JP2013038422A - 薄膜太陽電池モジュールの製造用のコーティング基板の線形構造化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜太陽電池モジュールの製造用のコーティング基板の線形構造化方法を提供する。
【解決手段】薄膜太陽電池モジュールを製造するコーティングされた基板の線形構造化方法であって、トラックが、上側構造面において、下側構造面における既存のトラックの経路に適合するように導入され、構造化ツール（８）が、既存のトラックの画像記録から導出される制御量によってｙ方向に制御され、基板（１）は、構造化ツール（８）の下を前後に移動する。既存のトラックを取得する画像記録は、前方パスの間にのみ行われる。トラックの生成は、前方パスおよび後方パス中に発生する。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜太陽電池モジュールを製造するために薄層でコーティングされた基板内に線状トラック（line-shaped tracks）を導入する方法に関する。

その際、遷移領域を形成するパターン化線または構造化線の間隔を、薄膜太陽電池モジュールによるエネルギーの生成に寄与しない遷移領域を最小限にするために、可能な限り小さく維持しなければならない。

上述したタイプの一般的な方法は、特許文献１から既知である。

薄膜太陽電池モジュールは、上に配置されている薄層用の担体としての役割を果たす剛性または可撓性の平面状基板を含む。薄膜太陽電池モジュールを製造するために、通常基板の表面に第１層を施した後、この第１層は、深さが第１層の厚さに等しいいわゆるｐ１トラックを形成するように、所定の距離をおいて、線状に切除される（第１構造化面）。

その後、ｐ１トラックが埋められるように、表面に第２層が施される。いわゆるｐ２トラックは、ｐ１トラックに対して平行にかつそれに対して可能な限り近くに生成され、第１層ではなく第２層に対して切除がなされる（第２構造化面）。

ｐ２トラックを埋める第３層が表面に施された後、いわゆるｐ３トラックがｐ２トラックおよびｐ１トラックに近接して生成され、第１層ではなく第２層および第３層に対して切除がなされる（第３構造化面）。

合わせて、互いに最も近くに位置するｐ１トラック、ｐ２トラックおよびｐ３トラックが、構造単位としても知られる薄膜太陽電池モジュールの個々の機能領域を互いに分離する遷移領域を形成する。

トラックを生成するための、機械的効果、化学的効果または熱的効果に基づくことができる種々の技術が既知である。その際、トラックは、互いに重ならず、まして互いに交差することなく、遷移領域内で互いに可能な限り最短の距離にあるべきである。

トラックを導入する技術に関らず、基板は、少なくとも層を施している時に熱負荷を受け、その結果、基板が永久的に変形し、したがって、すでに生成されたトラックが変形する可能性がある。

このため、トラックの互いからの距離に対して下限が設定され、それにより、異なる構造化面のトラックが、最大限の変形にも関らず重ならずかつ交差しないことが確実になる。

したがって、薄膜太陽電池モジュールの外縁に基づくトラック経路の通常の向きにおいて、互いに対するトラックの所望の経路に関して、およそ１００μｍから２００μｍの安全距離が指定される。これは、構造化ツール、たとえばけがき針またはレーザビームが、遷移領域内でトラックに対して、トラック幅に応じておよそ１００μｍから２００μｍ互いに異なる、外縁に対して平行な距離で、案内されることを意味する。これにより、遷移領域に関して最小幅が２００μｍ〜４００μｍを超える結果となる。その際、トラックは、機械加工方向において交互の移動方向に導入される。

遷移領域が狭くなり、したがって効率が向上した薄膜太陽電池モジュールを提供するために、特許文献２において、新たなトラックを導入する前かまたは後に、すでに存在しているトラックの経路が確定され、新たなトラックを導入する時に、新たなトラックの経路が既存のトラックの経路に対して制御されることが提案されている。

したがって、新たなトラックが生成され、このトラック経路は、同じ遷移領域における隣接するトラックの経路に対応する。このように、トラック間の距離を、絶縁に関連する理由に対する必要に応じて、最小距離にまで低減することができる。

既存のトラックの経路は、有利には、光学的に確定され、光学的検出を、新たなトラックの導入の前にまたは導入中にも、基板の下側からかつ基板のコーティングされた上側から行うことができる。

