JP2013508963A - 薄膜デバイスを個別のセルに分割するための方法および装置 - Google Patents

薄膜デバイスを個別のセルに分割するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

下部電極層である第１の層と活性層である第２の層と上部電極層である第３の層とをその上に有し、これらの層がそれぞれ連続している薄膜デバイスを電気的に直列に相互接続される個別のセルに分割するための方法および装置である。セルの分割および隣接するセル間の電気接続は、デバイス全体にわたる処理ヘッドのワンパスで実施され、処理ヘッドは、ａ）第１、第２および第３の層を貫通する第１の刻み目を構築するステップと、ｂ）第２および第３の層を貫通する第２の刻み目を構築するステップであって、第２の刻み目が第１の刻み目と隣接するステップと、ｃ）第３の層を貫通する第３の刻み目を構築するステップであって、第３の刻み目が第２の刻み目と隣接し、かつ、第２の刻み目の第１の刻み目とは反対側であるステップと、ｄ）非導電材料を第１の刻み目に堆積させるために第１のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと、ｅ）導電材料を加えて第１の刻み目中の非導電材料を橋絡させるために、かつ、第２の刻み目全体または一部を充填して、第１の層と第３の層との間に電気接続を形成するために、第２のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと、をワンパスで実行し、ステップ（ａ）はステップ（ｄ）に先行し、ステップ（ｄ）はステップ（ｅ）に先行し、かつ、ステップ（ｂ）はステップ（ｅ）に先行している（あるいはデバイス全体にわたる処理ヘッドの任意の順序のワンパスでこれらのステップを実施することができる）。薄膜デバイスは、ソーラーパネル、照明パネルまたは電池であってもよい。

Description

本発明は、様々な薄膜デバイスを製造するための、スクライビング技法およびインクジェット印刷技法を使用して個別の電気セルを形成し、かつ、それらを直列に相互接続するためのプロセスに関する。詳細には、単一のステッププロセスで、底部電極材料、半導体材料および頂部電極材料の連続層を有するソーラーパネル内にセルおよび直列相互接続構造を形成するための新規な方法が記述される。連続層間スクライブアライメントに関連する問題が単一のステッププロセスによって除去されるため、この方法は、可撓性基板上に形成されるソーラーパネルに特に適している。また、この方法は、照明パネルおよび電池などの他の薄膜デバイスの製造にも適している。また、本発明は、記述されている方法を実施するための装置に関する。
薄膜ソーラーパネル内にセルを形成し、かつ、相互接続するための一般的な方法には、連続層コーティングプロセスおよびレーザスクライビングプロセスが必要である。構造を完成するためには、通常、３つの個別のコーティングプロセスおよび３つの個別のレーザプロセスが必要である。これらのプロセスは、通常、以下で記述されているように、個々のコーティングステップに続いて実施されるレーザステップからなる６つのステップシーケンスで実施される。
ａ） 基板の表面全体に下部電極材料の薄い層を堆積させるステップ。基板は、一般的にはガラスであるが、重合体シートであってもよい。この下部層は、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明な導電酸化物であることが多い。場合によってはこの下部層は、モリブデン（Ｍｏ）などの不透明な金属である。
ｂ） 連続膜を電気的に隔離されたセル領域に分離するために、下部電極層を完全に貫通して、典型的には５〜ｌ０ｍｍの間隔でパネル表面全体に平行線をレーザスクライブするステップ。
ｃ） 基板領域全体に活性発電層を堆積させるステップ。この層は、単一のアモルファスシリコン層またはアモルファスシリコンとマイクロクリスタルシリコンの二重層からなっていてもよい。テルル化カドミウムおよび硫化カドミウム（ＣｄＴｅ／ＣｄＳ）、ならびに銅インジウムガリウムジセレン（ＣＩＧＳ）などの他の半導電材料の層も同じく使用される。
ｄ） この１つまたは複数の活性層を貫通して、下部電極材料を損傷することなく、第１の電極層中の最初のスクライブに平行で、かつ、可能な限りこの最初のスクライブの近くに線をレーザスクライブするステップ。
ｅ） アルミニウムなどの金属、あるいはＺｎＯなどの透明な導体であることが多い第３の頂部電極層をパネル領域全体に堆積させるステップ。
ｆ） 頂部電極層の電気連続性を破壊するために、この第３の層に、他の線に近く、かつ、他の線に平行の線をレーザスクライブするステップ。
レーザ隔離が後続するこの堆積手順により、パネルが多数の個別の細長いセルに分割され、パネル内のすべてのセル間が電気的に直列に接続される。この方法によれば、パネル全体で生成される電圧は、個々のセル内で形成される電位とセルの数の積で与えられる。パネルは、典型的には５０〜１００個のセルに分割され、したがってパネル全体の出力電圧は、典型的には５０ボルトないし１００ボルトの範囲である。個々のセルは、典型的には、幅５〜１５ｍｍ、長さ約１０００ｍｍである。この多重ステップソーラーパネル製造方法に使用されているプロセスは、特許文献１にその全体が説明されている。
いくつかの個別の層コーティングステップを組み合わせることによってソーラーパネルを製造するこの多重ステッププロセスを単純化するためのスキームが創案されている。そのため、基板を真空から大気環境へ移動させなければならない回数が少なくなり、したがって層の品質が改善され、また、ソーラーパネルの効率が向上するものと思われる。特許文献２、特許文献３および特許文献４は、すべて、レーザスクライビングを実施する前に、必要な３つの層のうちの２つがコーティングされるソーラーパネル製造方法を記述している。下部電極層および１つまたは複数の活性層が連続的に堆積され、次に、これらの両方の層がまとめてレーザスクライブされ、それにより、次に絶縁材料が充填される溝が形成される。特許文献３および特許文献４の場合、インクジェット印刷によってこの溝の充填を実施することが提案されている。溝の充填に引き続く相互接続手順は、上で説明したように、活性層を貫通するレーザスクライブ、頂部電極層の堆積、およびセルを隔離するための頂部電極層の最終スクライブを使用して実施される。
また、何らかのレーザスクライビングの実施に先立って３つのすべての層がコーティングされるスキームも同じく提案されている。特許文献５は、完全な３つの層スタックが１つのプロセスシーケンスでコーティングされ、引き続いてスタック中に、スタックを貫通してレーザスクライブが施されるソーラーパネル製造方法を記述している。レーザスクライブプロセスは、２つの異なる深さを使用した単一のスクライブからなっているため、複雑である。スクライブの第１の側では、レーザは、下部電極層を電気的に分離してセルを画定するために、完全な３つの層スタックを完全に貫通して基板まで侵入し、一方、スクライブの第２の側では、レーザは、下部電極層材料のレッジが露出する領域を残すために、頂部層および活性層のみを貫通して侵入する。下部電極層の縁およびスクライブの第１の側の活性層の縁が絶縁材料で覆われるよう、基板まで侵入するスクライブの第１の側に局部的に絶縁材料が加えられる。これに引き続いて、導電材料がスクライブ中に堆積され、それにより既に加えられている絶縁材料が橋絡され、第１の側の頂部電極層が第２の側の下部電極材料のレッジに接続される。
特許文献５に記載されているプロセスは複雑であり、慎重な制御が必要である。二重レベルレーザスクライブプロセスの第２の段階の間に生成される破片が、下部電極材料のレッジの隣接する頂部表面に堆積し、電気接続が不良になる可能性がある。スクライブの第１の側の厳密に正しい位置に絶縁材料が置かれ、また、下部電極材料のレッジの頂部には材料が堆積しないことを保証するためには、高水準の制御が必要である。導電材料が適切に置かれ、また、スクライブの第２の側の頂部電極に接触しないことを保証するためには、極端な精度が必要である。これらのすべての理由により、この方法では高い信頼性でセルを接続することは不可能と思われる。
特開平１０−２０９４７５号公報 米国特許第６９１９５３０号明細書 米国特許第６３１０２８１号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２１３９７４号明細書 国際公開第２００７／０４４５５５号パンフレット
したがって、ソーラーパネル等のための、３つの層のフルスタックで始まり、かつ、高速で、単純で、かつ、信頼性の高い方法でセルの相互接続へと進行する新しいセル形成および相互接続プロセスに対する要求事項が依然として存在している。
このようなプロセスは、照明パネルまたは電池などの他の薄膜デバイスを製造するためのセルの形成および直列相互接続に適用することも可能である。ソーラーパネルと同様、このようなデバイスも、すべて剛直基板または可撓性基板の上に堆積された下部電極層、活性層および頂部電極層からなっている。デバイスを複数のセルに分割し、かつ、これらのセルを直列に接続することにより、基本単一セル電圧より高い電圧での動作を達成することができる。ここで提案されているレーザおよびインクジェットセル形成および相互接続装置は、このような動作に適している。
照明パネルの場合、上部電極および下部電極には、ソーラーパネルに使用される材料と同様の材料（例えばＴＣＯまたは金属）を使用することができそうであるが、活性材料は著しく異なっている。この場合、活性層は、有機材料の層にすることが最も考えられるが、無機材料も同じく可能である。活性有機層は、低分子量材料（いわゆるＯＬＥＤ）または高分子量重合体（いわゆるＰ−ＯＬＥＤ）のいずれかに基づいている。正孔および電子輸送層は、通常、活性発光層に結合されている。これらの照明パネルの場合、低電圧で動作し、また、すべての層が薄いため、本明細書において説明されている相互接続プロセスは、パネルをセルに分割し、かつ、これらのセルを直列に接続して実質的により高い電圧で動作させるのに理想的である。
薄膜電池の場合、これらの層は、より複雑であることがしばしばである。リチウムイオン技術に基づく薄膜電池の場合、下部層は、集電のための金属層と、陰極として機能する酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ３）層の２つのコンポーネントを有している。また、上部層も、集電のための金属層と、陽極として機能する窒化スズ（Ｓｎ３Ｎ４）層の２つのコンポーネントを有している。これらの２つの層の間に、活性層であるオキシ窒化リチウムリン（ＬｉＰＯＮ）電解質が存在している。このような電池の場合、低電圧で動作し、また、すべての層が薄いため、本明細書において説明されている相互接続プロセスは、電池をセルに分割し、かつ、これらのセルを直列に接続して実質的により高い電圧で動作させるのに理想的である。
本発明の第１の態様によれば、下部電極層である第１の層と、活性層である第２の層と、上部電極層である第３の層と、をその上に有し、これらのすべての層が連続している薄膜デバイスを、電気的に直列に相互接続される個別のセルに分割するための方法が提供され、セルの分割および隣接するセル間の電気接続は、すべて、デバイス全体にわたる処理ヘッドのワンパス（single pass）で実施され、処理ヘッドは、
ａ． 第１、第２および第３の層を貫通する第１の刻み目（cut）を構築するステップ（making）と、
ｂ． 第２および第３の層を貫通する第２の刻み目を構築するステップであって、第２の刻み目が第１の刻み目と隣接するステップと、
ｃ． 第３の層を貫通する第３の刻み目を構築するステップであって、第３の刻み目が第２の刻み目と隣接し、かつ、第２の刻み目の第１の刻み目とは反対側であるステップと、
ｄ． 非導電材料を第１の刻み目に堆積させるために第１のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと、
ｅ． 導電材料を加えて第１の刻み目中の非導電材料を橋絡させるために、かつ、第２の刻み目全体または一部を充填して、第１の層と第３の層の間に電気接続を形成するために、第２のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと
をワンパスで実行し、ステップ（ａ）はステップ（ｄ）に先行し、ステップ（ｄ）はステップ（ｅ）に先行し、かつ、ステップ（ｂ）はステップ（ｅ）に先行しているが、デバイス全体にわたる処理ヘッドの任意の順序のワンパスでこれらのステップを実施することも可能である。
