TWI460876B - 用於基板覆層的方法和設備 - Google Patents

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Hilmar Richter
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Ralf Steudten
Steffen George
Sebastian Tittel
Werner Schade
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Ctf Solar Gmbh
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Description

用於基板覆層的方法和設備
本發明涉及用於呈板形基板的覆層的方法和設備，尤其是用於太陽能電池製造的玻璃基板的覆層。
在未來的能量生產中，太陽能電池將扮演重要的角色。在此，尤其是薄膜太陽能電池在如下方面有優點，即，較少材料消耗和其適用于大量生產。碲化鎘(CdTe)基薄膜太陽能電池適合於作為矽基太陽能電池的備選。CdTe有1.45 eV的能隙，並且因此良好地適合用於吸收陽光。相應地可以借助CdTe薄膜太陽能電池獲得高的效率。通常將CdTe作為帶有硫化鎘(CdS)的層狀結構應用，以便製造需要的pn結，該pn結由雙層p-CdTe-n-CdS組成。在此情況下，CdS在一定程度上作用為視窗，並且從可見光中吸收僅一小部分，而其餘部分被允許通過到達CdTe，在那裏最後產生導致光電壓的載流子。
在CdTe基薄膜太陽能電池的製造中，通常將玻璃用作基板。從基板開始，然後以如下順序塗覆，即，前觸點、n-CdS層、p-CdTe層、並且最後是後觸點。在此，透明能導電氧化物(TCO，transparent conductive oxide)用作前觸點，其中，通常使用銦摻雜的氧化錫(ITO)。另外的公知的TCO是氟摻雜的氧化錫(FTO)或者鋁摻雜的氧化鋅(AZO)。以下不詳細探究前觸點的製造。
金屬層用作後觸點，其中，為了提高太陽能電池的穩定 性並且為了歐姆地適配CdTe層，部分地加入額外的層。
當以下談到基板時，以如下為前提，即，基板上的必須的準備工作，正如前觸點的塗覆、淨化步驟和剖光步驟等已經完成。
當談到基板溫度時，是指下側的表面溫度，也就是向下指向的、通常以TCO覆層的側。該下側的表面溫度如上側溫度一樣，非接觸地通過感測器確定。對專業技術人員公知的是，這些資料以及設備的其他資料單個地、或者連同聯接在前的或聯接在後的設備的資料一起地傳輸到一個或多個資料處理設施，該資料處理設施基於這些資料在考慮到整個過程的情況下，完成各單個設施的控制。依據本發明的方法也以此方式受控制。
事實證明，近空間昇華(CSS)方法特別適合用於沉積CdS和CdTe。在此，將原材料、例如高純度的CdTe顆粒在容器中、尤其是適合於此的蒸發坩堝中加熱到約600℃至770℃的高溫，以便昇華或蒸發該待蒸鍍的材料，其中，將基板以很小的間距在源上方導引經過。在此，覆層材料源與基板之間的間距僅為幾個毫米至幾個釐米。例如電阻加熱元件或紅外輻射元件可以用於加熱蒸發坩堝。覆層通常在真空腔中、在10-4 mbar至10 mbar的剩餘氣體壓力中進行，其中，可以在此前必要地借助惰性氣體，如氮氣或氬氣沖洗。在覆層時，如果使用傳統的鈉鈣玻璃，基板本身典型地具有480℃至550℃的溫度。在玻璃基板到達實際的進行沉積的覆層腔之前，玻璃基板在其經過一個或多個加熱腔的傳送過程中達到此溫度。原則上對於高的效率而言，高的基板溫度 是值得期待的，這是因為觀察到如下情況，即，在575℃的基板溫度之下，效率顯著下降。當然在非常高的基板溫度的情況下，只有相應昂貴的、耐溫的玻璃基板能夠使用。總之，該方法的特色在於幾個μm/min的高的沉積速率。
基板穿過加熱腔和/或覆層腔的運動借助以佈置在軸上的輥子為基礎的傳送系統進行。帶有連續的傳送軸、用於由矽製成的太陽能電池的傳送系統也由WO 03/054975 A2得知，當然，在傳送軸上沒有佈置額外的輥子，從而使得相對小的太陽能電池以其整個平面擱放在傳送軸上。在熱處理過程期間，在爐中使用該傳送軸。對於通過從下方借助待蒸鍍的材料的覆層來製造大面積的太陽能模組而言，這種傳送軸不適合，因為在此情況下基板的待蒸覆的或已經蒸覆的側全平面地與軸接觸，並且由此整個平面上的覆層受到損害。
在現有技術中，呈板形的基板具有橫向於傳送方向的、典型的無支承的600 mm的寬度，並且僅在外側輥子上運動。較大的寬度不適合結合慣常的鈉鈣玻璃的使用。作為基板優選使用玻璃。玻璃通常被看作在室溫中具有特別高粘度的液體。相應地，也不能毫無問題地指出一個熔融溫度，而是粘度隨著提高的溫度而下降。因此，為了描述玻璃的軟化引入不同的溫度點，所述溫度點的數值關於動態粘度的指數(以10為底的對數)來定義。
下文中使用轉變點Tg，該轉變點具有12.0的粘度指數。該轉變點處在具有12.0-13.4的指數區間的轉變區間內部。該Tg數值在所使用的玻璃中處在約550℃-555℃(典型的浮法玻璃數值處在540℃-560℃的區間中)。該轉變溫度標 稱　如下溫度數值，在該溫度數值的情況下，基板的動態粘度達到轉變點。下文中，轉變溫度的區間(轉變溫度區間)描述如下溫度區間，在該溫度區間中粘度指數處在12.0至13.4的區間中。
