WO2012163351A1 - Selektives abtragen dünner schichten mittels gepulster laserbestrahlung zur dünnschichtstrukturierung - Google Patents

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WO2012163351A1
WO2012163351A1 PCT/DE2012/100168 DE2012100168W WO2012163351A1 WO 2012163351 A1 WO2012163351 A1 WO 2012163351A1 DE 2012100168 W DE2012100168 W DE 2012100168W WO 2012163351 A1 WO2012163351 A1 WO 2012163351A1
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laser
layer
cigs
support
substrate
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PCT/DE2012/100168
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Alexander Braun
Christian Scheit
Steffen Ragnow
Klaus Zimmer
Anja WEHRMANN
Martin Ehrhardt
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Solarion Ag
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Definitions

  • the invention relates to a method for removing materials from a layer package which is located on a support, for the production of patterns in individual layers or the layer package, and to a device for carrying out the method.
  • Electrical and electronic components and assemblies can be produced, inter alia, as a thick and thin film system.
  • defined patterns in the thin layers are required to realize the intended functionality. These patterns can be made by additive as well as by subtractive methods.
  • thin layers of different structure by means of PVD (physical vapor deposition) - and produce CVD (chemical vapor deposition) method. They can be deposited on rigid carriers, for example glass, but also on films, ie thin, flexible carriers made of metal or polymer. It may be technically necessary to remove these layers partially or even selectively or completely again. This is done in particular with the aim of adjusting the geometry of the layers in the case of large-area coating or thereby increasing the functionality in the course of further processing.
  • One example is the removal of thin layers for the integrated interconnection of thin-film solar cells, for example based on chalcopyrite.
  • a further example is the areal deposition of thin layers for electro-optical applications such as thin-film (LCD) displays, organic light-emitting diodes (OLED) or thin-film solar cells.
  • LCD thin-film
  • OLED organic light-emitting diodes
  • Removal of thin layers can also be carried out, for example, by etching, laser processing, photolithography or mechanical processing, for example by means of etching. B. milling, done.
  • Etching processes such as wet chemical etching or plasma etching, allow the simultaneous patterning of large areas, but stable masks, which often need to be made directly on the layers, are required.
  • These masks must be prepared with lithographic methods, eg. As photolithography, are produced.
  • photolithographic masks are special chemicals and additional process steps required.
  • problems of overlay accuracy in lithographic masking of large areas are known. Further problems result from the adjustment of the masks, in particular if they are used at different times in the production process. Multi-use masks for etching processes are difficult to manufacture and use.
  • the material removal in plasma etching processes takes place mainly by means of chemical reactions that allow only the high etching rates. From this it can be seen that for specific materials adapted etchants are required, which are often very reactive, d. H. possibly also contain aggressive chemicals. On the other hand, in the presence of suitable etchant, a very gentle, low-damage and layer-selective removal can be achieved. Plasma etching processes are often used for silicon technology.
  • the wet-chemical etching in which the masked workpiece must be brought into contact with the etching solution in a defined manner over the entire surface, is a purely chemical etching process.
  • the main boundary conditions of this process are also determined by suitable chemicals, which however can also be very aggressive and must be carefully removed after etching. Again, a layer-selective removal may be possible
  • the energy deposition can stimulate different physical and / or chemical processes, which can also lead to damage to the remaining or surrounding material. Examples of this are melting processes, which can lead to a mixing of layers and thus to the destruction of the coating-specific functionality.
  • the thermal diffusion length is small compared to the laser ablation depth. Nevertheless, even with these types of lasers, the introduced energy can lead to phase transformations or the like and thus cause the risk of thin-film damage.
  • the erosion caused by laser irradiation is often caused by physical processes, which are summarized under the term ablation, which can be used for the structuring of thin layers or surfaces.
  • ablation which can be used for the structuring of thin layers or surfaces.
  • pulsed laser radiation with a length of the laser beam is often used.
  • radiation pulses applied in the range of nanoseconds. These nanosecond lasers are characterized by low cost and good use characteristics and are available for various radiation and power parameters.
  • polymers eg polyimide
  • the material removal is often referred to by the term of ablation - laser ablation -.
  • Pulsed lasers having pulse lengths shorter than 1 ⁇ and a wavelength absorbed by the material and lying in the infrared, visible or even ultraviolet spectral range are typically laser sources ).
