TW201318195A - 用於使用雷射以結構化模組之設備與方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於用於結構化模組的設備與方法，特別是大格式模組，諸如太陽能模組。本設備包含用於夾持模組(SM)的夾持工具與用於向模組(SM)的表面發射雷射光束(CB,CB’,FB’)的至少一雷射工具以結構化模組。光束塑形工具(A)位於雷射工具與待結構化的模組(SM)的表面之間的雷射光束(CB,CB’,FB’)的光路徑中。

Description

用於使用雷射以結構化模組之設備與方法

本發明關於一種用於結構化模組之設備，特別是大格式模組，諸如太陽能模組。更具體地，本發明關於一種用於結構化模組之設備，特別是大格式模組，諸如太陽能模組，包含用於夾持模組的夾持工具與至少一雷射工具，其用於向用於結構化模組的模組之表面發射雷射光束。

大格式電氣與電子模組變得越來越重要，亦即在模組的表面為主要性能標準之一者的應用中。這種典型大格式模組為太陽能模組(有時意指為太陽能面板)，其為時下劇增地被使用於轉換太陽光能量成為電。一般來說，太陽能模組為所謂太陽能電池的封裝互連組件。基本上，太陽能電池為固態設備，其可使用光電效應(或內部光電效應)於轉換太陽光能量成為電。

必要地，多數太陽能電池利用光活性材料於吸收光，因此轉換光子成為電洞對，然後分離那些電子與洞至延伸過有些材料介面(內部光電效應)的電場中，最後並透過電子導電材料傳送電子至第一電極以及透過洞導電材料傳送洞至第二電極。根據他們所使用的光活性材料的種類，太陽能電池可被分成不同的群組。目前，多數太陽能電池以晶圓的形式使用單晶矽與多晶矽。然而，單晶矽晶圓的高價格與其原料(所謂的多矽)稀缺的可得性已有助於根 據矽與其他材料(它們被指為薄膜太陽能電池)的薄膜之太陽能電池的日益普及。在這樣的太陽能電池中，這些薄膜典型地具有在微米或更少的範圍內的厚度。

在薄膜太陽能電池的製造中，最常被使用的材料為非晶矽和微晶矽(a-Si，μ-Si)，碲化鎘(CdTe)，銅銦(鎵)硒(縮寫CIS或CIGS更為人知)或銅鋅錫硫(縮寫CZTS更為人知)。這些半導體層一般被沉積至鍍膜玻璃基板或可撓性基板，如不銹鋼片或聚合物。

一種典型的薄膜太陽能模組的製造過程包括下列步驟：

1a)第一，基板(例如：玻璃板)被鍍以第一導電層。

1b)然後使用雷射切割法以創造在這層中的細溝，藉此個別的電池可被彼此分開。

2a)由半導體材料所組成的第二層可被沉積在前一層的頂部上。

2b)基板再一次被帶入用於結構化模組的機器中，且再一次使用雷射切割法於除去或修改第二層的某些部分。

3a)第三層被施加至模組。

3b)最後，需要第三雷射切割步驟用於完成太陽能模組。

對於特定的過程，步驟2b)可於步驟3a)之後被實施。在這些情況中，被使用於雷射切割方法中的雷射光束 會通過第三層並修改第二層與/或在第二與三層之間的介面的某些部分。

導電層可為透明的導電氧化物(TCO層)，如鋁摻雜的氧化鋅(ZnO：Al)。當銅銦鎵硒(CIGS)或銅鋅錫硫(CZTS)被用為光電材料時，鉬，而非TCO，被沉積至基板上。

並且，使用雷射光束從待切割的材料層以下衝擊，或使用雷射光束從待切割的材料層以上衝擊，雷射切割可有效。

此外，雷射光束可透過大氣或透過透明材料衝擊至待切割的材料區域上。透明材料諸如玻璃或形成具有待切割或待處理的材料的介面的TCO層。

一種典型用於結構化電子或光電模組的方法包括在本基板上的薄膜的圖案化。使用具有短脈衝持續時間與高光束品質的脈衝雷射光束，這樣的圖案化為較佳實施，亦即具有趨近高斯的橫向強度分佈的雷射光束，其使小焦距直徑或長焦距深度能被結合，因此允許窄圖案化結構與大處理公差兩者。(「理想」雷射光束常被瞭解具有下列兩本性所決定之相互依存的特徵：第一，理想光束具有高斯的橫向強度分佈，以及第二，光束腰部直徑和光束發散角的乘積為最小值。)

取決於局部雷射光束強度與待處理或待除去的材料類型，直接在待圖案化的模組表面與衝擊在待圖案化的模組表面上的雷射光束會造成在模組的表面的材料局部被藉由 諸如蒸發，昇華，轉換到電漿(雷射蒸鍍)或轉變其物理特性(例如導電率)的處理除去與/或轉換。然而，這樣較佳的高品雷射光束的趨近高斯光束分佈具有在緩慢下降的光束的中心裡非常高的強度至在光束的周圍中廣闊的低強度翼。因此，僅某部分雷射剖面會具有足夠的強度以超過過程的臨界值。

若僅在光束剖面的中心中的小區域超過過程門檻值，有很多在光束剖面周圍的區域入射能量會被吸收至模組材料，而非有助於所欲的過程，其中造成局部加熱。這可典型地造成在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，所謂的熱影響區(HAZ)。

