Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines photovoltaischen
Dünnschichtmoduls
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Dünnschichtmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Photovoltaische Dünnschichtmodule werden an der von der Lichteinfallseite abgewandten Rückseite mit einer Rückseitenabdeckung versehen, die mit einer Klebefolie auf die Rückseite der Funktionsschichten auflaminiert wird. Um eine hinreichende elektrische Isolation der unter Spannung stehenden Funktionsschichten gegenüber der Umgebung (Rahmen, Montagegestell usw.), insbesondere im feuchten Zustand zu gewährleisten, wird die Klebefolie in dem Randbereich des Moduls direkt mit dem Substrat verbunden und damit eine hermetische Verkapselung der Funktionsschichten erreicht.
Dazu wird eine Randentschichtung durchgeführt, d.h. die Funktionsschichten werden im Randbereich des Moduls komplett abgetragen. Die Randentschichtung kann mechanisch z.B. durch Sandstrahlen oder Schleifen oder mit einem Laser erfolgen (vgl. DE 20 2008 005 970 Ul, DE 20 2008 006 110 Ul).
Bei der Randentschichtung kommt es jedoch vor, dass die Außenkante der Frontelektrodenschicht und die Außenkante der Rückelektrodenschicht stellenweise miteinander in Berührung gebracht werden, sodass ein Kurzschluss entsteht. Um die elektrische Isolation zwischen Front- und Rückelektrodenschicht zu gewährleisten, wird daher ein sogenannter „Isocut" durchgeführt, d.h. mit einem Laser wird im Abstand von dem randentschichteten Bereich des Moduls durch die Funktionsschichten eine Isolationstrennlinie geschrieben.
Zur Randentschichtung und für den Isocut sind mehrere Schritte und Anlagen erforderlich. So wird in einem ersten Schritt mit einer Anlage, mit der die Frontelektrodenschicht strukturiert wird, die Frontelektrodenschicht mit einem Laser mit den Zelltrennlinien für die Serienverschaltung der Einzelzellen des Moduls sowie der Trennlinie für den Isocut versehen. Nach Beschichten der
Frontelektrodenschicht mit der Halbleiterschicht, deren Strukturierung mit den Zelltrennlinien und der Beschichtung der Halbleiterschicht mit der Rückelektrodenschicht wird die Rückelektrodenschicht in einer weiteren Anlage neben den Zelltrennlinien mit einem Laser mit der Trennlinie für den Isocut versehen. Schließlich erfolgt mit einer weiteren Anlage die Randentschichtung.
Da die Bildung der Trennlinien für den Isocut in der Frontelektrodenschicht und in der Rückelektrodenschicht sowie die Randentschichtung mit unterschiedlichen Anlagen durchgeführt werden, müssen die unterschiedlichen Toleranzen in den einzelnen Prozessen berücksichtigt werden, z.B. auch im Hinblick auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des beispielsweise aus einer Glasscheibe bestehenden Substrats des Moduls und die unterschiedlichen Temperaturen während der einzelnen Prozesse.
Der Isocut wird daher in einem Abstand von 1 mm und mehr von dem randentschichteten Bereich des Moduls in den Funktionsschichten vorgesehen. Ferner muss die Trennlinie für den Isocut in der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine erhebliche Breite aufweisen, damit sie die Trennlinie für den Isocut in der Frontelektrodenschicht sicher überdeckt. Zur Bildung der Isocut- Trennlinie in der Rückelektrodenschicht muss daher der Laserstrahl zur Überlappung der benachbarten Spuren jeweils versetzt über das Modul hinwegbewegt werden.
Das Schreiben des Isocut kostet damit sehr viel Taktzeit. Zudem wird durch den Abstand des Isocut von 1 mm und mehr vom entschichteten Randbereich des Moduls die nutzbare aktive Fläche des Moduls und damit dessen Leistung reduziert. Da bei jeder der einzelnen zahlreichen Anlagen Störungen auftreten können, kann es ferner bei den Modulen häufiger zu Leistungseinbußen und Ausfällen kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, randentschichtete und mit einem Isocut versehene photovoltaische Dünnschichtmodule hoher Leistung sicher und mit geringerer Taktzeit herzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 13 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Im Anspruch 14 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben, die
durch die Merkmale der Ansprüche 15 bis 19 in vorteilhafter Weise ausgebildet wird.
Nach der Erfindung weist das photovoltaische Modul ein Substrat auf, auf dem als Funktionsschichten eine transparente Frontelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Rückelektrodenschicht abgeschieden sind, die jeweils eine Schichtdicke im Nano- bis Mikrometer-Bereich aufweisen.
