JP2002540950A5

JP2002540950A5 -

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Publication number: JP2002540950A5
Application number: JP2000610068A
Authority: JP
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2020-04-07

Description

【特許請求の範囲】
【請求項１】１００ｎｓ未満のパルス継続時間及び０．１Ｊ／ｃｍ^２から１０Ｊ／ｃｍ ^２のパルスエネルギー密度を有する、光パルスからなる処理光線の発生のためのレーザー共振器と、
モード結合のための光導波路（４０；５０）及び加工物の処理すべき表面上への光導波路の出口の結像のための光学的結像部材（３４；５４）を含み、出力分布が、処理すべき表面の平面において、１ｍｍ^２から１ｃｍ^２の面積範囲で均一であるように構成されている、処理光線中に配置された光学系と、
相対運動の際に処理すべき表面上に当てられるエネルギー量が単位面積当たりに一定であるように、処理光線に対して相対的に加工物を調節するための、制御ユニットによって制御可能な調整装置（３３）と
を有する、加工物の支持体の前面電極、吸収層、および裏面電極を含有するグループから選択される薄膜ソーラーセル上の少なくとも１つの薄膜層の剥離のための装置。
【請求項２】薄層ソーラーセルのエッジ層の剥離のための、請求項１に記載の装置。
【請求項３】レーザー共振器が、励起出力の変調によって光パルスを発生させる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】レーザー共振器が、Ｑ値変調によって光パルスを発生させる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】レーザー共振器によって発生させた光パルスが、２５ｎｓのパルス継続時間を有している、請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】調整装置（３３）の相対的送り速度が、１ｃｍ／ｓであり、レーザー共振器が、５０Ｈｚのパルス繰返数を有する光パルスを発生させる、請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】調整装置（３３）の相対的送り速度及び処理光線中のパルス列を、加工物の処理すべき表面の単位面積当たりに、１つ又は若干の光パルスが当てられるように互いに調整してある、請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】レーザー共振器によって発生させられた処理光線が、加工物の剥離すべき層によって主として吸収され、加工物の担体材料によっては主として吸収されない波長を有する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】レーザー共振器が１．０６４μｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧタイプのものである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】光学的結像部材（３４；５４）が、その光軸（４６）の角度の変動のために、加工物の処理すべき表面の平面に対して相対的に調節可能である、請求項１から９までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】処理光線の作用領域付近で吸引装置（３６、３８）が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】処理光線の作用領域付近に、保護ガスの供給のためのノズル装置（３７）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】加工物の支持体の前面電極、吸収層、および裏面電極を含有するグループから選択される薄膜ソーラーセルの少なくとも１つの薄膜層の剥離のための
方法において、以下の工程：
１００ｎｓ未満のパルス持続時間及び０．１Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ ^２のパルスエネルギー密度を有する光パルスからなる処理光線の発生、
モード結合のための光導波路による処理光線の誘導及び、処理すべき表面の平面において、１ｍｍ^２〜１ｃｍ ^２の面積領域における出力分布が均一であるようにする加工物の処理すべき表面上への該光導波路の出口の結像及び
相対運動の際に処理すべき表面上に当てられるエネルギー量が、単位面積当たり一定であるようにする処理光線に対して相対的な加工物の調整
を含む、加工物の支持体の前面電極、吸収層、および裏面電極を含有するグループから選択される薄膜ソーラーセル上の少なくとも１つの薄膜層の剥離のための方法。
【請求項１４】薄層ソーラーセルのエッジ層の剥離のための、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】処理光線の光パルスを、レーザー共振器の励起出力の変調によって発生させる、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】処理光線の光パルスを、Ｑ値変調によって発生させる、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１７】処理光線の光パルスが、２５ｎｓのパルス継続時間を有する、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】加工物と処理光線との間の相対速度が１ｃｍ／ｓであり、パルス繰返数を有する光パルスが５０Ｈｚである、請求項１３から１７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】加工物と処理光線との間の相対速度及び処理光線中のパルス列を、加工物の処理すべき表面の単位面積当たりに１つ又は若干の光パルスが当たるように互いに調整する、請求項１３から１８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】処理光線の波長が、加工物の剥離すべき層によって主として吸収され、加工物の担体材料によっては主として吸収されないようにする、請求項１３から１９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】処理光線の発生のために、１．０６４μｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザー共振器を使用する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】処理光線の角度が、加工物の処理すべき表面の平面に対して相対的に調整可能である、請求項１３から２１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】ラミネート層（２）で封止するために支持体上に薄層が被覆されているソーラーセルの形成のための、請求項１３から２２までのいずれか１項に記載の方法により処理され、少なくとも１つの薄層（３）で被覆された支持体（４）の使用。