若光束剖面的多數區域超過過程門檻值，有太多在光束剖面中心區域中的入射能量，其除了造成所欲的過程，可典型地破壞在處理的圖案以下或以上的模組材料。這樣的破壞會負面地影響在最後製造的模組中的基板的性能，諸如在模組太陽能電池中降低效率，降低壽命等。

因此本發明的目的在提出用於結構化模組之改善的設備與方法，特別是大格式模組，諸如太陽能模組，其不呈現上述先前技術的不便與缺點。

依據本發明，這些與其它的目的主要是透過申請專利範圍獨立項的特徵來達成。此外，本發明更有利的實施方式呈現在附屬項與說明書的描述中。

依據本發明第一態樣，提供有一種用於結構化模組的設備，特別是大格式模組，諸如太陽能模組，包含用於夾持模組的夾持工具；至少一雷射工具，用於向模組之表面發射雷射光束以結構化模組，該雷射光束具有在中心區域中被周邊漸消的區域所圍繞的峰值的第一橫向強度分佈，諸如近似高斯橫向的強度分佈，沿著橫向於光束傳播方向的方向或基準線所測得；以及光束塑形工具，位於雷射工具與待結構化的模組的表面之間的雷射光束的光路徑中，其中光束塑形工具包含折射與/或繞射元件，用於轉換具有第一橫向強度的雷射光束成為重塑形雷射光束。重塑形雷射光束具有第二波谷狀的橫向強度分佈，較佳具有兩周邊的肩部以及中央的底部的「M-分佈」。每一周邊的肩部具有峰值強度或局部最大值。中央底部具有較低的強度或低於周邊峰值強度的局部最小值，沿著橫向於光束傳播方向的方向或基準線所測得。

折射與/或繞射元件構成一部分被轉換的準直雷射光束的光路徑。由折射與/或繞射元件所製造的波谷狀的分佈或「M-分佈」補償有些由衝擊雷射光束所造成的能量傳播效應(熱傳，震波等)。首先，這會降低上述所提及在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，所謂的熱影響區(HAZ)。其次，這會避免或降低上述對在處理的圖案以下或以上的模組材料之潛在的破壞之任一者。

特別地，光束塑形工具包含旋轉三稜鏡(axicon)，其具有相對於旋轉三稜鏡的光軸對稱的錐形表面，亦即錐 形軸與鏡頭的光軸重合。旋轉三稜鏡將沿著旋轉三稜鏡的光軸行進的準直雷射光束轉換成在橫向於光軸的面具有環狀的剖面之重塑形雷射光束，亦即波谷狀的橫向強度分佈，諸如「M-分佈」，沿橫向於光軸的方向或基準線所測得。

依據本發明第二態樣，提供有一種用於結構化模組的設備，特別是大格式模組，諸如太陽能模組，包含用於夾持模組的夾持工具；至少一雷射工具，用於模組之表面發射雷射光束以結構化模組，該雷射光束具有在中心區域中被周邊漸消的區域所圍繞的峰值的第一橫向強度分佈，諸如近似高斯橫向的強度分佈，沿著橫向於光束傳播方向的方向或基準線所測得；以及光束塑形工具，位於雷射工具與待結構化的模組的表面之間的雷射光束的光路徑中，其中光束塑形工具包含多模式光纖，用於轉換具有第一橫向強度的雷射光束成為重塑形雷射光束。重塑形雷射光束具有平頂的橫向強度分佈，沿著橫向於光束傳播方向的方向或基準線所測得。

多模式光纖構成部分待轉換的準直雷射光束的光路徑。由於雷射光行進通過本多模式光纖的模式混合，當雷射光沿著多模式光纖行進時，橫向雷射光束強度分佈的平均發生。結果在重塑形準直雷射光束中，以對應多模式光纖的剖面的剖面之近似平頂的強度分佈被達成。

首先，這會降低上述所提及在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，所謂的熱影響區(HAZ)。其 次，這會避免或降低上述對在處理的圖案以下或以上的模組材料之潛在的破壞之任一者。

特別地，光纖具有入口區域，出口區域，與過渡區域。入口區域具有圓形剖面。出口區域具有矩形剖面。在過渡區域之間提供自該圓形剖面至該矩形剖面之過渡可被使用。本改變在橫向邊界條件中沿著光纖長度構成橫向雷射光束強度分佈的平均，並製造以對應在重塑形準直雷射光束中的多模式光纖的矩形剖面的矩形剖面之近似平頂強度分佈。

具有矩形剖面的平頂分佈之雷射光束，亦即矩形光束點，其可被移動，藉此矩形光束點的兩側平行於通道的線，且矩形光束點的另兩側正交於通道的線。結果，定義良好且實際上相同量的能量會進入待處理的材料在整個被矩形光束點掃過的區域。

由於雷射源與多模式光纖之間容易側向與縱向定位，使用多模式光纖具有高耦合效應是可能與就緒可達成的附加利益。

本發明依據第一態樣的光束塑形工具與依據第二態樣的光束塑形工具兩者為光束塑形工具，用於轉換具有在中心區域中被周邊漸消的區域所圍繞的峰值的第一橫向強度分佈，諸如近似高斯橫向的強度分佈的雷射光束成第二轉換的橫向強度的雷射光束，沿著橫向於光束傳播方向的該方向或「該基準線」所測得。其中，相較於該第一橫向強度分佈，至少在該第一強度分佈的峰值中心區域中的部分 強度向該第一強度分佈的周邊漸消的區域之至少一者偏移。