本発明の第２の態様によれば、下部電極層である第１の層と、活性層である第２の層と、上部電極層である第３の層と、をその上に有し、これらのすべての層が連続している薄膜デバイスを、電気的に直列に相互接続される個別のセルに分割するための装置が提供され、装置は処理ヘッドを備えており、処理ヘッドの上には、
ａ． 第１、第２および第３の層を貫通する第１の刻み目、第１の刻み目と隣接する、第２および第３の層を貫通する第２の刻み目、および第２の刻み目と隣接する、第３の層を貫通する第３の刻み目を構築するための１つまたは複数のカッタユニットと、
ｂ． 第１の刻み目に非導電材料を堆積させるための第１のインクジェットプリントヘッドと、
ｃ． 導電材料を加えて第１の刻み目中の非導電材料を橋絡させるため、かつ、第２の刻み目全体または一部を充填して、第１の層と第３の層の間に電気接続を形成するための第２のインクジェットプリントヘッド
が提供されており、かつ、装置は、さらに、
ｄ． 処理ヘッドをパネルに対して移動させるための駆動手段と、
ｅ． 個別のセルへのパネルの分割および隣接するセル間の電気接続の形成を、すべて、デバイス全体にわたる処理ヘッドのワンパスで実施することができるよう、デバイスに対する処理ヘッドの運動を制御し、かつ、前記１つまたは複数のカッタユニットおよび前記第１および第２のインクジェットプリントヘッドを駆動するための制御手段と、
を備えている。
本発明についての以下の詳細な説明では、様々な層を貫通する刻み目を形成するために使用されるカッタユニットは、すべてレーザに基づいており、レーザからのビームを集束させることによって材料が切除および除去され、それにより隔離刻み目が形成される。これは、刻み目を形成するための好ましい方法であるが、他の切断方法を使用することも可能である。刻み目を形成するための代替方法の１つは、微細ワイヤまたはスタイラスを使用した機械的スクライビングである。レーザ切断の代わりにこのような機械的スクライビングを使用して、第１、第２または第３の刻み目のすべて、またはいくつかを形成することができる。
特許文献５に記載されている発明と同様、本発明には、３つの層の完全なスタックを有する薄膜デバイスの処理が含まれているが、後続する層切断およびインクジェット処理は、特許文献５に記載されている層切断およびインクジェット処理と比較すると、それほど複雑ではなく、また、はるかに頑丈である。特許文献５の場合と同様、３つのすべてのコーティングは、何らかの層の切断に先立って、あるいはインク噴射による材料の堆積に先立って連続的に加えられる。単一の真空プロセスでこれらのコーティングを加えることができることが理想的であるが、それは本質ではない。本出願人らの発明のキーポイントは、コーティングの堆積に引き続いて、単一結合層切断およびインクジェットプロセスを使用してセル相互接続を構築することである。「単一結合プロセス」は、すべての切断プロセスおよびすべての関連するインクジェットベース材料堆積プロセスが、すべてまたは一部のソーラーパネル全体にわたる、基板の表面に対して平行の平面内における、セル間の境界に対して平行の方向のワンパスでの処理ヘッドの運動によって実行されることを意味することを理解されたい。１つまたは複数のセル相互接続の構築に必要なすべてのカッタユニットおよびすべてのインクジェットプリントヘッドは、単一の処理ヘッドに取り付けられ、したがってすべてのアイテムが同じ速度でパネル全体を一体で移動する。
様々な層切断プロセスおよび様々なインクジェット堆積プロセスが基板に加えられるシーケンスは、使用される材料に応じて変更することができる。様々な層カッタユニットおよびインクジェットプリントヘッドが、処理ヘッドの、処理ヘッドが基板に対して移動する際に適切なシーケンスが達成される位置に取り付けられる。
説明を簡潔にするために、以下、層切断プロセスについて、レーザ切除を参照して説明する。しかしながら、これらのレーザ切断プロセスのすべて、または一部を機械的スクライビングプロセス（または他の切断プロセス）に置き換えることも可能であることに留意されたい。
隣接する第１のセルと第２のセルの間に単一のセル相互接続構造を形成するために、処理ヘッドに取り付けられた３つの隣接するビーム送出ユニット（beam delivery units）によって送出される（delivered）３つの隣接するレーザビームが、基板に対して、セル間の境界に対して平行の方向に一体で移動し、それにより隣接する３の平行スクライブが様々な層に異なる深さで構築される。第１のレーザビームによって、第１のセルの縁を画定する第１のスクライブラインが構築される。この第１のスクライブは、基板に到るまですべての層に侵入する。第１のスクライブの第２のセル側に位置している第２のレーザビームによって、下部電極層を除くすべての層を貫通して侵入する第２のスクライブラインが構築される。第２のスクライブの第２のセル側に位置している第３のレーザビームによって、上部電極層に侵入する第３のスクライブが構築される。この第３のスクライブによって第２のセルの範囲が画定される。これらの３つのレーザプロセスが実施される正確な順序は重要ではないが、好ましい順序について、以下で説明する。
いくつか、またはすべてのレーザプロセスに引き続いて、第１のインクジェット印刷プロセスが実施される。この第１の印刷プロセスのために、第１のインクジェットヘッドが基板の表面全体にわたって移動し、この第１のインクジェットヘッドには、第１のレーザスクライブを充填する絶縁インクの微細線を印刷するための少なくとも１つのノズルが配置されている。このインクは、熱硬化タイプのインクであってもよく、その場合、絶縁インクが堆積された後、その絶縁インクを硬化させて、第１のスクライブを充填する材料の太い絶縁線を構築するために、堆積された液体に直ちに熱が局部的に加えられる。別法としては、すべてのレーザプロセスおよびインクジェットプロセスに引き続いて、絶縁インクの線を硬化させて、基板上のすべての第１のスクライブを充填する材料の太い絶縁線を構築するために、基板全体に熱が加えられる。この基板全体の硬化プロセスは、レーザスクライビングおよびインク堆積プロセスを実施する装置と同じ装置で実施することも可能であるが、実際には、この硬化は、別の装置で実施されることがより現実的であると思われる。
また、絶縁インクは、ＵＶ硬化タイプのインクであってもよい。その場合、硬化は、ＵＶランプまたは他の適切なＵＶ光源によって実施され、その場合、絶縁インクが堆積された後、その絶縁インクを硬化させて、第１のスクライブを充填する材料の太い絶縁線を構築するために、堆積された液体に直ちにＵＶ放射が局部的に照射される。スクライブ内の絶縁層の深さは、可能な限り浅く、無矛盾で連続しており、かつ、ピンホールを有していない。絶縁材料の線の幅は、絶縁材料が第１のスクライブの第１のセル側の露出した２つの下部層に完全に接触する幅になっており、したがってこれらの層は、次に第２のインクジェット印刷プロセスで加えられる材料から保護される。第１のスクライブの両側の絶縁インクの過剰充填はある程度許容され、場合によって過剰充填が望ましいことさえあるが、過剰充填の横方向の範囲は、第１のスクライブの幅未満の値に維持されることが理想的である。
いくつか、またはすべてのレーザプロセスに引き続いて、かつ、第１のインクジェット印刷プロセスに引き続いて、第２のインクジェット印刷プロセスが実行される。この第２のインクジェット印刷プロセスのために、第２のインクジェットヘッドが基板の表面の上を移動し、この第２のインクジェットヘッドには、第１のレーザスクライブの第１のセル側の頂部電極材料に電気接触させるだけの十分な幅の導電インクの帯であって、第１のスクライブ内の絶縁インク材料をまたぎ、かつ、第２のスクライブに入って第２のセルの下部電極層材料と電気接触する帯を印刷するための少なくとも１つのノズルが配置されている。第１のスクライブ内の絶縁インクは、導電インクを塗布した時点で硬化させても、あるいは硬化させなくてもよい。絶縁インクを硬化させない場合、導電インクの組成は、溶媒が非硬化絶縁インク材料を著しく摂動または溶解させないような組成である。考えられる導電インクは、熱硬化タイプのインクであるが、その場合、すべてのレーザプロセスおよびインクジェットプロセスに引き続いて、導電インクの帯を硬化させて導電材料の太い帯を形成するために、基板全体に熱が加えられる。この方法によれば、１つのセル内の頂部電極を次のセル内の下部電極層に接続する導電ブリッジが形成される。導電層の深さは、可能な限り浅く、無矛盾で頑丈であり、かつ、適度に小さい電気抵抗を有している。導電材料の線の幅は、導電材料が第１のスクライブの第１のセル側の第１のセルの頂部電極材料の領域に完全に接触し、かつ、第２のスクライブを完全に充填する幅になっている。第１のスクライブの第１のセル側および第２のスクライブの第２のセル側の導電インクの過剰充填はある程度許容され、場合によって過剰充填が望ましいことさえあるが、過剰充填の横方向の範囲は、スクライブ幅未満の値に維持されることが理想的である。
３つの個別のレーザスクライブが使用されるため、基板または下部層が損傷する可能性を除去し、層と層の間に短絡が形成される危険を小さくし、また、破片の堆積を最少化するために、スクライブ毎にレーザプロセスパラメータを個々に最適化することができる。
また、基板にプロセスが加えられるシーケンスがインクジェットヘッドの位置によって画定されるよう、互いに対するヘッドの運動方向に沿って間隔を隔てた正しい位置で、個々のビーム送出ヘッドを処理ヘッドに取り付けることも可能である。５つのプロセスのための好ましいシーケンスは、
ａ． 第１のセルの範囲を画定するための、基板の表面まですべての層を貫通する第１のレーザスクライブ
ｂ． 第１のレーザスクライブに絶縁インクを堆積させるための第１のインクジェットプロセス
ｃ． 下部電極層まで２つの頂部層を貫通する第２のレーザスクライブプロセス
ｄ． 第１のセル側の頂部電極から第２のセル側の下部電極まで導電ブリッジを形成するために、絶縁インクの上に導電インクの帯を加えるための第２のインクジェットプロセス
ｅ． 第１および第２のセルを隔離し、かつ、第２のセルの範囲を画定するための、頂部電極層を貫通する第３のレーザスクライブプロセス
である。
レーザプロセスおよびインクジェットプロセスのこのシーケンスを使用することにより、スタック内の下部層は、露出される直前まで、もっと早いプロセスによって生じるレーザ切除破片および漂遊インク材料から保護された状態を維持し、また、セル相互接続プロセス全体が極めて頑丈になる。
例えば、第１のレーザプロセスによって生成される破片の一部、および第１の印刷プロセスによって堆積される絶縁インクの一部は、基板表面の、下部電極を露出させるために第２のレーザプロセスによって貫通してスクライブされる領域に形成される可能性がある。第２のレーザプロセスが第１のインクジェット印刷プロセスまたは第１のレーザプロセスに先行する場合、あらゆる漂遊破片または絶縁インクが第２のレーザスクライブ領域に入り、露出した下部電極層を汚染する可能性がある。第１のレーザプロセスおよび第１のインクジェット印刷プロセスの両方の後まで第２のレーザプロセスを待機することは、第２のレーザスクライブの領域の下部電極層が保護された状態を維持し、また、第２のレーザプロセスの間に、レーザによって２つの頂部層が切除される際に、その領域に再堆積されたすべての破片およびすべての絶縁インクが除去されることを意味している。
他の例として、第２のレーザプロセスによって生成される破片、および第２の印刷プロセスによって堆積される導電インクの一部は、基板表面の、頂部電極層を分離するために第３のレーザプロセスによって貫通してスクライブされる領域に形成される可能性がある。第３のレーザプロセスが第２の印刷プロセスまたは第２のレーザプロセス、さらには第１のレーザプロセスに先行する場合、あらゆる漂遊破片またはインクが、第２のセルの頂部表面の、第３のレーザスクライブ領域に堆積する可能性があり、また、スクライブ領域の両端間が電気接続される原因になる可能性がある。第１および第２の両方のレーザプロセスの後まで、また、第１および第２の両方の印刷プロセスの後まで第３のレーザスクライブプロセスを待機することは、相互接続故障のこの原因が除去されることを意味している。
