EP2430658A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines photovoltaischen dünnschichtmoduls - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines photovoltaischen dünnschichtmodulsInfo
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- EP2430658A2 EP2430658A2 EP10722601A EP10722601A EP2430658A2 EP 2430658 A2 EP2430658 A2 EP 2430658A2 EP 10722601 A EP10722601 A EP 10722601A EP 10722601 A EP10722601 A EP 10722601A EP 2430658 A2 EP2430658 A2 EP 2430658A2
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a photovoltaic thin-film module according to the preamble of claim 1 and an apparatus for carrying out the method.
- Photovoltaic thin-film modules are provided on the rear side facing away from the light incident side with a back cover, which is laminated with an adhesive film on the back of the functional layers.
- the adhesive film in the edge region of the module is connected directly to the substrate, thereby achieving a hermetic encapsulation of the functional layers.
- edge stripping i. the functional layers are completely removed in the edge area of the module.
- the edge deletion may be mechanically, e.g. by sandblasting or grinding or with a laser (see DE 20 2008 005 970 Ul, DE 20 2008 006 110 Ul).
- the front electrode layer is provided with a laser with the cell separation lines for series connection of the individual cells of the module and the separation line for the Isocut.
- its structuring with the cell separation lines and the coating of the semiconductor layer with the back electrode layer is provided in a further facility next to the cell separation lines with a laser with the separation line for the Isocut the back electrode layer.
- the boundary stratification takes place with a further plant.
- the different tolerances in the individual processes must be taken into account, e.g. also with regard to the thermal expansion coefficient of, for example, consisting of a glass substrate of the module and the different temperatures during the individual processes.
- the Isocut is therefore provided at a distance of 1 mm and more from the edge-peeled region of the module in the functional layers. Further, the dividing line for the Isocut in the semiconductor and back electrode layer must have a substantial width so as to securely cover the dividing line for the Isocut in the front electrode layer. In order to form the Isocut dividing line in the back electrode layer, the laser beam must therefore be moved over the module in a staggered manner to overlap the adjacent tracks.
- the writing of the Isocut therefore costs a lot of tact time.
- the distance between the Isocut of 1 mm and more of the stripped edge area of the module reduces the useful active area of the module and thus its performance. Since any one of the many facilities can cause interference, it can also lead to more frequent performance losses and failures in the modules.
- the object of the invention is to produce edge-layered and provided with an Isocut photovoltaic thin-film modules high performance safely and with less cycle time.
- the photovoltaic module has a substrate on which as functional layers a transparent front electrode layer, a semiconductor layer and a back electrode layer are deposited, each having a layer thickness in the nanometer to micrometer range.
- the substrate consists of an electrically non-conductive and in the case of a superstrate arrangement transparent material, such as glass.
- the front electrode layer may consist of an electrically conductive metal oxide, for example zinc oxide or tin oxide. It is only important that it is transparent and electrically conductive and absorbs at least a small percentage of the radiation of the laser.
- the semiconductor layer can consist of silicon, for example amorphous, microcrystalline or polycrystalline silicon, but it can also be another semiconductor, for example cadmium tellurium or cigs, that is to say copper indium gallium selenide.
- the back electrode layer is preferably a metal layer, for example of aluminum, copper, silver or the like.
- the coating with the front electrode layer and the semiconductor layer takes place for example by physically assisted chemical vapor deposition (PECVD), the coating with the back electrode view preferably by sputtering.
- PECVD physically assisted chemical vapor deposition
- the front electrode layer, the semiconductor layer and the back electrode layer are each provided with cell dividing lines to form single cells which are series connected.
- the removal of the functional layers in the edge region of the module, ie the edge deletion, and the formation of the isolation separation line in the edge region of the front electrode layer and the isolation separation line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer, ie the Isocut in the edge region of the functional layers is carried out according to the invention in a common step with a system.
- the dividing line in the edge region of the semiconductor and the back electrode layer as well as the front electrode layer for the Isocut are simultaneously lasered.
- the lasers including their optics for edge deletion and for the formation of the isolation separation lines, that is to say for the Isocut, are mechanically firmly connected to one another in a laser unit.
- edge deletion and the isocut of the three functional layers are carried out simultaneously according to the invention, tolerances of different systems and influences of the substrate temperature are no longer relevant. This minimizes the distance between the Isocut and the edge deletion, thereby increasing the module's performance. In addition, the width of the Isocut separation line in the back electrode layer can be minimized and even reduced to zero, thereby further increasing the performance of the module.
- the writing times are reduced according to the invention compared to the prior art, because the isocut lines in the front and back contact structuring omitted.