首先，這會劇烈地降低上述所提及在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，所謂的熱影響區(HAZ)。其次，這會避免或至少劇烈地降低上述對在處理的圖案以下的模組材料之潛在的破壞在處理的雷射光束從上方衝擊在處理區域上的情況中，或對在處理的圖案以上的模組材料之潛在的破壞在處理的雷射光束從下方衝擊在處理區域上的情況中。總結來說，上述典型的趨近高斯雷射光束分佈被修正，因此避免或最小化上述對模組材料不欲的改變或破壞。

較佳地，光束塑形工具與雷射工具相關。更佳地，個別的光束塑形工具與每一雷射工具相關。最佳地，本個別的光束塑形工具與雷射工具在固定的空間關係中彼此相關。此允許雷射工具或每一雷射工具與相關的光束塑形工具一起移動作為雷射與光束塑形單元，相對於藉由塑形的雷射光束所照射的模組。

較佳地，雷射光束的光路徑自雷射工具延伸經過光路徑剖面，以及經過雷射頭至待結構化的模組的表面，並且光束塑形工具位於光路徑剖面中與/或雷射頭中。

在本發明設備中，夾持工具較佳地為流體動力的吸取式夾持器，諸如白努利抓持器。本夾持器的類型允許高定位準確度，典型地少於50微米，在垂直於待結構化的模組表面的方向中，亦即Z方向，其準確度用於調整具有轉 換的強度分佈的雷射光束的小焦距深度是必要的。

較佳地，夾持工具與雷射頭被安排在相對於彼此可動的路線中。更佳地，當雷射頭較佳地與相關的光束塑形工具一起被相對於固定的挾持結構語在與模組表面平行所延伸的平面內移動時，亦即在X-Y平面內，並具有雷射頭光束出口與平面的模組表面之接近恆定的距離時，亦即具有沿Z方向接近恆定的差，光束夾持工具及其所夾持的模組被維持在固定的位置。

較佳地，至少一雷射工具或雷射頭被安排在模組以下或以上的可動的路線中。更佳地，至少一雷射工具或雷射頭被安排在模組以下。結果，由於重力，任一由此過程所造成的固體或液體粒子為較不易破壞模組表面。

較佳地，雷射工具包含脈衝的雷射，其提供具有脈衝持續時間在10飛秒至1微秒的範圍內之雷射脈衝，較佳地在1皮秒至20奈秒的範圍內，以及具有焦距光束直徑在10微米至100微米的範圍內，較佳地在20微米至40微米的範圍內，以及較佳地操作在波長300奈米至1600奈米的範圍內。藉由限制輸入至小標靶材料體積的過程能量，當仍進一步最小化上述所不欲由超出此標靶材料體積的熱能與機械能的非控制的傳播所造成的副作用之任一者時，使用具有在奈秒範圍內的脈衝持續時間的脈衝雷射光束有助於雷射處理的有效使用。因此，施加雷射光束以由光束塑形與光束脈衝在空間上與時間上所定義的方式不僅使模組結構化的精度與品質大大地被改善，而且有助於降 低過程的整體功率消耗。

在另一實施方式的變化中，至少一雷射工具包含作為光源的雷射與耦合於雷射作為光路徑的光纖。

較佳地，雷射工具與光束塑形工具被結合成包括小型化零件的單元，諸如光纖，折射與繞射的光學元件，與用於雷射至光纖耦合與/或光束塑形的梯度指數透鏡。作為替代方案，本雷射或光束塑形工具可包括包含構成雷射媒介的摻雜的光纖的第一長度，與構成用於產生在光纖的第一長度中的雷射光的波導的光纖的第二長度，因此不需要任何雷射至光纖的耦合透鏡。較佳地，光束塑形工具由本光纖附加的長度所構成。換句話說，雷射與光塑形單元可包括具有用於雷射光產生與傳播的光纖的摻雜的長度，與用於具有在某處沿未摻雜的光纖的長度的光束塑形元件之僅雷射光傳播未摻雜的光纖的長度，較佳地接近光纖的雷射光出口終點。

並且，為了達成以上目的，本發明提供用於結構化模組的方法以特別大格式的模組，諸如太陽能模組。使用如前述段落之任一者所定義的設備，該方法包含用於夾持模組的步驟；向模組的表面發射雷射光束用於結構化模組；以及藉由定位於雷射工具語待結構化的模組的表面之間的雷射光束的光路徑中之光束塑形工具以塑形該雷射光束。

在此方法的較佳變化中，待結構化的模組為具有吸收層的薄膜太陽能模組，此吸收層包含銅銦鎵硒化物(CIGS)層或銅鋅錫硫化物(CZTS)層，並且具有光束 點的重塑形聚焦雷射光束被聚焦至此吸收層上，因此造成光束點與吸收層的選定區域交互作用。

較佳地，光束點被聚焦至此銅銦鎵硒或銅鋅錫硫吸收層與金屬層之間的介面上，金屬層較佳為鉬層，並且造成光束點與此介面的選定區域交互作用。

較佳地，當光束點與吸收層與/或介面交互作用時，聚焦的光束點與待結構化的太陽能模組被相對於彼此移動。

上述塑形雷射光束點與銅銦鎵硒或銅鋅錫硫吸收層之間的交互作用在吸收層的選定區域內造成銅銦鎵硒或銅鋅錫硫材料自半導體至導體的轉換過程。

相似地，上述塑形雷射光束點與介面之間的交互作用造成在銅銦鎵硒或銅鋅錫硫吸收層與在介面的選定區域內的金屬層之間的介面的剝離過程。

在第1圖中，有顯示具有光學元件L的已知光學設置之示意剖面圖，光學元件L用於聚焦雷射光束在用於結構化太陽能模組SM的設備1中。此外，第1圖顯示出沿具有垂直於光束傳播的光軸的坐標x之基準線的能量E的橫向分佈。