  • a threshold energy density must be exceeded in order to achieve significant material removal.
  • the ablation depth per laser pulse ie the ablation depth, also depends on the material and is primarily determined by the penetration depth of the photons in the material to be processed. The polymer removal by laser ablation thus requires a radiation absorption in the material by linear or non-linear processes.
  • the very fast processes in the laser absorption have a number of secondary processes result. For example, heat waves, shockwaves and acoustic waves are triggered. These spread in the materials and can have additional consequences even in material areas that are not directly irradiated by the laser. Examples that have the technical use of secondary effects of laser radiation are laser shock hardening and the laser scalpel in ophthalmology.
  • the methods that result in the layer removal, applied to the layer side, ie etchant, mechanical tool or laser beam is thus the primary effect and immediate consequence of the application of the said tools.
  • the layer removal by plasma etching is characterized by the chemical reaction of the activated etching gas with the layers and as a rule requires photolithographic masking. In addition, it must be taken into account - aggravating for this method - that in multi-layer systems the etching processes are of different types and thus different chemicals and process parameters have to be applied. Technically manageable plasma etching processes are not available for every material. Furthermore, the question of environmental compatibility and the costs of the chemicals is a potential obstacle to use. Although the use of planar, non-local removal methods offers advantages, the preceding masking by photolithography is complicated.
  • the removal of layers with laser beams has the disadvantage that the remaining layers can fuse together and become unusable for the actual purpose. Other thermally induced effects may also limit the application. Moreover, the removal rate can not be arbitrarily increased by scaling the laser irradiation parameters (eg, power, etc.) since thermal accumulation effects that cause adverse consequences can be effective.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement, in the application of the described disadvantages can be avoided.
  • the functionality of the layers after structuring, especially in the area of structuring should be retained if individual layers or parts of the layer package are removed.
  • a more economical structuring can be achieved and structures can be made even if the layers are no longer suitable for the tool are accessible, which may occur, for example, in the course of further processing.
  • the invention is based on the finding that the removal of thin layers, such as those present in CIGS thin-film solar cells and shown in Figure 1, then can be made selectively and gently when laser beams briefly with defined parameters (E, t pu i s , ⁇ , etc.) are applied to the opposite side of the coating (layer or layer system) of the support of the coating.
  • the absorption of the laser radiation should preferably take place in the region of the surface of the substrate carrier or in front of it.
  • a direct removal of material by the laser irradiation in the region of the rear side or elsewhere of the arrangement, in the region of the substrate and not of the layer system, may be necessary to achieve the removal of the thin layers, for example for solar cell structuring.
  • the procedure is shown schematically in Figure 2.
  • the main steps of the method are the laser irradiation of the opposite side of the layer (s) of short duration, with a strong absorption results in a predominantly near-surface absorption, as well as the energy conversion of the irradiated laser energy into other forms of energy, such as mechanical energy wherein the converted energy subsequently passes through the substrate in the direction of the layer or of the layer system
  • the brief action of the laser radiation can be achieved by virtue of the fact that the laser beam itself has a limited duration of time, which is determined by the pulse duration, or only a limited irradiation time is achieved by rapid movement of the laser beam over the workpiece.
  • the wavelength of the laser radiation is to be chosen such that a very intensive interaction is achieved in a localized area of the substrate or in attached auxiliary materials (eg an auxiliary layer or auxiliary film). This is achieved in particular if the properties of the laser radiation are well adapted to the absorption properties of the substrate.
  • a primary heating of the thin layers by the laser pulse is inventively largely avoided by the laser beam is preferably in the substrate area, before it can impinge on the layers, is absorbed.
  • thermal heating in the substrate region can take place, the poor thermal conductivity of the often electrically and thus also thermally insulating substrate reduces the expected negative effects on the layers.
  • the energy for layer structuring is supplied mainly by secondary processes. These may include pressure waves, mechanical stresses, deformations, strains or the like. The effect of these secondary processes, which occur during the laser irradiation, can be influenced by suitable technical aids or a suitable process control and can also be enhanced.
  • Secondary processes which occur during the laser irradiation, can be influenced by suitable technical aids or a suitable process control and can also be enhanced.
