DE19964443B4

DE19964443B4 - Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf einem Werkstück

Info

Publication number: DE19964443B4
Application number: DE19964443A
Authority: DE
Inventors: Helmut Vogt; Franz Dr. Karg
Original assignee: Shell Solar GmbH
Current assignee: CNBM Bengbu Design and Research Institute for Glass Industry Co Ltd
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2019-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf einem Werkstück, insbesondere beschichteten Keramiken oder Gläsern sowie Solarmodulen. Um eine kostengünstige Entschichtung von beschichteten Keramiken oder Gläsern sowie Solarmodulen zu ermöglichen, ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laserresonator und einem optischen System vorgesehen, wobei jede zu bearbeitende Flächeneinheit des Werkstücks mit einer im Wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird und die optische Achse des Bearbeitungsstrahls auf einen konstanten Bearbeitungswinkel eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf einem Werkstück, insbesondere zur Entschichtung von beschichteten Keramiken oder Gläsern sowie Solarmodulen.
Herkömmliche Solarmodule aus kristallinem Silizium basieren auf einer Waferherstellung und einer nachfolgenden elektrischen Verdrahtung. Hieraus entstehen relative kleine Leistungseinheiten von ca. 1 W Silizium-Wafern, die dann in der Regel zu 50–100 W Modulen verschaltet werden müssen.
Als Alternative zu diesen herkömmlichen Solarmodulen sind Dünnfilmsolarzellen bekannt geworden, die auf Schichtdicken im Mikrometerbereich basieren. Die wesentlichen Elemente einer Dünnfilmsolarzelle sind in 2 gezeigt und bestehen aus einem p/n-Übergang zwischen der Absorberschicht und der Fensterschicht.
Im Unterschied zur herkömmlichen Verdrahtung von Silizium-Wafern können Dünnfilmzellen integriert verschaltet werden:
im Anschluß an einzelne Beschichtungsschritte auf der Gesamtfläche werden a) die Rückelektrode b) die dazwischen liegende Zelle und c) die Frontelektrode in Längsstreifen unterteilt. Werden die drei Schnitte relativ zueinander seitlich versetzt, bildet sich eine elektrische Verbindung zwischen Front- und Rückelektrode benachbarter Zellen. Für die einzelnen Schnitte können mechanische Ritzverfahren oder Verfahren mit Lasern angewendet werden. Auf diese Weise kann kostengünstig ein Standard-Solarmodul für 12 V – Anwendungen hergestellt werden, das beispielsweise eine Ausdehnung von ca. 0,5 × 0,5 m² aufweist.
Die Lebensdauer eines derartigen Solarmoduls wird maßgeblich dadurch beeinflußt, wie gut die Dünnschichten vor Witterungs- und anderen Umwelteinflüssen geschützt sind. Um eine möglichst lange Lebensdauer von 30 Jahren und mehr zu erreichen, müssen die Dünnschichten den extremen Einwirkungen von Sonnenstrahlen, Feuchtigkeit und Luftschadstoffen dauerhaft standhalten. Die Anforderungen hinsichtlich Feuchtestabilität und Spannungsfestigkeit können daher nur erfüllt werden, wenn eine ausreichende Verkapselung der Dünnschicht-Solarzelle sowie eine ausreichende elektrische Isolation der stromführenden Komponenten gewährleistet ist. Hierzu werden die stromführenden Komponenten einer Dünnschicht-Solarzelle mit einem Laminat eingekapselt. Die Einkapselung wird dadurch erreicht, dass nach Beschichtung des Substrats mit den stromführenden Schichten der Randbereich des Substrats wieder entschichtet wird und eine Laminatschicht sodann über die gesamte Schicht aufgebracht wird. Hierdurch erreicht man im Randbereich eine feuchtedichte Verklebung von Laminatschicht und Substrat. Somit sind die inneren Bereiche zuverlässig gegen eine Feuchtedegration geschützt.
1 zeigt zur Verdeutlichung eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine verkapselte Solarzelle. Auf dem Substrat 4 sind demnach strukturierte Schichten 3 aufgebracht, die in den Randbereichen 5 entschichtet und durch eine Laminatschicht 2 eingekapselt sind. Über der Laminatschicht 2 ist wiederum eine Schicht aus Fensterglas 1 aufgebracht.
Ein Problem bei einer derartigen Einkapselung einer Dünnschicht-Solarzelle ist die Entschichtung der Dünnschichten im Randbereich. Die herkömmlichen Entschichtungsverfahren, wie etwa die Sandstrahlbearbeitung oder die Entschichtung mit einer Schleifscheibe, führen unvermeidlich auch zu einer Beschädigung des Substratrandes und zur Bildung von Mikrorissen in diesem Bereich. Aufgrund der großen Temperaturunterschiede in einem sich in Betrieb befindlichen Dünnschicht-Modul und den daraus entstehenden Zugspannungen erhöht sich die Bruchgefahr, so dass Rissbildungen im Randbereich schließlich zu einer Beschädigung einer Solarzelle führen können. Die Randentschichtung muß also in dem üblicherweise einige Millimeter bis Zentimeter breiten Randbereich besonders schonend erfolgen.
Zur Bearbeitung von Solarzellen sind grundsätzlich chemische Abtragungsverfahren bekannt, die allerdings den Nachteil langer Prozesszeiten haben und aufwendige Prozessschritte nach sich ziehen.
Die Entfernung der beschriebenen Randbereiche erfolgt daher bislang weiter durch mechanische Verfahren wie Schleifen oder Sandstrahlen, da mit diesen Verfahren eine genaue Dosierung des Materialabtrages möglich ist. Neben der bereits unerwünschten Beschädigung des Substratrandes und der Bildung von Mikrorissen haben diese Verfahren außerdem den Nachteil, dass im Nachgang in der Regel eine chemische Reinigung des Werkstücks im Ultraschallbad erforderlich ist, da durch die Aufwirbelung der abgetragenen Schichten das Modul in unerwünschter Weise verschmutzt wird.
Es ist bekannt, die oben beschriebenen Schritte zur integrierten Verschaltung eines Dünnschicht-Solarmoduls durch einen Laserstrahl herzustellen, um die sich hierdurch bildenden einzelnen Streifen dann seriell untereinander zu verschalten. Die dabei eingesetzten Laser besitzen eine Gaußförmige Energieverteilung im Abtragungsbereich, mit Abtragungsbreiten von bis zu 0,2 mm. Der Abtragungsprozess kann allerdings nicht genau dosiert werden, was dazu führt, dass das darunter liegende Substrat beschädigt werden kann. Für die angesprochene Randentschichtung werden deshalb Laserabtragungsverfahren nicht eingesetzt.