上で示した好ましい処理シーケンスは、処理ヘッドのコンポーネントを、パネル全体にわたって一方向にのみ移動するヘッドとして動作させる場合に適している（コンポーネントは、その初期位置へ復帰するヘッドとして動作しない）。しかしながら、ヘッドのコンポーネントを、パネル上をいずれの方向にも（または両方向に）移動する処理ヘッドとして動作させる場合は、代替シーケンスが好ましい。５つのプロセスのためのこのシーケンスは、
ａ． 第１のセルの範囲を画定するための、基板の表面まですべての層を貫通する第１のレーザスクライブ
ｂ． 下部電極層まで２つの頂部層を貫通する第２のレーザスクライブプロセス
ｃ． 第１および第２のセルを隔離し、かつ、第２のセルの範囲を画定するための、頂部電極層を貫通する第３のレーザスクライブプロセス
ｄ． 第１のレーザスクライブに絶縁インクを堆積させるための第１のインクジェットプロセス
ｅ． 第１のセル側の頂部電極から第２のセル側の下部電極まで導電ブリッジを形成するために、絶縁インクの上に導電インクの帯を加えるための第２のインクジェットプロセス
である。
このシーケンスの場合、絶縁インクを送り出すための２つのインクジェットヘッド、および導電インクを送り出すための２つのインクジェットヘッドを単一の処理ヘッド上に取り付けることにより、いずれの移動方向にもヘッドを動作させることができる。その場合、個別のレーザおよびインクジェットヘッドがヘッド上に取り付けられる順序は、以下の通りである。
ａ． 第１の導電インクジェットヘッド
ｂ． 第１の絶縁インクジェットヘッド
ｃ． 第１、第２および第３のレーザビーム
ｄ． 第２の絶縁インクジェットヘッド
ｅ． 第２の導電インクジェットヘッド
処理ヘッドが一方の方向に移動すると、３つのすべてのレーザビームが動作するが、第１の絶縁インクジェットヘッドおよび第１の導電インクジェットヘッドのみが動作し、したがって処理シーケンスは、ｃ、ｂおよびａである。処理ヘッドが反対方向に移動すると、３つのすべてのレーザビームが動作するが、この場合、第１のインクジェットヘッドは起動されず、第２のインクジェットヘッドが起動されるため、処理シーケンスは、ｃ、ｄおよびｅである。
いくつかのプロセスは、他のプロセスに先行しなければならない。
１） 第１のレーザスクライブプロセスは、必ず第１の印刷プロセスに先行しなければならない。
２） 第１の印刷プロセスは、必ず第２の印刷プロセスに先行しなければならない。
３） 第２のレーザスクライブプロセスは、必ず第２の印刷プロセスに先行しなければならない。
これらの規則の範囲内でいくつかの異なる処理シーケンスが可能であるが、上で示した処理シーケンスが好ましい。また、絶縁インクおよび導電インクの両方の線の硬化は、熱によって実施されることが好ましく、また、この熱硬化プロセスは、レーザプロセスおよびインクジェット堆積プロセスを実行するために使用される装置とは別の装置を使用して、基板上の絶縁インクおよび導電インクのすべての線に対して同時に実行されることが好ましい。
第１、第２および第３の刻み目を生成するために使用されるレーザは、通常、ＩＲないしＵＶレンジ（つまり１０８０ｎｍから３４０ｎｍまでの波長）で動作するパルスＱ−スイッチタイプのレーザである。最も単純な場合、単一のレーザを単一の集束レンズと共に使用して、単一の相互接続構造に関連する３つのすべての刻み目が生成される。したがってこの場合、基板の表面に３つの焦点スポットを形成するためには、単一のビームを３つの成分に分割する必要がある。相互接続における切断分離は一般に小さく（０．１ないし０．２ｍｍの範囲内）、したがって３方向ビーム分割を構築するための好ましい方法は、単一の集束レンズの前段に配置された異なる光学素子（ＤＯＥ）または専用の多重ファセットプリズムエレメントを使用することである。このようなデバイスの場合、導入される、レーザビームの部分に対する角偏位（angular deviations）が小さく、したがって必要な値の焦点スポット分離がレンズの焦点に得られる。また、このようなデバイスの場合、デバイスを適切に設計することにより、個々のビーム中の相対パワーを設定することができる。
単一の相互接続構造に関連する第１、第２および第３のビームを生成する他の好ましい方法には、２つの異なるパルスレーザおよび単一の集束レンズの使用が含まれている。この場合、レーザは、下部材料層を損傷することなく上部層の除去が最適化される点でしばしば有利である異なる波長を有することができる。単一の相互接続構造のために必要な３つのビームを２つのレーザを使用して形成する場合、第１のレーザを使用してこれらのビームのうちの２つが形成され、また、第２のレーザを使用して第３のビームが形成される。ＤＯＥまたは単純な複プリズムを使用して、上で説明した、単一のレーザのみが使用され、かつ、ビームが３つの成分に分割される場合と同じ方法で第１のビームが２つの成分に分割される。第２のレーザからのビームは、第１のレーザから生成されるビームと結合され、すべてのビームが単一の集束レンズを通過して、必要な分離で３つのスポットが基板の表面に生成される。第１のレーザと第２のレーザの間の偏光または波長の差を使用して１つのビームを透過させ、かつ、他のビームを反射する専用の鏡を使用したビーム結合が広く使用されている。
基板を処理ヘッドに対して移動させるためにサーボモータ駆動ステージが使用されている。動作中、処理ヘッドを静止状態に維持し、２つの軸に沿った一連の線形移動でパネルをセル方向に対して平行の方向に移動させることができ、基板全体を１回通過する毎に、直角の方向にステップさせることができる。処理ヘッドは、１回通過する毎に単一のセル相互接続を処理することができ、あるいは好ましい状況では、処理ヘッドは、１回通過する毎に複数の相互接続を処理することができる。他のステージ構造も可能である。好ましい構造は、１つの軸に沿って移動する基板、および他の軸に沿って移動する処理ヘッドを有している。静止した基板上を２つの直交軸に沿って処理ヘッドが移動する構造も可能である。
本発明の他の好ましい任意選択の特徴は、本明細書の補足の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
以下、本発明について、単なる例にすぎないが、添付の図面を参照して説明する。
薄膜ソーラーパネル内でセルを電気的に相互接続するための標準方法を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｆは、レーザスクライビングの開始に先立って下部電極層のみが加えられている場合における、個別のレーザスクライビングステップおよび材料堆積ステップを使用してセルを形成し、かつ、相互接続するための標準方法を示す図である。プロセスのこのシーケンスは、既知の標準ソーラーパネル製造方法である。 図３Ａ〜図３Ｆは、レーザスクライビングの開始に先立って下部電極層および活性層の両方が加えられている場合における、個別のレーザスクライビングステップおよび材料堆積ステップを使用してセルを形成し、かつ、相互接続するための標準方法を示す図である。プロセスのこのシーケンスも同じく知られている。 図４Ａ〜図４Ｅは、レーザスクライビングの開始に先立って下部電極層、活性層および上部電極層がすべて加えられている場合における、個別のレーザスクライビングステップおよび材料堆積ステップを使用してセルを相互接続するための標準方法を示す図である。プロセスのこのシーケンスも同じく知られている。 本発明の第１の実施形態に係る装置の一部の拡大略平面図である。同図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２つのインクジェットノズルの配置が示されている。 図６Ａ〜図６Ｆは、図５に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの好ましいシーケンスを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る装置の一部の拡大略平面図である。 図８Ａ〜図８Ｄは、図７に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの好ましいシーケンスを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る装置の拡大略平面図である。 図１０Ａ〜図１０Ｅは、図９に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスのシーケンスを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る装置の拡大略平面図である。 図１２Ａ〜図１２Ｅは、図１１に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの時間シーケンスを示す図である。 本発明の好ましい実施形態に使用される処理ヘッドの一部の拡大略平面図である。同図には、レーザビームのアレイおよびインクジェットノズルのアレイを処理ヘッド上に取り付けることができる方法、ならびに図５および図６に示されているパネル上のワンパスで複数の隣接するセル相互接続構造を形成するために使用することができる方法が示されている。 本発明の他の実施形態に使用される処理ヘッドの一部の拡大略平面図である。レーザビームのアレイおよびインクジェットノズルのアレイを処理ヘッド上に取り付けることができる方法、ならびに図７および図８に示されているパネル上のワンパスで複数の隣接するセル相互接続構造を形成するために使用することができる方法が立証されている。 本発明の第５の実施形態に係る装置の拡大略平面図である。同図には、処理ヘッドをいずれかの方向に移動させることによって単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２組の関連するインクジェットノズルの配置が示されている。 本発明の第５の実施形態に使用される処理ヘッドの一部の拡大略平面図である。レーザビームのアレイおよびインクジェットノズルの２つのアレイを処理ヘッド上に取り付けることができる方法、ならびに図７および図１５に示されているパネル上のいずれかの方向のワンパスで複数の隣接するセル相互接続構造を形成するために使用することができる方法が立証されている。 第１、第２および第３のレーザビームを形成するために、単一のレーザからのビームを分割する回折光学素子を使用する装置を示す図である。 レーザからのビームを３つの角分離ビームに分割するためのプリズムタイプの光学コンポーネントの使用方法を示す図である。 レーザからのビームを３つの角分離ビームに分割するためのプリズムタイプの光学コンポーネントの使用方法を示す図である。 第１、第２および第３のレーザビームを形成するために、単一のレーザからのビームを分割するプリズムタイプの光学コンポーネントを使用する装置を示す図である。 次に第３のビームと結合される２つのレーザビームを形成するために、単一のレーザからのビームを分割する複プリズムまたは回折光学素子を使用する装置を示す図である。 基板を処理ヘッドに対して２つの方向に移動させる装置を示す図である。 １つまたは複数のレーザ、インクジェットヘッドおよび運動システムの動作を制御する装置を示す図である。
簡潔にするために、図に示されている層切断プロセスは、レーザ切除タイプのプロセスとして示されている。しかしながら、これらのレーザ切断プロセスのすべてまたはいくつかは、機械的スクライビングプロセスまたは他の切断プロセスに容易に置き換えることができることに留意されたい。
図１は従来技術であり、３つの層コーティングプロセスおよび３つのレーザスクライビングプロセスによって電気的に直列に接続された個別のセルに再分割されたソーラーパネルの断面を示したものである。基板１１は、下部電極層１２、活性層１３および頂部電極層１４の３つの層を有している。レーザスクライブ１５、１６および１７は、隣接するセル間の電気接続および隔離の形成を可能にしている。
図２は従来技術であり、２つの隣接するセル間の境界の近傍に存在するソーラーパネルの領域を示したものである。図２Ａないし図２Ｆは、セルを形成し、かつ、接続するために使用される様々なコーティング段階およびレーザスクライビング段階を示したものである。基板２１は、一般的にはガラスまたはプラスチックであるが、他の絶縁材料からできていてもよい。また、基板２１は、金属または絶縁コーティングが施された金属であってもよい。図２Ａでは、下部電極層２２が基板２１に加えられている。図２Ｂは、第１のレーザスクライブライン２３が基板２１まで下部電極層２２を貫通し、セル境界を画定している様子を示したものである。図２Ｃでは、活性層２４が基板に加えられ、第１のレーザスクライブラインを充填している。図２Ｄは、第１のライン２３に平行の第２のレーザスクライブライン２５が活性層２４を分離している様子を示したものである。図２Ｅでは、頂部電極層２６が基板に加えられ、第２のレーザスクライブライン２５を充填している。図２Ｆは、第２のライン２５に平行の第３のレーザスクライブライン２７が頂部電極層２６に完全に侵入し、かつ、活性層２４に部分的に、あるいは完全に侵入する最終段階を示したものである。