本発明は、担体材料上の薄層の剥離のための装置及び方法に関するっものである。例えばこの場合、被覆されたセラミック又はガラスから層を除去することであってもよい。殊に、本発明は、薄層ソーラーセルのエッジ層の剥離に関するものである。その上更に、本発明は、薄層で被覆された支持体からなる薄層ソーラーモジュールの封止のための方法に関するものである。

この種のソーラーモジュールの寿命は、薄層が天候の影響及び他の環境の影響から如何に良好に保護されているかによって決定的な影響を及ぼされる。３０年以上のできるだけ長い寿命を達成するためには、薄層は、太陽光線、水分及び空中の有害物質の極端な作用に持続的に持ちこたえなければならない。従って、耐水安定性及び耐電圧性に関する要求は、薄層ソーラーセルの十分な封止並びに薄層ソーラーセルの導電成分の十分な電気的絶縁が保証されている場合にのみ充足される。このためには、薄層ソーラーセルの導電成分がラミネートで封止されている。封止は、導電層を用いる支持体の被覆後に支持体のエッジ領域から再度層を除去し、その後、ラミネート層を、層全体の上に施与することによって達成される。これによって、エッジ領域において、ラミネート層と支持体との耐食性の粘着が達成される。従って、内部領域は、湿分による崩壊から確実に保護されている。

図１は、説明のために封止されたソーラーセルを通る断面の略図を示している。これによれば、支持体４の上には、パターン付与された層３が載置されており、この層は、エッジ領域５において除去され、ラミネート層２によって封止されている。他方で、ラミネート層２の上には、ウィンドウガラス１からなる層が載置されている。

薄層ソーラーセルのこの種の封止の際の問題は、エッジ領域における薄層の除去である。従来の層の除去法、例えば砂吹き処理又は研磨盤を用いる層の除去は、不可避的に、支持体エッジの損傷及び前記領域における微小亀裂の形成つながる。作動している薄層モジュール中の大きな温度差及びこれから生じる引張り応力に基づいて、破壊の危険が高まるので、エッジ領域における亀裂形成は、最終的に、ソーラーセルの損傷につながることがある。エッジ層の除去は、従って、通常数ミリメートルから数センチメートルの広いエッジ領域で特に入念に行わなければならない。

従って、前記のエッジ領域の除去は、従来、機械的方法、例えば研磨又は砂吹き法を用いて材料損失の正確な計量が可能であるので、これらの方法で行われている。支持体エッジの既に望ましくない損傷及び微小亀裂の形成とともに、前記方法には、更に、減速の際に、通常では、除去された層の巻き上げによって、モジュールが望ましくないが汚れるので、超音波浴中での加工物の化学的清浄化が必要とされるという欠点がある。