在高的過程溫度的情況下，在轉變溫度附近(在約540℃-560℃，依賴於玻璃種類)，通過玻璃的粘性流動出現塑性形變，該粘性流動是不可逆轉的並且因此應該保持得盡可能小。玻璃的低的轉變溫度也是如下情況的原因，即，如果基板僅在外側輥子上運動，則基板現在不能在高於約520℃的溫度中覆層。
因此，從上面描述的現有技術出發，提出如下技術問題，即，介紹一種方法和一種設備用於幾乎任意寬度的玻璃基板的、以CSS方法在轉變溫度區間中的溫度的情況下的覆層。
依據本發明，該技術問題通過使用根據申請專利範圍第1項的方法來解決。該方法在根據申請專利範圍第13項的設備中有利地執行。方法和設備的有利的設計方案在相應地涉及的附屬請求項中示出。
 方法
依據本發明，將基板在加熱腔中或在加熱腔的序列中加熱直到基板的轉變溫度區間中。平行於到轉變溫度的受熱， 或者緊接著到轉變溫度的受熱，將基板的上側加熱到比下側低的溫度，由此達到基板的彎拱抬起，該彎拱抬起即使在高於轉變溫度的溫度中也確保了基板的可操作性。將如此受熱的基板覆層。優選使用CdS和/或CdTe作為覆層材料，但是也可以考慮將材料銅、銦和鎵用於CIS太陽能模組或CIGS太陽能模組，並且可以考慮將材料銅、鋅、錫和硫用於CZTS太陽能模組。
在以CSS方法進行的覆層期間，基板如所描述的那樣處在覆層容器之上。因此豎直地在覆層容器之上不能設置用於基板的支撐設備，這是因為該支撐設備干擾覆層並且甚至以不希望的方式被覆層。在此位置中，基板會因為其具有高於轉變溫度的溫度而過於強烈地彎垂，並且覆層會不均勻地積澱。
依據本發明，這借助以下方式避免，即，將基板的下側相比上側加熱到更高的溫度。由此，較強地受熱的下基板側比上基板側更強地膨脹，從而使得在基板中產生內應力，該內應力對撓曲起反作用。
基板優選呈矩形地造型。在其他優選實施方式中，基板是呈正方形的。在基板的多重支撐的情況下、在覆層容器之前和之後，將基板的向下指向的彎拱撐住，並且可達到的支撐寬度是足夠的，以便在可容忍的撓曲的情況下跨越容器寬度。
基板的轉變溫度依賴於所使用的材料。優選傳統的鈉鈣玻璃用作基板，鈉鈣玻璃的轉變溫度處在540℃至560℃之 間。
在覆層時，鈉鈣玻璃基板的下側溫度大於520℃，並且優選處在540℃與570℃之間，並且特別優選在約550℃。
鈉鈣玻璃基板的下側與上側之間的溫差優選為至少2°K至4°K，繼續優選5°K至8°K，並且特別優選約6°K。借助鈉鈣玻璃基板的研究表明：在自由的支撐寬度不超過約300mm至400mm、優選350mm時，在典型的過程條件下(過程持續10min、過程溫度550℃、玻璃厚度約3.2mm)玻璃基板的形變不超越可容忍的尺度。
該有利的做法使得如下成為可能，即，在由於熱傳導在基板的兩個側之間發生溫度平衡之前，完成要在轉變溫度區間內的溫度中執行的工作步驟。
在覆層進程之後，將基板緩慢地冷卻，這是必須的，以便避免基板中的應力。在緩慢冷卻的情況下，經蒸鍍的層在基板上的附著也不被破壞。
在優選的實施方式中，在層的塗覆期間，平均基板溫度(具有在基板的上側與下側之間的依據本發明的溫差)處在基板的轉變溫度區間中，並且在層的塗覆之後冷卻到轉變溫度區間以下。接下來該基板再度受熱，並且又建立起在上側與下側之間的依據本發明的溫差。隨後進行進一步的覆層步驟。
在覆層期間，將基板導引經過帶有覆層材料的容器。此容器具有如下溫度，該溫度高於基板的下側的溫度。由於基板中的熱傳導，儘管較緩慢，發生穿過整個基板直到背面的 受熱。基板中的應力會由此減弱。但是為了能夠維持依據本發明的溫差，因此必須在容器之間將基板冷卻。為此，有意識地產生穿過基板的溫度梯度，從而使得基板下側繼續保持在對覆層而言必須的過程溫度上，而不會過度加熱。這通過加熱系統的包括內部腔(通道)的依據本發明的設備和其調節或控制達到。加熱系統的調整依賴於基板的從下側向上側的熱傳導。優選地，容器沿傳送方向成對地，一個接一個地，具有容器對之間的大的間距地佈置。該大的間距優選為約385 mm。在容器相對彼此的較大的間距的情況下，將基板冷卻到轉變溫度之下是可能的。在下一個覆層步驟之前，必須將平均基板溫度然後又通過依據本發明的加熱方法帶到轉變溫度上。此操作阻止了，隨著上側與下側之間的溫度平衡，也失去彎拱抬起進而失去基板的可操作性。這通過中間期間的冷卻和重新受熱得以重建。
在該方法期間，使用了傳送系統，在該傳送系統中，基板擱放在輥子上。在基板的擱放的部分中，出現受損害的覆層區域。覆層在此區域中不完整或者層序列由於機械影響受干擾。這種區域破壞太陽能電池的正常的功能性，並且因此必須排除。這要麼借助如下方式發生，即，將在此區域中的缺陷覆層有利地通過機械的刻劃、鐳射燒蝕、噴砂或者打磨直到基板地除去，要麼借助如下方式發生，即，將受損害的覆層區域從未受損害的覆層區域分開進而隔離。這優選通過鐳射燒蝕達到。
為了執行依據本發明的方法，將基板優選運動穿過溫度上升的一個或多個加熱腔，直到達到用於覆層的必須的溫 度。直到基板超越轉變溫度的、也就是低於540℃的區間，將基板有利地在帶有兩個外側輥子和幾個內側輥子(在1200mm的基板寬度的情況下優選帶有一個內側輥子)的傳送系統上運動。在此，內側輥子是支撐基板的輥子，這些輥子在兩個外側輥子之間與這些外輥子佈置在共同的軸上。最遲在覆層之前的最後的腔中，基板達到轉變溫度的區間，並且傳送系統的軸優選具有其他的內側輥子(在1200mm的基板寬度的情況下優選總共三個內側輥子)。基板的上側和下側借助用於上側和下側的加熱系統不同強度地受熱。這優選通過用於上側和下側的加熱系統的分開的調節或控制進行。上側溫度和下側溫度優選通過感測器(優選非接觸地測量的高溫計)監視。基板略微彎拱，並且能夠由此在由加熱腔進入隨後的覆層腔中的過渡中無衝擊地跨越，或者在覆層腔中無額外支撐設備地帶到覆層容器上。
