbereich (9) und einen den Innenbereich (9) umgebenden Umfangsbereich (10) geteilt ist, wobei das Verfahren an Stelle von Schritt b) einen Schritt b') aufweist: b') Bewegen des Laserspots nur auf der Oberfläche des Umfangsbereichs (10) des Substrats (2) in einem geschlossenen Schleifenmuster durch Beaufschlagen der Lenkeinrichtung mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der beiden unterschiedlichen Richtungen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die maximale Breite des geschlossenen Schleifenmusters (12) auf der Oberfläche des Substrat (2) kleiner oder gleich der Breite des zwischen dem Innenbereich (10) und dem Rand des Substrats (2) angeordneten Umfangsbereichs (10) ist.
Laserbehandlungssystem mit einer Halterung für ein zu behandelndes Substrat (2), einem Laserresonator zum Bereitstellen eines Bearbeitungslaserstrahls, einem im Pfad des Bearbeitungslaserstrahls angeordneten optischen System zum Abbilden des Bearbeitungslaserstrahls auf die Oberfläche des auf die Halterung anzuordnenden Substrats (2), einer Scanneroptik, die dazu geeignet ist, den Laserspot in einer Ebene der Oberfläche des Substrats (2) zu bewegen, und einer Positionierungseinrichtung, die dazu geeignet ist, das Substrat relativ zum Bearbeitungslaserstrahl zu bewegen, wobei die Scanneroptik dazu geeignet ist, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen mit einer sinusförmigen harmonischen Oszillation in jeder der beiden Richtungen zu bewegen, wodurch ein geschlossenes Schleifenmuster auf der Substratoberfläche erzeugt wird.
Laserbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Scanneroptik zwei schwenkbare Spiegel aufweist, die dazu geeignet sind, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen zu führen.
Laserbehandlungssystem nach Anspruch 10, wobei die schwenkbaren Spiegel dazu geeignet sind, die Spiegel mit der gleichen Frequenz und mit einer Oszillationsphasenverschiebung von 0°, 90° oder 180° zu schwenken, oder die Spiegel mit verschiedenen Frequenzen und mit einer Oszillationsphasenverschiebung > 0° zu schwenken.
Laserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Laserspot mit einer Relativgeschwindigkeit bezüglich des Substrats (2) von 7 m/s bis 10 m/s, vorzugsweise 1 m/s bis 4 m/s und am bevorzugtesten 100 mm/s bis 400 mm/s bewegt wird und/oder das Substrat (2) durch die Positionierungseinrichtung relativ zum Bearbeitungslaserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s bis 400 mm/s bewegt wird.
Laserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Substrat (2) innerhalb einer Dünnschicht-Solarzelle (1) bereitgestellt wird, wobei die Dünnschicht-Solarzelle (1) ein durch den Bearbeitungslaserstrahl zu behandelndes Material (3, 4, 5) aufweist, das Material (3, 4, 5) eine erste Elektrodenschicht (3), eine photoelektrische Umwandlungsschicht (4) und eine zweite Elektrodenschicht (5) aufweist, und wobei das Material (3, 4, 5) in der genannten Folge auf dem Substrat (2) angeordnet ist, so dass die zweite Elektrodenschicht (5) als die Oberfläche des Substrats (2) bereitgestellt wird.
Laserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Oberfläche des Substrats (2) in einen Innenbereich (9) und einen den Innenbereich (9) umgebenden Umfangsbereich (10) geteilt ist, und wobei die Scanneroptik dazu geeignet ist, den Laserspot in zwei unterschiedliche Richtungen mit einer sinusförmigen Oszillation in jeder der beiden Richtungen zu bewegen, um ein geschlossenes Schleifenmuster nur auf dem Umfangsbereich (10) der Oberfläche des Substrats (2) zu erzeugen.
Verwendung eines Laserbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zur Mikrobearbeitung, thermischen Oberflächenbehandlung, laserinduzierten Oberflächenmodifikation und/oder zum Härten eines Substrats (2).