EP 0 482 240 A1 betrifft ein Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von flachen und/oder leicht gewölbten Werkstücken. Als besondere Anwendung wird die Strukturierung von Dünnschichtmodulen zur Serienverschaltung genannt. Mit einem Laser wird eine Kerbe in die dünnen Schichten eines Dünnschichtmoduls eingebracht, wobei sich der Verlauf der Kerbe an einer dazu versetzten Markierung orientiert. Die Markierung wird optisch von einem Detektor erfasst, dessen Signal über einen Regelkreis die Stellvorrichtung des Lasers ansteuert. Insbesondere kann eine bereits eingebrachte Kerbe als Marke verwendet werden, so dass eine weitere Kerbe genau parallel zu der bereits bestehenden Kerbe eingebracht werden kann.

Die US 4,734,550 betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Bearbeitung von dünnen Schichten mit einem Laser. Als besondere Anwendung wird die Bearbeitung von mit der Dünnschichttechnik erzeugten photoelektrischen Schichten genannt. Das Bearbeitungsverfahren setzt sich zum Ziel, eine möglichst genaue Kerbe in die dünnen Schichten einzubringen. Hierzu wird der Bearbeitungsstrahl auf die Oberfläche des jeweiligen Werkstücks derart aufgebracht, dass die momentan gerade beaufschlagte Leistungsverteilung möglichst homogen bleibt. Dies wird durch einen rechteckig fokussierten Strahl mit flacher Intensitätsverteilung erreicht, wobei die Strahlführung zusätzlich derart gesteuert ist, dass die Überlappungsbereiche des rechteckig fokussierten Strahls in Bewegungsrichtung eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung ergeben. Mit diesem Verfahren sollen präzise und gleichmäßig tiefe Einkerbungen erzielt werden können.

DE 39 02 985 A1 betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls. Als besondere Anwendung wird das Verlöten von Bauteilen auf einer Platine mittels Laser genannt. Außerdem sind als weitere Anwendungen das Markieren, Bohren oder Schweißen in der Elektronikfertigung genannt, jedoch nicht das Abtragen von Schichten. In Abhängigkeit von dem gewünschten Erwärmungs-Muster auf der Platine wird die Größe des Auftreffpunktes und der Einstrahlwinkel des Lasers computergesteuert eingestellt.

EP 0 536 431 A1 betrifft ebenfalls ein Laserbearbeitungs-Verfahren für einen Dünnschichtaufbau. Als Anwendung wird die Freilegung bzw. Entfernung der Rückelektrode im Substrat-Design angegeben, wobei die Bestrahlung des Lasers von der Substratseite her erfolgt.

In US 4,705,698 wird als bevorzugte Verfahrensparameter ein Nd-YAG-Laser mit Impulsdauern von kleiner 50 ns angegeben.

Zielsetzung der US 4,705,698 ist generell eine Entschichtung von dünnen Schichten und insbesondere eine Trennung von Kontakten, so dass hier auf Fragen der Spurbreite überhaupt nicht eingegangen wird.

Die US 6,168,986 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Dünnschichtsolarzellen wobei ein Nd-YAG-Laser im 4. Oberton mit rechteckigem Strahlquerschnitt zwischen 10 μm und 100 μm Breite verwendet wird und der Laserstrahl geneigt auf die Bearbeitungsfläche auftrifft.