この場合、トラック検出は、既存のトラックの経路をたどるようになされたトラック位置センサによって行われる。トラック位置センサの位置を用いて、規定された距離でトラック位置センサに続きかつ構造化ツールが基板上で方向付けられる基準点が制御される。トラック位置センサの代りとして、部分的に完成した薄膜太陽電池モジュールの大部分を写真によって記録し、これらの写真をマップとして使用して基準点を確定することも考えられる。

この例に記載されているようなトラック位置センサによるトラック検出には、このトラック位置センサが基準点を先導しなければならず、すなわち、トラックを、機械加工方向の１つの移動方向にしか導入することができない、または２つのトラック位置センサを提供しなければならず、かつ１つのトラック位置センサを常に配置し直さなければならない、という欠点がある。

部分的に完成した薄膜太陽電池モジュールの大部分のトラック検出には、対応する大きさの対象視野を撮像するために十分な解像度を得るために、極めて高い画素数を有する受信機マトリクスを備えたカメラが必要であり、それによってカメラは非常に高価な測定ツールとなる。

特許文献３は、トラックが現機械加工面において先の機械加工面の個々のトラックの経路に基づいて生成され、この先のトラックの経路はセンサを用いて取得され、そこから、後続する機械加工面のすべてのトラックに対して使用される補正値が形成される方法を開示している。このように、理想的な直線に対する先のトラックの変形が検出されるが、先のトラックの互いからのずれは検出されない。

特許文献４もまた、トラックが、現機械加工面において先の機械加工面の既存のトラックの経路に基づいて生成される方法を記載している。この目的で、既存のトラックは検出要素によって観測され、補正信号が形成され、その補正信号を用いてツールが制御される。この場合もまた、ツールは、検出信号によって制御されかつ既存のトラックに対して平行なトラックを生成するために、検出要素の少なくともわずかに後方をたどらなければならない。したがって、検出器は、トラック生成の方向の変化の分だけずれていなければならないか、２つの検出器を設けなければならないか、機械加工を、機械加工方向の１つの向きのみで行わなければならない。

特許文献５に開示されている構造化方法では、構造化ツールに締結されたセンサが同様に使用されて、先の機械加工面におけるすでに存在するトラックの経路および位置が光学的に検出される。検出は、現機械加工面におけるトラックの構造化と同時に、機械加工されたトラックにおける構造化より先に行われる。検出されたトラックの経路および位置は、即座に記憶され、次のトラックをすでに存在しているトラックに対して方向づけるために、次の構造化プロセス中に使用される。したがって、構造化中、先の機械加工面の検出もまた、すべての構造化プロセス中に連続して行われる。

特許文献１ではまた、薄膜太陽電池モジュールにおいて、線状トラックが、すでに存在するトラックの経路に対して方向づけられるように生成される。その際、少なくとも第１の先に生成されたトラックの位置が、第１機械加工トラックをスクライブするためにカメラによって取得され、第１機械加工トラックの位置もまた、その後、第１機械加工トラックの位置に応じて第２の先に生成されたトラックの近くに第２隣接トラックを生成するために、カメラによって取得される。

薄膜太陽電池モジュールの第１走査移動において、少なくとも１つのすでに存在するトラックの経路は、機械加工方向の進路に沿ってカメラによって取得され、それにより、少なくとも１つの取得されたトラックの経路に対して方向づけられる別のトラックが、次の走査移動中に生成される。任意選択的に、機械加工方向における後方の第２の走査移動において、少なくとも１つのすでに存在するトラックの経路が、同様にカメラによって取得され、それにより、この少なくとも１つの取得されたトラックの経路に対して方向づけられる別のトラックが、次の走査移動中に生成される。新たなトラックが、それに従って、新たなトラックが関連するすでに存在するトラックが記録された向きと同じ向きの走査移動中に生成される。上述した方法の特質は、すべての後続する走査移動中、生成されたばかりのトラックもまた、たとえば較正のために、個々のトラック間の距離を確定するために常に取得される、ということにある。