該方法優選用於製造CdS/CdTe薄膜太陽能電池。
在覆層期間，基板到將待蒸鍍的材料昇華/蒸發的容器的間距，優選大約3 mm至50 mm、特別優選5 mm至20 mm。在CSS方法中，該間距應該盡可能小地保持。在現有技術中，描述了少於5 mm的間距。在此，首先塗覆CdS層，接下來塗覆CdTe層。相應地，基板首先在包含CdS的蒸發坩堝上運動，並且接下來在包含CdTe的蒸發坩堝上運動。由此，借助這兩種材料的覆層優選地直接相繼地在一個過程中進行。
在其他的優選實施方式中，覆層借助CdS在一個覆層腔中進行，並且隨後在第二覆層腔中借助CdTe進行。在同樣 情況下優選的設計方案中，在此，基板的冷卻在兩個覆層步驟之間施行。該中間冷卻在一個或多個佈置在覆層腔之間的加熱腔中進行。通過兩個覆層步驟的分開，有利地，較高的通過速度成為可能，其中，中間冷卻的步驟引起：基板不會過於強烈地軟化並且可以通過再度加熱將穩定化的彎拱抬起以所描述的類型和方式重建。
接下來，基板經過作為冷卻區工作的一個或多個加熱腔，在該一個或多個加熱腔中基板可以首先優選緩慢地冷卻，在向下超越按照玻璃種類的不同處在約400℃與500℃之間的溫度之後，然後可以較快速地冷卻。
又如在開頭所描述的現有技術中實施的那樣，覆層優選在真空中進行，但在較高的壓力下直到常壓下原則上覆層也是可能的。
依據本發明的方法優選用於如下基板的覆層，這些基板具有比600 mm寬度的傳統的基板更大的橫向於傳送方向的寬度。相應地，可以將呈板形的基板以寬度>700 mm、優選>1000 mm覆層，特別優選以約1200 mm的寬度覆層。但是原則上可以考慮幾乎任意寬度的基板的覆層，只要兩個輥子之間的自由支撐寬度不超出對於所選擇的處理溫度而言和對於基板原料而言可接受的尺度。
設備
依據本發明的設備具有至少一個構造為真空腔的加熱腔，該加熱腔帶有至少兩個可以彼此不相關地控制或調節的在內部腔中的加熱系統。至少一個加熱系統加熱基板的上 側，並且至少一個加熱系統加熱基板的下側。每個加熱系統具有一個或多個加熱元件。加熱系統以如下方式調整，即，使基板的下側比上側具有更高的溫度。此外該設備具有：至少一個同樣構造為真空腔的、並且沿傳送方向佈置在加熱腔之後的覆層腔；以及用於基板的穿過加熱腔地延伸的傳送系統；和用於基板的穿過覆層腔地延伸的傳送系統。兩個傳送系統均具有多個平行的、軸向間隔的、沿傳送方向一個接一個地並且垂直於該傳送方向地佈置的軸。基板在傳送系統中的傳送速度優選地在0.5 m/s與5 m/s之間、特別優選地在1 m/s與4 m/s之間、並且繼續特別優選地在1.5 m/s與3 m/s之間。
實施為真空腔的加熱腔具有內部腔，該內部腔有利地與加熱腔的內壁間隔。內部腔的外側優選地設有隔溫裝置。向內然後跟隨的是加熱系統和內部腔的內壁。也就是加熱系統佈置在隔熱材料與內壁之間。這借助如下方式服務於加熱系統的放熱的熱力均勻分配，即，內部腔的內壁形成通道，該通道將由加熱系統輻射的熱量漫射地分配到基板上，並且實際上作為對於基板的間接加熱裝置而起作用。借助熱力的隔離裝置，阻止了加熱系統到加熱腔的壁上的熱量直接輻射。傳送系統穿過內部腔和整個加熱腔，該傳送系統具有多個用於使基板運動的軸，這些軸穿過壁地貫穿導引並且在內部腔之外受支承。
作為用於內部腔的內壁的材料優選使用金屬，例如鉬(或鉬合金)。其他優選實施方式設置石英或碳複合材料。
基板下側的表面溫度優選非接觸地經由感測器檢測。在 優選實施方式中，感測器佈置在加熱腔之外，並且通過小孔檢測基板的溫度數值，這些小孔伸展穿過整個結構。有利地，加熱系統可調節。溫度感測器所檢測到的資料以及設備的另外的資訊(例如進給速度和基板位置)同樣被檢測，並且傳輸到中央資料處理裝置，該中央資料處理裝置施行設備的控制，並且不對此詳細探究。加熱系統具有一個或多個加熱蛇管，這些加熱蛇管優選構造為電阻加熱裝置。在此，這些加熱蛇管單個地或者編組地、以環套形、之字形、曲流形或者以另外的由現有技術公知的敷設方式佈置在軸之間。可以將這些加熱蛇管編組的每個加熱蛇管獨特地就其溫度進行調節。在加熱系統之下和之上，並且優選帶有側向彎折的超出部地佈置有反射板，這些反射板向基板方向反射輻射的熱量。通過側向的超出部即使是基板的側面棱邊也一起受熱。僅通過加熱系統和內部腔的依據本發明的佈置和加熱系統的適宜操控，以下是可能的，即，基板從下方覆層並且通過玻璃上側的較少的加熱或者甚至冷卻保持玻璃下側處所要求的過程溫度。為此，上加熱系統優選比下加熱系統產生約低10 K的溫度。
傳送系統的多個軸沿傳送方向一個接一個地並且軸向相對彼此間隔地以及垂直於傳送方向地佈置。在此，這些軸水準地佈置，其中，優選沿傳送方向，在軸的序列中不出現或僅出現非常小的落差(優選<3%)。
將這些軸優選借助套管由內部腔引出，並且在該內部腔之外受支承。對軸的驅動也優選佈置在被加熱的內部腔之外，但是在真空中。驅動優選借助到軸的直接機械連接進 行，例如借助馬達，該馬達的傳動裝置或者鏈式驅動裝置直接接在至少一個軸端部上。在內部腔中，在套管之間並且相對這些套管緊密間隔地，每軸佈置有兩個外側輥子。在外側輥子之間，各佈置有至少一個內側輥子。外側輥子具有用於基板的呈圓錐形支承面，該支承面具有向最接近的軸端部去地增加的直徑。優選的，外側輥子裝備有傾斜的導引軸肩。那些在其處基板的下側溫度處在基板的轉變溫度之上的軸優選地具有兩個或多個內側輥子。優選地，這些軸的外側輥子與那些在其處基板下側溫度處在轉變溫度之下的軸相比具有更大的導引軸肩間距。