- an infrared radiation emitting laser having a wavelength of at least 800 nm may be used, preferably a neodymium-doped yttrium vanadate (Nd: YVO 4 ) or an Nd: YAG Laser, ie with yttrium-aluminum garnet as host crystal, with a fundamental of 1064 nm.
- Nd: YVO 4 neodymium-doped yttrium vanadate
- Nd: YAG Laser ie with yttrium-aluminum garnet as host crystal, with a fundamental of 1064 nm.
- the formation of the dividing line in the edge region of the front electrode layer for example, with a neodymium-doped solid-state laser with tripled frequency, ie a wavelength of 355 nm can be used.
- a visible light emitting laser is preferably used, in particular a neodymium-doped solid-state laser, ie Nd: YVO 4 or Nd: YAG laser with doubled frequency with a wavelength of 532 nm.
- neodymium-doped lasers instead of neodymium-doped lasers, it is also possible to use other lasers which emit their fundamental oscillation in the infrared range, for example ytterbium-doped lasers having a fundamental wavelength of approximately 1070 nm. Frequency doubling and tripling is also possible without problems here.
- fiber lasers are used as lasers.
- a pulsed laser with Q-switching is used, in particular for edge deletion and for forming the separation line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer.
- the laser beam of the laser for edge deletion and for forming the parting line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer should have a high energy density of in particular at least 50 mJ / mm 2 .
- Short laser pulses of less than 100 ns should be emitted.
- the pulse frequency can be 1 to 50 kHz.
- the removal of the functional layers in the edge region of the module, ie the edge deletion can be carried out with a two-axis galvano laser scanner.
- the width of the randent füreten area may, for. B. 5 to 20 mm.
- the edge deletion and Isocut extend over the entire circumference of the generally rectangular module.
- the laser beam is preferably focused through the transparent substrate onto the functional layers.
- the laser beam of the laser for forming the dividing line in the back electrode layer precedes the laser beam of the laser to form the dividing line of the front electrode layer, since the laser beam for the dividing line in the front electrode layer can not be incident on the front electrode layer unless the dividing line in FIG the back electrode layer and the semiconductor layer has been formed.
- the dividing line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer and the dividing line in the edge region of the front electrode layer are formed in the direction of movement of the module to the laser unit by successive, overlapping laser focal spots.
- the ablation of the back electrode layer takes place in that the semiconductor layer lying in the laser focal spot evaporates and thus the superimposed back electrode layer in the region of the focal spot is blasted off. Accordingly, the juxtaposed laser burn spots on the back electrode layer may only overlap to such an extent that the energy input into the back electrode layer does not result in the formation of holes in the back electrode layer before the semiconductor material is heated to vaporization temperature, otherwise the vapor escapes through the holes without completely ablate the overlying back electrode layer.
- the dividing line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer preferably has a greater width than the width of the dividing line in the edge region of the front electrode layer.
- the width of the dividing line in the edge region of the semiconductor and back electrode layer may be, for example, 80 to 150 ⁇ m, preferably 100 to 150 ⁇ m, and the width of the dividing line in the edge region of the front electrode layer 20 to 60 ⁇ m, preferably 30 to 50 ⁇ m.
- the laser unit is arranged stationary while the module is moved relative to the laser unit.
- the device for moving the module can be formed for example by a robot.
- the robot is preferably designed such that it can move the module with its entire circumference in one direction along the laser unit.
- the laser unit can also be designed to be movable.
- FIG. 1 shows a section through a part of a photovoltaic module with the edge region
- FIG. 2 shows the laser beams during the simultaneous edge deletion and the formation of the Isocut
- Figure 3 is a plan view of the successively lined, overlapping laser focal spots in the semiconductor and back electrode layer and in the front electrode layer;
- Figure 4 is a plan view of a laser unit
- FIG. 5 shows a plan view of a device for moving the module relative to the laser unit according to FIG. 4.
- the photovoltaic thin-film module 1 comprises a transparent substrate 2, e.g. a glass pane on, on which three functional layers, namely a front electrode layer 3, a semiconductor layer 4, for example of amorphous silicon, and a back electrode layer 5 are deposited on each other.
- a transparent substrate 2 e.g. a glass pane on
- three functional layers namely a front electrode layer 3, a semiconductor layer 4, for example of amorphous silicon, and a back electrode layer 5 are deposited on each other.
- the module consists of individual strip-shaped cells Cl, C2, C3, etc. which are series-connected by structure lines 6, 7, 8.