ツール、この場合はレーザビームのカメラに対する配置に関して、２つの変形形態が示される。一方で、スキャナにカメラを組み込み、共有ビームスプリッタによって光ビーム経路およびレーザビームを工作物に向けることが提案されている。この種の解決法は、理論的にしか可能でないように見え、特に、カメラによる取得およびレーザによるトラックの生成は、同時に発生する可能性がある。他方で、カメラは、スキャナに対して固定のずれで共通の枠に締結される。このずれに基づき、実際には、異なる方向における機械加工に関して上述したものと同じ問題がこの場合にも発生すると結論付けることができる。

ＷＯ ２０１０／１４４７７８ Ａ２ ＤＥ １０ ２００６ ０５１ ５５５ Ａ１ ＤＥ １０ ２００８ ０５９ ７６３ Ａ１ ＥＰ ０ ４８２ ２４０ Ａ１ ＷＯ ２００８／０５６１１６ Ａ１

本発明の目的は、薄膜太陽電池モジュールを構造化する方法を、より時間効率が高くかつ経済的であるように改善することである。

上述した目的は、薄膜太陽電池モジュールを製造するコーティング基板の線形構造化方法であって、ｘ方向に延在するトラックが、複数の構造面を有する多層大面積基板に導入され、基板が２つの端部位置の間をｘ方向に複数のパスで水平に前後に移動し、パス間でｙ方向に基板（１）の上方の種々の位置まで変位可能な構造化ツール（８）が、パスのうちの少なくともいくつかの間に、上側構造化面にトラックを生成するように基板（１）に作用し、構造化ツール（８）が、制御信号によりｙ方向に偏向するように制御され、下側構造化面の既存のトラックを取得するために画像記録が生成され、制御信号が、トラックをその経路が既存のトラックに適合されるように生成するために画像記録から導出され、既存のトラックを取得する画像記録が、前方パスの間のみに行われ、トラックの生成が、前方パスおよび後方パス中に発生する、方法によって達成される。

有利な方法では、各前方パスにおいて、ｎ番目のトラックおよびｎ＋１番目のトラックを含む下側構造面の一対のトラックが検出され、上側構造面においてｎ−１番目のトラックが検出され、後続する後方パスにおいてｎ番目のトラックが生成される。

以下、本発明を実施形態例に関してより十分に説明する。

本方法を実施するのに好適な装置の概略図である。 図１に示す装置内の薄膜太陽電池モジュールの位置の変化に関して例示する方法の方法ステップである。 個々の方法ステップの結果に基づく第１実施形態例による方法の方法ステップである。 個々の方法ステップの結果に基づく第２実施形態例による方法の方法ステップである。

図１は、本方法を実施するための、従来技術から既知であるような装置を示す概略図である。

装置は、前後に同じ高さで配置されている２つのコンベアベルト２、３と、ｘ方向に搬送しかつグリッパ５を有する搬送装置４と、カメラ７および構造化ツール８を有する少なくとも１つの機械加工ヘッド１０が、ｙ方向に変位可能であるようにコンベアベルト２、３の上方に配置されている、固定門形構造（stationary portal）６と、評価および制御ユニット９とを備えている。原則的に、機械加工ヘッドを、コンベアベルトの下方に、対応するように配置することも可能であるが、技術の点では欠点が利点に勝り、そのため、この可能性については本方法の説明においてこれ以上論じない。

上述した装置は、コンベアベルト２、３のうちの一方に配置される工作物、この場合は基板１を、グリッパ５によって保持されるように搬送装置４によって他方のコンベアベルト２、３に対してｘ方向に移動させることができるように、互いに対して配置されている。

同時に、堆積した基板１をカメラ７によって光学的に検出することができ、カメラ７は、コンベアベルト２、３によって形成された支持面に対して垂直に向けられ、それにより、パスの間に基板１の全長に沿ってストライプ状部分を撮像することができる。カメラ７は、基板１上のその対象視野が、構造化面における２つの隣接するトラック（一対のトラック）の間の提供された距離より広いように設計され、それにより、カメラ７は、基板１がカメラ７の下を一度移動する間（以下、パスと呼ぶ）、基板１にすでに存在するこうした２つのトラックを取得することができる。