光學元件為定位在準直雷射光束CB之透鏡L，準直雷射光束CB具有接近高斯能量分佈，如上方的E對x圖中鄰近準直雷射光束CB所指出。準直雷射光束CB通過 透鏡L，並被轉換成聚焦的雷射光束FB，其仍具有接近高斯，但較窄的能量分佈，如下方的E對x圖中鄰近聚焦的雷射光束FB的光束點所指出。在上方表面所製造，或當在傳輸模式中所運作，在太陽能模組SM的下方表面藉由衝擊在在太陽能模組SM上的聚焦的雷射光束FB的光束點BS1，以及在本光束點BS1內的強度分佈示意地顯示在鄰近聚焦的雷射光束FB的放大比例上。在光束點BS1的中心中的區域具有較高的強度，而在光束點BS1的周圍的區域具有較低的強度。

當具有其光束點BS1的聚焦的雷射光束FB被移動越過太陽能模組SM的表面時，材料被處理在沿著聚焦的雷射光束FB的通道，並具有對應光束點的直徑的寬度在過程臨界以上。

清楚地，大部分光束點BS1的剖面區域超出過程門檻，且在光束點BS1的中心區域中有太多的入射能量，因此造成不但沿著具有定義的寬度的線所欲的處理，而且負面地影響並可能破壞在處理線圖案以下或以上的模組材料。如上所述，這樣的破壞會負面地影響在最終製造的模組中基材的性能，諸如降低的效率，降低的壽命等，在模組太陽能電池中。

在第2圖中，依據用於結構化太陽能模組SM的本發明有顯示具有第一光學元件A與用於塑形與聚焦雷射光束在設備1中的第二光學元件L的光學設置之示意剖面圖。此外，第2圖再一次顯示出沿具有垂直於光束傳播的光軸 的坐標x之基準線的能量E的橫向分佈。

第一光學元件A為折射與/或繞射元件，特別是旋轉三稜鏡(或旋轉三稜鏡)，位於準直雷射光束CB的光路徑中，準直雷射光束CB具有接近高斯能量分佈，如最上方的E對x圖中鄰近準直雷射光束CB所指出。準直雷射光束CB通過旋轉三稜鏡A，並被轉換成重塑形準直雷射光束CB’，其具有環狀能量分佈，如第二E對x圖中鄰近重塑形準直雷射光束CB’所指出。本重塑形準直雷射光束CB’沿著重塑形準直雷射光束CB’的光軸以在中心最小值具有波谷狀能量分佈。

第二光學元件是位於重塑形準直雷射光束CB’的路徑中的透鏡L(如第1圖所示)，重塑形準直雷射光束CB’具有波谷狀的能量分佈。重塑形準直雷射光束CB’通過透鏡L，並轉換成重塑形聚焦雷射光束FB’，重塑形聚焦雷射光束FB’具有波谷狀，但較窄的能量分佈，如最下方的E對x圖中鄰近重塑形聚焦雷射光束FB’的光束點BS2所指出。在上方表面所製造，或當在傳輸模式中所運作，在太陽能模組SM的下方表面藉由衝擊在在太陽能模組SM上的重塑形聚焦雷射光束FB’的光束點BS2，以及在本光束點BS2內的強度分佈示意地顯示在鄰近重塑形聚焦雷射光束FB’的放大比例上。在光束點BS1的中心中的區域具有較低的強度，而在光束點BS1的周圍的區域具有較高的強度。

當具有其光束點BS2的重塑形聚焦雷射光束FB’被移 動越過太陽能模組SM的表面時，材料被處理在沿著重塑形聚焦雷射光束FB’的通道，並具有對應光束點的直徑的寬度在過程臨界以上。

首先，這會降低上述所提及在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，亦即降低的熱影響區(HAZ)。其次，這會避免或降低上述對在處理的圖案以下或以上的模組材料之潛在的破壞之任一者。

在第3圖中，依據用於結構化太陽能模組SM的本發明有顯示具有第一光學元件F與用於塑形與聚焦雷射光束在設備1中的第二光學元件L的光學設置之示意剖面圖。此外，第3圖再一次顯示出沿具有垂直於光束傳播的光軸的坐標x之基準線的能量的橫向分佈。

第一光學元件F為用於置入光束塑形，或是形成部分準直雷射光束CB的路徑之光學系統或光學工具，準直雷射光束CB具有接近高斯能量分佈，如最上方的E對x圖中鄰近準直雷射光束CB所指出。本光束塑形系統包含多模式光纖。在第一變化中，本多模式光纖為在其整體長度具有圓形剖面的光纖。在第二變化中，本多模式光纖為具有入口區域，出口區域，以及其間的過渡區之光纖。入口區域具有圓形剖面的。出口區域具有方形剖面。其間的過渡區提供自圓形剖面至方形剖面的過渡。本多模式光纖構成部分待轉換的準直雷射光束CB的路徑。當雷射光沿著多模式光纖行進，行進通過本多模式光纖的雷射光的模式混合造成橫向雷射光束強度分佈的平均。結果在重塑形準 直雷射光束CB”中，具有對應多模式光纖的剖面之近似平頂的強度分佈被達成。