例えば米国特許第４７３４５５０号明細書から、レーザーを用いる薄層の処理法が公知である。特別な用途としては、薄層技術を用いて生じさせた光電層の処理が挙げられる。この処理法は、できるだけ正確な刻み目を薄層中にもたらすことを目的としている。このため、処理光線は、瞬間的に正確に当てられた出力分布ができるだけ均一のままであるようにその都度の加工物の表面にもたらされる。これは、平らな集中した分布を有する長方形に焦点を合わせた光線によって達成されるが、この場合、光線の誘導は、付加的に、長方形に焦点を合わせた光線の部分的に重なる領域が、運動方向で、できるだけ均一な集中した分布が生じるよう制御されている。この方法を用いて、ソーラーセルの直列回路のための正確かつ一様に深い刻み目を製造することができるようになる。

更に、本発明による装置は、有利に、請求項２３に記載の薄層ソーラーモジュールの封止のための方法に使用することができる。

本発明は、従来公知の用途とは異なり、レーザー剥離法を、驚異的なことにミリメートルの領域での剥離幅にも使用できるという知識に基づいている。ソーラーモジュールの直列回路にするための方法とは異なり、レーザー光の処理面積は、適当な光学系により、約１ｍｍ^２から１ｃｍ^２の領域で（勿論、若干の大きくともよいが）拡大されている。驚異的なことに、この場合には、処理光線のこの種の大きな拡大の際であっても、１００ｎｓ未満のパルス持続時間及び０．１Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内のパルスエネルギー密度を有する処理光線の光パルスが生じる場合には、担体材料上の薄層の確実な層の除去が可能であると判明した。おそらく、これまでは、処理光線のこの種の拡大の際に、放出されたエネルギーは、もはや十分に吸収できないと想定されていた。つまり、剥離プロセスは、使用したトレース幅であっても、直列回路にとっては完全に明らかにされてはいない。おそらく、光パルスは、薄層の最上の数ミクロメートルでプラズマを生じ、その拡がりが、衝撃波を引き寄せている。従って、加熱された材料は、内圧が高く、プラズマ粒子は、照射された領域から外に跳ね飛ばされるのである。この場合、より大きな程度での処理光線の拡大の際には、残りのエッジパラメータが、適当な領域で選択されている場合に、同様の良好な効果がなおも達成できるとは期待できなかった。その上更に、本質的に均一な出力分布を有する処理光線が、写し取られることが決定的である。通常、処理光線の場合、ガウスによる出力分布を想定することができるが、但し、本発明は、光学系が、広い領域で、処理面積上に均一な出力分布が生じるように形成されていなければならないことを教示している。その他の点では、処理光線の本発明による拡大の際に、満足のいく剥離結果を達成することができなかった。

本発明による剥離結果を達成するために、本発明の他の認識は、専ら、加工物の剥離すべき各単位面積に、本質的に一定のエネルギー量が当たるように、処理光線を加工物に対して移動させることにある。

本発明による装置を用いると、殊に、薄層で被覆された支持体からなる薄層ソーラーモジュールを経済的に封止することが可能である。この場合、この支持体は、まず、全面的に、薄層で数μｍの範囲内で被覆されている。本発明による装置を用いると、更に、第１工程で、支持体から、エッジ領域中で効果的に層を除去できる。この場合、第１の調整装置は、担体材料上の処理光線が、往復運動において、軽く覆われた平行な層条痕を除去するよう制御できる。つまり、通常では、処理光線の横断面幅は、実際に剥離すべき領域の幅よりも小さくなっていくので、第１の調整装置のこの種の制御によって、効果的に、数センチメートルの幅を有するエッジ層も剥離することができるのである。処理光線の往復運動とともに、軽く覆われた平行な層条痕を剥離させる準回転運動も考えられる。長方形又は正方形の薄層ソーラーモジュールの場合、例えば処理光線が円運動して、それぞれ層条痕を処理光線の横断面幅の領域で剥離することも考えられる。こうして、より大きな領域の層の除去が可能であり、第１の調整装置が、急な速度変化を実施せずに済む。