図３は、セル相互接続へ進行する前に下部電極層および活性層の両方が加えられる場合の一例を示す従来技術である。図３Ａは、２つのコーティング層３２および３２’が加えられた基板３１を示したものである。図３Ｂは、基板まで２つの層３２、３２’に侵入している第１のレーザスクライブライン３３を示したものである。図３Ｃは、絶縁流体３４が第１のレーザ刻み目３３に加えられる様子を示したものである。絶縁流体３４を第１のレーザ刻み目に加えるための方法の１つは、インクジェットノズルを使用することである。流体３４は、固体を形成するために引き続いて硬化される。図３Ｄは、第２のレーザスクライブライン３５が２つの層のうちの上部層３２’のみに侵入している様子を示したものである。図３Ｅは、第２のレーザスクライブライン３５を充填するために頂部電極層３６が加えられる様子を示したものである。図３Ｆは、第３のレーザスクライブライン３７が頂部電極層３６に完全に侵入し、かつ、活性層３２’に部分的に、または完全に侵入する最終段階を示したものである。
図４は、セル相互接続へ進行する前に、下部電極層、活性層および頂部電極層の３つのすべての層が加えられる場合の一例を示す従来技術である。図４Ａは、下部電極層４２、活性層４２’および上部電極層４２”からなる層のスタックを備えた基板４１を示したものである。これらの層は、中間レーザプロセスが一切介在することなく、連続的に加えられている。図４Ｂは、広い第１のレーザスクライブライン４３を示したものである。このスクライブライン４３は、層スタックのうちの頂部の２つの層４２’、４２”にのみ侵入しており、下部電極層４２はそのまま放置されている。図４Ｃは、より狭い第２のレーザスクライブライン４４が第１のスクライブライン４３内の一方の側に構築される様子を示したものである。この第２のスクライブライン４４は下部電極層４２に侵入し、下部電極材料４２のレッジ４５はそのまま残している。図４Ｄは、絶縁流体４６がインクジェットノズルによって第１のレーザスクライブ４３に加えられる様子を示したものである。流体４６は、固体を形成するために引き続いて硬化される。スクライブ４３への流体の塗布は、流体がスクライブライン４３の第１の側、つまりスクライブが基板まで侵入している側であって、下部電極材料４２のレッジ４５が存在している側とは反対側にのみ加えられるよう、慎重に制御される。図４Ｅは、絶縁材料４６が橋絡され、スクライブ４３の第１の側の頂部電極層４２”と、スクライブ４３の第２の側の下部電極材料のレッジ４５との間に電気接続が構築されるよう、導電流体４７がスクライブライン中に堆積される最終段階を示したものである。導電材料４７がスクライブ４３の第２の側の頂部電極４２”と接触しないこと保証するためには注意が必要である。
図５は、本発明による装置の一部の第１の好ましいバージョンを示したものである。この図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２つのインクジェットノズルの第１の配置が示されている。ソーラーパネル５１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを有している。これは、パネルに対する処理ヘッドの方向Ｘの相対運動によって相互接続が構築されることを意味している。隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域５２が図の右側に拡大して示されており、単一のセル相互接続構造に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。第１、第２および第３のレーザビーム５３、５３’および５３”は、３つのすべての層を貫通する第１のスクライブ５４、２つの頂部層を貫通する第２のスクライブ５４’、および頂部層を貫通する第３のスクライブ５４”をそれぞれ構築している。図には、処理ヘッドおよび処理ヘッドに取り付けられた、基板の表面で第１のレーザビーム５３が第２のレーザビーム５３’に先行し、第２のレーザビーム５３’が同様に第３のレーザビーム５３”に先行するよう、基板に対してＸ方向に移動するレーザビームが示されている。インクジェットノズル５５は処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビーム５３の位置を通る線上に位置している。このノズル５５は、絶縁流体５６の流れを注入して第１のレーザスクライブライン５４を充填している。また、より大きい第２のインクジェットノズル５７、あるいは複数のより小さいノズルは、同じく処理ヘッドに取り付けられており、処理ヘッドが基板上を移動する際に、第２のインクジェットノズル５７が第１のインクジェットヘッド５５および第２のレーザビーム５３’を追従するようにＸ方向に配置されている。この第２のインクジェットノズル５７は、導電流体５８の流れを注入している。ノズルは、流体５８が基板の表面に堆積され、既に加えられている絶縁流体５６の上に、第１のスクライブ５４の左側の上部電極表面から第２のスクライブ５４’のベースの下部電極表面まで延在する導電ブリッジが形成されるよう、Ｙ方向に配置されている。処理ヘッドが基板全体にわたってＸ方向に移動する際に、相互接続構造を形成し、かつ、完成するために実施される５つのプロセスの順序は以下の通りである。
１） 第１のレーザビーム５３による、３つのすべての層を貫通するレーザスクライブライン５４
２） 第１のレーザスクライブライン５４への、第１のインクジェットノズル５５によって送り出される絶縁インク５６の充填
３） 第２のレーザビーム５３’による、２つの頂部層を貫通するレーザスクライブライン５４’
４） 第２のインクジェットノズル５７によって送り出される導電インク５８を使用した、第１のレーザスクライブライン５４から第２のレーザスクライブライン５４’に到る導電ブリッジの形成
５） 第３のレーザビーム５３”による、頂部層を貫通するレーザスクライブライン ５４”
処理ヘッドを静止した基板の表面上を方向Ｘに移動させる（図に示されているように）代わりに、処理ヘッドを静止状態に保持し、かつ、パネルをＸ方向に逆方向に移動させることによって、レーザプロセスおよびインクジェットプロセスの同じシーケンスを達成することも可能である。
図６は、図５に示されている装置によって基板の表面に行われる（delivered）レーザプロセスおよびインクジェットプロセスのシーケンスを示したものである。図６Ａは、下部電極層、活性層および上部電極層からなる層６２のスタックが堆積された基板６１を示したものである。これらの層は、中間レーザプロセスが一切介在することなく、連続的に加えられている。図６Ｂは、次に実施される３つのレーザプロセスのうちの第１のプロセスを示したものである。基板６１まで３つのすべての層６２に侵入する第１のレーザスクライブライン６３が構築される。第１のレーザプロセスが終了した後、インクジェット印刷によって第１のレーザスクライブライン６３に直ちに絶縁材料が加えられる。図６Ｃは、第１のインクジェットノズル（図示せず）によって絶縁流体６４が第１のレーザスクライブライン６３に加えられる様子を示したものである。流体６４は、固体を形成するために直ちにＵＶ硬化されるか、あるいは後で熱硬化される。図６Ｄは、第１のスクライブライン６３に平行の第２のレーザスクライブライン６５が、下部電極層まで２つの頂部層を貫通して構築される次のステップを示したものである。図６Ｅは、導電性であるか、あるいは導電粒子を含んだ流体６６が第２のインクジェットノズル（図示せず）によって第１のスクライブライン６３内の絶縁材料６４の上に加えられ、また、同じく第２のレーザスクライブライン６５に加えられる次のステップを示したものである。流体６６は、固体を形成するために引き続いて熱硬化される。この導電材料６６によって、隣接するセルを直列に接続するために左側の頂部電極層を右側の底部電極層に電気接続するためのブリッジが絶縁材料６４の上に形成される。図６Ｆは、上部層に侵入する第３のレーザスクライブライン６７が、第２のスクライブライン６５に平行に、かつ、第１のスクライブライン６３とは反対側の第２のスクライブライン６５に沿って構築される、相互接続プロセスの最後のステップを示したものである。このスクライブは、活性層に部分的に、あるいは完全に侵入することも可能であるが、下部電極層を損傷してはならない。図５および６に示されているプロセスの好ましいシーケンスの利点は、
１） 第２のレーザスクライブプロセスを使用して、第１のレーザスクライブプロセスによって生成される、第２のスクライブラインの領域に堆積するあらゆる破片、ならびに上部電極の表面を越えて第２のスクライブラインの領域に広がる可能性のある堆積絶縁インクを除去することができること、および、
２） 第３のレーザスクライブプロセスを使用して、第２のレーザスクライブプロセスによって生成される、第３のスクライブラインの領域に堆積するあらゆる破片、ならびに上部電極の表面を越えて第３のスクライブラインの領域に広がる可能性のある堆積導電インクを除去することができることである。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る装置の一部の第２のバージョンを示したものである。この図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２つのインクジェットノズルの第２の配置が示されている。ソーラーパネル７１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを有している。これは、パネルに対する処理ヘッドのＸ方向の移動によって相互接続が構築されることを意味している。隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域７２が図の右側に拡大して示されており、単一のセル相互接続構造に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。第１、第２および第３のレーザビーム７３、７３’および７３”は、３つのすべての層を貫通する第１のスクライブ７４、２つの頂部層を貫通する第２のスクライブ７４’、および頂部層を貫通する第３のスクライブ７４”をそれぞれ構築している。図には、処理ヘッドおよび処理ヘッドに取り付けられた、基板の表面で第１のレーザビーム７３が第２のレーザビーム７３’に先行し、第２のレーザビーム７３’が同様に第３のレーザビーム７３”に先行するよう、Ｘ方向に移動するレーザビームが示されている。これらの３つのビームの他の順序も可能であり、あるいは３つのすべてを基板の表面全体にわたって列をなして移動させることも可能である。インクジェットノズル７５は処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビーム７３の位置を通る線上に位置している。このノズル７５は、絶縁流体７６の流れを注入して第１のレーザスクライブ７４を充填している。また、より大きい第２のインクジェットノズル７７、あるいは複数のより小さいノズルが同じく処理ヘッドに取り付けられており、処理ヘッドが基板上を移動する際に、第２のインクジェットヘッド７７が第１のインクジェットヘッド７５を追従するようにＸ方向に配置されている。この第２のインクジェットノズル７７は、導電流体７８の流れを注入している。ノズル７７は、流体７８が基板の表面に堆積され、既に加えられている絶縁流体７６の上に、第１のスクライブ７４の左側の上部電極表面から第２のスクライブ７４’のベースの下部電極表面まで延在する導電ブリッジが形成されるよう、Ｙ方向に配置されている。処理ヘッドが基板全体にわたってＸ方向に移動する際に、相互接続構造を形成し、かつ、完成するために実施される５つのプロセスの順序は以下の通りである。
１） 第１、第２および第３のレーザビーム７３、７３’、７３”を使用した３つのレーザスクライブの実行
２） 第１のインクジェットノズル７５によって送り出される絶縁インク７６の第１のレーザスクライブライン７４への充填