因為將基板在多個輥子上傳送，所以如下必須避免，即，呈板形基板的沿傳送方向前面的棱邊，在達到下個軸時彎垂，並且在過渡到下個軸上時遭受衝擊。這可能導致棱邊的損害。該現象可以借助以下方式應對，即，減小軸的間距。但是在此問題是，在兩軸之間然後提供的空隙不再足夠為必須的內置件、例如蒸發坩堝提供空間。即使在基板從一個腔過渡到另一個腔時，如下也是必須的，即，以基板前棱邊無強烈彎垂的方式跨越較大的軸間距。
為了解決這個問題，通過適當的控制或調節加熱系統，使基板的下側比上側更強烈地受熱。已經很小的在上側與下側之間的溫度差異通過所造成的兩個側的不同的熱膨脹導致基板的彈性彎曲。這引起，基板的邊緣高於中心。同時，基板承受重力。在基板支承在僅在邊緣處佈置的外側輥子上時，重力引起基板的彎曲，該彎曲指向與熱力引致的彎曲相同的方向。由此所述兩個進程相互增強。但是如果，除了在 邊緣處通過外側輥子的支承，還加入通過一個或多個內側輥子的在薄板中心的支承，則引起薄板在內側輥子上的支撐，基板邊緣的向上的熱力彎曲通過向下指向的重力至少部分地抵消，從而使得所造成的總體彎曲減小。
覆層腔也實施為真空腔，並且覆層腔具有用於熱力均勻分配的內部腔。穿過整個覆層腔延伸的傳送系統，從聯接在前的加熱腔或者覆層腔接收基板薄板，並且遞交這些基板薄板到聯接在後的加熱腔或者覆層腔的傳送系統上。在通過內部腔的傳送期間，將基板薄板在其下側上覆層。覆層材料(優選CdS或CdTe)佈置在經加熱的、向上敞開的容器(蒸發坩堝)中，在這些蒸發坩堝上將基板以很小的間距導引經過。直接在容器之上，優選不佈置傳送輥子，以便避免或盡力減少傳送輥子的不希望的覆層。因此，傳送系統的至少幾個軸比其在加熱腔中的情況，相對彼此具有更大的間距。軸的結構相應於加熱腔中的傳送系統的軸的結構。因為基板以轉變溫度區間中的溫度穿過覆層腔，所以軸具備多個內側輥子並且與那些在其處基板溫度處在轉變溫度以下的軸相比具備更大的導引軸肩間距。在覆層腔中只在傳送系統之上設置有加熱系統。因為容器溫度明顯高於基板下側溫度，所以從那裏也獲得了在基板下側上的加熱效應。基板的溫度當然必須明顯低於容器中的溫度，以便在基板下側上達到蒸發的或昇華的材料的沉積。在優選的實施方式中，也在覆層腔中由感測器檢測基板的上側和下側的溫度。
加熱腔和覆層腔中的感測器優選非接觸地工作，並且優選基於表面的輻射(例如高溫感測器)檢測基板表面的溫度。
基板的從一個腔的傳送系統向跟隨的腔的傳送系統的遞交通過輸送縫進行，借助這些輸送縫，這些腔彼此連接。壓力過閘(Druckschleusung)僅為了將基板輸送到第一腔中和為了將基本由最後的腔中取出而發生。
傳送系統的傳送軸優選由石英陶瓷(Fused Silica)製成。此材料的特色在於，即使在高的溫度中也非常少的熱量傳導和高的機械剛性。單個輥子可以優選通過研磨過程由起先呈柱體形的軸通過在輥子之外的區域中的直徑的選擇性削減加工出來。在此，如下是足夠的，即，輥子只是稍微地、優選少於10 mm地高出實際上的傳送軸。通過優選地使用的石英陶瓷的小的熱傳導，如下是可能的，即，傳送軸的在兩側上的端部有利地設有不銹鋼罩。將傳送軸借助這些不銹鋼罩在兩側在軸承中導引，其中，驅動優選在一側經由齒輪機構進行。在高的溫度的情況下由石英陶瓷製成的傳送軸的膨脹非常小並且可以因此被忽略。
優選地依據本發明，內側輥子如處在橫向於基板傳送方向的直線內的外側輥子那樣也佈置在同樣的傳送軸上。優選的，沿傳送方向彼此相繼跟隨的軸的內側輥子以對齊的方式佈置。在這種情況下，全部的輥子都由傳送軸加工出來。這優選通過打磨、車削或根據現有技術的另外的加工方法發生。在僅外側輥子坐落在連續的傳送軸上時，安靜運行的目的自然已經很大程度地達到，從而也可以將內側輥子佈置在一個或多個特定的軸上或者可以在軸上浮動地支承導引內側輥子，而無需將內側輥子帶動驅動。
在優選的實施方式中，只有幾個傳送軸受驅動，以便使 基板向前運動，而另外的帶有在其上佈置的輥子的傳送軸只是服務於基板的支撐。
優選地，在加熱腔和覆層腔的序列中裝入如下傳送系統，這些傳送系統僅具有兩種優選的、軸的構造方式：
對其中溫度接近轉變溫度或者處在轉變溫度區間中的區域來說，軸具備多個內側輥子和較大的導引軸肩間距。導引軸肩間距優選為1205 mm至1207 mm、特別優選1206 mm，並且基板薄板的側向擺動因此有利地限制在約±1 mm。
對其中溫度處在轉變溫度之下的區域來說，軸具備一致的導引軸肩間距(優選1205 mm)並且優選只具有一個(優選居中的)內側輥子。基板薄板的側向擺動在25℃至約500℃的區間中界定到±2.5 mm。如果基板寬度要求其他支撐，則內側輥子的個數可以更多。那麼用於在軟化溫度之上的溫度區間中的軸的內側輥子的個數同樣提高。
使用軸的僅兩種構造方式，由於每種構造方式的批量生產件數的提高，有利地導致了明顯的成本優勢。
借助以下方式，即，外側輥子以足夠高的抗扭性佈置在連續的軸上，外側輥子總是同步地運行，從而使得不再可能由於不同長度的轉移路徑構造出滑差(Schlupf)。
外側輥子的呈圓錐形的支承面在截面中優選具有從0.3°至6°的角度、特別優選從0.6°至4°的角度、並且此外特別優選從1°至2°的角度。由此，基板經過輥子的運行顯著地更加安靜和穩定。優選地，外側輥子的導引軸肩具有傾斜，該 傾斜引起基板的側嚮導引，而不招致過大的棱邊應力，該過大的棱邊應力可能導致棱邊損害。導引軸肩的在軸的截面中的角度適度地在120°與150°之間、優選在130°與142°之間、並且特別優選139°。