  • Individual selected steps of the backside ablation process of the anterior side layer amaterial structuring are shown schematically in Figure 2 for the selective removal of the CIGS absorber layer system (8) from the molybdenum layer (2). After irradiation of the rear side of the thin-film carrier with a pulsed laser beam (10), as shown in I), the laser beam is absorbed in the area of the rear-side substrate surface.
  • the layer removal as a result of the back irradiation is depicted in the scanning electron micrograph (SEM) FIG. 3 using the example of structuring a CIGS thin-film solar cell on a polyimide film support. Striking is the steep structural edge of the CIGS absorber layer package consisting of (3), (4) and (5), which together form the active layer region (8), the smooth molybdenum layer surface (2) and the slightly wavy edge of the structuring edge (23). , These characteristics are peculiar to the process and in this form are not zen observed by direct irradiation of the thin-film system or thin layers.
  • auxiliaries are applied to the back of the substrate. These auxiliaries may be transparent, partially absorbing or absorbing with respect to the laser radiation.
  • transparent excipients 17.
  • the laser beam penetrates the excipient, is absorbed by the support or on the support (1) mounted further excipient and causes the Processes that lead to erosion.
  • the attached adjuvant may, depending on the embodiment, lead to the enhancement of these processes.
  • An embodiment is shown in schematic, schematic form in FIG.
  • water can be used as a liquid, transparent excipient.
  • a rigid glass (17a) together with a water film (17) is used to reinforce the ablative processes leading to the layer removal.
  • the additional arrangement of absorbing excipients (18) in which the processes leading to the layer removal can also be triggered by the laser irradiation is schematically outlined in Figure 6.
  • These energy waves generated in the absorbing auxiliary layer (18) are transferred to the substrate, for example by intimate contact.
  • the absorbent additive material (18) may be solid or liquid. In the case of solid absorbent adjuvants, such as polymeric films, coupling through a liquid film similar to that of Figure 5 is achievable.
  • the wavelength of the laser has been chosen be achieved that a high absorption in the substrate, or the substrate or the excipients can be chosen so that they absorb the laser radiation well.
  • the goal is pursued to preserve the layer system from direct laser beam exposure, but also to optimize the erosion effect by the appropriate tuning of laser wavelength and absorber (substrate or excipient).
  • the pulse duration or other properties of the laser radiation can also be selected such that a high absorption of the laser radiation takes place in the region of the back of the substrate.
  • additional forces and stresses (30, 31) can be introduced in the course of structuring, which act advantageously on the patterning process.
  • These stresses as a result of force effects (F) can be achieved by the following methods: (i) lateral force, vertical and horizontal forces; (ii) static or dynamic fields, including, but not limited to, temperature field distributions, ultrasonic fields, vibrations, or acoustic fields; or (iii) geometric deformation of the workpiece, such as bending or stretching. Selected embodiments are shown in Figure 7 and Figure 8.
  • the shaped and optionally collimated laser beam, d. H. the laser spot can be moved over the back of the workpiece according to the pattern to be generated on the layer side, wherein the speed, the pulse overlap, the laser beam size on the workpiece and other beam properties such. B. the pulse energy are matched.
  • the laser beam must be suitably shaped and optimized for energy density distribution to enable the desired formation of the secondary laser-induced processes.
  • shape of the laser spot ie its length and width, must be adapted to the required structuring.
  • intensity distribution changes, z. B. be homogenized, which can be achieved faster erosion and thus faster structuring.
  • the method has been extensively tested and offers many advantages over known methods. Above all, it is distinguished by the fact that the direct irradiation of the thin-film system is not necessary and therefore, above all, thermal effects on the thin-layer system in the laser-irradiated area, which can lead to a detrimental influence on the thin layers, are avoided.
  • An advantage of this invention is further that by this laser process no merging of individual layers arise together, because the laser beam does not touch these layers. In addition, the removal residues can be sucked out technically with little effort and do not impact on the workpiece top.
  • the material removal is not carried out by the sequential removal with each laser pulse by the thermal effect, which can change the material properties when removing a layer system sequentially and thereby the implementation of an optimized process would be difficult or technically complex, but it can the properties of Layer system itself be used.
  • a selective removal can be achieved, as he to the exposure of contact openings is necessary.