１つの有利な実施態様によれば、光パルスが励起出力の変調によって生じさせられることが予定される。レーザーの場合の活性媒体の励起出力の変調によって、１００ｎｓ足らずのパルス持続時間を有する本発明による処理パラメーターを更に準備することができる。より短い光パルス及びより高い出力は、勿論、Ｑ値変調の方法を用いて達成することができる。こうして、十分な出力を有する１０ｎｓの光パルスを、準備することができる。若干の用途のためには、２５ｎｓの範囲内のパルス持続時間も、特に有利であると判明した。更に短いパルス時間の実現のためには、いわゆるモード結合の方法を用いることができる。光ケーブル中でのモード結合によって、自体公知のガウスによる出力特性が菱形もしくは立体的に見て円錐台形の出力特性に変換される。

もう１つの有利な実施態様によれば、相対運動の送り速度及び光パルスのパルス繰返数が調整され、剥離すべき層が除去されると直ちに、単位面積にもはや処理光線が当てられないことが予定されている。例えば第１の調整装置は、相対運動の際に、１ｃｍ／ｓの範囲内の処理速度となり、その際、レーザー共振器のパルス繰返数は、５０Ｈｚの範囲内であるよう制御することができる。

もう１つの有利な実施態様によれば、生じたダスト及び蒸気の吸引のための吸引装置が設けられている。こうして、一方では、生じた蒸気及びダストからの操作者の保護が保証され、他方では、これによって、露出すべき層の表面品質を損なうことのある、加工物上での沈殿も回避できる。

１つの有利な実施態様によれば、第１の調整装置は、処理光線を光学系と一緒に加工物の上へ誘導する機械的誘導からなる。この場合、加工物は固定されたままであり、他方で、光学装置が敏捷に誘導される。このために、処理光線は、有利に光ケーブルを介して誘導される。また、第１の調整装置が調節可能な転向ミラーからなり、該転向ミラーを介して、処理光線を加工物の上に誘導することも考えられる。転向ミラーとしては、例えば互いに垂直に存在する回転軸を有する２つの転向ミラーを使用することもできるので、処理光線を簡単により大きな平面上に移動させることもできる。その上更に、光学系を固定しておき、他方で、加工物を、例えばｘｙ−テーブル上で固定した処理光線の向かいに誘導されている。最終的に、処理光線並びに加工物を敏捷に誘導する上記の原理の組合せも考えられる。

図１は、封止された薄層ソーラーセルを通る横断面を示している。このソーラーセルは、主として、支持体４、該支持体の上に載置されかつパターン付与された層３、ラミネート層２及び該ラミネート層の上に載置された層ウィンドウガラスからなる。電流の流れる層３は、０．１〜５μｍの厚さを有し、支持体４は、有利にフロートガラスからなる。電流の流れる層３への電流回路及び層自体の湿分による崩壊を回避するために、支持体４のエッジ領域５は、電流の流れる層を含んでいてはならない。従って、エッジ領域５は、本発明により層が除去されている。

図２は、一連の層及び裏面電極の接触を有する封止された薄層ソーラーセルを通る横断面図を示している。支持体−薄層ソーラーセルの場合、層の順序は、裏面電極２４、吸収層２３及び前面電極２２に分類される。これらの層は、支持体２５の上に載置されており、前面電極２２の側で、ラミネート２１によって保護されている。該ラミネート２１は、層２０によってウィンドウガラスから隔てられている。

図３は、ソーラーセルの層除去のための装置の第１の実施態様を示している。層除去は、Ｎｄ：ＹＡＧタイプのパルスレーザーを用いて行う。有利に、Ｑ値変調の方法を用いるレーザー共振器を２５ｎｓの範囲内のパルス持続時間で作動させる。処理光線を、光ケーブル４０を用いて、フォーカスレンズ３４を有する結像光学系に案内する。この場合、光ケーブル４０の出口３５は、フォーカスレンズ３４を介して、処理領域４１中の加工物の上に結像させる。