第二光學元件是位於重塑形準直雷射光束CB”路徑中的透鏡L(如第1圖所示)，重塑形準直雷射光束CB”有近似平頂橫向E場分佈。重塑形準直雷射光束CB”過透鏡L，並轉換成重塑形聚焦雷射光束FB”，重塑形聚焦雷射光束FB”仍具有近似平頂，但較窄的能量分佈，如最下方的E對x圖中鄰近重塑形聚焦雷射光束FB”束點BS4所指出。在上方表面所製造，或當在傳輸模式中所運作，在太陽能模組SM的下方表面藉由衝擊在在太陽能模組SM上的重塑形聚焦雷射光束FB”的光束點BS4，以及在本光束點BS4內的強度分佈示意地顯示在鄰近重塑形聚焦雷射光束FB”的放大比例上。在光束點BS4的中心中的區域具有與光束點BS4的周圍近似相同的強度。

光束點BS4的特別且非常有利的特徵為矩形剖面，其導因於多模式光纖出口區域的矩形剖面(多模式光纖的第二變化)。若選擇整體長度具有圓形剖面(多模式光纖的第一變化)的多模式光纖，第3圖的重塑形聚焦雷射光束FB”會具有圓形剖面的光束點BS3。

當具有其光束點BS4的重塑形聚焦雷射光束FB”被移動越過太陽能模組SM的表面時，材料被處理在沿著重塑形聚焦雷射光束FB”的通道，並具有對應光束點的直徑的寬度在過程臨界以上。具有其近似平頂分佈之光束點BS4的特定矩形剖面，光束點BS4可被定位，藉此其兩側平行 於通道的線，且另兩側正交於通道的線。結果，定義良好且實際上相同量的能量會進入待處理的材料。

首先，這會降低上述所提及在處理的圖案的周邊中的模組材料中不欲的改變，亦即降低的熱影響區(HAZ)。其次，這會避免或降低上述對在處理的圖案以下或以上的模組材料之潛在的破壞之任一者，並相較於習知圓形點增加處理速度。

在第4A圖中，有顯示為依據用於結構化太陽能模組的本發明第一安排50之示意圖，舉例來說，包含第2圖與第3圖所示的光學設置整合在設備1中。本第一安排50包含雷射51，光束扭曲器52，以及光束塑形與聚焦單元53。雷射51製造具有相對大直徑的第一準直雷射光束CB1。當第二準直雷射光束CB2進入光束塑形與聚焦單元53，本第一準直雷射光束CB1被光束扭曲器52折彎並傳播，這製造待用於過程的聚焦與塑形雷射光束FSB。較佳地，雷射51與第一安排50與特別是光束扭曲器52被彼此固定在剛體關係中。即使在可造成這些元件震動的動力負載下，這避免任何這些元件之間的錯位。

在第4B圖中，有顯示為依據用於結構化太陽能模組的本發明第一安排50的修正50’整合在設備1中之示意圖。本修正的第一安排50’包含雷射51與光束塑形與聚焦單元53，但無光束扭曲器。再一次，雷射51製造具有相對大直徑的第一準直雷射光束CB1。本第一準直雷射光束CB1傳播並進入光束塑形與聚焦單元53，這製造待用於過 程的聚焦與塑形雷射光束FSB。較佳地，無論何時在待結構化的模組以下或以上有足夠的空間，本修正的第一安排50’被使用，並且它使減少一光學元件可能，這有助於降低設備的成本削減。

第5A圖有顯示為依據用於結構化太陽能模組的本發明第二安排60之示意圖，舉例來說，包含第2圖與第3圖所示的光學設置整合在設備1中。本第二安排60包含光纖頭61，光束扭曲器62，以及光束塑形與聚焦單元63。光纖頭61透過光纖64連接至雷射(未顯示)。光纖頭61發射具有相對大直徑的第一準直雷射光束CB1。本第一準直雷射光束CB1被光束扭曲器62折彎並傳播進入光束塑形與聚焦單元63的第二準直雷射光束CB2，這製造待用於過程的聚焦與塑形雷射光束FSB。較佳地，光纖頭61與第二安排60與特別是光束扭曲器62被彼此固定在剛體關係中。即使在可造成這些元件震動的動力負載下，這避免任何這些元件之間的錯位。

第5B圖顯示為依據用於結構化太陽能模組的本發明第二安排60的修正60’整合在設備1中之示意圖。本修正的第二安排60’包含光纖頭61與光束塑形與聚焦單元63，但再一次無光束扭曲器。與第5A圖相似，光纖頭61透過光纖64連接至雷射(未顯示)。光纖頭61發射具有相對大直徑的第一準直雷射光束CB1。本第一準直雷射光束CB1傳播，並進入光束塑形與聚焦單元63，這製造待用於過程的聚焦與塑形雷射光束FSB。再一次，無論何時 在待結構化的模組以下或以上有足夠的空間，本修正的第一安排60’較佳地被使用，因此它使減少一光學元件可能，這有助於降低設備的成本削減。。

在第5A與5B圖的安排中，光束塑形可在光纖64與/或光束塑形與聚焦單元63內實施。

在第6、7與8圖中，顯示用於結構化薄膜太陽能模組SM的兩機器1的示意前視圖。在所有這些圖中，結構化設備本身承接參考標號1。設備1包含底座10與夾持工具20。夾持工具20包含一些夾持元件21，其使用真空與壓縮空氣以保持大格式模組(例如：薄膜太陽能模組)SM在懸浮狀態中，並就緒待加工。本設備關於結構與功能的細節，本領域技術人員應眾所周知。