３） 第２のインクジェットノズル７７によって送り出される導電インク７８を使用した、第１のレーザスクライブライン７４から第２のレーザスクライブライン７４’にわたる導電ブリッジの形成
図に示されているように処理ヘッドを静止した基板の表面上を方向Ｘに移動させる代わりに、処理ヘッドを静止状態に保持し、かつ、パネルをＸ方向に逆方向に移動させることによって、レーザプロセスおよびインクジェットプロセスの同じシーケンスが達成される。
図８は、図７に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの時間シーケンスを示したものである。図８Ａは、下部電極層、活性層および上部電極層からなる層８２のスタックが堆積された基板８１を示したものである。これらの層は、中間レーザプロセスが一切介在することなく、連続的に加えられている。図８Ｂは、次に実施される３つのレーザプロセスを示したものである。基板まで３つのすべての層に侵入する第１のレーザスクライブ８３が構築される。第２のレーザスクライブ８４は２つの頂部層に侵入しているが、下部電極層には侵入していない。第３のレーザスクライブ８５は頂部電極層に侵入しており、活性層に侵入することも可能である。これらの３つのレーザスクライブは、正確に同じ時間に実行することも、あるいはそれらを逐次実行することも可能である。これらの３つのレーザスクライブを構築する順序は重要ではない。３つのすべてのレーザプロセスが終了した後、インクジェット印刷によって材料が加えられる。図８Ｃは、インクジェットノズル（図示せず）によって絶縁流体８６が第１のレーザスクライブ８３に加えられる様子を示したものである。流体８６は、固体を形成するために直ちにＵＶ硬化されるか、あるいは後で熱硬化される。図８Ｄは、導電性であるか、あるいは導電粒子を含んだ流体８７がインクジェットノズル（図示せず）によって第１のスクライブ８３内の絶縁材料８６の上に加えられ、また、同じく第２のレーザスクライブ８４に加えられる次のステップを示したものである。流体８７は、固体を形成するために引き続いて熱硬化される。流体８７は、第３のスクライブ８５中には展開していない。この導電材料８７によって、隣接するセルを直列に接続するために左側の頂部電極層を右側の底部電極層に電気接続するためのブリッジが絶縁材料８６の上に形成される。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る装置の一部の第３のバージョンを示したものである。この図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２つのインクジェットノズルの第３の配置が示されている。ソーラーパネル９１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを有している。これは、処理ヘッドに対するパネル９１のＸ方向の移動によって相互接続が構築されることを意味している。隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域９２が図の右側に拡大して示されており、単一のセル相互接続構造に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。第１、第２および第３のレーザビーム９３、９３’および９３”は、３つのすべての層を貫通する第１のスクライブ９４、２つの頂部層を貫通する第２のスクライブ９４’、および頂部層を貫通する第３のスクライブ９４”をそれぞれ構築している。インクジェットノズル９５は処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビームの位置を通る線上に位置している。このノズルは、絶縁流体９６の流れを注入して第１のレーザスクライブ９４を充填している。また、より大きい第２のインクジェットノズル９７、あるいは複数のより小さいノズルが同じく処理ヘッドに取り付けられており、処理ヘッドが基板上を移動する際に、第２のインクジェットヘッド９７が第１のインクジェットヘッド９５を追従するようにＸ方向に配置されている。この第２のインクジェットノズル９７は、導電流体９８の流れを注入している。ノズル９７は、流体９８が基板の表面に堆積され、既に加えられている絶縁流体９６の上に、第１のスクライブ９４の左側の上部電極表面から第２のスクライブ９４’のベースの下部電極表面まで延在する導電ブリッジが形成されるよう、Ｙ方向に配置されている。処理ヘッドが基板全体にわたってＸ方向に移動する際に、相互接続構造を形成し、かつ、完成するために実施される５つのプロセスの順序は以下の通りである。
１） 第１のレーザビーム９３を使用した第１のレーザスクライブ９４の実行
２） 第１のインクジェットノズル９５によって送り出される絶縁インク９６の第１のレーザスクライブライン９４への充填
３） それぞれ第２および第３のレーザビーム９３’、９３”を使用した第２および第３のレーザスクライブ９４’および９４”の実行
４） 第２のインクジェットノズル９７によって送り出される導電インク９８を使用した、第１のレーザスクライブライン９４から第２のレーザスクライブライン９４’にわたる導電ブリッジの形成
処理ヘッドを静止した基板の表面上を方向Ｘに移動させる（図に示されているように）代わりに、処理ヘッドを静止状態に保持し、かつ、パネルをＸ方向に逆方向に移動させることによって、レーザプロセスおよびインクジェットプロセスの同じシーケンスを達成することも可能である。
図１０は、図９に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの時間シーケンスを示したものである。図１０Ａは、下部電極層、活性層および上部電極層からなる層１０２のスタックが堆積された基板１０１を示したものである。これらの層は、中間レーザプロセスが一切介在することなく、連続的に加えられている。図１０Ｂは、次に実施される第１のレーザプロセスを示したものである。基板まで３つのすべての層に侵入する第１のレーザスクライブ１０３が構築される。第１のレーザビームがこれらの層を貫通してスクライブした後、インクジェットプロセスが実施される。図１０Ｃは、インクジェットノズル（図示せず）によって絶縁流体１０４が第１のレーザスクライブ１０３に加えられる様子を示したものである。流体１０４は、固体を形成するために直ちにＵＶ硬化されるか、あるいは後で熱硬化される。このインクジェットプロセスに引き続いて、第２および第３のレーザスクライブが実施される。図１０Ｄは、２つの頂部層に侵入し、下部電極層には侵入しない第２のレーザスクライブ１０５を示したものである。また、この図１０Ｄには、第２のスクライブ１０５に平行に、かつ、第１のスクライブ１０３とは反対側の第２のスクライブ１０５に沿って構築される第３のレーザスクライブ１０６が示されている。このスクライブ１０６は、活性層に部分的、または完全に侵入することも可能であるが、下部電極層を損傷してはならない。第２および第３のレーザスクライブ１０５、１０６は、正確に同じ時間に実行することも、あるいはそれらを逐次実行することも可能である。これらのレーザスクライブを構築する順序は重要ではない。第２および第３のレーザスクライブ１０５、１０６が構築された後、最後のインクジェット印刷プロセスでセルの相互接続が完了する。図１０Ｅは、導電性であるか、あるいは導電粒子を含んだ流体１０７がインクジェットノズル（図示せず）によって第１のスクライブ１０３内の絶縁材料の上に加えられ、また、同じく第２のレーザスクライブ１０５に加えられる最後のステップを示したものである。流体１０７は、固体を形成するために引き続いて熱硬化される。流体１０７は、第３のスクライブ１０６中には展開していない。この導電材料１０７によって、隣接するセルを直列に接続するために左側の頂部電極層を右側の底部電極層に電気接続するためのブリッジが絶縁材料１０４の上に形成される。
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る装置の一部の第４のバージョンを示したものである。この図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび２つのインクジェットノズルの第４の配置が示されている。ソーラーパネル１１１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを有している。これは、処理ヘッドに対するパネルのＸ方向の移動によって相互接続が構築されることを意味している。隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域１１２が図の右側に拡大して示されており、単一のセル相互接続構造に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。第１、第２および第３のレーザビーム１１３、１１３’および１１３”は、３つのすべての層を貫通する第１のスクライブ１１４、２つの頂部層を貫通する第２のスクライブ１１４’、および頂部層を貫通する第３のスクライブ１１４”をそれぞれ構築している。図には、処理ヘッドおよび処理ヘッドに取り付けられた、基板の表面で第１のレーザビーム１１３が第２のレーザビーム１１３’に先行し、第２のレーザビーム１１３’が同様に第３のレーザビーム１１３”に先行するよう、Ｘ方向に移動するレーザビームが示されている。インクジェットノズル１１５は処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビーム１１３の位置を通る線上に位置している。このノズル１１５は、絶縁流体１１６の流れを注入して第１のレーザスクライブ１１４を充填している。また、より大きい第２のインクジェットノズル１１７、あるいは複数のより小さいノズルが同じく処理ヘッドに取り付けられており、処理ヘッドが基板上を移動する際に、第２のインクジェットヘッド１１７が第１のインクジェットヘッド１１５を追従するようにＸ方向に配置されている。この第２のインクジェットノズル１１７は、導電流体１１８の流れを注入している。ノズル１１７は、流体１１８が基板の表面に堆積され、既に加えられている絶縁流体１１６の上に、第１のスクライブ１１４の左側の上部電極表面から第２のスクライブ１１４’のベースの下部電極表面まで延在する導電ブリッジが形成されるよう、Ｙ方向に配置されている。処理ヘッドが基板全体にわたってＸ方向に移動する際に、相互接続構造を形成し、かつ、完成するために実施される５つのプロセスの順序は以下の通りである。
１） 第１および第２のレーザビーム１１３、１１３’を使用した第１および第２のレーザスクライブ１１４、１１４’の実行
２） 第１のインクジェットノズル１１５によって送り出される絶縁インク１１６の第１のレーザスクライブライン１１４への充填
３） 第２のインクジェットノズル１１７によって送り出される導電インク１１８を使用した、第１のレーザスクライブライン１１４から第２のレーザスクライブライン１１４’にわたる導電ブリッジの形成
４） 第３のレーザビーム１１３”を使用した第３のレーザスクライブ１１４”の実行
処理ヘッドを静止した基板の表面上を方向Ｘに移動させる（図に示されているように）代わりに、処理ヘッドを静止状態に保持し、かつ、パネルをＸ方向に逆方向に移動させることによって、レーザプロセスおよびインクジェットプロセスの同じシーケンスを達成することも可能である。