Das Substrat besteht aus einem elektrisch nichtleitenden und im Falle einer Superstrat-Anordnung transparenten Material, beispielsweise Glas. Die Frontelektrodenschicht kann aus einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, beispielsweise Zinkoxid oder Zinnoxid bestehen. Wesentlich ist nur, dass es transparent und elektrisch leitfähig ist und zumindest einen geringen Prozentsatz der Strahlung des Lasers absorbiert.
Die Halbleiterschicht kann aus Silizium, beispielsweise amorphem, mikro- oder polykristallinem Silizium bestehen, aber auch ein anderer Halbleiter sein, beispielsweise Cadmium Tellur oder CIGS, also Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Die Rückelektrodenschicht ist vorzugsweise eine Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber oder dergleichen.
Die Beschichtung mit der Frontelektrodenschicht und der Halbleiterschicht erfolgt beispielsweise durch physikalisch unterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD), die Beschichtung mit der Rückelektrodensicht vorzugsweise durch Sputtern. Die Frontelektrodenschicht, die Halbleiterschicht und die Rückelektrodenschicht werden jeweils mit Zelltrennlinien versehen, um Einzelzellen zu bilden, die serienverschaltet sind.
Der Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also die Randentschichtung, und die Bildung der Isolationstrennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht und der Isolationstrennlinie im Randbereich der Halbleiterund Rückelektrodenschicht, also der Isocut im Randbereich der Funktionsschichten wird erfindungsgemäß in einem gemeinsamen Schritt mit einer Anlage durchgeführt.
D.h. während die Funktionsschichten im Randbereich des Moduls abgelasert werden, werden gleichzeitig die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und der Rückelektrodenschicht sowie der Frontelektrodenschicht für den Isocut gelasert.
Dazu sind erfindungsgemäß vorzugsweise die Laser einschließlich ihrer Optik zur Randentschichtung sowie zur Bildung der Isolationstrennlinien, also für den Isocut, in einer Laser-Einheit mechanisch fest miteinander verbunden.
Da die Randentschichtung und der Isocut der drei Funktionsschichten erfindungsgemäß gleichzeitig durchgeführt werden, sind Toleranzen unterschiedlicher Anlagen und Einflüsse der Substrattemperatur nicht mehr relevant. Dadurch kann der Abstand zwischen dem Isocut und der Randentschichtung minimiert und damit die Leistung des Moduls erhöht werden. Zudem kann die Breite der Trennlinie für den Isocut in der Rückelektrodenschicht minimiert und sogar auf Null reduzieren und damit die Leistung des Moduls weiter gesteigert werden.
Ferner werden gegenüber dem Stand der Technik erfindungsgemäß die Schreibzeiten reduziert, weil die Isocutlinien bei der Front- und Rückkontaktstrukturierung entfallen.
Als Laser für die Randentschichtung und für die Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht kann ein Infrarotstrahlung emittierender Laser mit einer Wellenlänge von mindestens 800 nm verwendet werden, vorzugsweise ein Neodym dotierter Yttrium-Vanadat (Nd : YVO4) oder ein Nd: YAG- Laser, also mit Yttrium-Aluminium-Granat als Wirtskristall, mit einer Grundschwingung von 1064 nm. Jedoch kann die Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Frontelektrodenschicht beispielsweise auch mit einem Neodym dotierten Festkörperlaser mit verdreifachter Frequenz, also einer Wellenlänge von 355 nm verwendet werden. Zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiterschicht und der Rückelektrodenschicht wird vorzugsweise ein sichtbares Lichtemittierender Laser verwendet, insbesondere ein neodymdotierter Festkörperlaser, also Nd: YVO4 oder Nd:YAG-Laser mit verdoppelter Frequenz mit einer Wellenlänge von 532 nm.
Statt Neodym dotierter Laser können auch andere mit ihrer Grundschwingung im Infrarot-Bereich emittierende Laser eingesetzt werden, beispielsweise mit Ytterbium dotierte Laser mit einer Grundwellenlänge von etwa 1070 nm. Auch hier ist eine Frequenzverdoppelung und-verdreifachung problemlos möglich. Als Laser werden insbesondere Faserlaser verwendet.
Vorzugsweise wird ein gepulster Laser mit Güteschaltung verwendet, insbesondere zur Randentschichtung und zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht.
Um eine komplette Ablation der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls zu gewährleisten, sollte der Laserstrahl des Lasers zur Randentschichtung und zur Bildung der Trennlinie in dem Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine hohe Energiedichte von insbesondere mindestens 50 mJ/mm2 aufweisen. Dabei sollten kurze Laserpulse von weniger als 100 ns emittiert werden. Die Impulsfrequenz kann 1 bis 50 kHz betragen. Der Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also die Randentschichtung kann mit einem Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner durchgeführt werden. Dabei wird mit dem Zwei-Achsen-Galvano-Scanner Puls für Puls Brennfleck an Brennfleck gereiht, sodass eine lückenlose Überdeckung ohne größere Überlappungsverluste erzielt wird. Der schnellen Scannerbewegung überlagert ist eine wesentlich langsamere Relativbewegung zwischen dem von Scanner bearbeiteten Feld und dem Modul. Diese Relativbewegung kann einen 1 cm/Sekunde oder mehr betragen. Die Breite des randentschichteten Bereichs kann z. B. 5 bis 20 mm betragen. Die Randentschichtung und der Isocut erstrecken sich über dem gesamten Umfang des im Allgemeinen rechteckigen Moduls.
