DE202008005970U1

DE202008005970U1 - Robotergeführte Kantenisolation bei Dünnschicht-Solarzellen

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Publication number: DE202008005970U1
Application number: DE202008005970U
Authority: DE
Original assignee: 4JET Sales and Service GmbH
Current assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2018-05-01

Abstract

Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf Glas mittels Laserstrahlung bei einer Dünnschichtsolarzelle, insbesondere zur Erzeugung eines isolierenden Rands, bei der der Laser durch Güteschaltung des Resonators kurze Pulse erzeugt, und bei der mit der Strahlung des Lasers Brennflecken auf der Schicht erzeugt werden, die durch Stellvorrichtungen aneinander gereiht werden, so dass ein flächiger Abtrag erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass
der Laser als aktives Medium einen Neodym dotierten Kristall besitzt, der durch Laserdioden gepumpt wird,
die Stellvorrichtung ein Zwei-Achsen-Galvanometer-Scanner ist,
wie er üblicherweise beim Markieren mittels Laserstrahl eingesetzt wird, und
Laser und Scanner als kompakte ortsfeste Einheit aufgebaut sind.

Description

Aufgabenstellung
Bei der industriellen Fertigung von Dünnschicht-Solarzellen werden überwiegend Glasscheiben als Substratträger benutzt. Diese Scheiben haben derzeit Flächen von 0,5 m² bis 6 m² wobei bis zu 60 m² Fläche in der Projektierung sind.
Im Durchlaufverfahren, das mehrere verschiedenartige physikalische und chemische Prozesse umfasst, wird auf diese Scheiben ein Schichtsystem aufgebracht, in dem die Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie stattfindet. Das Schichtsystem hat eine metallische Schicht als Stromleiter, eine halbleitende Schicht, in der unter Lichteinwirkung die Trennung der Ladungsträger stattfindet und eine lichtdurchlässige, stromleitende Metalloxidschicht (TCO). Die Schichten sind homogen über die gesamte Fläche aufgebracht. Die Schichtdicken sind im μm-Bereich.
Die von dem Schichtsystem erzeugte Spannung liegt im Bereich 0,5–1 Volt. Durch Längsfurchen verschiedener Tiefe wird das Schichtsystem auf der Scheibe in Streifen aufgeteilt und elektrisch durch Serienschaltung so verbunden, dass sich die von der Scheibe abgegebene Spannung bis zu 100 V aufaddiert. Am Rand der Scheibe liegt diese Spannung an. Es muss daher gewährleistet sein, dass es dort zu keinen Verlusten durch Masseschluss kommt. Daher muss die Solarzelle umfassend einen isolierenden Rand mit einer Breite von etwa einem Zentimeter haben, in dem das Schichtsystem rückstandsfrei vom Glassubstrat entfernt ist, d. h. ohne geringste Reste von leitenden Materialien. Der Isolationswiderstand muss im Gigaohm-Bereich liegen.
Stand der Technik
Für diese Randentschichtung wird üblicherweise ein spezielles Sandstrahlverfahren eingesetzt, bei dem ein feiner Pressluftstrahl mit abrasivem Medium entlang der Kante der Solarzelle geführt wird. Das im Prinzip einfache Verfahren kann die Aufgabe erfüllen. Es ist jedoch mit folgenden Nachteilen behaftet.

– Das Sandstrahlverfahren kann in dem Glassubstrat Mikrorisse induzieren, die unter den Witterungs- und Temperaturbedingungen im Freiland zum Eindringen von Feuchtigkeit und damit zum Versagen der Solarzelle führen.
– Trotz aufwändiger Absaugeinrichtungen gelingt es nicht, während des Strahlens das Strahlgut quantitativ zu erfassen. Die Anlage stellt daher im Produktionsbereich der Solarzelle eine Staubquelle dar. Das steht im Gegensatz zu den Reinraumbedingungen, die sonst bei der Solarzellenfertigung vorherrschen.
– Durch das von den Solarzellen abgetrennte Schichtmaterial wird das Strahlgut belastet. Zum Teil handelt es sich dabei um hoch toxische Materialien wie beispielsweise Kadmiumverbindungen. Beim Erneuern des Strahlguts werden diese problematischen Materialien verschleppt wodurch eine relativ große Menge Problemmüll entsteht.
– Mit dem Sandstrahlen lässt sich kein scharfer Rand zwischen der solaraktiven und der entschichteten Zone herstellen. Dies führt zur Verminderung der nutzbaren Solarfläche und damit zur Reduktion des Wirkungsgrads.