- the generated current can be removed by contacting the two outer cells of the module, ie the cell Cl and the cell, not shown, on the other side of the module 1.
- the functional layers 3, 4, 5 are completely removed.
- a back cover 12 for example a glass pane or a plastic film, is laminated onto the side of the substrate 2 provided with the functional layers 3, 4, 5.
- the substrate 2 in the edge region 10 with the adhesive film 11 is fixedly connected directly to the back cover 12, whereby the functional layers 3 to 5 are encapsulated in the module 1, so that they also in different climatic conditions, especially in moisture from the environment with a high electrical insulation resistance are disconnected.
- the laser beam 15 While the wide laser beam 14 for edge deletion with a two-axis galvano laser scanner 36 (FIG. 4) is incident on the functional layers 3 to 5, the laser beam 15 generates the separating lines 18 and 19 in the semiconductor layer 4 and the back electrode layer 5 and Laser beam 16 for forming the parting line 17 in the front electrode layer 3 successively arranged overlapping round focal spots 21, 22, as shown in Figure 3, wherein the focal spots 22 to form the dividing lines 18, 19 in the edge region of the semiconductor layer 4 and the back electrode layer 5 has a larger Diameter than the focal spots 21 to form the dividing line 17 in the front electrode layer 3 have. Not only the dividing line 17 in the front electrode layer 3 but also the dividing line 18, 19 in the semiconductor layer 4 and the back electrode layer 5 are formed by a single track of focal spots 21, 22 arranged one behind the other.
- the two-axis galvano-laser scanner 36 of the laser 23 juxtaposed rectangular adjacent fields 27 are generated, while the laser beams 16 and 15 of the laser 24, 25, the round focal spots 21, 22 produce.
- the module 1 While the laser unit 26 is arranged stationary, the module 1 is moved in the direction of the arrow 28. In this case, the focusing optics for the laser beam 15 is aligned so that it leads the laser beam 16 in the direction of movement 28 (FIG. 3). That is, in the unit 26, the focusing optics for the laser beam 15 in the direction of movement 28 in front of the focusing optics for the laser beam 16 is arranged. According to FIG. 3
- the module 1 is moved relative to the stationary laser unit 26 with the arm 29 of a robot (not shown), which engages with the substrate 2 from above, for example, with a sucker 31 in the direction of the arrows 32 to 35, that is, the module 1 is moved in one direction with its entire circumference in such a way that the laser beam 15 is always in front of the laser beam 16 to form the separating line 17 in order to form the separating lines 18, 19 in the semiconductor layer 4 and the back electrode layer 5 in the direction of movement 32 to 35 of the module 1 is arranged in the front electrode layer 3.
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Abstract
Bei einem photovoltaischen Dünnschichtmodul (1) mit einem Substrat (2), auf dem als Funktionsschichten eine transparente Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) abgeschieden sind, die zur Bildung serienverschalteter Zellen (C1, C2, C3) mit Zelltrennlinien (6, 7, 8) versehen sind, wird in dem Randbereich (10) ein Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) mit einem Laser (23) durchgeführt und in dem Randbereich der Funktionsschichten (3 bis 5) eine Isolationstrennlinie (13) in die Funktionsschichten (3 bis 5) zur Isolation zwischen der Frontelektrodenschicht (3) und der Rückelektrodenschicht (5) mit einem Laser (24) zur Bildung einer Trennlinie (17) in der Frontelektrodenschicht (3) und mit einem Laser (25) zur Bildung einer Trennlinie (18, 19) in der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) gebildet. Der Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) und die Bildung der Isolationstrennschicht (13) wird gemeinsam in einem Schritt durchgeführt.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines photovoltaischen
Dünnschichtmoduls
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Photovoltaische Dünnschichtmodule werden an der von der Lichteinfallseite abgewandten Rückseite mit einer Rückseitenabdeckung versehen, die mit einer Klebefolie auf die Rückseite der Funktionsschichten auflaminiert wird. Um eine hinreichende elektrische Isolation der unter Spannung stehenden Funktionsschichten gegenüber der Umgebung (Rahmen, Montagegestell usw.), insbesondere im feuchten Zustand zu gewährleisten, wird die Klebefolie in dem Randbereich des Moduls direkt mit dem Substrat verbunden und damit eine hermetische Verkapselung der Funktionsschichten erreicht.
Dazu wird eine Randentschichtung durchgeführt, d.h. die Funktionsschichten werden im Randbereich des Moduls komplett abgetragen. Die Randentschichtung kann mechanisch z.B. durch Sandstrahlen oder Schleifen oder mit einem Laser erfolgen (vgl. DE 20 2008 005 970 Ul, DE 20 2008 006 110 Ul).