Die US 5,800,625 A beschreibt eine Vorrichtung zum Abtragen einer Schicht auf einem Werkstück, welche Vorrichtung einen Laser, sowie ein optisches System aufweist, das den durch den Laser erzeugten Laserstrahl auf die zu bearbeitende Fläche des Werkstücks mit einer im Wesentlichen homogenen Leistungsverteilung abbildet. Eine erste Stellvorrichtung für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl ist vorgesehen, eine Steuereinheit, um abzutragende Oberflächeneinheiten mit konstanten Energiemengen zu beaufschlagen, sowie eine zweite Stellvorrichtung zum Einstellen eines Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot einer jeweils abzutragenden Oberflächeneinheit. Die Energieimpulsdichte des Bearbeitungsstrahls ist in der Größenordnung von 1 variabel einstellbar. Auch ist die Fläche, die der Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks bestrahlt, einstellbar und größer als 1 mm².

Nakano, S. at al: Laser Patterning Method for Integrated Type A-Si Solar Cell Submodules, Jap. J. Appl. Phys. Band 25, Nr. 12, 1986, Seiten 1936–1943 erwähnt das Abtragen von Schichten von einem Glas Substrat mit Hilfe eines durch einen gütegeschalteten YAG-Laser erzeugten Bearbeitungstrahls.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtragen von Schichten an Werkstücken, insbesondere Keramiken oder Gläsern, bereitzustellen, um eine kostengünstige Abtragung von Streifen bis zu einigen Millimetern Breite ohne Beschädigung des unter der abzutragenden Schicht liegenden Substrats zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht zum einen auf der Verwendung einer aus dem Restaurationsbereich bekannten Laservorrichtung zum Abtragen von Schichten an einem Werkstück mit einem Laserresonator und mit einem optischen System, das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl in einen Bearbeitungsstrahl mit einer Querschnittsbreite von mindestens 0,2 mm und mit einer im wesentlichen homogenen Leistungs-Verteilung abbildet.

Ein derartiges Lasergerät zur Reinigung von verschmutzten Oberflächen ist aus dem Restaurationsbereich bekannt. Das optische System umfasst eine Lichtleiterfaser, in der der Bearbeitungsstrahl zu einem Bearbeitungskopf geführt wird. Die Handhabung des Bearbeitungskopfes erfolgt in der Regel manuell, um so das Werkstück individuell bearbeiten zu können. Auf diese Weise können beispielsweise durch Umwelteinflüsse verschmutzte Statuen oder Kunstgegenstände gereinigt werden, um so die ursprüngliche Oberfläche wieder freizulegen. Der Reinigungseffekt basiert dabei auf der photochemischen Reaktion zwischen dem Hochleistungslaser und der jeweiligen Schmutzschicht, die entfernt werden soll. Der Laser arbeitet dabei im Impulsbetrieb und gegebenenfalls nach der Methode der Güteschaltung. Die Lichtimpulse erzeugen in den obersten Mikrometern der Schicht ein Plasma, dessen Ausdehnung eine Stoßwelle nach sich zieht. Der erhitzte Werkstoff steht unter einem hohen Innendruck, so dass die Plasma-Partikel aus dem bestrahlten Bereich herausgeschleudert werden. Für den Abtragungsprozess sind somit drei Phasen kennzeichnend, nämlich die Reflektion und Absorption der Laserstrahlung, sodann die Ausbildung der Wärmequelle und die Phasenumwandlung und schließlich die Verlagerung der Schmelz- und Verdampfungszone von der Oberfläche in tieferliegende Werkstoffbereiche und Materialauswurf. Auf diese Weise lassen sich einfach Fett-, Öl- oder Lackschichten entfernen.

Die Erfindung zeigt nun in überraschender Weise auf, dass eine derartige Reinigungsvorrichtung generell auch zur Entschichtung von beschichteten Gläsern oder Keramiken verwendet werden kann. Vermutlich wurde bisher angenommen, dass die auf einer Glasoberfläche oder einer Keramikoberfläche aufgebrachten Schichten nicht dick genug sind, um die auftretenden Stoßwellen zu absorbieren. Überraschenderweise zeigt allerdings die Erfindung, dass mit dem beschriebenen Laserreinigungsgerät beispielsweise eine zuverlässige Entschichtung von stromführenden Schichten an den Randbereichen einer Dünnschicht-Solarzelle möglich ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis lehrt somit die Erfindung, dass grundsätzlich alle mit einer Dünnschicht beschichteten Gläser oder Keramiken wirkungsvoll mit der oben beschriebenen Laser-Reinigungsvorrichtung entschichtet werden können. Weitere Anwendungen könnten demnach sein:

– Heutige Isoliergläser für Fensterscheiben, sogenannte "K-Gläser", weisen zusätzlich aufgedampfte Schichten auf, um die Durchlässigkeit der Fensterscheiben gegenüber Wärmestrahlung zu verringern. Typische Isoliergläser bestehen aus mindestens zwei Einzelscheiben, die mit einem Rahmenprofil zu einer Doppelglasscheibe verklebt werden, so dass auch hier eine Randentschichtung erforderlich ist.
– In der gesamten Displaytechnik fallen ebenfalls vielfältig Entschichtungsprozesse an.
– Schließlich kommen weitere Anwendungen in Betracht, bei denen beschichtete Gläser weiterverarbeitet werden müssen. Ein mögliches Beispiel sind sogenannte "schaltbare Fenster", die bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Lichtdurchlässigkeit ändern.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Entschichtung in den oben genannten Fällen mit vertretbarem Aufwand möglich ist, ohne dass das Substrat bzw. die Glas- oder Keramikscheibe beschädigt werden. Im Fall einer Entschichtung von Dünnschicht-Solarzellen ist es somit erstmals möglich, gekapselte Dünnschicht-Module kostengünstig herzustellen, die gegenüber Umwelteinflüssen noch besser geschützt sind.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe besteht in der Anpassung einer an sich bekannten Laservorrichtung zum Abtragen von Schichten an einem Werkstück durch eine erste Stellvorrichtung für eine vorgegebene Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungsstrahl, eine Steuereinheit, die die erste Stellvorrichtung derart ansteuert, dass jede abzutragende Flächeneinheit des Werkstücks mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird, und eine zweite Stellvorrichtung zum Einstellen eines konstanten Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot jeder abzutragenden Flächeneinheit.

Die bekannte Laservorrichtung zur Abtragung von Schichten an einem Werkstück weist üblicherweise nur ein Handstück auf, mit dem der Bearbeitungsstrahl manuell über das Werkstück geführt werden kann. Eine Entschichtung beispielsweise einer Dünnschicht-Solarzelle benötigt allerdings eine entsprechende Automatisierung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zum einen sichergestellt, dass der Bearbeitungsstrahl jede abzutragende Flächeneinheit nur mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt und dass für jede Flächeneinheit ein konstanter Bearbeitungswinkel zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot jeder abzutragenden Flächeneinheit eingestellt ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Stellvorrichtung aus einer mechanischen Führung besteht, mit der der Bearbeitungsstrahl samt dem optischen System über das Werkstück geführt wird. In diesem Fall bleibt also das Werkstück ortsfest, während die optische Einrichtung beweglich geführt ist. Hierzu wird der Bearbeitungsstrahl vorzugsweise über eine Lichtleiterfaser geführt. Alternativ ist es allerdings auch denkbar, dass die erste Stellvorrichtung aus verstellbaren Umlenkspiegeln besteht, über die der Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück geführt wird. Als Umlenkspiegel können beispielsweise zwei Umlenkspiegel mit senkrecht zueinander liegenden Drehachsen verwendet werden, so dass der Bearbeitungsstrahl einfach über eine größere Ebene bewegt werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das optische System ortsfest gehaltert ist, während das Werkstück, beispielsweise auf einem xy-Tisch, gegenüber dem feststehenden Bearbeitungsstrahl geführt wird. Schließlich sind auch Kombinationen der oben genannten Prinzipien denkbar, bei denen sowohl der Bearbeitungsstrahl als auch das Werkstück beweglich geführt sind.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit die erste Stellvorrichtung derart ansteuert, dass der Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück in einer Hin- und Herbewegung parallele, sich überdeckende Schichtstreifen abträgt. In der Regel wird die Querschnittsbreite des Bearbeitungsstrahls geringer sein als die Breite des tatsächlich abzutragenden Bereichs, so dass durch eine derartige Ansteuerung der ersten Stellvorrichtung auf effektive Weise auch größere Bereiche abgetragen werden können. Neben einer Hin- und Herbewegung des Bearbeitungsstrahls bietet sich auch eine rotierende bzw. quasi-rotierende Bewegung an, durch die parallele, sich überdeckende Schichtstreifen abgetragen werden. Bei einem rechteckigen oder quadratischen Dünnschicht-Modul ist es beispielsweise denkbar, dass der Bearbeitungsstrahl fortlaufend um den Bearbeitungsrand in einer rotierenden oder quasi-rotierenden Bewegung geführt wird und in einem Umlauf jeweils einen Schichtstreifen im Bereich der Querschnittsbreite des Bearbeitungsstrahls abträgt. Auf diese Weise ist eine Entschichtung größerer Bereiche möglich, ohne dass die erste Stellvorrichtung abrupte Geschwindigkeitsänderungen durchführen muss.

Ein zweiter Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einstellung eines konstanten Bearbeitungswinkels. In aufwendigen Versuchsreihen hat sich herausgestellt, dass die Einstellung des Bearbeitungswinkels bei der Entschichtung eines Dünnschicht-Solarmoduls zwei Effekte haben kann: zum einen kann durch die Einstellung des Bearbeitungswinkels erreicht werden, dass die Abtragungsgeschwindigkeit bzw. die Abtragungseffektivität optimiert wird. Soweit das Substrat mit mehreren Schichten beschichtet ist, kann darüber hinaus durch die Einstellung des Bearbeitungswinkels eine gewisse Selektivität der abzutragenden Schichten erreicht werden. Insbesondere konnte bei einem Dünnschichtaufbau gemäß 2 in bisher noch nicht vollständig geklärter Weise ein Bearbeitungswinkel gefunden werden, bei dem die Schicht der Frontelektrode und die Absorberschicht abgetragen werden konnten, während die Rückelektrode unbeschädigt blieb.