如第6圖所示。四個雷射源41，42，43，44以它們可提供使用多個反射鏡35，36，37，38的系統之雷射光能量的雷射頭31，32，33，34這樣的方式，被設置在框架10上。每一多個反射鏡系統35，36，37，38因此以它可以從對應的雷射源41，42，43，44接收與傳送雷射光束LB至太陽能模組SM這樣的方式，在任何時間定位和定向。

每一雷射頭31，32，33，34包含光學單元31’，32’，33’，34’，其允許從雷射頭31，32，33，34出來的用於聚焦和塑形雷射光束。光學單元31’，32’，33’，34’可包括如第1、2、3、4A、4B、5A與5B圖中的任一圖所示之光學元件。

第6圖所示的機器1對應第4A圖所示的安排。其以在第6圖中的每一參考標號41，42，43，44對應在第4A圖中的參考標號51；其以在第6圖中的每一參考標號35，36，37，38對應在第4A圖中的參考標號52；以及其以在第6圖中的參考標號LB對應在第4A圖中的參考標號CB1。

如第7圖中所示，4個微型雷射源41，42，43，44是完全整合到雷射頭31，32，33，34。因此在前面的情況下，反射鏡系統不是必需的。

每一雷射頭31，32，33，34包含光學單元31’，32’，33’，34’，其允許從雷射頭31，32，33，34出來的用於聚焦和塑形的雷射光束。光學單元31’，32’，33’，34’可包括如第1、2、3、4A、4B、5A與5B圖中的任一圖所示之光學元件。

第7圖所示的機器1對應第4A或4B圖所示的安排。其以在第7圖中的參考標號41，42，43，44，每一參考標號41，42，43，44對應在第4A或4B圖中的參考標號51。

在第8圖中，結構化設備本身承接參考標號1。設備1包含底座10與夾持工具20。夾持工具20包含一些夾持元件21，其使用真空與壓縮空氣結合以保持大格式模組(例如：薄膜太陽能模組)SM在懸浮狀態中，並就緒待加工。本設備關於結構與功能的細節，本領域技術人員應眾所周知。

第8圖的設備1包含四個雷射頭31，32，33，34，其設置在大格式模組SM以下。雷射頭31，32，33，34的數量可大於或小於4，對本領域技術人員是顯而易見的。然而，具有4個雷射頭31，32，33，34在使不同的線條在同時間切割與允許空間用於快速移動的雷射頭，31，32，33，34以及雷射源成本的需要之間是好的妥協。

雷射頭31，32，33，34具有移動結構(未圖示出)，其允許它們移動在大格式模組SM以下，藉此它們可結構化模組SM的表面。特別地，每一雷射頭31，32，33，34可以被安裝在光束或梁39，其可以以第一方向移動。此外，雷射頭31，32，33，34可在光束或梁39以垂直於光束的移動方向的第二方向移動。然而，任何其它適當的移動系統可在設備1中被使用。特別地，系統也是可能的，其中，每一雷射頭31，32，33，34被連接至在所有三空間方向中完全可樞轉的臂。

每一雷射頭31，32，33，34包含光學單元31’，32’，33’，34’，其允許從雷射頭31，32，33，34出來的用於聚焦和塑形的雷射光束。光學單元31’，32’，33’，34’可包括如第1、2、3、4A、4B、5A與5B圖中的任一圖所示之光學元件。

此外，光學單元31’，32’，33’，34’可以被遠程動態控制，以這樣的方式雷射光束的焦點和形狀可以被動態地適合於不同的生產階段。

設備1更包含四個雷射源41，42，43，44，其固定設 置在框架10，一個對應於每一雷射頭31，32，33，34。當然，雷射源41，42，43，44的數量可以是大於或小於4，不一定對應雷射頭31，32，33，34的數目。較佳地，一個單一的雷射源會傳送用於所有的雷射頭31，32，33，34的雷射光束。然而，雷射源41，42，43，44的數目通常會準確對應雷射頭31，32，33，34的數目。雷射源41，42，43，44可被選擇以在紫外線與/或可見光與/或紅外光光譜的中任一項提供雷射光束。然而，具有可以在不同的光譜區提供雷射光束的雷射源41，42，43，44也是可以想像的。

另外，雷射源41，42，43，44可適於提供脈衝雷射光束，尤其是在奈秒、皮秒、或飛秒的範圍內。然而，使用具有輸出為非脈衝雷射光束的雷射源41，42，43，44亦是可能的。有利的是，若使用脈衝雷射光束，設備1可包含調變結構(未圖示出)，用於調變雷射光束的脈衝頻率作為的相應的雷射頭31，32，33，34的移動速度的函數。

設備1的雷射源41，42，43，44藉由光纖基底的導引器51，52，53，54被耦合到雷射頭31，32，33，34。較佳地，一單一雷射源可藉由四光纖基底的導引器51，52，53，54被耦合到四雷射頭31，32，33，34。然而，通常並且如第8圖所示，一雷射源41，42，43，44直接耦合到一對應的雷射頭31，32，33，34。然而，亦可設想以一雷射源41，42，43，44被耦合到一以上的雷射頭 31，32，33，34或多雷射源41，42，43，44被耦合到一單一的雷射頭31，32，33，34遷就設備1。另外，雷射源41，42，43，44雷射頭31，32，33，34的耦合不需要是直接的，因為不同的輔助元件(例如放大器等)可被用於的雷射源41，42，43，44和雷射頭31，32，33，34之間。