In der Patentschrift DE 199 33 703 B4 vom 28. 07 2005 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Umgehung der genannten Nachteile die Randentschichtung mittels gepulster Laserstrahlung durchgeführt wird.
Hierbei wird zur Randentschichtung das aus vielen Anwendungen (z. B. Reinigung von Kunstwerken oder Vulkanisierwerkzeugen) bekannte Verfahren der Laserablation benutzt. Dabei wird die zu entfernende Schicht mit einem kurzen Laserpuls bestrahlt. Dadurch erhöht sich in der Einwirkzone die Temperatur schlagartig. Dies führt zum lokalen Abplatzen des Materials infolge thermischer Spannungen und induzierter Schockwellen.
Dementsprechend werden im Oberbegriff der genannten Patentschrift als Stand der Technik folgende allgemein bekannte Merkmale genannt:

– Die Erzeugung der gepulsten Laserstrahlung durch Güteschaltung des Resonators.
– Die Benutzung eines Laserstrahls mit im Wesentlichen homogener Intensitätsverteilung
– Eine Stellvorrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Solarzelle
– Eine weitere Stellvorrichtung zur Einstellung eines konstanten Bearbeitungswinkels

In der Beschreibung des Verfahrens und in den Patentansprüchen werden für die Bearbeitung als wesentlich folgende Parameter genannt:

Lasertyp	Nd-YAG
Fläche des Bearbeitungsstrahls	ein bis einige mm²
Energieimpulsdichte	ca. 1 J/cm²
Pulsdauer	25–100 ns
Verfahrgeschwindigkeit der Stellvorrichtung	1 cm/s
Impulsfrequenz	50 Hz