Um die aus Versuchsreihen ermittelten Bearbeitungswinkel reproduzierbar einstellen zu können, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die zweite Stellvorrichtung durch die Steuereinheit ebenfalls ansteuerbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eine Speichereinheit und eine Eingabeeinheit aufweist, wobei in der Speichereinheit für jeden Typ des Entschichtungsprozesses ein optimaler Bearbeitungswinkel gespeichert ist und wobei bei Eingabe eines Typs eines Entschichtungsprozesses in die Eingabeeinheit die entsprechenden Steuersignale für einen optimalen Bearbeitungswinkel von der Steuereinheit an die zweite Stellvorrichtung weitergeleitet werden.

Bei der Freilegung einer Rückelektrode einer Dünnschicht-Solarzelle hat sich herausgestellt, dass vorzugsweise ein Winkel größer als 0°, insbesondere zwischen 5° und 10°, gewählt werden muß. Vermutlich führt die Schrägstellung der optischen Achse zum Einfallslot dazu, dass die unter der abzutragenden Schicht liegenden Schichten weniger zur Absorption der Laserstrahlen neigen, so dass diese Schichten völlig beschädigungsfrei bleiben.

Zur vollständigen Abtragung aller Schichten hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei einer geeigneten Polarisation des Bearbeitungsstrahls als optimaler Bearbeitungswinkel der sogenannte Brewstersche Winkel gewählt werden kann, dessen Tangens gleich der Brechzahl der abzutragenden Schicht entspricht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bearbeitungsstrahl über eine Lichtleiterfaser mit zusätzlicher Modenmischung zu der mechanischen Führung geleitet wird. Zweckmäßigerweise ist am Faserausgang eine Abbildungsoptik vorgesehen, so dass der Lichtaustrittspunkt der Lichtleiterfaser auf der zu bearbeitenden Oberfläche abgebildet wird. Auf diese Weise lassen sich der Bearbeitungsabstand sowie die durch den Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Fläche variabel einstellen. Der Bearbeitungsstrahl weist dann auf der zu bearbeitenden Oberfläche ein trapezförmiges Strahlprofil auf. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, dass der auf der Oberfläche abgebildete Bearbeitungsstrahl eine Fläche im Bereich von einigen mm² aufweist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Laserresonator vom Typ Nd:YAG. Zur Entschichtung von Solarzellen hat sich gezeigt, dass die Wellenlänge 1,064 μm des Nd:YAG-Lasers sich besonders gut eignet. Vorzugweise wird der Laserresonator nach der Methode der Güteschaltung mit Impulsdauern im Bereich von 25 ns und einer Impulsenergiedichte im Bereich von 1 J/cm² betrieben. Bei diesen Betriebsbedingungen des Laserresonators lassen sich bei Solarzellen besonders gute Abtragungsergebnisse erzielen, wenn die mechanische Führung mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 cm/s verschoben wird und dabei die Impulsfolgefrequenz des Laserresonators im Bereich von 50 Hz liegt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Werkstück auf einem Bearbeitungstisch mit Aussparungen aufgespannt ist, so dass im Bereich der Aussparungen auch die Unterseite des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden kann. Insbesondere bei Solarzellen mit einer lichtdurchlässigen Substratschicht, die selektiv von darüberliegenden Schichten befreit werden soll, hat sich herausgestellt, dass eine noch schonendere Bearbeitung des Substrats erreicht werden kann, wenn das Substrat von der Substratseite her entschichtet wird. Soweit es nicht möglich ist, den über den Bearbeitungstisch hinausragenden Teil der Solarzelle zu entschichten, müssen für diesen Anwendungsfall entsprechende Aussparungen in dem Bearbeitungstisch vorgesehen sein.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Absaugvorrichtung zur Absaugung der entstehenden Stäube und Dämpfe vorgesehen. Auf diese Weise ist zum einen der Schutz des Bedienpersonals vor den entstehenden Dämpfen und Stäuben gewährleistet, zum anderen können dadurch auch Niederschläge auf dem Werkstück vermieden werden, die die Oberflächenqualität der freizulegenden Schicht beeinträchtigen könnten.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem Verfahren zur Entschichtung von Solarzellen mit einer Substratschicht und darauf aufgebrachten strukturierten Schichten. Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass eine an sich bekannte Laserreinigungsvorrichtung mit einem Laserresonator und mit einem optischen System, das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl in einen Bearbeitungsstrahl mit einer Querschnittsbreite von mindestens 0,2 mm und mit einer im wesentlichen homogenen Leistungsverteilung abbildet, bereitgestellt wird, dass der Bearbeitungsstrahl über das Werkstück derart geführt wird, dass jede abzutragende Flächeneinheit der jeweiligen Solarzelle mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird und dass die optische Achse des Bearbeitungsstrahls während des Entschichtungsprozesses in einem konstanten Bearbeitungswinkel gehalten wird.