光纖基底的導引器51，52，53，54較佳地為玻璃纖維，例如光纖。可以使用任何標準的光學纖維。然而，單一模式的光纖，特別是大模式面積(LMA)光纖，得到用於本發明的特別的優點。設備1所有的光纖基底的雷射光導引器51，52，53，54為相同的類型是可以想像的。然而，不同的導引器類型可明顯地用於光纖基底的導引器51，52，53，54中的任一者。

在第8圖所示的機器1對應第5A或5B圖中所示的安排，具有參考標號51，52，53，與54在第8圖中，每一參考標號51，52，53，與54對應第5A或5B圖中的參考標號64。

由於依據本發明用於結構化大格式模組的設備1，加工過程可極度地最佳化，且模組的生產品質增加。此外，設備1的堅固性使它在困難的環境下也可使用。由於光纖引導的雷射光束，整體安裝和調整過程可保持簡單迅速，其再次增加設備1的生產率。此外，切割精確度導致較小的死區，其直接導致模組的效率增加。

雖然本揭露已經以參照特定的設備，材料和實施例描 述，所屬技術領域者可以很容易地從前面的描述確定本揭露的實質特徵，在從事不同的變化和修改以適應不同的用途與如接下來提出的申請專利範圍中所述之特徵。

L‧‧‧光學元件，透鏡，第二光學元件

SM‧‧‧太陽能模組

x‧‧‧坐標

E‧‧‧能量

CB‧‧‧準直雷射光束

BS1,BS2,BS3,BS4‧‧‧光束點

FB‧‧‧聚焦的雷射光束

A‧‧‧第一光學元件，旋轉三稜鏡

CB’,CB”‧‧‧重塑準直雷射光束

CB1,LB‧‧‧第一準直雷射光束

CB2‧‧‧第二準直雷射光束

FB’,FB”‧‧‧重塑形聚焦雷射光束

F‧‧‧光學元件

50‧‧‧第一安排

50’‧‧‧第一安排的修正，修正的第一安排

51‧‧‧雷射，導引器

52‧‧‧光束扭曲器，導引器

53‧‧‧光束塑形與聚焦單元，導引器

54‧‧‧導引器

FSB‧‧‧聚焦與塑形雷射光束

60‧‧‧第二安排

60’‧‧‧第二安排的修正，修正的第二安排

61‧‧‧光纖頭

62‧‧‧光束扭曲器

63‧‧‧光束塑形與聚焦單元

64‧‧‧光纖

1‧‧‧設備，機器

10‧‧‧底座

20‧‧‧夾持工具

21‧‧‧夾持元件

31,32,33,34‧‧‧雷射頭

31’,32’,33’,34’‧‧‧光學單元

35,36,37,38‧‧‧反射鏡，反射鏡系統

41,42,43,44‧‧‧雷射源

本發明前述的與其他的目的，特徵，與優點從接下來細節的描述結合附圖為顯而易見，其中：第1圖為在習知技藝用於結構化模組的設備中具有用於聚焦高斯雷射光束的光學元件的光學設置之示意剖面圖；第2圖為依據用於結構化模組的本發明第一態樣用於創造在設備中具有環形分佈的雷射光束的光學元件的光學設置之示意剖面圖；第3圖為依據用於結構化模組的本發明第二態樣用於創造在設備中具有平頂分佈的雷射光束的光學元件的光學設置之示意剖面圖；第4A圖為依據用於結構化模組的本發明第一安排之示意圖，舉例來說，包含第2圖與第3圖所示的光學設置整合在設備中；第4B圖為依據用於結構化模組的本發明第4A圖所示的第一安排的修正整合在設備中之示意圖；第5A圖為依據用於結構化模組的本發明第二安排之示意圖，舉例來說，包含第2圖與第3圖所示的光學設置整合在設備中；以及 第5B圖為依據用於結構化模組的本發明第5A圖所示的第二安排的修正整合在設備中之示意圖；第6圖為依據用於結構化模組的本發明設備的示意側視圖，特別是大格式模組，包含第2、3、4A、4B、5A、與5B圖所示之個別的元件，光學設置，或安排之任一者。

第7圖為依據用於結構化模組的本發明設備的示意側視圖，特別是大格式模組，包含第2、3、4A、4B、5A、與5B圖所示之個別的元件，光學設置，或安排之任一者。

第8圖為依據用於結構化模組的本發明設備的示意側視圖，特別是大格式模組，包含第2、3、4A、4B、5A、與5B圖所示之個別的元件，光學設置，或安排之任一者。

L‧‧‧光學元件，透鏡，第二光學元件

SM‧‧‧太陽能模組

x‧‧‧坐標

E‧‧‧能量

CB‧‧‧準直雷射光束

BS2‧‧‧光束點

A‧‧‧第一光學元件，旋轉三稜鏡

CB'‧‧‧重塑準直雷射光束

FB'‧‧‧重塑形聚焦雷射光束

Claims (14)