カメラ７は、基板１上の一対のトラックを取得することができるために、門形構造６に、ｙ方向に変位可能であるように、すなわち基板１の幅とトラック間の間隔とに応じた所定位置に配置される。

また、構造化ツール８は、門形構造６に、ｙ方向に変位可能であるように所定位置に配置される。それぞれの位置において、構造化ツール８を、パス中に限られた領域内でｙ方向において偏向させることができ、それにより、構造化ツール８は、ｘ方向に延在するがｙ方向において限られた領域内で直線から外れ得る経路を描くことができる。

評価および制御ユニット９は、カメラ７にかつ構造化ツール８に接続され、カメラ７によって先に取得されたすでに存在するトラックの幾何学的ずれに応じて、構造化ツール８の制御を提供する。

従来技術の説明において上述したような方法により、ｐ２構造化のトラックがｐ１構造化の既存のトラックに対する方向付けによって生成されるか、またはｐ３構造化のトラックが、ｐ１構造化またはｐ２構造化のトラックに対する方向付けによって生成される。ｐ１構造化、ｐ２構造化およびｐ３構造化とは、それぞれお、構造化面における構造化を意味し、ｐ３構造化はｐ２構造化の上方にあり、ｐ２構造化はｐ１構造化の上方にあることが理解される。

方法の第１実施形態例を、図２ａ〜図２ｄに関して以下により十分に説明する。

基板１は、先のプロセスにおいて第１層、すなわちコンタクト層（たとえばモリブデンを含む）によってすでにコーティングされ、その後、所定間隔でトラックによって形成されたｐ１構造が設けられ、次いで、第２層、すなわち光電層（たとえばＣｕｌｎＳ_２）によってコーティングされている。この第２層に、すでに存在するトラックに対して方向づけられたさらなるトラック（ｐ２構造）が導入される。その際、新たに導入されたトラックは、ｐ１構造に対して非常に正確な平行度および±１０μｍの間隔公差を維持する。

ｐ２構造を生成するために、基板１は、第１コンベアベルト２によって装置内に移動し、搬送装置４においてグリッパ５によって第１端部位置に固定される。基板１を、搬送装置４によって第１端部位置と第２端部位置との間をｘ方向に移動させることができ、第２端部位置では、基板１は第２コンベアベルト３の上に載ることになる。

２つを識別するために、第１端部位置から第２端部位置までのパスを前方パスと呼び、第２端部位置から第１端部位置までのパスを後方パスと呼ぶ。

ここで、基板１は第１前方パスにおいて門形構造６の下を移動し、そこで、カメラ７が、第１ｐ１トラックおよび第２ｐ１トラックを含むトラックの第１対を取得する。カメラ７によって画像が記録される度に、関連するトラック部における個々のトラックが理想的な直線からはずれる補正値を、一対のトラックの取得されたトラック部に対する画像記録から確定することができる。基板１に対するカメラ７のマトリクス受信機の相対位置が既知である場合、画像の記録時に、取得されたトラックの補正値を基板１の位置に整合させることができる。それらは、評価および制御ユニット９に格納され、それにより、上に重なる構造化面にトラックが生成される後続するパスに対し、トラック指向の位置依存制御量を形成するように使用することができる。その際、補正値は、同一の開始位置から生じる所定間隔で、すべての画像記録に対して確定される位置に関連付けられる。

後続する第１後方パスの間、構造化ツール８によって第１ｐ２トラックが生成される。構造化ツール８として、好ましくは、レーザ光学系によって基板１上に集束するレーザビームが使用される。この代りに、機械的けがき工具を使用することも可能である。

構造化ツール８は、制御量によって、ｙ方向に偏向するように制御され、それにより、形成されるトラックが第１ｐ２トラックに対して平行に延在する。その際、第１ｐ１トラックから導出された制御量が制御に使用される。

第２前方パスの前に、カメラ７が、ｙ方向において第３ｐ１トラックおよび第４ｐ１トラックに対して方向づけられた位置に配置される。構造化ツール８が、同様にｙ方向に配置され、第２ｐ１トラックに対して方向づけられる。第１前方パスと同様に、トラックの第２対、すなわち第３ｐ１トラックおよび第４ｐ１トラックが取得され、上述したように画像記録が処理される。同時に、第２ｐ２トラックが生成される。その際、第２ｐ１トラックから導出された制御量が制御に使用される。