Bei der Randentschichtung kommt es jedoch vor, dass die Außenkante der Frontelektrodenschicht und die Außenkante der Rückelektrodenschicht stellenweise miteinander in Berührung gebracht werden, sodass ein Kurzschluss entsteht. Um die elektrische Isolation zwischen Front- und Rückelektrodenschicht zu gewährleisten, wird daher ein sogenannter „Isocut" durchgeführt, d.h. mit einem Laser wird im Abstand von dem randentschichteten Bereich des Moduls durch die Funktionsschichten eine Isolationstrennlinie geschrieben.
Zur Randentschichtung und für den Isocut sind mehrere Schritte und Anlagen erforderlich. So wird in einem ersten Schritt mit einer Anlage, mit der die Frontelektrodenschicht strukturiert wird, die Frontelektrodenschicht mit einem Laser mit den Zelltrennlinien für die Serienverschaltung der Einzelzellen des Moduls sowie der Trennlinie für den Isocut versehen. Nach Beschichten der
Frontelektrodenschicht mit der Halbleiterschicht, deren Strukturierung mit den Zelltrennlinien und der Beschichtung der Halbleiterschicht mit der Rückelektrodenschicht wird die Rückelektrodenschicht in einer weiteren Anlage neben den Zelltrennlinien mit einem Laser mit der Trennlinie für den Isocut versehen. Schließlich erfolgt mit einer weiteren Anlage die Randentschichtung.
Da die Bildung der Trennlinien für den Isocut in der Frontelektrodenschicht und in der Rückelektrodenschicht sowie die Randentschichtung mit unterschiedlichen Anlagen durchgeführt werden, müssen die unterschiedlichen Toleranzen in den einzelnen Prozessen berücksichtigt werden, z.B. auch im Hinblick auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des beispielsweise aus einer Glasscheibe bestehenden Substrats des Moduls und die unterschiedlichen Temperaturen während der einzelnen Prozesse.
Der Isocut wird daher in einem Abstand von 1 mm und mehr von dem randentschichteten Bereich des Moduls in den Funktionsschichten vorgesehen. Ferner muss die Trennlinie für den Isocut in der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine erhebliche Breite aufweisen, damit sie die Trennlinie für den Isocut in der Frontelektrodenschicht sicher überdeckt. Zur Bildung der Isocut- Trennlinie in der Rückelektrodenschicht muss daher der Laserstrahl zur Überlappung der benachbarten Spuren jeweils versetzt über das Modul hinwegbewegt werden.
Das Schreiben des Isocut kostet damit sehr viel Taktzeit. Zudem wird durch den Abstand des Isocut von 1 mm und mehr vom entschichteten Randbereich des Moduls die nutzbare aktive Fläche des Moduls und damit dessen Leistung reduziert. Da bei jeder der einzelnen zahlreichen Anlagen Störungen auftreten können, kann es ferner bei den Modulen häufiger zu Leistungseinbußen und Ausfällen kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, randentschichtete und mit einem Isocut versehene photovoltaische Dünnschichtmodule hoher Leistung sicher und mit geringerer Taktzeit herzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 13 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Im Anspruch 14 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben, die
durch die Merkmale der Ansprüche 15 bis 19 in vorteilhafter Weise ausgebildet wird.
Nach der Erfindung weist das photovoltaische Modul ein Substrat auf, auf dem als Funktionsschichten eine transparente Frontelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Rückelektrodenschicht abgeschieden sind, die jeweils eine Schichtdicke im Nano- bis Mikrometer-Bereich aufweisen.
Das Substrat besteht aus einem elektrisch nichtleitenden und im Falle einer Superstrat-Anordnung transparenten Material, beispielsweise Glas. Die Frontelektrodenschicht kann aus einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, beispielsweise Zinkoxid oder Zinnoxid bestehen. Wesentlich ist nur, dass es transparent und elektrisch leitfähig ist und zumindest einen geringen Prozentsatz der Strahlung des Lasers absorbiert.
Die Halbleiterschicht kann aus Silizium, beispielsweise amorphem, mikro- oder polykristallinem Silizium bestehen, aber auch ein anderer Halbleiter sein, beispielsweise Cadmium Tellur oder CIGS, also Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Die Rückelektrodenschicht ist vorzugsweise eine Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber oder dergleichen.