在外側輥子的備選的優選實施方式中，不設置導引軸肩，並且基板在傳送系統中的導引通過側向的導引輥子施行，這些側向的導引輥子彈性地受支撐並且在基板棱邊側向地從傳送方向偏移的情況下，這些側向的導引輥子產生起導引作用的反壓力。
特別有利的是，該設備能用於加工價格低廉的鈉鈣玻璃，該鈉鈣玻璃有相對低的軟化點。顯然，也能將該設備應用於另外的基板的覆層，例如用於具有較高的耐溫性的玻璃。只要以適合的間距裝入相應個數的內側輥子，則如下是可能的，即，將基板以幾乎任意寬度地覆層。相應地，也能使用例如1200 mm寬度的和更大寬度的玻璃基板。
在3.2 mm厚度和約550℃溫度的優選的鈉鈣玻璃的覆層時，得到可能的約350 mm的自由支撐寬度。由此兩個輥子的間距應該為300 mm至400 mm、優選為350 mm。此外事實證明，例如1200 mm寬的基板在支承在兩個外側輥子和一個中心輥子上時，在輥子之間與僅處在兩個外側輥子上的600 mm寬的基板相比，撓曲較不強烈，儘管在這兩種情況下自由跨度均各為600 mm。對此的原因可以在下面看到，即，僅在兩個在外側邊緣上起作用的輥子上受支承的用作為基板的薄板的彎曲線在確定的角度下與水平線相交，相反地，額外地通過中心輥子支持的薄板的彎曲線在此中心輥 子處必須連續分佈，並且因此由對稱原因，在中心輥子位置處的相對水平線的角度消失了。該有利的、依據本發明的操作方式允許，將軸的間距對於上面提到的基板和所提及的過程條件，從通常的約230 mm提高到約350 mm。
通過基板彎曲的減小，如下成為可能，即，在高於520℃的溫度中執行覆層，優選在540℃與560℃之間、特別優選在約550℃中。
有利的，與應用較低的溫度相比，在約550℃的溫度中沉積CdS/CdTe導致製成的太陽能電池的效率的提高。在此情況下，雖然付出如下代價，即，基板的覆層在內側輥子的運行軌跡的區域中受到損害。受干擾的CdS/CdTe層具有在內側輥子的範圍中的<12 mm的寬度，以及具有在外側輥子的範圍中的<10 mm的寬度。通過其他內側輥子的參與，從轉變溫度起，額外的內側輥子的受干擾的覆層區域的寬度僅才為約6 mm，這是因為在轉變溫度區間內的溫度的情況下，基板導引裝置如所示出的那樣非常狹窄並且由此“遊移”、也就是基板的側面的運動減少。該受損害區域必須在稍後的過程步驟的框架中除去。但是，由此引致的產品的有效面的減少通過較高的過程溫度和由此造成的較高的效率受到超補償。典型的，在跟隨覆層的工作步驟中，例如通過鐳射燒蝕再次除去在與輥子的接觸區域中的CdS/CdTe層。通過噴砂或機械的刻劃除去覆層也是可能的。備選地，也可以通過兩個細的隔離切割將受損害的層區域分離，這兩個隔離切割透過覆層，但是僅略微切入基板中。這類隔離切割的可能寬度為20 μm至100 μm。在光伏品質由於輥子僅略微 地受破壞的情況下，在一定條件下也可以完全放棄對接觸區域的處置。這優選在基板評級的工作步驟期間決定。由此必須在一方面所希望的高的過程溫度與另一方面不希望的面積損失之間找到技術上以及經濟上合理的妥協。
對於受干擾的覆層區域大小的設計舉例
隨後示例性地獲知，在借助依據本發明的設備執行依據本發明的方法時，要考慮哪些在基板的覆層中的干擾。
呈板形的玻璃基板具有例如1600 mm的長度，1200 mm的寬度和3.2 mm的厚度。優選地，內側輥子的寬度為2 mm至6mm、尤其是3 mm至5 mm。盡可能窄的輥子寬度是有利的，這是因為以此方式將由於輥子受損害的區域窄地保持，在該受損害的區域中稍後必須再次除去覆層。在經對中心的薄板中，將通過中心輥子損害的區域，通過輥子寬度加上雙倍的導引公差lführ,tol 和基板的尺寸公差lMaß,tol 確定。為了恰好在此區域中使受損壞區域小地保持，與外側輥子相比可以更小地選擇內側輥子的、也就是中心輥子或者中間輥子的輥子寬度。
例如輥子寬度為內側3.0 mm，而外側輥子的支承面寬度與之相反為5.0 mm。在此情況下，在薄板的導引公差為±0.5 mm並且薄板的尺寸公差為±0.5 mm的情況下，由此得到在內側輥子處受損壞的CdTe帶的最大5 mm寬度。
如果如上面已經描述的那樣以如下方式選擇轉變溫度TG ，即，在轉變溫度的區間中，使用帶有nober 個輥子的傳送軸，而在轉變溫度以下，與之相反使用帶有nunter 個輥子的 傳送軸，則必須額外考慮由於額外的輥子對覆層的損害。在TG =500℃時，玻璃基板在25℃與500℃之間的長度膨脹dL25-500 約為5 mm，並且在25℃與550℃之間的長度膨脹dL25-550 約為6 mm。由外側輥子損壞的CdTe區域在那裏有如下寬度： (外側輥子寬度bRolle,außen =5 mm)。
由額外的中間輥子損壞的CdTe區域有如下寬度： (中間輥子寬度bRolle,innen =3 mm)。
實施例
隨後描述示例性的設備，該設備適合用於執行依據本發明的方法。附圖標記參考附圖中的相應的元件。
第一加熱腔(3)、覆層腔(2)和第二加熱腔(3)一個接一個地佈置。