Derzeit sind typische Dünnschicht-Solarzellen rechteckig und haben ca. 4 m Umfang. Die Taktzeit für die Produktion solcher Zellen liegt bei 40–60 Sekunden.
Beim beschriebenen Verfahren wird als Verfahrgeschwindigkeit der Stellvorrichtung 1 cm/s genannt. Daraus resultiert für die Entschichtung des 4 m langen Rands eine Bearbeitungszeit von 400 s.
Ein entsprechender Wert ergibt sich auch, wenn man beispielsweise von 2 mm² Bearbeitungsfläche des Lasers, 50 Hz Impulsfrequenz ausgeht. Wenn es gelingt die Bearbeitungsflächen lückenlos und ohne Überlapp aneinander zu legen, ergibt sich dann eine Flächenrate von 100 mm²/s entspr. 1 cm²/s. Bei 1 cm Streifenbreite am Rand ist die zu entschichtende Fläche 400 cm² was wiederum 400 s Taktzeit entspricht. Daraus folgt, dass in einer derzeitigen Produktionsstraße zur Lösung der Entschichtungsaufgabe 10 Laseranlagen erforderlich wären.
Beschreibung der Anlage
Im Folgenden wird eine Anlage zur Randentschichtung von Dünnschicht-Solarzellen beschrieben, die ebenfalls auf dem Prinzip der Laserablation beruht, jedoch bei vergleichbarem Aufwand eine vielfache höhere Ausbringung erlaubt.
Die Laserlichtquelle in der Anlage ist ein diodengepumpter Neodym-Vanadat-Laser. Der Laser hat als aktives Medium einen plattenförmigen Kristall, der stirnseitig gepumpt wird. Der stabil/instabil Hybrid-Resonator mit internem elektro-optischem Güteschalter ermöglicht Strahleigenschaften, die für die Aufgabenstellung besonders geeignet sind. Zum einen hat der Strahl einen rechteckigen Querschnitt mit relativ scharfen Rändern und gleichförmiger Intensitätsverteilung. Zum andern ermöglicht der kurze Resonator in Verbindung mit einem el. opt. Modulator intensive Pulse, die nur 10 ns lang sind. Typischerweise wird der Laser mit 50 kHz Wiederholrate und 400 W Durchschnittsleistung betrieben.
Der rechteckige Strahlaustritt am Laser wird als verkleinertes Rechteck mit ca. 0,3 mm² Fläche auf die zu bearbeitende Randschicht abgebildet. Puls für Puls wird mit Hilfe eines Zwei-Achsen-Galvo-Scanners Rechteck an Rechteck gereiht. Dank der relativ scharfen Kanten der Rechtecke, kann so eine lückenlose Überdeckung ohne große Überlappungsverluste erzielt werden. Mit dem Scanner wird typischerweise ein 10 × 30 mm² Feld bearbeitet. Der 2-dimensionalen Bearbeitung des Felds durch den schnellen Scanner überlagert, ist eine wesentlich langsamere Relativbewegung zwischen Scanner und Solarzelle.
Laser, Scanner und Optik sind vereint in einem kompakten Gehäuse. Dieses ist rundum geschlossen. Es hat lediglich eine Öffnung für den Strahlaustritt und Anschlüsse für Versorgungs- und Steuerleitungen von Laser und Scanner. Die Einheit ist ortsfest montiert, wobei der Laserstrahl senkrecht nach unten auf die Solarzelle scheint und dort in dem vom Scanner bestimmten relativ kleinen Feld (10 × 30 mm²) die Entschichtung durchführt.
Zur vollständigen Randentschichtung wird die Solarzelle mit einem Knickarmroboter unter der Laserstation hindurchgeführt. Hierzu hält der Roboter die Solarzelle im Zentrum auf der unbeschichteten Seite mit einem Vakuumgreifer. Die mit konstanter Geschwindigkeit gefahrene Bahn entlang der Kanten sowie das Wenden der Solarzelle ist als Programm in der Robotersteuerung hinterlegt.
Bevor der Roboter die Zelle vom Zuführungssystem übernimmt, wird diese in der Übergabestation durch synchron arbeitende Zylinder zentriert. Der Werkzeugmittelpunkt des Robotergreifers und die Dimensionen der Zelle liegen somit fest. Der Roboter kann so sein hinterlegtes Programm mit der geforderten Genauigkeit abarbeiten. Die Laserbearbeitung erfolgt von oben, d. h. von der unbeschichteten Seite aus durch das Glas hindurch. Der Abstand zwischen Glasscheibe und fokussierender Optik wird mittels Abstandsensors überwacht. Das Durchhängen der Glasplatte durch ihr Eigengewicht oder ein eventueller thermischer Verzug werden so erkannt und können automatisch durch die Robotersteuerung kompensiert werden.