加工物上のパルスエネルギー密度は、この構造の場合には、レーザーのパルスエネルギー、光学的損失並びに使用した光学系の結像基準から明らかである。必要なパルスエネルギー密度並びに前記のパルス周波数の場合の層除去すべき加工物に対するレーザー光線の速度は、除去すべき層パケットに左右される。例えば、１Ｊ／ｃｍ^２の程度のパルスエネルギー密度を有する薄層ソーラーモジュールの試験した層パケットは、１ｃｍ／ｓの程度の速度及び５０Ｈｚのパルス周波数で除去できた。

図２に記載の裏面電極の層除去の場合、必要なパルスエネルギー密度並びに層除去すべき加工物に対するレーザー光線の速度は、前記のパルス周波数の場合に、同様に層パケットに左右される。薄層ソーラーモジュールの裏面電極の成果に富む層除去は、例えば３ｃｍ／ｓの程度の速度及び５０Ｈｚのパルス周波数で１Ｊ／ｃｍ^２の程度のパルスエネルギー密度を用いて達成された。

図３に記載してあるように、加工物３１は、この場合、例えば真空締め付け台（Ｖａｋｕｕｍｓｐａｎｎｔｉｓｃｈ）のことであってもよい相応する工具担体３２によって保持されている。この工具担体３２は、他方で、ＣＮＣ制御されたｘｙ−テーブル３３の上に取り付けられている。工具担体３２及び加工物３１を有するこのテーブル３３は、一定の速度で処理することができるので、処理領域４１は、ソーラーセル３１の層の除去のために、定義された区間に沿って移動させることができる。生じた蒸気及びダストは、吸引装置３６、３８によって吸引される。特別な用途の場合には、露出させるべき表面を、酸化又は大気との化学的プロセスから保護するために、ノズル３７、３９が設けられている。この場合、就中、窒素が、適当な保護ガスであることが判明した。ノズル３７、３９は、処理領域中で、保護ガスが加工物の表面上へ均一に流れるよう調節されている。

光学的構造は、その他の点では、第１の実施態様に記載された光学的構造と等しいので、相応して同様に、処理光線を、光導波路５０を用いて、フォーカスレンズ５４を有する結像光学系に接近させる。該フォーカスレンズは、他方で、処理領域５１における加工物３１の上への光導波路５０の出口領域５５を形成している。

従って、殊に、極めて微小な亀裂が支持体中に生じることが疑われる生成物のためにも、支持体側の光の入射を用いる変法を使用すべきであった。支持体又は別の支持体タイプの微小亀裂に関するさして重要でない用途の場合、加工物保持に関連して、層側の光の入射を用いるより簡単な層除去が可能である。実施態様における方法を適当に組み合わせる場合にも特に有利である。従って、例えば第２の実施態様による支持体の破壊されやすいエッジ領域を、該エッジ領域が、この場合にも簡単に入手可能であり、従って、相応する切り込みが工具担体及び締め付け台において必要とされないので、支持体側から層除去することもできる。これとは異なり、特殊な用途のために層除去すべき真ん中の領域は、再度第１の実施態様により層側から層を除去することができる。

【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、封止された薄層ソーラーセルを通る横断面図である。
【図２】
図２は、一連の層と裏面電極の接触を有する封止された薄層ソーラーセルを通る横断面図である。
【図３】
図３は、ソーラーセルの層除去のための装置の第１の実施形を示す図である。
【図４】
図４は、ソーラーセルの層除去のための装置の第２の実施形を示す図である。
【符号の説明】
１ウィンドウガラス、２ラミネート層、３パターン付与された層、４支持体、５エッジ領域、２０層、２１ラミネート、２２前面電極、２３吸収層、２４裏面電極、２５支持体、２６金属リボン、３１加工物、３２工具担体、３３ｘｙ−テーブル、３４フォーカスレンズ、３５出口、３６吸引装置、３７ノズル、３８吸引装置、３９ノズル、４０光ケーブル、４１処理領域、４３入射垂線、５０光導波路、５１処理領域、５４フォーカスレンズ、５５出口領域、５６光軸