Die Beschichtung mit der Frontelektrodenschicht und der Halbleiterschicht erfolgt beispielsweise durch physikalisch unterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD), die Beschichtung mit der Rückelektrodensicht vorzugsweise durch Sputtern. Die Frontelektrodenschicht, die Halbleiterschicht und die Rückelektrodenschicht werden jeweils mit Zelltrennlinien versehen, um Einzelzellen zu bilden, die serienverschaltet sind.
Der Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also die Randentschichtung, und die Bildung der Isolationstrennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht und der Isolationstrennlinie im Randbereich der Halbleiterund Rückelektrodenschicht, also der Isocut im Randbereich der Funktionsschichten wird erfindungsgemäß in einem gemeinsamen Schritt mit einer Anlage durchgeführt.
D.h. während die Funktionsschichten im Randbereich des Moduls abgelasert werden, werden gleichzeitig die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und der Rückelektrodenschicht sowie der Frontelektrodenschicht für den Isocut gelasert.
Dazu sind erfindungsgemäß vorzugsweise die Laser einschließlich ihrer Optik zur Randentschichtung sowie zur Bildung der Isolationstrennlinien, also für den Isocut, in einer Laser-Einheit mechanisch fest miteinander verbunden.
Da die Randentschichtung und der Isocut der drei Funktionsschichten erfindungsgemäß gleichzeitig durchgeführt werden, sind Toleranzen unterschiedlicher Anlagen und Einflüsse der Substrattemperatur nicht mehr relevant. Dadurch kann der Abstand zwischen dem Isocut und der Randentschichtung minimiert und damit die Leistung des Moduls erhöht werden. Zudem kann die Breite der Trennlinie für den Isocut in der Rückelektrodenschicht minimiert und sogar auf Null reduzieren und damit die Leistung des Moduls weiter gesteigert werden.
Ferner werden gegenüber dem Stand der Technik erfindungsgemäß die Schreibzeiten reduziert, weil die Isocutlinien bei der Front- und Rückkontaktstrukturierung entfallen.
Als Laser für die Randentschichtung und für die Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht kann ein Infrarotstrahlung emittierender Laser mit einer Wellenlänge von mindestens 800 nm verwendet werden, vorzugsweise ein Neodym dotierter Yttrium-Vanadat (Nd : YVO4) oder ein Nd: YAG- Laser, also mit Yttrium-Aluminium-Granat als Wirtskristall, mit einer Grundschwingung von 1064 nm. Jedoch kann die Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht beispielsweise auch mit einem Neodym dotierten Festkörperlaser mit verdreifachter Frequenz, also einer Wellenlänge von 355 nm verwendet werden. Zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiterschicht und der Rückelektrodenschicht wird vorzugsweise ein sichtbares Lichtemittierender Laser verwendet, insbesondere ein neodymdotierter Festkörperlaser, also Nd: YVO4 oder Nd:YAG-Laser mit verdoppelter Frequenz mit einer Wellenlänge von 532 nm.
Statt Neodym dotierter Laser können auch andere mit ihrer Grundschwingung im Infrarot-Bereich emittierende Laser eingesetzt werden, beispielsweise mit Ytterbium dotierte Laser mit einer Grundwellenlänge von etwa 1070 nm. Auch hier ist eine Frequenzverdoppelung und-verdreifachung problemlos möglich. Als Laser werden insbesondere Faserlaser verwendet.
Vorzugsweise wird ein gepulster Laser mit Güteschaltung verwendet, insbesondere zur Randentschichtung und zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht.
Um eine komplette Ablation der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls zu gewährleisten, sollte der Laserstrahl des Lasers zur Randentschichtung und zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine hohe Energiedichte von insbesondere mindestens 50 mJ/mm2 aufweisen. Dabei sollten kurze Laserpulse von weniger als 100 ns emittiert werden. Die Impulsfrequenz kann 1 bis 50 kHz betragen. Der Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also die Randentschichtung kann mit einem Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner durchgeführt werden. Dabei wird mit dem Zwei-Achsen-Galvano-Scanner Puls für Puls Brennfleck an Brennfleck gereiht, sodass eine lückenlose Überdeckung ohne größere Überlappungsverluste erzielt wird. Der schnellen Scannerbewegung überlagert ist eine wesentlich langsamere Relativbewegung zwischen dem von Scanner bearbeiteten Feld und dem Modul. Diese Relativbewegung kann einen 1 cm/Sekunde oder mehr betragen. Die Breite des randentschichteten Bereichs kann z. B. 5 bis 20 mm betragen. Die Randentschichtung und der Isocut erstrecken sich über dem gesamten Umfang des im Allgemeinen rechteckigen Moduls.