Hinsichtlich weiterer bevorzugter Verfahrensschritte ist zu unterscheiden zwischen Freilegung bzw. Entschichtung des Substrats und der Freilegung einzelner Zwischenschichten. Im ersten Fall findet eine Abtragung aller auf dem Substrat aufgebrachten Schichten statt, im zweiten Fall erfolgt dagegen eine selektive Abtragung der oberen Schichten.

Der erste Fall der kompletten Abtragung aller Schichten tritt bei der bereits erwähnten Randentschichtung zur Einkapselung der Solarzelle mit einem Laminat oder auch bei Photovoltaikmodulen für Architekturanwendungen auf, bei denen Flächen mit einer partiellen optischen Transparenz auf dem Substrat hergestellt werden. Soweit das Substrat in diesen Fällen aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, hat sich herausgestellt, dass eine Entschichtung nicht nur von der Schichtseite, sondern besonders vorteilhaft auch von der Substratseite her möglich ist. Mit diesem Verfahren lässt sich eine besonders schonende Entschichtung der Substratschicht erreichen, allerdings muss hierbei gegebenenfalls ein spezieller Werkzeugtisch mit geeigneten Ausschnitten vorgesehen werden, um alle gewünschten Bereiche der Solarzelle entschichten zu können.

Der zweite Fall der partiellen Entschichtung tritt beispielsweise bei Solarzellen auf, deren strukturierte Schichten aus einer Frontelektrode, einer Absorberschicht und einer Rückelektrode bestehen und bei denen die Rückelektrode zur Kontaktierung freigelegt werden soll. Nach Freilegen der Rückelektrode kann diese dann durch Metallbänder kontaktiert werden. Da in diesem Fall das Substrat nicht komplett entschichtet wird, entfällt hier die Möglichkeit der Bearbeitung von der Substratseite, so dass immer von der Schichtseite her entschichtet werden muss.

Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle,
2 einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle mit Schichtfolge und Kontaktierung der Rückelektrode,
3 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen und
4 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle. Die Solarzelle besteht im wesentlichen aus einem Substrat 4, den darauf aufgebrachten und strukturierten Schichten 3, einer Laminatschicht 2 und einer darauf aufgebrachten Schicht Fensterglas. Die stromführenden Schichten 3 weisen eine Dicke von 1–5 μm auf und das Substrat 4 besteht vorzugsweise aus Floatglas. Um Strompfade zu den stromführenden Schichten 3 und eine Feuchtedegration der Schichten selbst zu vermeiden, darf der Randbereich 5 des Substrats 4 keine stromführenden Schichten enthalten. Der Randbereich 5 ist deshalb erfindungsgemäß entschichtet worden.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle mit Schichtfolge und Kontaktierung der Rückelektrode. Bei Substrat-Dünnschichtsolarzellen gliedert sich die Schichtfolge auf in die Rückelektrode 24, die Absorberschicht 23 und die Frontelektrode 22. Die Schichten sind auf dem Substrat 25 aufgebracht und seitens der Frontelektrode 22 durch das Laminat 21 geschützt. Das Laminat 21 wird durch eine Schicht 20 aus Fensterglas abgeschlossen.
In 2 sind zwei Bereiche A und B markiert, die die verschiedenen Ergebnisse möglicher Entschichtungsprozesse bei einer Dünnschicht-Solarzelle darstellen.
In dem Bereich A wurde eine komplette Entschichtung des Substrats vorgenommen, wobei das Substrat selber mit einer beschädigungsfreien Oberfläche zurückbleibt. Im Bereich B wurde eine selektive Entschichtung der Frontelektrode und der Absorberschicht vorgenommen, so dass die Rückelektrode stehen bleibt. Zur Kontaktierung der Rückelektrode müssen die darüber liegenden Schichten selektiv entfernt werden, ohne die Rückelektrode selbst wesentlich zu schädigen. Die freigelegten Bereiche werden dann mit Metallbändern 26 kontaktiert.
Bei der Entfernung der Schichten über den zu kontaktierenden Bereichen muß der Lichteinfall auf jeden Fall seitens der Schichtseite der Frontelektrode 22 erfolgen.
Für die Beurteilung der Qualität des Entschichtungsprozesses wurden auf die freigelegten Rückelektrodenbereiche Metallbänder mit einem zur Zeit eingesetzten Standardkontaktierprozess aufgebracht. Die gute Haftung der Bänder zeigt, dass die erfindungsgemäße Entschichtung mit einer Laservorrichtung auch zur Freilegung der zu kontaktierenden Bereiche der Rückelektrode geeignet ist. Die mechanische Entschichtung kann damit auch bei der Rückelektrodenfreilegung ersetzt werden.
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen. Die Entschichtung erfolgt mit einem gepulsten Laser vom Typ Nd:YAG. Vorzugsweise wird der Laserresonator mit der Methode der Gütemodulation mit Impulsdauern im Bereich von 25 ns betrieben. Der Bearbeitungsstrahl wird mit Hilfe eines Lichtleiterkabels 40 zu einer Abbildungsoptik mit einer Fokussierlinse 34 geleitet. Der Ausgang 35 der Lichtleiterfaser 40 wird dabei über die Fokussierlinse 34 auf dem Werkstück 31 im Bearbeitungsbereich 41 abgebildet.
Die Impulsenergiedichte bzw. Energieimpulsdichte auf dem Werkstück ergibt sich bei diesem Aufbau aus der Impulsenergie des Lasers, den optischen Verlusten sowie dem Abbildungsmaßstab der eingesetzten Optik. Die notwendige Impulsenergiedichte sowie die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum zu entschichtenden Werkstück bei vorgegebener Impulsfrequenz sind abhängig vom zu entfernenden Schichtpacket. Zum Beispiel konnten die untersuchten Schichtpackete von Dünnschichtsolarmodulen mit Impulsenergiedichten in der Größenordnung von 1 J/cm² bei Verfahrgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 cm/s und einer Impulsfrequenz von 50 Hz entfernt werden.
Bei der Entschichtung der Rückelektrode gemäß 2 ist die notwendige Impulsenergiedichte bzw. Energieimpulsdichte sowie die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum zu entschichtenden Werkstück bei vorgegebener Impulsfrequenz ebenfalls abhängig vom Schichtpacket. Eine erfolgreiche Entschichtung der Rückelektrode von Dünnchichtsolarmodulen wurde beispielsweise mit Pulsenergiedichten in der Größenordnung von 1 J/cm² bei Verfahrgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 3 cm/s und einer Pulsfrequenz von 50 Hz erzielt.
Wie in 3 dargestellt, wird das Werkstück 31 dabei durch einen entsprechenden Werkzeugträger 32, bei dem es sich zum Beispiel um einen Vakuumspanntisch handeln kann, gehalten. Der Werkzeugträger 32 ist wiederum auf einem CNC-gesteuerten xy-Tisch 33 montiert. Der Tisch 33 mit dem Werkzeugträger 32 und dem Werkstück 31 kann mit konstanter Geschwindigkeit verfahren werden, so dass der Bearbeitungsbereich 41 zur Entschichtung der Solarzelle 31 entlang einer definierten Strecke bewegt werden kann. Entstehende Dämpfe und Stäube werden über Absaugvorrichtungen 36, 38 abgesaugt. Für besondere Anwendungsfälle sind Düsen 37, 39 vorgesehen, um die freizulegende Oberfläche vor Oxidation oder anderen chemischen Prozessen mit der Atmosphäre zu schützen. Als geeignetes Schutzgas hat sich hier vor allem Stickstoff herausgestellt. Die Düsen 37, 39 sind so eingestellt, dass im Bearbeitungsbereich das Schutzgas gleichmäßig über die Oberfläche des Werkstücks strömt.
Optimale Bearbeitungsergebnisse ergeben sich, wenn die optische Achse 46 der Abbildungsoptik gegenüber dem Einfallslot 43 auf einen für den jeweiligen Anwendungsfall zu bestimmenden optimalen Bearbeitungswinkel eingestellt wird. Im Fall der Freilegung einer Rückelektrode einer Dünnschichtsolarzelle haben sich beispielsweise Verkippwinkel im Bereich von 5°–10° als besonders günstig herausgestellt.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform zur Entschichtung von Solarzellen. Der Aufbau zur Halterung der Solarzelle 31 wurde gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beibehalten und ist mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein wesentlicher Unterschied der zweiten Ausführungsform gemäß 4 zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Entschichtung gemäß 4 im Bereich von der unteren Substratschicht erfolgt.
Diese Anwendung kommt bei allen Entschichtungsprozessen von Solarzellen in Betracht, bei denen ein lichtdurchlässiges Substrat vorliegt und das Substrat in bestimmten Bereichen völlig freigelegt werden soll. Während bei einem Einfall von der Schichtseite feine Haarrisse im Entschichtungsbereich entstanden, konnte das Glassubstrat bei Lichteinfall von der Substratseite entschichtet werden, ohne dass eine Schädigung des Substrats im Lichtmikroskop zu erkennen war.
Der optische Aufbau gleicht ansonsten demjenigen gemäß der ersten Ausführungsform, so dass entsprechend ebenfalls der Bearbeitungsstrahl mit einem Lichtleiter 50 an eine Abbildungsoptik mit einer Fokussierlinse 54 herangeführt wird. Die Fokussierlinse bildet wiederum den Austrittsbereich 55 des Lichtleiters 50 auf das Werkstück 31 im Bearbeitungsbereich 51 ab.
Bei der Entschichtungsmethode gemäß der zweiten Ausführungsform wurden beispielsweise gute Ergebnisse erzielt, wenn der Bearbeitungswinkel der optischen Achse 56 auf das Einfallslot eingestellt war.
Die beim Laserprozess erzeugten Stäube und Dämpfe werden auch bei der zweiten Ausführungsform abgesaugt. Eine Nachreinigung wie bei den bisher eingesetzten Entschichtungsverfahren ist weder für die Variante von der Substratseite noch für die Variante von der Schichtseite erforderlich. Damit sind beide Varianten des neuen Laserentschichtungsverfahrens den bisherigen mechanischen Verfahren vorzuziehen.
Besonders zu beachten ist bei der zweiten Ausführungsform gemäß 4 allerdings, dass für eine vollständige Bearbeitung der Solarzelle von der Substratseite her womöglich entsprechende Ausschnitte in dem xy-Tisch 33 und dem Werkzeugträger 32 vorgesehen sein müssen, damit der Bearbeitungsstrahl ungehindert alle zu entschichtenden Bereiche der Solarzelle 31 erreichen kann.
Insbesondere für Produkte, bei denen auch feinste Mikrorisse im Substrat bedenklich erscheinen, sollte daher die Variante mit Lichteinfall von der Substratseite eingesetzt werden. Bei weniger kritischen Anwendungen bzgl. Mikrorissen im Substrat – oder bei anderen Substrattypen – ist die hinsichtlich der Werkstückhalterung einfachere Entschichtung mit Lichteinfall von der Schichtseite möglich. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Verfahren gemäß den Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden. So können zum Beispiel für den Bruch empfindliche Randbereiche des Substrats gemäß der zweiten Ausführungsform von der Substratseite her entschichtet werden, da diese Randbereiche auch für diesen Fall einfach zugänglich sind und somit entsprechende Ausschnitte in dem Werkzeugträger und in dem Spanntisch nicht benötigt werden. Für Spezialanwendungen zu entschichtende Mittenbereiche können dagegen wiederum gemäß der ersten Ausführungsform von der Schichtseite entschichtet werden.