使用了呈板形的、由鈉鈣玻璃製成的、具有550℃的轉變溫度的基板(1)。在前面的工作步驟中已經在基板(1)的下側上塗覆了作為前電極的TCO層。基板的沿傳送方向的寬度在25℃的情況下為1200 mm。基板(1)的長度為1600 mm(在25℃的情況下)。基板棱邊以C形打磨的方式修圓。基板(1)進入具有480℃的溫度的第一加熱腔(3)。 該基板在傳送系統(30)上運動。傳送系統(30)由軸(31)組成，該軸具有帶傾斜的導引軸肩(3132)的外側輥子(313)。在穿過軸的軸線的截面中，每個外側輥子(313)的導引軸肩(3132)的傾斜為139°。導引軸肩(3132)間距為1205 mm。基板在與傳送方向平行的棱邊處，擱放在外側輥子(313)的支承面(3131)上。支承面(3131)具有3°的傾斜，以及具有10 mm的寬度。基板(1)居中地由第一內側輥子(314)支撐，該第一內側輥子具有在支承面中的3 mm的寬度。從現在開始，將基板(1)在加熱腔(3)中、在其上側和其下側上加熱，並且在此緩慢地穿過該腔運動(進給速度約：1.5 m/min)。如果基板(1)達到轉變溫度區間，則從該點始，在軸(31)上又在第一內側輥子(314)與外側輥子(313)之間居中地佈置有兩個第二內側輥子(314)。現在導引軸肩(3132)的間距為1206 mm。從現在開始將加熱系統(34)如此地調整，即，基板(1)在達到加熱腔(3)的端部時，在其下側上比在其上側處熱6K。此溫差導致內應力，該內應力造成基板(1)的彎拱，該彎拱的曲率中心處在基板(1)之上。通過借助三個內側輥子(314)的支撐，該彎拱不能無阻礙地向下構造。造成了基板(1)的剛性增強。由於此剛性增強，基板(1)經過250 mm的軸間距進入隨後的覆層腔(2)中而不碰撞到覆層腔(2)的傳送系統(20)的第一軸(21)上。在達到基板(1)的轉變溫度區間之後，覆層腔(2)的傳送系統(20)與加熱腔(3)的傳送系統(30)對應。將基板(1)繼續沿傳送方向運動。基板達到第一容器(10)，在該第一容器中、在680℃的溫度的情況下將CdS蒸發。基板(1)以相對棱邊5 mm 的間距在容器(10)之上運動過去。容器(10)沿傳送方向的寬度為300 mm。因為在此區域中不能佈置支撐輥子，所以基板(1)只基於內應力和彎拱抬起來跨越此間距，該彎拱抬起由在基板(1)的下側與上側之間的溫差造成。此外在此出現，由於容器(10)中的高的溫度，將下側比上側此外顯著更強地加熱。在此，基板(1)的下側達到約555℃的溫度。在越過第一容器(10)之後，基板又由帶有兩個外側輥子(213)和三個內側輥子(214)的軸(21)支撐。在三個以250 mm的間距佈置的這種軸(21)之後，跟隨有另一個帶有CdS的覆層容器(10)。此覆層容器同樣如兩個跟隨的帶有CdTe的覆層容器(10)那樣，以所描述的方式被跨過。接下來經覆層的基板(1)到達第二加熱腔(3)中。此處將基板緩慢冷卻。基板離開具有約500℃溫度的第二加熱腔。在此第二加熱腔之後聯接但未詳細描述的是其他加熱腔，在多個其他加熱腔中基板溫度繼續下降。在向下越過玻璃的轉變溫度區間之後，將基板(1)又在帶有1205 mm的導引軸肩(3132)間距的輥子(31)上和唯一的內側輥子(314)上傳送。
1‧‧‧基板
2‧‧‧覆層腔
3‧‧‧加熱腔
10‧‧‧帶有CdS或CdTe的容器
20‧‧‧覆層腔的傳送系統
21‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸
211‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的軸端部
212‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的軸承
213‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的外側輥子
2131‧‧‧覆層腔中的軸的外側輥子的呈圓錐形支承面
2132‧‧‧覆層腔中的軸的外側輥子的傾斜的導引軸肩
214‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的內側輥子
22‧‧‧覆層腔的輸送縫
30‧‧‧加熱腔中的傳送系統
31‧‧‧加熱腔中的傳送系統的軸
311‧‧‧加熱腔的傳送系統的軸的軸端部
312‧‧‧加熱腔的傳送系統的軸的軸承
3131‧‧‧加熱腔中的軸的外側輥子的呈圓錐形支承面
3132‧‧‧加熱腔中的軸的外側輥子的導引軸肩
313‧‧‧加熱腔的傳送系統的軸的外側輥子
314‧‧‧加熱腔的傳送系統的軸的內側輥子
32‧‧‧加熱腔的輸送縫
33‧‧‧加熱腔中用於基板下側的加熱系統的加熱元件
331‧‧‧下側的加熱系統的反射面
34‧‧‧加熱腔中用於基板上側的加熱系統的加熱元件
341‧‧‧上側的加熱系統的反射面
35‧‧‧加熱腔的內部腔
1‧‧‧導引軸肩的間距
a‧‧‧外側輥子的支承面的角度
b‧‧‧導引軸肩的角度
d‧‧‧覆層腔的沒有佈置容器的區域中的軸的間距
dd‧‧‧加熱腔中的軸的間距
D‧‧‧覆層腔的佈置有容器的區域中的軸的間距
圖1示出穿過覆層腔(2)的截面，該截面垂直於傳送方向地分佈。基板(1)支承在軸(21)的外側輥子(213)上。在外側輥子(213)之間，基板(1)由內側輥子(214)支撐。軸(21)在其端部(211)附近支承在軸的軸承(212)中。
圖2示出穿過覆層腔(2)的、沿傳送方向的垂直截面。 軸(21)屬於傳送系統(20)。在那些佈置有帶覆層材料的容器(10)的地方，軸(21)的間距明顯大於在覆層腔(2)中部中的軸的間距，在那裏三個軸(2)以很小的間隔相對彼此佈置。
圖3示出覆層腔(2)的、除去覆層腔(2)的上蓋的3D視圖。內部腔的上部分也被除去。在多個軸(21)之間示出了帶有覆層材料的容器(10)。相對於在覆層腔(2)中部中的直接並排放置的多個軸(21)之間的較小間距(d)可以看出在覆層容器之間的軸的較大間距(D)。基板(1)穿過輸送縫(22)進入覆層腔(2)中，並且由傳送軸(21)將基板運動穿過覆層腔(2)。穿過第二輸送縫(22)，基板(1)又離開覆層腔(2)。