Für den Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also zur Randentschichtung und zur Bildung der Isolationstrennlinien in den Funktionsschichten, also für den Isocut, wird vorzugsweise der Laserstrahl jeweils durch das transparente Substrat hindurch auf die Funktionsschichten fokussiert.
Dabei eilt bei der Bildung des Isocut der Laserstrahl des Lasers zur Bildung der Trennlinie in der Rückelektrodenschicht dem Laserstrahl des Lasers zu Bildung der Trennlinie der Frontelektrodenschicht voraus, da der Laserstrahl für die Trennlinie in der Frontelektrodenschicht auf die Frontelektrodenschicht erst auftreffen kann, wenn die Trennlinie in der Rückelektrodenschicht und der Halbleiterschicht gebildet worden ist.
Die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht und die Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht werden in Bewegungsrichtung des Moduls zu der Lasereinheit durch hintereinander angeordnete, einander überlappende Laserbrennflecken gebildet.
Die Ablation der Rückelektrodenschicht erfolgt dadurch, dass die im Laserbrennfleck liegende Halbleiterschicht verdampft und damit die darüberliegende Rückelektrodenschicht im Bereich des Brennflecks absprengt. Demgemäß dürfen sich die aneinandergereihten Laserbrennflecke auf der Rückelektrodenschicht nur in einem solchen Maß überlappen, dass der Energieeintrag in die Rückelektrodenschicht nicht zur Bildung von Löchern in der Rückelektrodenschicht führt, bevor das Halbleitermaterial auf Verdampfungstemperatur erwärmt wird, da sonst der Dampf über die Löcher entweicht, ohne die darüberliegende Rückelektrodenschicht vollständig abzusprengen.
Die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht weist vorzugsweise eine größere Breite als die Breite der Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht auf. So kann die Breite der Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht beispielsweise 80 bis 150 μm, vorzugsweise 100 bis 150 μm betragen, und die Breite der Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht 20 bis 60 μm, vorzugsweise 30 bis 50 μm. Um einen entsprechend breiten Laserstrahl zu bilden, weist der Laser für die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine Laseroptik auf, mit der der Laserstrahl aufgeweitet wird. Vorzugsweise ist die Lasereinheit ortsfest angeordnet, während das Modul gegenüber der Lasereinheit bewegt wird. Die Einrichtung zur Bewegung des Moduls kann beispielsweise durch einen Roboter gebildet werden. Dabei ist der Roboter vorzugsweise derart ausgebildet, dass er das Modul mit seinem gesamten Umfang in einer Richtung entlang der Lasereinheit bewegen kann. Jedoch kann auch die Lasereinheit bewegbar ausgebildet sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Darin zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Teil eines photovoltaischen Moduls mit dem Randbereich;
Figur 2 die Laserstrahlen während der gleichzeitigen Randentschichtung und der Bildung des Isocut;
Figur 3 eine Draufsicht auf die hintereinander gereihten, einander überlappenden Laserbrennflecke in der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht und in der Frontelektrodenschicht;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Lasereinheit; und
Figur 5 eine Draufsicht auf eine Einrichtung zur Bewegung des Moduls gegenüber der Lasereinheit nach Figur 4.
Gemäß Figur 1 weist das photovoltaische Dünnschichtmodul 1 ein transparentes Substrat 2, z.B. eine Glasscheibe, auf, auf der drei Funktionsschichten, nämlich eine Frontelektrodenschicht 3, eine Halbleiterschicht 4, beispielsweise aus amorphen Silizium, und eine Rückelektrodenschicht 5 aufeinander abgeschieden sind.
Das Modul besteht aus einzelnen streifenförmigen Zellen Cl, C2, C3 usw. die durch Strukturlinien 6, 7, 8 serienverschaltet sind. Der erzeugte Strom kann durch Kontaktierung der beiden äußeren Zellen des Moduls, also der Zelle Cl und der nicht dargestellten Zelle auf der anderen Seite des Moduls 1 abgenommen werden.
Im Randbereich 10 des Moduls 1 sind die Funktionsschichten 3, 4, 5 komplett entfernt. Mit der Klebefolie 11, beispielsweise eine EVA- oder PVB-Folie oder einer anderen Schmelzklebefolie, ist auf die mit den Funktionsschichten 3, 4, 5 versehene Seite des Substrats 2 eine Rückseitenabdeckung 12, beispielsweise eine Glasscheibe oder eine Kunststofffolie auflaminiert. Damit wird das Substrat 2 im Randbereich 10 mit der Klebefolie 11 direkt mit der Rückseitenabdeckung 12 fest verbunden, wodurch die Funktionsschichten 3 bis 5 in dem Modul 1 verkapselt werden, sodass sie auch bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, insbesondere bei Feuchtigkeit von der Umgebung mit einem hohen elektrischen Isolationswiderstand getrennt sind.