図１２は、図１１に示されている装置によって基板の表面に行われるレーザプロセスおよびインクジェットプロセスの時間シーケンスを示したものである。図１２Ａは、下部電極層、活性層および上部電極層からなる層１２２のスタックが堆積された基板１２１を示したものである。これらの層は、中間レーザプロセスが一切介在することなく、連続的に加えられている。図１２Ｂは、次に実施される２つのレーザプロセスを示したものである。基板まで３つのすべての層に侵入する第１のレーザスクライブ１２３が構築される。第２のレーザスクライブ１２４は２つの頂部層に侵入しているが、下部電極層には侵入していない。これらの２つのレーザスクライブは、正確に同じ時間に実行することも、あるいはそれらを逐次実行することも可能である。これらの２つのレーザスクライブを構築する順序は重要ではない。両方のレーザプロセスが終了した後、インクジェット印刷によって材料が加えられる。図１２Ｃは、インクジェットノズル（図示せず）によって絶縁流体１２５が第１のレーザスクライブ１２３に加えられる様子を示したものである。流体１２５は、固体を形成するために直ちにＵＶ硬化されるか、あるいは後で熱硬化される。図１２Ｄは、導電性であるか、あるいは導電粒子を含んだ流体１２６がインクジェットノズル（図示せず）によって第１のスクライブ１２３内の絶縁材料１２５の上に加えられ、また、同じく第２のレーザスクライブ１２４に加えられる次のステップを示したものである。流体１２６は、固体を形成するために引き続いて熱硬化される。導電材料１２６によって、隣接するセルを直列に接続するために左側の頂部電極層を右側の底部電極層に電気接続するためのブリッジが絶縁材料１２５の上に形成される。図１２Ｅは、上部層１２７に侵入する第３のレーザスクライブが、第２のスクライブに平行に、かつ、第１のスクライブとは反対側の第２のスクライブに沿って構築される、相互接続プロセスの最後のステップを示したものである。このスクライブは、活性層に部分的に、あるいは完全に侵入することも可能であるが、下部電極層を損傷してはならない。導電インクジェット塗布プロセスの後にこの第３のレーザスクライブを実施する利点は、レーザスクライブを使用して、上部電極の表面を越えて第３のスクライブの領域に広がる可能性のあるあらゆる導電インクを除去することができることである。
図１３は、図５に示されている個々の相互接続処理ユニットが、複数の相互接続構造を並列に処理することができるデバイスに拡張される様子を示したものである。１３１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを備えたソーラーパネルである。１３２は、いくつかのセル間の接続を含んだパネル１３１の領域である。この領域１３２は、図の右側に拡大されており、（この場合）５つのセル相互接続構造１３３に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。１３４は、５つの並列の第１のレーザビーム１３５を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスは、ビームのＹ方向の間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。５つのビームの行によって、３つの層を貫通する５つの平行の第１の刻み目が構築される。１３６は、２つの頂部層を貫通する５つの平行の第２の刻み目を構築するために、５つの並列の第２のレーザビームを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ビームの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに同じく回転させることができる。１３７は、頂部層を貫通する５つの平行の第３の刻み目を構築するために、５つの並列の第３のレーザビームを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ビームの間隔を正しく設定するために、用紙中への軸の周りに回転させることができる。１３８は、５つの第１のレーザ刻み目に絶縁流体の５つの平行線を加えるために、５つの並列の第１のインクジェットノズル１３９を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。１３１０は、５つの第１の刻み目の絶縁流体の上、および５つの第２のレーザ刻み目に導電流体の５つの平行線を加えるために、５つの並列の第２のインクジェットノズル１３１１を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。パネル１３１および処理ヘッドは、互いに対してＸ方向に移動し、したがって基板の領域は、連続的に、
１） 第１のレーザビームの行
２） 第１のインクジェットヘッドの行
３） 第２のレーザビームの行
４） 第２のインクジェットヘッドの行
５） 第３のレーザビームの行
を見ることになる。
図１４は、図７に示されている個々の相互接続処理ユニットが、複数の相互接続構造を並列に処理することができるデバイスに拡張される様子を示したものである。１４１は、その長さＹに沿って複数のセルを備えたソーラーパネルである。１４２は、いくつかのセル間の接続を含んだパネル１４１の領域である。この領域１４２は、図の右側に拡大されており、（この場合）５つのセル相互接続構造１４３に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。１４４は、５つの並列の第１のレーザビーム１４５を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスは、ビームのＹ方向の間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。５つのビームの行によって、３つの層を貫通する５つの平行の第１の刻み目が構築される。１４６は、２つの頂部層を貫通する５つの平行の第２の刻み目を構築するために、５つの並列の第２のレーザビームを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ビームの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。１４７は、頂部層を貫通する５つの平行の第３の刻み目を構築するために、５つの並列の第３のレーザビームを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ビームの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。１４８は、５つの第１のレーザ刻み目に絶縁流体の５つの平行線を加えるために、５つの並列の第１のインクジェットノズル１４９を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。１４１０は、５つの第１の刻み目の絶縁流体の上、および５つの第２のレーザ刻み目に導電流体の５つの平行線を加えるために、５つの並列の第２のインクジェットノズル１４１１を線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。パネル１４１および処理ヘッドは、互いに対してＸ方向に移動し、したがって基板の領域は、連続的に、
１） 第１のレーザビームの行
２） 第２のレーザビームの行
３） 第３のレーザビームの行
４） 第１のインクジェットノズルの行
５） 第２のインクジェットノズルの行
を見ることになる。
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る装置の一部を示したものである。この図には、単一のセル相互接続構造を構築するために処理ヘッドに取り付けられる３つのレーザビームおよび関連するインクジェットノズルの第５の配置が示されている。この場合、いずれかの方向のヘッドの動作が許容されるよう、２つの第１のインクジェットヘッドおよび２つの第２のインクジェットヘッドが取り付けられている。ソーラーパネル１５１は、その方向Ｙの長さに沿って複数のセルを有している。これは、処理ヘッドに対するパネルのＸ方向におけるいずれかの方向への移動によって相互接続が構築されることを意味している。隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域１５２が図の右側に拡大して示されており、単一のセル相互接続構造に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。第１、第２および第３のレーザビーム１５３、１５３’および１５３”は、３つのすべての層を貫通する第１のスクライブ、２つの頂部層を貫通する第２のスクライブ、および頂部層を貫通する第３のスクライブをそれぞれ構築している。２つの第１のインクジェットノズル１５４、１５４’は処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビーム１５３の位置を通る線上の、第１のレーザビームの各々の側に位置している。これらの第１のノズルは、絶縁流体の流れを注入して第１のレーザスクライブを充填している。また、２つのより大きい第２のインクジェットノズル、あるいは複数のより小さいノズル１５５、１５５’が同じく処理ヘッドに取り付けられており、Ｘ方向に平行で、かつ、第１のレーザビーム１５３の近傍の位置を通る線上の、第１のレーザビームの各々の側に位置している。これらの第２のインクジェットノズルは、導電流体の流れを注入している。ノズル１５５、１５５’は、基板の表面に堆積された導電流体が、既に加えられている絶縁流体の上に、第１のスクライブの左側の上部電極表面から第２のスクライブのベースの下部電極表面まで延在する導電ブリッジを形成するよう、Ｙ方向に配置されている。処理ヘッドが基板全体にわたってＸ方向のいずれかに移動する際に、相互接続構造を形成し、かつ、完成するために実施される５つのプロセスの順序が以下の通りになるよう、個々の第１のインクジェットノズルのいずれか一方、および対応する第２のインクジェットノズルのいずれか一方が駆動される。
１） 第１、第２および第３のレーザビームを使用した第１、第２および第３のレーザスクライブの実行
２） ヘッドが移動する方向に応じて第１のインクジェットノズル１５４または１５４’のいずれかによって送り出される絶縁インクの第１のレーザスクライブラインへの充填
３） ヘッドが移動する方向に応じて第２のインクジェットノズル１５５または１５５’のいずれかによって送り出される導電インクを使用した、第１のレーザスクライブラインから第２のレーザスクライブラインにわたる導電ブリッジの形成
処理ヘッドを静止した基板の表面上を方向Ｘに移動させる（図に示されているように）代わりに、処理ヘッドを静止状態に保持し、かつ、パネルをＸ方向に逆方向に移動させることによって、レーザプロセスおよびインクジェットプロセスの同じシーケンスを達成することも可能である。
図１６は、図１５に示されている個々の相互接続処理ユニットが、複数の相互接続構造を並列に同時に処理することができるデバイスを提供するために拡張される様子を示したものである。１６１は、その長さＹに沿って複数のセルを備えたソーラーパネルである。１６２は、いくつかのセル間の接続を含んだパネル１６１の領域である。この領域１６２は、図の右側に拡大されており、（この場合）５つのセル相互接続構造１６３に対応する関連するレーザビームおよびインクジェットノズルを備えた可動処理ヘッドの一部が示されている。１６４は、５つの並列の第１、第２および第３のレーザビーム１６５を線に沿って配置するデバイスである。個々のビームは示されていない。このデバイスは、ビームのＹ方向の間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。５組の第１、第２および第３のビームの行によって、３つの層を貫通する５つの平行の第１の刻み目、第２および第３の層を貫通する５つの平行の第２の刻み目、および頂部層を貫通する５つの平行の第３の刻み目が構築される。１６６、１６６’は、それぞれ、５つの第１のレーザ刻み目に絶縁流体の５つの平行線を加えるために５つの並列の第１のインクジェットノズルを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。絶縁インクの塗布が第１のレーザ刻み目を追従するよう、処理ヘッドが基板の表面に対してＸ方向を移動する方向に応じて、第１のインクジェットノズルの組１６６、１６６’のいずれかが駆動される。１６７、１６７’は、それぞれ、５つの第１の刻み目の絶縁流体の上および５つの第２のレーザ刻み目に導電流体の５つの平行線を加えるために、５つの並列の第２のインクジェットノズルを線に沿って配置するデバイスである。このデバイスも、ノズルの間隔を正しく設定するために、用紙に対して直角の軸の周りに回転させることができる。導電インクの塗布が、第１および第２のレーザ刻み目を追従する絶縁インクの塗布を追従するよう、処理ヘッドが基板の表面に対してＸ方向を移動する方向に応じて、第２のインクジェットノズルの組１６７、１６７’のいずれかが駆動される。パネル１５１および処理ヘッドは、互いに対してＸ方向のいずれかに移動し、したがって基板の領域は、連続的に、
１） 第１、第２および第３のレーザビームの行
２） 第１のインクジェットノズルの行
３） 第２のインクジェットノズルの行
を見ることになる。