圖4示出用於在基板轉變溫度以下的溫度區間的軸(21)。軸(21)這裏在外側輥子(213)之間僅具有一個內側輥子(214)。外側輥子(213)的導引軸肩(2132)的間距(1)比在接近基板(1)的轉變溫度的溫度區間或者在該溫度區間中的軸(21)的情況下更小。
圖5示出圖4的由軸(21)的截段A，在該截段中，示出軸端部(211)，以及示出導引軸肩(2132)和外側輥子(213)的支承面(2131)。導引軸肩(2132)的角度(b)和支承面的角度(a)，如所示出地在穿過軸(21)的軸線的截面中被確定。
圖6示出加熱腔(3)的、不帶有其上部分的3D視圖。在該加熱腔(3)中，多個軸(31)以相對彼此同樣的間距 佈置。在軸(31)之下示出加熱元件(33)。基板(1)穿過輸送縫(32)進入加熱腔(3)中，並且通過輥子(31)將基板運動穿過加熱腔，然後基板穿過第二輸送縫(32)又離開該加熱腔。
圖7示出穿過加熱腔(3)的截面，該截面平行於傳送方向。加熱腔(3)的傳送系統(30)具有軸(31)。對於所有相鄰的軸而言，軸相對彼此的間距(dd)是相同的。
圖8示出穿過加熱腔(3)的、垂直於傳送方向的截面。軸(31)在兩個外側輥子(313)之間具有各一個內側輥子(314)。軸在內腔(35)之外、在其端部(311)上受支承。所示出的是，下反射面(331)和上反射面(341)，這些反射面向基板方向上反射加熱系統的熱輻射。可以看出，反射面側面地下拉，以便也能達到基板(1)的側棱邊。
圖9作為溫度的函數示出玻璃基板的粘度特性。可以看出轉變溫度(553℃)，在該轉變溫度中，達到12.0的粘度指數。
1‧‧‧基板
2‧‧‧覆層腔
10‧‧‧帶有CdS或CdTe的容器
21‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸
211‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的軸端部
212‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的軸承
213‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的外側輥子
214‧‧‧覆層腔的傳送系統的軸的內側輥子

Claims (28)

  1. 用於呈板形基板(1)的覆層的方法，包含以下步驟：a)將所述基板(1)受熱到轉變溫度；b)與a)同時和/或隨後地，將所述基板(1)的下側比所述基板的上側受熱到更高的溫度；c)將至少一種覆層材料蒸鍍到所述基板(1)上，其中，在步驟b)之後執行步驟c)。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的方法，更包含：將所述基板(1)在覆層之後緩慢地冷卻。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的方法，更包含：將基板溫度在步驟c)之後下降到所述轉變溫度之下，並且接下來重新實施方法步驟a)至c)。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中使用如下基板(1)，該基板的轉變溫度處在540℃至570℃之間、優選處在550℃與560℃之間。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的方法，其中所述基板是鈉鈣玻璃。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的方法，其中所述基板(1)的下側的溫度在覆層時大於520℃、優選處在540℃與570℃之間、特別優選為555℃。
  7. 根據申請專利範圍第1至6項之任一項所述的方法，其中所述基板(1)的下側在步驟b)之後比上側具有高出至少2°K至4°K的、優選高出5°K至8°K的、特別優選高出6°K的 溫度。
  8. 根據前述申請專利範圍第1至6項之任一項所述的方法，其中所述覆層材料是CdS和/或CdTe。
  9. 根據前述申請專利範圍第1至6項之任一項所述的方法，其中所述覆層材料是CIS或CIGS(銅、銦和/或鎵、硒)。
  10. 根據前述申請專利範圍第1至6項之任一項所述的方法，其中所述覆層材料是CZTS(銅、鋅和/或錫、硫)。
  11. 根據申請專利範圍第1至3項之任一項所述的方法，更包含：將所述基板(1)的受損害的覆層區域在覆層進程之後除去或者從所述覆層的其餘部分分開。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，更包含：為了除去所述受損害的覆層區域使用鐳射燒蝕、或者噴砂，或者為了分開所述覆層區域使用機械的刻劃。