Zur Ablation der drei Funktionsschichten 3 bis 5 wird z. B. ein Nd :V04- Festkörperlaser mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm verwendet. Da sich beim Lasern des Randbereichs 10 die Außenkanten der Frontelektrodenschicht und der Rückelektrodenschicht stellenweise verbinden können, wird ein Isocut 13 durchgeführt, d.h. es wird eine Isolationstrennlinie 13 im Randbereich der Funktionsschichten 3 bis 5 zur Isolation zwischen der Frontelektrodenschicht 3 und der Rückelektrodenschicht 5 gelasert.
Gemäß Figur 2 erfolgt dabei der Abtrag der Funktionsschichten 3 bis 5 im Randbereich 10 des Moduls 1 und die Bildung der Isolationstrennlinien 13 gemeinsam in einem Schritt mit drei Lasern 23, 25, 24 (Figur 4), die den Laserstrahl 14 zum Abtrag des Randbereichs des Moduls 1, also zur Randentschichtung, den Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinie 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 und den Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 im Randbereich der drei Funktionsschichten 3 bis 5 emittieren.
Während der breite Laserstrahl 14 zur Randentschichtung mit einem Zwei-Achsen- Galvano-Laserscanner 36 (Figur 4) auf die Funktionsschichten 3 bis 5 fällt, erzeugen der Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinien 18 und 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 und der Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 hintereinander angeordnete einander überlappende runde Brennflecke 21, 22, wie aus Figur 3 ersichtlich, wobei die Brennflecke 22 zur Bildung der Trennlinien 18, 19 im Randbereich der Halbleiterschicht 4 bzw. der Rückelektrodenschicht 5 einen größeren Durchmesser als die Brennflecke 21 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 aufweisen. Dabei wird nicht nur die Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 sondern auch die Trennlinie 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 durch eine einzige Spur hintereinander angeordneter Brennflecke 21, 22 gebildet.
Gemäß Figur 4 sind die Laser 23, 24 und 25, die die Laserstrahlen 14, 15 bzw. 16 erzeugen, zusammen mit der nicht dargestellten Fokussieroptik und den Lagern, in denen der Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner 36 drehbar gelagert ist, in einer einzigen Lasereinheit 26 mechanisch fest miteinander verbunden. Dabei werden mit dem Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner 36 des Lasers 23 aneinander gereihte rechteckige aneinander anschließende Felder 27 erzeugt, während die Laserstahlen 16 und 15 der Laser 24, 25 die runden Brennflecke 21, 22 erzeugen.
Während die Lasereinheit 26 ortsfest angeordnet ist, wird das Modul 1 in Richtung des Pfeiles 28 bewegt. Dabei ist die Fokussieroptik für den Laserstrahl 15 so ausgerichtet, dass er in Bewegungsrichtung 28 dem Laserstrahl 16 vorauseilt (Figur 3). D.h. in der Einheit 26 ist die Fokussieroptik für den Laserstrahl 15 in Bewegungsrichtung 28 vor der Fokussieroptik für den Laserstrahl 16 angeordnet.