図１７は、単一のセル間相互接続構造を基板上に生成するために、単一のレーザユニットからのビームを分割して１組の第１、第２および第３のレーザビームを形成する装置を示したものである。これらの３つのレーザビームと関連している第１および第２のインクジェットヘッドは、この図には示されていない。パルスレーザユニット１７１は、基板１７５の表面に焦点スポットを形成するために鏡１７３によって、集束レンズ１７４を介して導かれるビーム１７２を放出する。ビーム中に置かれた回折光学素子（ＤＯＥ）１７６によってビームが３つの角分離ビーム（angularly separated beams）に分割され、これらの各々がレンズ１７４によって集束し、それにより、単一の相互接続構造に関連する第１、第２および第３のレーザビームに対応する１列の３つの焦点スポット１７７が基板の表面に生成される。レーザビーム１７２の特性およびレンズ１７４の焦点距離によって表面の焦点スポットのサイズが画定される。ＤＯＥ１７６の設計によって３つのビーム間の角間隔（angular spacing）が画定され、ひいてはレンズの焦点距離と相俟って基板表面のスポットの分離が画定される。ＤＯＥは、第１、第２および第３のレーザ切断プロセスに対する個別の要求事項に合致するよう、個々のスポット中の相対レーザパワーを制御するように設計することも可能である。ＤＯＥを回転させることにより、移動方向に対して直角の方向の焦点スポット間隔を調整することができる。レーザビームを複数の個別のビームに分割するためのＤＯＥの使用はよく知られている。
実際には、０．０５ｍｍないし０．１ｍｍの範囲のレーザスポットサイズが、このスポット径の２倍または３倍のスポット間間隔で使用される。基板の表面まで３つのすべての層を貫通する第１の切断を実施するための第１のビームに必要なレーザパワーは、通常、第２および第３のビームに必要なレーザパワーより著しく大きい。例えば、モリブデンの下部電極層、ＣＩＧＳの活性層およびＺｎＯの上部電極層からなり、基板の表面を毎秒２００ｍｍの速度で移動する直径０．１ｍｍのレーザスポットを生成するＩＲレーザを備えたソーラーパネルの場合、第１の切断を首尾よく実施するための第１のビーム中のレーザパワーは５Ｗないし１０Ｗの範囲であり、一方、第２および第３の切断のための第２および第３のビームに必要なパワーは、数Ｗにすぎないことが分かっている。
図１８Ａおよび図１８Ｂは、単一のセル間相互接続構造を基板上に生成するために、単一のレーザユニットからのビームを分割して１組の第１、第２および第３のレーザビームを形成する装置の他の例を示したものである。図１８Ａは、特殊な切頭透過複プリズム１８２に当たる丸いレーザビーム１８１の平面図を示したものである。デバイスの中央の領域１８３は、２つのプリズム領域１８４、１８４’を分離している平らな領域である。複プリズムの中心は、ビームの中心から変位している。図１８Ｂは、特殊な切頭複プリズム１８２を通過し、３つの個別の角分離ビーム１８５、１８６、１８７に分割されるレーザビーム１８１の側面図を示したものである。デバイスの平らな部分１８３に入射するレーザビーム１８１の一部は、偏位することなくデバイスを通過してビーム１８５を形成する。デバイスの２つのプリズム部分１８４、１８４’を通過するレーザビームの部分は、偏位してそれぞれビーム１８６および１８７を形成する。複プリズムはレーザビームの中心から変位しているため、ビーム１８６と比較すると、より多くのレーザパワーがビーム１８７中に送出される。複プリズムの切頭領域１８３の幅を調整し、かつ、ビームの中心からの複プリズムの中心の変位を調整することにより、個々のビーム中のパワーを必要なレベルに設定することができる。ビームを複数の角分離ビームに分割するための様々なタイプの複プリズムの使用はよく知られている。
図１９は、図１８に示されているプリズムデバイスが、単一のセル間相互接続構造を基板上に生成するために、単一のレーザユニットからのビームを分割して１組の第１、第２および第３のレーザビームを形成するために使用される装置を示したものである。これらの３つのレーザビームと関連している第１および第２のインクジェットヘッドは、この図には示されていない。パルスレーザユニット１９１は、基板１９５の表面に焦点スポットを形成するために鏡１９３によって、集束レンズ１９４を介して導かれるビーム１９２を放出する。ビーム中に置かれた切頭複プリズムデバイス１９６によってビームが３つの角分離ビームに分割され、これらの各々がレンズ１９４によって集束し、それにより、単一の相互接続構造に関連する第１、第２および第３のレーザビームに対応する１列の３つの焦点スポット１９７が基板の表面に生成される。レーザビーム１９２の特性およびレンズ１９４の焦点距離によって表面の焦点スポットのサイズが画定される。切頭複プリズムデバイス１９６の設計によって３つのビーム間の角間隔が画定され、ひいてはレンズの焦点距離と相俟って基板表面のスポットの分離が画定される。また、複プリズムは、第１、第２および第３のレーザ切断プロセスに対する個別の要求事項に合致するよう、個々のスポット中の相対レーザパワーを制御するように設計することも可能である。複プリズムをその中心を通り、かつ、その表面に対して直角の軸の周りに回転させることにより、基板の移動方向に対して直角の方向の焦点スポット間隔を調整することができる。
図２０は、単一のセル間相互接続構造を基板上に生成するために、第１のレーザユニットからのビームが分割されて、第１、第２または第３のレーザビームのうちの２つが形成され、次に、全部で３つのビームを形成するためにこれらの２つのレーザビームが第２のレーザからのビームと結合される装置を示したものである。これらの３つのレーザビームと関連している第１および第２のインクジェットヘッドは、この図には示されていない。第１のパルスレーザユニット２０１は、基板２０５の表面に焦点スポットを形成するためにビーム結合鏡２０３によって、集束レンズ２０４を介して導かれるビーム２０２を放出する。ビーム２０２中に置かれたＤＯＥまたは複プリズムであってもよい光学素子２０６によってビームが２つの角分離ビームに分割され、これらの各々がレンズ２０４によって集束し、それにより、単一の相互接続構造に関連する第１、第２または第３のレーザビームのうちの任意の２つに対応する２つの焦点スポット２０７、２０７’が基板の表面に生成される。レーザビーム２０２の特性およびレンズ２０４の焦点距離によって表面の焦点スポットのサイズが画定される。ＤＯＥまたは複プリズム２０６の設計によって２つのビーム間の角間隔が画定され、ひいてはレンズの焦点距離と相俟って基板表面のスポットの分離が画定される。ＤＯＥまたは複プリズムをその中心を通り、かつ、その表面に対して直角の軸の周りに回転させることにより、基板の移動方向に対して直角の方向の焦点スポット間隔を調整することができる。
第２のレーザユニット２０８は、基板２０５の表面に焦点スポット２０１１を形成するために鏡２０１０によって、ビーム結合鏡２０３を介して、かつ、集束レンズ２０４を介して導かれるビーム２０９を放出する。鏡２０１０を調整することにより、第２のレーザ２０１１によって生成される焦点スポットを、第１のレーザビーム２０７、２０７’によって生成される２つのスポットに対して基板表面の任意の所望の位置に配置することができる。第２のレーザユニット２０８は、第１のレーザユニット２０１の動作波長と同じ動作波長を有することも、あるいは異なる動作波長を有することもできる。第１および第２のレーザの波長が同じである場合、ビーム結合鏡２０３は偏光に敏感であり、したがっていわゆるｐ−偏光で入射するビームを透過させ、また、いわゆるｓ−偏光を有するレーザビームを反射させる。したがって、図に示されている事例の場合、第１のレーザ２０１は、ビーム結合鏡２０３でｓ−偏光されることになり、また、第２のレーザ２０８はｐ−偏光されることになる。同じ波長の２つのレーザを使用することにより、１つのレーザスクライブを他の２つのレーザスクライブとは異なる反復率および異なるパルス幅で動作させることができる。第１および第２のレーザの波長が異なる場合、ビーム結合鏡２０３は波長に敏感であり、したがって第１のレーザ２０１からのビームを反射させ、また、第２のレーザ２０８からのビームを透過させる。一方または両方のビーム中に置かれたビーム発散補償光学２０１２は、通常、共通の集束レンズを使用して２つのレーザからのビームを基板上に集束させる場合に必要である。これは、ビームが異なる波長を有している場合にとりわけ重要であるが、波長が同じである場合にも同じく望ましい。波長が異なる２つのレーザを使用することにより、１つのレーザスクライブを他の２つのレーザスクライブとは異なる波長で動作させることができる。このような構造は、第１の層を損傷することなく２つの上部層に刻み目を構築する点でしばしば有利である。様々なレーザ刻み目を構築するための好ましいレーザ波長は、ＩＲレンジ、可視レンジおよびＵＶレンジ内である。特定の例は、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍである。偏光タイプまたは波長感応（いわゆる二色性）タイプのビーム結合鏡の使用はよく知られている。
図２１は、薄膜ソーラーパネル上でセル相互接続プロセスを実施するのに適した装置を示したものである。ソーラーパネル２１１は、サーボモータ２１４、２１４’によって駆動される並進ステージ２１３および２１３’の上に取り付けられた平らなチャックプレート２１２上に取り付けられており、したがってパネルの縁に平行の２つの直交方向ＸおよびＹにパネルを移動させることができる。レーザユニット２１５からのビームは、鏡２１６、２１６’によって、パネルの上に取り付けられた処理ヘッド２１７に導かれる。処理ヘッド内の、ビームを第１、第２および第３のレーザビームに分割するための光学の詳細、ならびに処理ヘッド上の関連する第１および第２のインクジェットヘッドの詳細は、この図には示されていない。動作中、処理ヘッドは静止しており、パネルが一連の線形移動でＹ方向に移動し、基板全体を１回通過する毎にＸ方向にステップする。処理ヘッドは、１回通過する毎に単一のセル相互接続を処理することができ、あるいは好ましい状況では、１回通過する毎に複数の相互接続を処理することができる。図には、静止している処理ヘッド、および２つの軸に沿って移動する基板が示されているが、実際には他の構造も可能である。好ましい構造は、１つの軸に沿って移動する基板、および他の方向に移動する処理ヘッドを有している。処理ヘッドが静止した基板上を２つの直交軸に沿って移動する構造も可能である。
図２２は、図２１に示されている機器を制御するのに適した装置を示したものである。制御ユニット２２１は、レーザ２２２、ステージサーボモータ２２３、２２３’およびインクジェットプリントヘッドコントローラ２２４、関連するインクジェット送り出しシステム２２５、および処理ヘッド２２６内に取り付けられたインクジェットプリントヘッドを制御する信号を生成している。上で説明した実施形態では、第１、第２および第３の刻み目は、すべて、関連する１つまたは複数の層を貫通して切断するレーザビームを使用して形成されている。多くの場合、これは、刻み目を形成するための好ましい方法であるが、処理ヘッド上の複数のカッタユニットのうちの１つまたは複数は、他の形態のカッタ手段を備えることができる。１つまたは複数の層を貫通して刻み目を形成するための他の方法は、レーマンプレシジョンテクニクゲーエムベーハー（Lehman Praezisionstechnik GmbH）によって製造されている精密ユニットなどの精密ユニットによって運ばれる微細ワイヤまたは複数の平行スタイラスなどの機械式スクライバを使用する方法である。したがって、上で説明した実施形態では、複数のレーザのうちの１つまたは複数を機械式スクライバに置き換えることができる。
多くの場合、第１の刻み目はレーザを使用して形成されるが、第２および第３の刻み目は、レーザまたは機械式スクライバによって形成することができる。しかしながら、すべての刻み目をレーザによって形成することも可能であり（上で説明したように）、すべての刻み目を機械式スクライバによって形成することも可能であり、あるいはレーザおよび機械式スクライバの任意の組合せによって形成することも可能である。
１１、２１、３１、４１、６１、８１、１０１、１２１、１７５、１９５、２０５ 基板
１２、２２、４２ 下部電極層（下部電極材料）
１３、２４、４２’ 活性層
１４、２６、３６ 頂部電極層
１５、１６、１７ レーザスクライブ
２３、３３、６３ 第１のレーザスクライブライン（レーザ刻み目）
２５、３５、６５ 第２のレーザスクライブライン
２７、３７、６７ 第３のレーザスクライブライン
３２、３２’ コーティング層