その後、前方パスの間、上述したように、ｎ番目のｐ１トラックおよびｎ＋１番目のｐ１トラックを含む一対のトラックが取得され、ｎ−１番目のｐ２トラックが生成され、後方パス中、ｐ２構造化のすべてのトラックが完成するまで、ｎ番目のｐ２トラックのみが生成される。

カメラ７の位置同期トリガ、すなわち第１端部位置から同一距離でのカメラのトリガは、トラック検出が同じ端部位置から常に生じるためより単純となる。

既存のトラックの画像記録からの位置依存量としての制御量の計算もまた、同一の開始点から常に生じるため、より煩雑でなくなる。

有利な方法で、後方パスの期間全体が、いかなる記録も行われないため、計算時間として利用可能である。したがって、すべてのパスに対して複数の画像記録を処理することも可能であり、その結果、より正確な制御信号が形成される。制御量が常に同じ開始点に関して計算されるため、本装置を、面倒な計算調整なしに種々の長さの基板１を機械加工するのに使用することができる。

この方法手順を、再び図３を参照して簡単に説明することができる。この場合、既存のトラックは点線として示されており、取得されたトラックは破線として示されており、後続して生成されたトラックは実線として示されている。図面の右縁に向いている矢印は前方パスを表し、図面の左縁に向いている矢印は後方パスを表す。

上述した方法により、比較的時間効率の高いいわゆる単一トラックマッピングが可能になり、そこでは、後続して生成されるすべてのトラックが、選択された既存のトラックに対して方向付けられるように生成される。

図４は、門形構造６におけるより高速な構造化プロセスのために、カメラ７および構造化ツール８を備えた複数の機械加工ユニットが同時に使用されるようになる、方法の改善された実施形態を示す。各機械加工ユニットは、基板１の１つの特定の部分のみを検出する。その後、それら部分の機械加工は、第１実施形態例に関して説明した基板１全体の機械加工と同様に同時に行われる。

対応して、前方パス中、ｎ番目のトラックおよびｎ＋１番目のトラックを含む一対のトラックならびにｍ番目のトラックおよびｍ＋１番目のトラックを含む一対のトラックが取得され、これが第１前方パスでない場合、ｎ−１番目のトラックおよびｍ−１番目のトラックが生成される。後方パス中、いかなるトラック対も取得されず、むしろ、ｎ番目のトラックおよびｍ番目のトラックのみが生成される。ｎ番目のトラックとｍ番目のトラックとの間の間隔は、それらの部分の幅に対応する。

１ 基板
２ 第１コンベアベルト
３ 第２コンベアベルト
４ 搬送装置
５ グリッパ
６ 門形構造
７ カメラ
８ 構造化ツール
９ 評価および制御ユニット
１０ 機械加工ヘッド

Claims (2)

1. 薄膜太陽電池モジュールを製造するためコーティング基板を線形構造化する方法であって、ｘ方向に延在するトラックが、少なくとも１つの下側構造化面を有する多層大面積基板に導入され、前記基板が２つの端部位置の間をｘ方向に複数のパスで水平に前後に移動し、前記パス間でｙ方向に前記基板（１）の上方の種々の位置まで変位可能な構造化ツール（８）が、前記パス中に上側構造化面にトラックを生成し、前記構造化ツール（８）が、制御信号によりｙ方向に偏向するように制御され、前記下側構造化面の既存のトラックを取得するために画像記録が生成され、制御信号が、前記トラックをその経路が既存のトラックに適合されるように生成するために、前記画像記録から導出され、既存のトラックを取得する前記画像記録が、前方パスの間のみに行われ、トラックの前記生成が、前記前方パスおよび後方パス中に発生する、方法。
2. 各前方パスにて、ｎ番目のトラックおよびｎ＋１番目のトラックを備える前記下側構造面の一対のトラックが検出され、前記上側構造面にて、ｎ−１番目のトラックが検出され、後続する後方パスにて、ｎ番目のトラックが生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
   

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