Gemäß Figur 5 wird das Modul 1 gegenüber der ortsfesten Lasereinheit 26 mit dem Arm 29 eines nicht dargestellten Roboters, der beispielsweise mit einem Sauger 31 an dem Substrat 2 von oben angreift, in Richtung der Pfeile 32 bis 35, also so bewegt, dass das Modul 1 mit seinem gesamten Umfang in einer Richtung derart bewegt wird, dass der Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinien 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 in der Bewegungsrichtung 32 bis 35 des Moduls 1 stets vor dem Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennline 17 in der Frontelektrodenschicht 3 angeordnet ist.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls (1) mit einem Substrat (2), auf dem als Funktionsschichten eine transparente Frontelektrodenschicht (3), eine Halbleiterschicht (4) und eine Rückelektrodenschicht (5) abgeschieden sind, die zur Bildung serienverschalteter Zellen (Cl, C2, C3) mit Zelltrennlinien (6, 7, 8) versehen sind, wobei in dem Randbereich (10) des Moduls (1) ein Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) mit einem Laser (23) durchgeführt wird und in dem Randbereich der Funktionsschichten (3 bis 5) eine Isolationstrennlinie (13) in die Funktionsschichten (3 bis 5) zur Isolation zwischen der Frontelektrodenschicht (3) und der Rückelektrodenschicht (5) mit einem Laser (24) zur Bildung einer Trennlinie (17) in der Frontelektrodenschicht (3) und mit einem Laser (25) zur Bildung einer Trennlinie (18, 19) in der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) und die Bildung der Isolationstrennlinie (13) gemeinsam in einem Schritt durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neodym oder Ytterbium dotierter Festkörperlaser (23, 24) mit einer Wellenlänge im Infrarot-Bereich zum Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) und/oder zur Bildung der Trennlinie (17) in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht (13) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Trennlinie (17) in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht (3) ein Neodym oder Ytterbium dotierter Festkörperlaser (24) mit verdreifachter Frequenz verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Trennlinie (18, 19) in dem Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) ein Neodym oder Ytterbium dotierter Festkörperlaser (25) mit verdoppelter Frequenz verwendet wird. ,
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls und/oder zur Bildung der Trennlinie (17; 18, 19) in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht (3) und/oder in dem Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) ein gepulster Laser (23, 24, 25) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) mit einem Zwei-Achsen-Galvano- Laserscanner (36) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein transparentes Substrat (2) verwendet wird und die Laserstrahlen (14 bis 16) für den Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) und zur Bildung der Isolationstrennlinie (13) in den Funktionsschichten (3 bis 5) durch das Substrat (2) in die Funktionsschichten (3 bis 5) fokussiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Isolationstrennlinie (13) im Randbereich der Funktionsschichten (3 bis 5) der Laserstrahl (15) des Lasers (25) zur Bildung der Trennlinie (18,19) in der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) dem Laserstrahl (16) des Lasers (24) zur Bildung der Trennlinie (17) in der Frontelektrodenschicht (3) vorauseilt.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinie (18, 19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) durch hintereinander gereihte, einander überlappende Laserbrennflecke (21) gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung der Laserbrennflecke (21) in der Rückelektrodenschicht (5) derart durchgeführt wird, dass in der Trennlinie (19) in der Rückelektrodenschicht (5) keine Löcher gebildet werden, durch die das durch die Einwirkung des Laserstrahls (15) verdampfte Halbleitermaterial der Halbleiterschicht (4) entweicht.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinie (17, 18) in der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) durch eine einzige Spur aneinander gereihter, einander überlappender Laserbrennflecke (22) gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinie (18, 19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) der Rückelektrodenschicht (5) eine größere Breite als die Breite der Trennlinie (179) im Randbereich der Frontelektrodenschicht (3) aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Trennlinien (18, 19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) 80 bis 150 μm und die Breite der Trennlinie (17) im Randbereich der Frontelektrodenschicht (3) 20 bis 60 μm beträgt.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser (23 bis 25) einschließlich ihrer Optik zum Abtragen der Funktionsschichten (3 bis 5) in dem Randbereich (10) des Moduls (1) und zur Bildung der Isolationstrennschicht (13) im Randbereich der Funktionsschichten (3 bis 5) in einer Lasereinheit (26) fest miteinander verbunden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (26) zum Abtrag der Funktionsschichten (3 bis 5) im Randbereich (10) des Moduls (1) einen Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner (36) aufweist.
16. Vorrichtung nach Ansprüche (14 oder 15), dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (25) zur Bildung der Trennlinien (18, 19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) eine Laseroptik aufweist, mit der der auf die Halbleiterschicht (4) und die Rückelektrodenschicht (5) fokussierte Laserstrahl (15) aufgeweitet wird.
17. Vorrichtung nacheinander Ansprüche 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Laseroptik des Lasers (25) zur Bildung der Trennlinien (18, 19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) erzeugte Laserstrahl (15) bei Bewegung der Lasereinheit (26) relativ zum Modul (1) in Bewegungsrichtung (28) vor dem Laserstrahl (16) angeordnet ist, der durch die Laseroptik des Lasers (24) für die Trennlinie (17) im Randbereich der Frontelektrodenschicht (3) gebildet wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (26) ortsfest angeordnet und eine Einrichtung zur Bewegung des Moduls (1) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bewegung des Moduls (1) derart ausgebildet ist, dass das Modul (1) mit seinem gesamten Umfang entlang der Lasereinheit (26) in einer Richtung derart bewegbar ist, dass der Laserstrahl (15) zur Bildung der Trennlinie (18,19) im Randbereich der Halbleiterschicht (4) und der Rückelektrodenschicht (5) in der Bewegungsrichtung (32 bis 35) des Moduls (1) stets vor dem Laserstrahl (16) zur Bildung der Trennlinie (3) angeordnet ist.
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