  • higher patterning speeds are possible because the ablated layer thickness can be greater than the ablation rate, the laser focus can be suitably shaped and thermal accumulations can not be expected.
  • FIG. 17 An arrangement for carrying out the method is shown in Figure 17 for the structuring of thin film solar cells on flexible substrates.
  • the band to be structured is guided freely in the region of the laser irradiation.
  • Two major advantages are achieved hereby: on the one hand, the layer side with the active thin-layer system is not damaged by friction with components of the arrangement during the transport process and, on the other hand, the removed material can be easily removed. In particular, gravity and air / gas flows cause little or no removed material to remain on the solar cell material.
  • a method for removing materials from a layer package wherein a CIGS thin-film solar cell, consisting of a substrate (1), a back contact (2), a CIGS absorber (3), a cadmium sulfide layer (4) and a front side contact (5) is fixed on a substrate suitable for processing the material with laser beams, such fixed material is irradiated first layer carrier side with an excimer laser (10) having a wavelength of 248 nm - 532 nm and has a pulse frequency of 6 ns to 25 ns and with 5 to 100 Hz pulse repetition fre- a laser power of 100 mW to 300 mW is used at a pulse energy of 20 ⁇ , wherein the excimer laser beam irradiated by projection of a mask area with uniform energy density, said area between 100 x 100 to 150 x 150 ⁇ or the laser spot is focused with Gaussverotti d
  • the designated layer package consists of TCO, CIGS and MO
  • Layer thicknesses 200 nm, 1, 5 ⁇ and 800 nm, is on polyimide substrate, namely
  • an excimer laser beam with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 25 ns at a pulse frequency of 100 Hz is directed to the substrate side and the substrate at a speed of 2500 ⁇ / sec moves, where it is removed with simultaneous structuring of the layer package.
  • a mask for example of the dimensions 150 ⁇ 150 ⁇ m, the speed of the excimer laser beam is 3 ⁇ m / sec and the CIGS layer is removed.
  • the parameter wavelength 532 nm, pulsation time about 6 ns, frequency is about 5 kHz at a laser power of about 300 mW.
  • a) layer package consisting of TCO, CIGS and MO with layer thicknesses of 200 nm, 1, 5 ⁇ m and 800 nm, b) Polyimide substrate Kapton film
  • an excimer laser beam with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 25 ns is directed onto the substrate side at a pulse frequency of 100 Hz and the substrate is moved at a speed of 2500 ⁇ m / sec, whereby it is removed with simultaneous structuring of the layer package, wherein two or more backside ablation pits (P3) are formed, opposite laser scribing trenches (20) which are filled with conductive paste (50) or with insulating paste (51) and thus one
  • Module interconnection is possible.
  • Polyimidsubstrat is performed, the CIGS layer is completely removed and the molybdenum layer remains unaffected.
  • Parameters wavelength 248 nm, pulse duration about 25 ns and pulse repetition frequency 100 Hz is directed to a defect, a laser spot size is adjusted according to the defect and the defect is isolated with an isolation trench (42).
  • the fixing of the support is carried out with a vacuum suction device and the ablated material is sucked off or blown away.
  • Embodiment 1 There is a CIGS thin film solar cell.
  • the solar cell has the in
  • the TCO and intrinsic zinc oxide layer thickness is about 0.5 ⁇ , the CIGS layer thickness about 2 ⁇ and the molybdenum layer thickness 1 ⁇ .
  • the solar cell substrate is commercially available Kapton film with a thickness of 25 ⁇ , to which the layers are applied.
  • the solar cell is fixed on a vacuum suction table in a commercial laser material processing system.
  • the irradiation is carried out with the following parameters:
  • the wavelength and the pulse duration of the excimer laser used are 248 nm and 25 ns, respectively.
  • the pulse repetition frequency is 100 Hz.
  • the laser beam is shaped so that a uniform energy density occurs in the irradiated area, which is determined by projection of a rectangular mask with a lens.
  • the beam is passed over the substrate at a constant speed. Now, a laser beam is directed onto the underside of the workpiece (substrate side), focused and, with the same laser parameters, the workpiece is moved at about 2.5 mm / s.
  • Layer removal preferred at an interface is the interface between the molybdenum layer of the back contact (2) and the CIGS absorber layer system (8).