Das bei der Randentschichtung entfernte Material enthält zum Teil hochtoxische Verbindungen. Es ist daher zwingend erforderlich, diese Substanzen quantitativ zu erfassen. Hierzu befindet sich unterhalb der Solarzelle im Bearbeitungsfeld des Lasers die trichterförmige Öffnung eines Absaugkanals. Der Abstand zwischen der Solarzelle und der Trichteröffnung ist relativ klein. Damit ist gewährleistet, dass an der Unterseite der Scheibe von allen Richtungen die Strömung zum Trichter hin erfolgt und somit das abgesprengte Material ob Staub oder Gas quantitativ erfasst wird. Die eingesaugten Dämpfe und Stäube werden durch mehrstufige Feinstaub- und Adsorptionsfilter gebunden.
In den folgenden Abbildungen 1 und 2 ist die Anlage dargestellt. In der 1 ist die Seitenansicht gezeigt.
In dem Gehäuse der Laserstation 1 befindet sich der gepulste Neodym-Vanadat-Laser 1.1, der 2-Achsen-Galvo-Scanner 1.2 und die Fokussieroptik 1.3.
Mit dem Laserstrahl 1.4 wird von der Fokussieroptik 1.3 durch die unbeschichtete Oberseite der Solarzelle 3 hindurch auf der Schicht 3.1 an der Unterseite ein kleiner rechteckiger Fleck bestrahlt.
Der Scanner 1.2 versetzt das Rechteck mit jedem Laserpuls, um eine Breitseite unter Beibehaltung einer kleinen Überlappung. So wird entlang einer Linie Rechteck an Rechteck aufgereiht und dann versetzt um eine Längsseite die nächste Reihe geschrieben. Insgesamt wird ein 10 × 30 mm² großes Feld mit dem Scanner 1.2 abgerastert.
Der Sensor 4 ist ein Lasertriangulationsgerät, das den Abstand vom Sensor 4 zur Unterseite Solarzelle 3 misst und über ein Regelsignal an die Robotersteuerung konstant hält, auch wenn die Solarzelle durchhängt oder gekrümmt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Abstand zwischen der Schicht 3.1 und der Fokussieroptik 1.3 konstant bleibt und somit Größe und Gestalt des Laserflecks unverändert bleiben. Das durch die Lasereinwirkung verdampfte und abgesprengte Material 5.1 der Schicht 3.1 wird durch die trichterförmige Öffnung des Absaugkanals 5 quantitativ erfasst.
Der Knickarmroboter 2 hat die Solarzelle 3 von der unbeschichteten Seite gegriffen und zwar mit einem Vakuumgreifer 2.1, der mit Saugnäpfen ausgestattet ist. Er führt den Rand der Solarzelle 3 zwischen Laserstation 1 und Absaugdüse 5 durch.
In 2 ist die Draufsicht der Anlage dargestellt.
Die Solarzelle 3 wird durch einen hier nicht dargestellten Gurtförderer zu der Zentrierstation 6 gebracht, wobei der Förderer durch einen Nährungsschalter gestoppt wird, sobald die Solarzelle in etwa in der Mitte der Zentrierstation liegt. Die Feinausrichtung der Solarzelle erfolgt in X und Y-Richtung jeweils durch einen Satz von 4 Rollen 6.1, die sich über ein Hebelsystem synchron aufeinander zu bewegen. Durch diese Feinausrichtung wird gewährleistet, dass der Mittelpunkt der Solarzelle 3 mit dem Werkzeugmittelpunkt des Vakuumgreifers 2.1 übereinstimmt. Somit kann der Roboter die Scheibe 3 anhand des gespeicherten Bahnprogramms exakt unter der Laserstation 1 hindurch führen. Nach der Bearbeitung wird die Solarzelle an der Station 7 abgelegt und kann dann in den weiteren Produktionsprozess ausgespeist werden.
Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik bietet die beschriebene Anlage eine Reihe von Verbesserungen.
Die 10 ns Pulse des beschriebenen Lasers, sind deutlich kürzer als die Pulse der üblichen Stab- oder Scheibenlaser vergleichbarer Durchschnittsleistung. Da die Laserablation von der Pulsleistung abhängt, ist bei gleicher Energie ein kurzer Puls effizienter als ein langer. Der für diesen Laser spezifische nahezu homogene rechteckige Querschnitt des Ausgangsstrahls lässt sich mit einfachen optischen Elementen als scharfkantiges verkleinertes Rechteck auf die abzutragende Schicht abbilden. Damit ergibt sich beim Aneinanderreihen der Pulse wesentlich weniger Überlappungsverlust, als bei den üblichen runden Laserstrahlen mit ausgeprägtem Mittenmaximum.