Für den Abtrag der Funktionsschichten im Randbereich des Moduls, also zur Randentschichtung und zur Bildung der Isolationstrennlinien in den Funktionsschichten, also für den Isocut, wird vorzugsweise der Laserstrahl jeweils durch das transparente Substrat hindurch auf die Funktionsschichten fokussiert.
Dabei eilt bei der Bildung des Isocut der Laserstrahl des Lasers zur Bildung der Trennlinie in der Rückelektrodenschicht dem Laserstrahl des Lasers zu Bildung der Trennlinie der Frontelektrodenschicht voraus, da der Laserstrahl für die Trennlinie in der Frontelektrodenschicht auf die Frontelektrodenschicht erst auftreffen kann, wenn die Trennlinie in der Rückelektrodenschicht und der Halbleiterschicht gebildet worden ist.
Die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht und die Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht werden in Bewegungsrichtung des Moduls zu der Lasereinheit durch hintereinander angeordnete, einander überlappende Laserbrennflecken gebildet.
Die Ablation der Rückelektrodenschicht erfolgt dadurch, dass die im Laserbrennfleck liegende Halbleiterschicht verdampft und damit die darüberliegende Rückelektrodenschicht im Bereich des Brennflecks absprengt. Demgemäß dürfen sich die aneinandergereihten Laserbrennflecke auf der Rückelektrodenschicht nur in einem solchen Maß überlappen, dass der Energieeintrag in die Rückelektrodenschicht nicht zur Bildung von Löchern in der Rückelektrodenschicht führt, bevor das Halbleitermaterial auf Verdampfungstemperatur erwärmt wird, da sonst der Dampf über die Löcher entweicht, ohne die darüberliegende Rückelektrodenschicht vollständig abzusprengen.
Die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht weist vorzugsweise eine größere Breite als die Breite der Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht auf. So kann die Breite der Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht beispielsweise 80 bis 150 μm, vorzugsweise 100 bis 150 μm betragen, und die Breite der Trennlinie im Randbereich der Frontelektrodenschicht 20 bis 60 μm, vorzugsweise 30 bis 50 μm. Um einen entsprechend breiten Laserstrahl zu bilden, weist der Laser für die Trennlinie im Randbereich der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht eine Laseroptik auf, mit der der Laserstrahl aufgeweitet wird. Vorzugsweise ist die Lasereinheit ortsfest angeordnet, während das Modul gegenüber der Lasereinheit bewegt wird. Die Einrichtung zur Bewegung des Moduls kann beispielsweise durch einen Roboter gebildet werden. Dabei ist der Roboter vorzugsweise derart ausgebildet, dass er das Modul mit seinem gesamten Umfang in einer Richtung entlang der Lasereinheit bewegen kann. Jedoch kann auch die Lasereinheit bewegbar ausgebildet sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Darin zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Teil eines photovoltaischen Moduls mit dem Randbereich;
Figur 2 die Laserstrahlen während der gleichzeitigen Randentschichtung und der Bildung des Isocut;
Figur 3 eine Draufsicht auf die hintereinander gereihten, einander überlappenden Laserbrennflecke in der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht und in der Frontelektrodenschicht;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Lasereinheit; und
Figur 5 eine Draufsicht auf eine Einrichtung zur Bewegung des Moduls gegenüber der Lasereinheit nach Figur 4.
Gemäß Figur 1 weist das photovoltaische Dünnschichtmodul 1 ein transparentes Substrat 2, z.B. eine Glasscheibe, auf, auf der drei Funktionsschichten, nämlich eine Frontelektrodenschicht 3, eine Halbleiterschicht 4, beispielsweise aus amorphen Silizium, und eine Rückelektrodenschicht 5 aufeinander abgeschieden sind.
Das Modul besteht aus einzelnen streifenförmigen Zellen Cl, C2, C3 usw. die durch Strukturlinien 6, 7, 8 serienverschaltet sind. Der erzeugte Strom kann durch Kontaktierung der beiden äußeren Zellen des Moduls, also der Zelle Cl und der nicht dargestellten Zelle auf der anderen Seite des Moduls 1 abgenommen werden.