  13. 用於實施根據前述申請專利範圍第1項所述方法的設備，所述設備具有至少如下元件：至少一個構造為真空腔的加熱腔(3)，所述加熱腔在內部腔中具有至少兩個能彼此獨立地控制或調節的加熱系統(33、34)，其中，至少一個加熱系統(34)加熱基板的上側，並且至少一個加熱系統(33)加熱所述基板的下側，並且所述加熱系統(33、34)如此地調整，即，所述加熱系統以如下方式加熱所述基板(1)，即，使得所述下側比所述上側具有更高的溫度；至少一個構造為真空腔的並且沿傳送方向在所述加熱腔(3)之後佈置的、帶有至少一個能加熱的帶覆層材料的蒸發坩堝的覆層腔(2)； 用於所述基板(1)的穿過所述加熱腔(3)的傳送系統(30)和用於所述基板(1)的穿過所述覆層腔(2)地延伸的傳送系統(20)，其中，兩個傳送系統(20、30)均具有多個、平行的、軸向間隔的、沿傳送方向一個接一個的、並且垂直於所述傳送方向佈置的軸(21、31)，其中，每個軸具有外側輥子(213、313)，在所述外側輥子之間各佈置有至少一個內側輥子(214、314)。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的設備，其中每個加熱腔(3)和每個覆層腔(2)具有到所述腔(2、3)中的基板輸入端和從所述腔(2、3)中出來的基板輸出端，穿過所述基板輸入端所述基板(1)無過閘過程地由佈置在前的腔傳送進來，穿過所述基板輸處端所述基板(1)無過閘過程地傳送出去到佈置在後的腔中。
  15. 根據申請專利範圍第13項所述的設備，其中所述外側輥子(213、313)具有呈圓錐形的用於所述基板(1)的支承面(2131、3131)，所述支承面具有向最近的軸端部(211、311)去地增加的直徑，並且所述支承面(2131、3131)具有從1°至5°的、優選1°至2°的傾斜。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的設備，其中所述外側輥子(213、313)具有傾斜的導引軸肩(2132、3132)，所述導引軸肩具有從130°至150°的、優選139°的傾斜，並且所述導引軸肩(2132、3132)高出於所述外側輥子(213、313)的所述支承面(2131、3131)至少5mm。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述的設備，其中那些在其處所述基板(1)的下側溫度處在所述基板(1)的轉變溫度的區 間中的軸(21、31)比那些在其處所述基板(1)的下側溫度處在所述轉變溫度之下的軸(21、31)具有更大的導引軸肩(2132、3132)間距。
  18. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備，其中那些在其處所述基板(1)的下側溫度處在所述基板(1)的所述轉變溫度的區間中的軸(21、31)比那些在其處所述基板(1)的下側溫度處在所述轉變溫度之下的軸(21、31)具有更多的內側輥子(214、314)。
  19. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備，其中那些在其處所述基板(1)的下側溫度向下超越所述轉變溫度的軸(21、31)在兩個外側輥子(213、313)之間具有第一內側輥子(214、314)，並且那些在其處所述基板(1)的下側溫度達到轉變溫度的區間的軸(21、31)具有至少一個其他內側輥子(214、314)。
  20. 根據申請專利範圍第19項所述的設備，其中所述第一內側輥子(214、314)在所述軸(21、31)上盡可能居中地佈置在所述兩個外側輥子(213、313)之間。
  21. 根據申請專利範圍第20項所述的設備，其中其他內側輥子(214、314)各在盡可能居中的內側輥子(214、314)與所述外側輥子(213、313)之間的約半程處佈置。
  22. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備，其中所述傳送系統(30)的內側輥子(214、314)沿傳送方向看對齊地佈置。
  23. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備， 其中所述內側輥子(21、31)的外輪廓的半徑在所述基板(1)的支承點在從1mm至4mm的區間中、優選為2mm，並且所述內側輥子(214、314)的寬度為2mm至6mm、優選3mm至5mm。
  24. 根據申請專利範圍第15至17項之任一項所述的設備，其中所述外側輥子(213、313)的所述支承面(2131、3131)的寬度為6mm至12mm、優選為10mm。
  25. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備，其中所述真空腔中的軸(21、31)的驅動在每個軸(21、31)的至少一個端部(211、311)處以及借助到所述軸(21、31)的直接機械連接進行。
  26. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述的設備，其中所述加熱腔(3)的所述加熱系統(33、34)實施為加熱蛇管，所述加熱蛇管以環套形、曲流形或之字形的方式佈置，其中，用於所述基板的下側的加熱系統(33、34)佈置在所述軸(31)之下。
  27. 根據申請專利範圍第26項所述的設備，其中所述加熱系統(33、34)佈置在反射面與所述內部腔的內壁之間，並且至少所述反射面在平行於傳送方向的外側棱邊處具有向所述基板(1)的方向側向彎折的超出部，從而使得同樣加熱所述基板(1)的側面。
  28. 根據申請專利範圍第13至17項之任一項所述設備，其中加熱腔(3)和覆層腔(2)具有用於測量所述基板(1)的下側的溫度(下側溫度)和上側的溫度的感測器，和/或具有用於所述基板的位置確定的感測器。
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