Bedingt durch diese beiden Faktoren lassen sich mit dem gewählten Laser erhebliche bessere Flächenleistungen erzielen als mit herkömmlichen Lasern. Mit 400 W Durchschnittsleistung werden bis zu 80 cm²/s bei der Randentschichtung erzielt. Dies ist für die derzeitige Größe der Solarzelle weit ausreichend.
Die Anordnung mit ortsfester Laserstation und bewegter Solarzelle ermöglicht einen sehr einfachen und robusten optischen Aufbau. Im Gegensatz zu „fliegender Optik" oder Übertragung der Strahlung mit Faseroptik, bleibt bei diesem Aufbau der Laserfleck über das gesamte Objekt konstant in Größe, Gestalt, Ausrichtung und Intensitätsverteilung. Durch die ortsfeste Installation des Lasers ist auch der Bereich der Lasereinwirkung genau definiert. Dadurch kann die Absaugung sehr effektiv und kostengünstig gestaltet werden. Auch ist die Abschirmung des Laserbereichs im Hinblick auf Gefährdung der Umgebung wesentlich einfacher als bei Anordnungen mit „fliegender" Optik oder Faseroptik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19933703 B4 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf Glas mittels Laserstrahlung bei einer Dünnschichtsolarzelle, insbesondere zur Erzeugung eines isolierenden Rands, bei der der Laser durch Güteschaltung des Resonators kurze Pulse erzeugt, und bei der mit der Strahlung des Lasers Brennflecken auf der Schicht erzeugt werden, die durch Stellvorrichtungen aneinander gereiht werden, so dass ein flächiger Abtrag erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als aktives Medium einen Neodym dotierten Kristall besitzt, der durch Laserdioden gepumpt wird, die Stellvorrichtung ein Zwei-Achsen-Galvanometer-Scanner ist, wie er üblicherweise beim Markieren mittels Laserstrahl eingesetzt wird, und Laser und Scanner als kompakte ortsfeste Einheit aufgebaut sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als aktives Medium einen plattenförmigen Neodym-Vanadat-Kristall besitzt, der stirnseitig von Galliumarsenid-Laserdioden gepumpt wird und dessen Resonator als stabil/instabiler Hybrid ausgestaltet ist, wodurch der Strahl einen rechteckigen Querschnitt mit homogenem Intensitätsprofil besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Güteschalter für den Resonator ein schneller elektro-optischer Modulator benutzt wird, wodurch Pulsdauern von ca. 10 ns erzeugt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Laser mit ca. 50 kHz Wiederholrate betrieben wird, und dabei die fokussierende Optik so gewählt ist, dass während eines Pulses im Brennfleck auf der Schicht mindestens 1 J/cm² Energiedichte vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass mit der fokussierenden Optik aus dem rechteckigen Strahl des Lasers auf der Schicht ein verkleinerter, rechteckiger Brennfleck mit relativ scharfen Kanten erzeugt wird und dass dieser Brennfleck mit dem Scanner Puls für Puls jeweils um eine Kantenlänge versetzt wird, wobei ein möglichst kleiner Überlapp zwischen den Brennflecken eingehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Schicht durch das Glas hindurch von der Rückseite erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Unterseite der Solarzelle senkrecht ortsfest unter dem Scanner ein Absaugkanal mit trichterförmiger Öffnung befindet, der das abgesprengten Material quantitativ erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Entschichtung von Bereichen, die größer als das Bearbeitungsfeld des Scanners sind, die Solarzelle mittels eines Knickarmroboters unter der Laserstation hindurch geführt wird, wobei der schnellen flächigen Bewegung des Scanners die wesentlich langsamere translatorische Bahnbewegung des Roboters überlagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass während der Roboterbewegung der Abstand zwischen Fokussieroptik und Schicht auf der Solarzelle an line mit einem Abstandsensor gemessen und über die Robotersteuerung konstant gehalten wird wodurch thermische Verformungen der Solarzelle oder Durchbiegungen unter dem Eigengewicht kompensiert werden.