３４、４６、５６、６４、７６、８６、９６、１０４、１１６、１２５ 絶縁流体（絶縁材料、絶縁インク）
４２” 上部電極層
４３ 広い第１のレーザスクライブライン
４４ より狭い第２のレーザスクライブライン
４５ 下部電極材料４２のレッジ
４７、５８、７８、９８、１１８ 導電流体（導電インク）
５１、７１、９１、１１１、１３１、１４１、１５１、１６１、２１１ ソーラーパネル
５２、７２、９２、１１２、１５２ 隣接するセルが接続される領域を含んだパネルの領域
５３、７３、９３、１１３、１５３ 第１のレーザビーム
５３’、７３’、９３’、１１３’、１５３’ 第２のレーザビーム
５３”、７３”、９３”、１１３”、１５３” 第３のレーザビーム
５４、７４、９４、１１４ 第１のスクライブ（第１のレーザスクライブライン）
５４’、７４’、９４’、１１４’ 第２のスクライブ（第２のレーザスクライブライン）
５４”、７４”、９４”、１１４” 第３のスクライブ
５５、７５、９５、１１５、１５４、１５４’ インクジェットノズル（第１のインクジェットヘッド、第１のインクジェットノズル）
５７、７７、９７、１１７、１５５、１５５’ 第２のインクジェットノズル（第２のインクジェットヘッド）
６２、８２、１０２、１２２ 層
６６、８７、１０７、１２６ 流体（導電材料）
８３、１０３、１２３ 第１のレーザスクライブ
８４、１０５、１２４ 第２のレーザスクライブ
８５、１０６ 第３のレーザスクライブ
１２７ 上部層
１３２ いくつかのセル間の接続を含んだパネル１３１の領域
１３３、１４３、１６３ ５つのセル相互接続構造
１３４ ５つの並列の第１のレーザビーム１３５を線に沿って配置するデバイス
１３５、１４５ ５つの並列の第１のレーザビーム
１３６、１４６ ５つの並列の第２のレーザビームを線に沿って配置するデバイス
１３７、１４７ ５つの並列の第３のレーザビームを線に沿って配置するデバイス
１３８ ５つの並列の第１のインクジェットノズル１３９を線に沿って配置するデバイス
１３９、１４９ ５つの並列の第１のインクジェットノズル
１４２ いくつかのセル間の接続を含んだパネル１４１の領域
１４４ ５つの並列の第１のレーザビーム１４５を線に沿って配置するデバイス
１４８ ５つの並列の第１のインクジェットノズル１４９を線に沿って配置するデバイス
１６２ いくつかのセル間の接続を含んだパネル１６１の領域
１６４ ５つの並列の第１、第２および第３のレーザビーム１６５を線に沿って配置するデバイス
１６５ ５つの並列の第１、第２および第３のレーザビーム
１６６、１６６’ ５つの並列の第１のインクジェットノズルを線に沿って配置するデバイス
１６７、１６７’ ５つの並列の第２のインクジェットノズルを線に沿って配置するデバイス
１７１、１９１ パルスレーザユニット
１７３、１９３、２０１０、２１６、２１６’ 鏡
１７２、１９２ パルスレーザユニットによって放出されるビーム
１７４、１９４、２０４ 集束レンズ
１７６ 回折光学素子（ＤＯＥ）
１７７、１９７ 焦点スポット
１８１ 切頭透過複プリズムに当たる丸いレーザビーム
１８２ 切頭透過複プリズム（切頭複プリズム）
１８３ デバイスの中央の領域（デバイスの平らな部分、複プリズムの切頭領域）
１８４、１８４’ プリズム領域（プリズム部分）
１８５、１８６、１８７ 角分離ビーム
１９６ 切頭複プリズムデバイス
２０１ 第１のパルスレーザユニット（第１のレーザ）
２０２ 第１のパルスレーザユニットによって放出されるビーム
２０３ ビーム結合鏡
２０６ 光学素子（ＤＯＥまたは複プリズム）
２０７、２０７’ 焦点スポット（第１のレーザビーム）
２０８ 第２のレーザユニット（第２のレーザ）
２０９ 第２のレーザユニットによって放出されるビーム
２１２ チャックプレート
２１３、２１３’ 並進ステージ
２１４、２１４’ サーボモータ
２１５ レーザユニット
２１７、２２６ 処理ヘッド
２２１ 制御ユニット
２２２ レーザ
２２３、２２３’ ステージサーボモータ
２２４ インクジェットプリントヘッドコントローラ
２２５ インクジェット送り出しシステム
１３１０ ５つの並列の第２のインクジェットノズル１３１１を線に沿って配置するデバイス
１３１１、１４１１ ５つの並列の第２のインクジェットノズル
１４１０ ５つの並列の第２のインクジェットノズル１４１１を線に沿って配置するデバイス
２０１１ 焦点スポット（第２のレーザ）
２０１２ビーム発散補償光学

Claims (19)

  1. 下部電極層である第１の層と、活性層である第２の層と、上部電極層である第３の層と、をその上に有し、これらのすべての層が連続している薄膜デバイスを、電気的に直列に相互接続される個別のセルに分割するための方法であって、セルの分割および隣接するセル間の電気接続が、すべて、前記デバイス全体にわたる処理ヘッドのワンパスで実施され、前記処理ヘッドが、
    ａ） 前記第１の層、第２の層および第３の層を貫通する第１の刻み目を構築するステップと、
    ｂ） 前記第２の層および第３の層を貫通する第２の刻み目を構築するステップであって、前記第２の刻み目が前記第１の刻み目と隣接するステップと、
    ｃ） 前記第３の層を貫通する第３の刻み目を構築するステップであって、前記第３の刻み目が前記第２の刻み目と隣接し、かつ、前記第２の刻み目の前記第１の刻み目とは反対側であるステップと、
    ｄ） 非導電材料を前記第１の刻み目に堆積させるために第１のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと、
    ｅ） 導電材料を加えて前記第１の刻み目中の前記非導電材料を橋絡させるために、かつ、前記第２の刻み目全体または一部を充填して、前記第１の層と前記第３の層との間に電気接続を形成するために、第２のインクジェットプリントヘッドを使用するステップと、
    をワンパスで実行し、
    ステップ（ａ）がステップ（ｄ）に先行し、ステップ（ｄ）がステップ（ｅ）に先行し、かつ、ステップ（ｂ）がステップ（ｅ）に先行し、あるいは前記デバイス全体にわたる前記処理ヘッドの任意の順序のワンパスで前記ステップを実施することが可能である方法。
  2. 前記ステップがワンパスで実施される順序が、前記第１および第２のインクジェットプリントヘッドの前記処理ヘッド上の相対位置、および前記第１の刻み目、第２の刻み目および第３の刻み目を形成するための前記処理ヘッド上のコンポーネントによって決まる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の刻み目、第２の刻み目および第３の刻み目のうちの１つまたは２つ以上が、１つまたは２つ以上のレーザビームを使用して形成される、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記第１の刻み目、第２の刻み目および第３の刻み目のうちの１つまたは２つ以上が、１つまたは２つ以上の機械式スクライバを使用して形成される、請求項１、２または３に記載の方法。
  5. 前記処理ヘッドが、前記薄膜デバイス全体にわたる一方または両方の方向のワンパスで前記すべてのステップを実施することができる、請求項４に記載の方法。
  6. 対応する個々の刻み目への堆積の後、前記非導電材料および／または前記導電材料を硬化させるために１つまたは複数の硬化ステップが実施される、請求項５に記載の方法。
  7. 前記非導電材料および／または前記導電材料の堆積の後、前記硬化ステップのうちの１つまたは複数が前記ワンパスの間に実施される、請求項６に記載の方法。
  8. 前記硬化ステップのうちの１つまたは複数が、前記ワンパスの後、別の装置で実施される、請求項６または７に記載の方法。
  9. 前記薄膜デバイスが、ソーラーパネル、照明パネルおよび電池のうちの１つである、請求項８に記載の方法。
  10. 下部電極層である第１の層と、活性層である第２の層と、上部電極層である第３の層と、をその上に有し、これらのすべての層が連続している薄膜デバイスを、電気的に直列に相互接続される個別のセルに分割するための装置であって、処理ヘッドを備え、前記処理ヘッドの上に、
    ａ） 前記第１、第２および第３の層を貫通する第１の刻み目、前記第１の刻み目と隣接する、前記第２および第３の層を貫通する第２の刻み目、および前記第２の刻み目と隣接し、かつ、前記第２の刻み目の前記第１の刻み目とは反対側である、前記第３の層を貫通する第３の刻み目を構築するための１つまたは複数のカッタユニットと、
    ｂ） 前記第１の刻み目に非導電材料を堆積させるための第１のインクジェットプリントヘッドと、
    ｃ） 導電材料を加えて前記第１の刻み目中の前記非導電材料を橋絡させるため、かつ、前記第２の刻み目全体または一部を充填して、前記第１の層と前記第３の層の間に電気接続を形成するための第２のインクジェットプリントヘッドと、
    が設けられ、さらに、
    ｄ） 前記処理ヘッドを前記デバイスに対して移動させるための駆動手段と、
    ｅ） 個別のセルへの前記デバイスの分割および隣接するセル間の電気接続の形成を、すべて、前記デバイス全体にわたる前記処理ヘッドのワンパスで実施することができるよう、前記デバイスに対する前記処理ヘッドの運動を制御し、かつ、前記１つまたは複数のカッタユニットおよび前記第１および第２のインクジェットプリントヘッドを駆動するための制御手段と、
    を備える装置。
  11. 前記１つまたは複数のカッタユニットが、前記第１の刻み目、第２の刻み目および第３の刻み目を形成するための単一のパルスレーザを備える、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記１つまたは複数のカッタユニットが、前記第１の刻み目、第２の刻み目および／または第３の刻み目を形成するための複数のタイプのパルスレーザを備える、請求項１０に記載の装置。
  13. 第１、第２および第３のレーザビームを前記デバイスに送出するための集束レンズを備え、前記第１、第２および第３のレーザビームによって前記レンズの焦点に形成される焦点スポットが、前記第１、第２および第３の刻み目を形成するために必要な空間分離を前記デバイスの表面に有するよう、前記ビーム間に角偏位が存在する、請求項１１または１２に記載の装置。
  14. パルスレーザからのレーザビームを分割して、前記第１、第２および第３の刻み目を形成するための第１、第２および第３のレーザビームを形成するための回折光学素子を備える、請求項１１または１２に記載の装置。
  15. パルスレーザからのレーザビームを分割して、前記第１、第２および第３の刻み目を形成するための第１、第２および第３のレーザビームを形成するためのプリズム光学素子を備える、請求項１１または１２に記載の装置。
  16. 第１のパルスレーザからのレーザビームを分割して、前記第１、第２および第３のレーザビームのうちの任意の２つを形成するための回折光学素子と、残りのレーザビームを提供するための第２のパルスレーザと、を備え、前記第１、第２および第３の刻み目を形成するために前記第１および第２のパルスレーザからのビームを結合して前記デバイスの表面に３つの空間分離レーザスポットを形成するように配置された、請求項１１または１２に記載の装置。
  17. 第１のパルスレーザからのレーザビームを分割して、前記第１、第２および第３のレーザビームのうちの任意の２つを形成するための複プリズムタイプのプリズム光学素子と、残りのレーザビームを提供するための第２のパルスレーザと、を備え、前記第１、第２および第３の刻み目を形成するために前記第１および第２のパルスレーザからのビームを結合して前記デバイスの表面に３つの空間分離レーザスポットを形成するように配置された、請求項１１または１２に記載の装置。
  18. 前記駆動手段が、前記処理ヘッドを前記デバイスに対して２つの直交方向に移動させるための二重軸サーボモータを備える、請求項１０から１７のいずれか一項に記載の装置。
  19. 前記制御システムが、前記デバイスおよび処理ヘッドが、互いに対して、前記デバイス全体にわたって連続する経路で、前記第１および第２の刻み目の長さに対して平行の第１の方向に移動し、前記経路の末端で、前記第１の方向に対して直角の方向に、前記デバイス中に形成されるセルの幅に等しい所定の距離だけステップするように構成される、請求項１０から１８のいずれか一項に記載の装置。
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