Im Randbereich 10 des Moduls 1 sind die Funktionsschichten 3, 4, 5 komplett entfernt. Mit der Klebefolie 11, beispielsweise eine EVA- oder PVB-Folie oder einer anderen Schmelzklebefolie, ist auf die mit den Funktionsschichten 3, 4, 5 versehene Seite des Substrats 2 eine Rückseitenabdeckung 12, beispielsweise eine Glasscheibe oder eine Kunststofffolie auflaminiert. Damit wird das Substrat 2 im Randbereich 10 mit der Klebefolie 11 direkt mit der Rückseitenabdeckung 12 fest verbunden, wodurch die Funktionsschichten 3 bis 5 in dem Modul 1 verkapselt werden, sodass sie auch bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, insbesondere bei Feuchtigkeit von der Umgebung mit einem hohen elektrischen Isolationswiderstand getrennt sind.
Zur Ablation der drei Funktionsschichten 3 bis 5 wird z. B. ein Nd :V04- Festkörperlaser mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm verwendet. Da sich beim Lasern des Randbereichs 10 die Außenkanten der Frontelektrodenschicht und der Rückelektrodenschicht stellenweise verbinden können, wird ein Isocut 13 durchgeführt, d.h. es wird eine Isolationstrennlinie 13 im Randbereich der Funktionsschichten 3 bis 5 zur Isolation zwischen der Frontelektrodenschicht 3 und der Rückelektrodenschicht 5 gelasert.
Gemäß Figur 2 erfolgt dabei der Abtrag der Funktionsschichten 3 bis 5 im Randbereich 10 des Moduls 1 und die Bildung der Isolationstrennlinien 13 gemeinsam in einem Schritt mit drei Lasern 23, 25, 24 (Figur 4), die den Laserstrahl 14 zum Abtrag des Randbereichs des Moduls 1, also zur Randentschichtung, den Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinie 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 und den Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 im Randbereich der drei Funktionsschichten 3 bis 5 emittieren.
Während der breite Laserstrahl 14 zur Randentschichtung mit einem Zwei-Achsen- Galvano-Laserscanner 36 (Figur 4) auf die Funktionsschichten 3 bis 5 fällt, erzeugen der Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinien 18 und 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 und der Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 hintereinander angeordnete einander überlappende runde Brennflecke 21, 22, wie aus Figur 3 ersichtlich, wobei die Brennflecke 22 zur Bildung der Trennlinien 18, 19 im Randbereich der Halbleiterschicht 4 bzw. der Rückelektrodenschicht 5 einen größeren Durchmesser als die Brennflecke 21 zur Bildung der Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 aufweisen. Dabei wird nicht nur die Trennlinie 17 in der Frontelektrodenschicht 3 sondern auch die Trennlinie 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 durch eine einzige Spur hintereinander angeordneter Brennflecke 21, 22 gebildet.
Gemäß Figur 4 sind die Laser 23, 24 und 25, die die Laserstrahlen 14, 15 bzw. 16 erzeugen, zusammen mit der nicht dargestellten Fokussieroptik und den Lagern, in denen der Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner 36 drehbar gelagert ist, in einer einzigen Lasereinheit 26 mechanisch fest miteinander verbunden. Dabei werden mit dem Zwei-Achsen-Galvano-Laserscanner 36 des Lasers 23 aneinander gereihte rechteckige aneinander anschließende Felder 27 erzeugt, während die Laserstahlen 16 und 15 der Laser 24, 25 die runden Brennflecke 21, 22 erzeugen.
Während die Lasereinheit 26 ortsfest angeordnet ist, wird das Modul 1 in Richtung des Pfeiles 28 bewegt. Dabei ist die Fokussieroptik für den Laserstrahl 15 so ausgerichtet, dass er in Bewegungsrichtung 28 dem Laserstrahl 16 vorauseilt (Figur 3). D.h. in der Einheit 26 ist die Fokussieroptik für den Laserstrahl 15 in Bewegungsrichtung 28 vor der Fokussieroptik für den Laserstrahl 16 angeordnet.
Gemäß Figur 5 wird das Modul 1 gegenüber der ortsfesten Lasereinheit 26 mit dem Arm 29 eines nicht dargestellten Roboters, der beispielsweise mit einem Sauger 31 an dem Substrat 2 von oben angreift, in Richtung der Pfeile 32 bis 35, also so bewegt, dass das Modul 1 mit seinem gesamten Umfang in einer Richtung derart bewegt wird, dass der Laserstrahl 15 zur Bildung der Trennlinien 18, 19 in der Halbleiterschicht 4 und der Rückelektrodenschicht 5 in der Bewegungsrichtung 32 bis 35 des Moduls 1 stets vor dem Laserstrahl 16 zur Bildung der Trennline 17 in der Frontelektrodenschicht 3 angeordnet ist.