Claims

Vorrichtung zum Abtragen von Schichten an einem Werkstück (31), insbesondere an einer Keramik oder einem Glas, a) mit einem Laserresonator, der mit der Methode der Güteschaltung betrieben wird, b) mit einem optischen System (34, 54), das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche als Bearbeitungsstrahl mit einer im wesentlichen homogenen Leistungsverteilung abbildet, c) mit einer ersten Stellvorrichtung (33) für eine vorgegebene Relativbewegung zwischen dem Werkstück (31) und dem Bearbeitungsstrahl, und mit einer Steuereinheit, die die erste Stellvorrichtung (33) derart ansteuert, dass jede abzutragende Flächeneinheit des Werkstücks (31) mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird, und d) mit einer zweiten Stellvorrichtung zum Einstellen eines konstanten Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot (43, 53) jeder abzutragenden Flächeneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl auf der zu bearbeitenden Fläche mit einer Fläche (41, 51) im Bereich von einem mm² bis zu einigen mm² abgebildet wird, und der Bearbeitungsstrahl eine Energieimpulsdichte in der Größenordnung von 1 J/cm² aufweist, und dass der Bearbeitungsstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche ein trapezförmiges Strahlprofil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl über eine Lichtleiterfaser (40, 50) mit zusätzlicher Modenmischung zu einer mechanischen Führung geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauern kleiner als 100 ns sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauern im Bereich von 25 ns liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator vom Typ Nd:YAG ist und mit einer Wellenlänge von 1,064 mm betrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellvorrichtung (33) mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 cm/s verschoben wird und dabei die Impulsfolgenfrequenz des Laserresonators im Bereich von 50 Hz liegt.
Verfahren zur Entschichtung von Werkstücken (31), insbesondere beschichteten Keramiken oder Gläsern, mit den Schritten: – Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche: a) mit einem Laserresonator, der mit der Methode der Güteschaltung betrieben wird, und b) Bereitstellen eines optischen Systems (34, 54), das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche als Bearbeitungsstrahl mit einer homogenen Leistungsverteilung abbildet, c) mit einer ersten Stellvorrichtung (33) für eine vorgegebene Relativbewegung zwischen dem Werkstück (31) und dem Bearbeitungsstrahl, und mit einer Steuereinheit, die die erste Stellvorrichtung (33) derart ansteuert, dass jede abzutragende Flächeneinheit des Werkstücks (31) mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird, und d) mit einer zweiten Stellvorrichtung zum Einstellen eines konstanten Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot (43, 53) jeder abzutragenden Flächeneinheit, – Einstellen eines konstanten Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot (43, 53) jeder abzutragenden Flächeneinheit, – Abbilden des durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche als Bearbeitungsstrahl mit einer homogenen Leistungsverteilung, – Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (31) und dem Bearbeitungsstrahl derart, dass jede abzutragende Flächeneinheit des Werkstücks (31) mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl auf der zu bearbeitenden Fläche mit einer Fläche (41, 51) im Bereich von einem mm² bis zu einigen mm² abgebildet wird, und beim Bearbeitungsstrahl eine Energieimpulsdichte in der Größenordnung von 1 J/cm² eingestellt wird, und der Bearbeitungsstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche ein trapezförmiges Strahlprofil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl über eine Lichtleiterfaser (40, 50) mit zusätzlicher Modenmischung zu einer mechanischen Führung geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass Impulsdauern kleiner als 100 ns, vorzugsweise im Bereich von 25 ns, eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserresonator vom Typ Nd:YAG mit einer Wellenlänge von 1,064 mm bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellvorrichtung mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 cm/s verschoben wird und dabei die Impulsfolgenfrequenz des Laserresonators im Bereich von 50 Hz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen der Schichten an einem Werkstück an dessen Rand durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Solarmodul ist.