1. 一種用於結構化模組的設備(1)，特別是大格式模組，諸如太陽能模組(SM)，包含：夾持工具(20)，用於夾持一模組(SM)；至少一雷射工具(41，42，43，44)，用於向該模組的一表面發射一雷射光束(CB，LB)以結構化該模組，該雷射光束(CB)具有一第一橫向強度分佈，具有在中心區域中被周邊漸消的區域所圍繞的峰值，諸如一近似高斯橫向強度分佈，沿著橫向於該光束傳播方向的一方向或一基準線所測得；以及一光束塑形工具(A)，位於該雷射工具(41，42，43，44)與待結構化的該模組(SM)的該表面之間的該雷射光束(CB)的該光路徑中，其特徵在於該光束塑形工具(A)包含一折射與/或一繞射元件，用於轉換具有該第一橫向強度分佈的該雷射光束(CB)成為一重塑形雷射光束(CB’)，該重塑形雷射光束(CB’)具有一第二波谷狀的橫向強度分佈，較佳具有一「M-分佈」，具有兩周邊的肩部以及一中央的底部，每一該周邊的肩部具有一峰值強度或一局部最大值，該中央的底部具有一較低的強度或低於周邊的該峰值強度的一局部最小值，沿著橫向於該光束傳播方向的一方向或一基準線所測得。
2. 如申請專利範圍第1項所述的設備(1)，其中該光束塑形工具(A)包含一旋轉三稜鏡。
3. 一種用於結構化模組的設備(1)，特別是大格式 模組，諸如太陽能模組(SM)，包含：夾持工具(20)，用於夾持一模組(SM)；至少一雷射工具(41，42，43，44)，用於向該模組的一表面發射一雷射光束(CB，LB)以結構化該模組，該雷射光束(CB)具有一第一橫向強度分佈，具有在中心區域中被周邊漸消的區域所圍繞的峰值，諸如一近似高斯橫向強度分佈，沿著橫向於該光束傳播方向的一方向或一基準線所測得；以及一光束塑形工具(F)，位於該雷射工具(41，42，43，44)與待結構化的該模組(SM)的該表面之間的該雷射光束(CB)的該光路徑中，其特徵在於該光束塑形工具(F)包含一多模光纖，用於轉換具有該第一橫向強度分佈的該雷射光束(CB)成為一重塑形雷射光束(CB”)，該重塑形雷射光束(CB”)具有一平頂橫向強度分佈，沿著橫向於該光束傳播方向的一方向或一基準線所測得。
4. 如申請專利範圍第3項所述的設備(1)，其中該多模光纖為一光纖，具有一入口區域，一出口區域，與一過渡區域，該入口區域具有一圓形剖面；該出口區域具有一矩形剖面；在該過渡區域之間提供自該圓形剖面至該矩形剖面的一過渡。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項之任一項所述的設備(1)，其中該雷射光束(CB)的該光路徑延伸自該雷射工具(41，42，43，44)通過一光路徑部分(LB；51，52，53，54)與通過一雷射頭(31，32，33，34)至待結 構化的該模組(SM)的該表面，以及其中一光束塑形工具位於該光路徑部分(LB；51，52，53，54)中與/或該雷射頭(31，32，33，34)中。
6. 如申請專利範圍第1項所述的設備(1)，其中該夾持工具為一流體動力的吸取式夾持器，諸如一白努利抓持器。
7. 如申請專利範圍第1項所述的設備(1)，其中該夾持工具(20)與該雷射頭(31，32，33，34)被安排在相對於彼此可動的路線中。
8. 如申請專利範圍第7項所述的設備(1)，其中該至少一雷射工具(41，42，43，44)或該雷射頭(31，32，33，34)被安排在該模組(SM)之下或之上的可動的路線中。
9. 如申請專利範圍第1項所述的設備(1)，其中該雷射工具包含一脈衝的雷射，提供具有在10飛秒至1微秒的範圍內的脈衝持續時間之雷射脈衝，較佳地在1皮秒至20奈秒的範圍內，以及具有在10微米至100微米的範圍內之焦距光束直徑，較佳地在20微米至40微米的範圍內，以及較佳地操作在300奈米至1600奈米的波長範圍內。
10. 如申請專利範圍第1項所述的設備(1)，其中該至少一雷射工具(41，42，43，44)包含作為一光源的一雷射，以及耦合於該雷射作為該光路徑的一光纖(51，52，53，54；64)。
11. 一種結構化模組的方法，特別是大格式模組，諸如太陽能模組(SM)，使用如申請專利範圍第1項至第10項之任一項所定義之一設備(1)，該方法包含：夾持一模組(SM)；以及向該模組(SM)的一表面發射一雷射光束(CB，CB’，FB’；CB，CB”，FB”)以結構化該模組，其特徵在於藉由位於該雷射工具與待結構化的該模組的該表面之間的該雷射光束的該光路徑中的一光束塑形工具(A；F)以塑形該雷射光束(CB，CB’，FB’；CB，CB”，FB”)。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中該等模組為具有一吸收層的薄膜太陽能模組(SM)，該吸收層包含一銅銦鎵硒化物(CIGS)層或一銅鋅錫硫化物(CZTS)層；其中具有一光束點(BS2；BS3，BS4)的一重塑形聚焦雷射光束(FB’；FB”)被聚焦至該吸收層上；以及其中造成該光束點(BS2；BS3，BS4)與該吸收層的選定區域交互作用。
13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中該光束點(BS2；BS3，BS4)被聚焦至一介面上，該介面介於該吸收層(銅銦鎵硒或銅鋅錫硫)與一金屬層之間，該金屬層較佳為一鉬層；以及其中造成該光束點(BS2；BS3，BS4)與該介面的選定區域交互作用。
14. 如申請專利範圍第11項至第13項之任一項所述的方法，其中該聚焦的光束點(BS2；BS3，BS4)與該太陽能模組(SM)相對於彼此被移動。