  • the properties of the layers and the interface are important for the delamination, so that by adjusting the properties of the layer and interface, the layer structure (14) can be influenced. By suitable shaping and / or movement of the laser, patterns for layer structuring (14) can be produced.
  • the laser beam which also has a Gaussian energy density distribution, is deflected by a scanner and then focused with a special scanner optics having a focal length of 50 mm. Consequently, in the laser focus, unlike Embodiment 1, no uniform irradiation is to be expected, but a likewise approximately Gaussian distribution with a maximum mum of energy in the center of the laser spot, which has a diameter of d ⁇ 8.2 ⁇ .
  • the laser power is about 100 mW.
  • the pulse energy of the laser is about 20 ⁇ .
  • the laser beam is directed onto the underside of the workpiece (substrate rear side) and guided over the substrate at a constant speed of approx. 7.5 mm / s.
  • the structuring of a molybdenum layer onto polyimide is also achieved.
  • the laser power is increased to about 300 mW.
  • the scanning electron micrographs show that the width of the ablated layer fluctuates, but that no melting phenomena occur.
  • the simultaneous structuring of several layers can be achieved with changed structuring parameters.
  • the process control is similar to Embodiment 1 and Embodiment 2.
  • the laser power is about 300 mW.
  • the other parameters are selected similarly to Embodiment 2.
  • the scanning electron micrograph of the laser scribe (20) is shown in FIG.
  • the laser scribe (20) consists of two trenches: the wider trench is due to the removal of the CIGS layer system (8), and the central narrower trench is the scribe in the molybdenum layer (2).
  • the scribble trench of the CIGS layer composite (8) with irregularly erupted edges (23) can be seen, which also have no melting traces.
  • no melting phenomena can be observed at the edge of the scribing trenches for both the molybdenum and the CIGS layer package.
  • Advantageous here are (i) the higher structuring efficiency, since several layers are structured at the same time, (ii) the inherent overlapping accuracy in the sense of a self-aligning structuring process. In this example, these are the laser pits (20) in the CIGS layer (8) as well as in the molybdenum layer (2). This means that two functional structuring steps - technical arrangements with each other - can take place, making the manufacturing process easier and more reliable.
  • the removal of material can be surface-selective and takes place at the interface which has the least strength. It should be noted that the generation and transmission of the secondary energy on the layer side likewise results in a specific energy density distribution which causes corresponding layer removal areas.
  • the layer / interface-selective removal can be the possible contacting of the exposed layers for certain applications, eg. B. thin-film solar cells, facilitate.
  • FIG. 1 the interconnection region in the case of the external serial interconnection is shown specifically using the example of CIGS solar cells on polyimide film as the thin-film carrier substrate (1).
  • the two structuring trenches P3 and P4 which have functionally different tasks in the production of the interconnection, but require the selective removal of layers as possible without affecting the substrate. In this sense, the method can be used advantageously.
  • the by the Backing ablation front side structuring scribing trenches are subsequently filled with insulating paste (51) and conductive adhesive (50) to achieve the interconnection shown in Figure 1 1.
  • insulating paste insulating paste
  • conductive adhesive 50
  • the CIGS thin film solar cell material is produced in a typical PVD multi-step coating process. Comparing to mechanical styling with a needle tool, the backside ablation front side pattern is used to make the P3 trenches to prepare the external serial interconnect.
  • the P4 structuring is achieved in this example in two steps, wherein first P3 structuring is carried out by the back side laser ablation front side thin-film structuring process according to the invention and then the molybdenum layer is separated by conventional laser ablation in the center of the P3 trench (P4-Ritz in Figure 1 1) , This avoids that caused by the nanosecond laser used disadvantageous effects of the structuring process in the layer stack.
  • the corresponding insulating or conductive pastes are applied with dispensers or screen printing and then dried.
  • CIGS mini-modules are made using mechanical scribing for patterning.
  • the mini modules are then characterized and tested for their electrical properties. Within the scope of the margin of error, there are no differences in the efficiency of the modules compared to mechanically scored modules.
  • FIG. 1 The result of the laser structuring for the preparation of the electrical interconnection by means of conductive / insulating paste application is shown in FIG.
  • the light-microscopic image after the laser-structuring processes shows three parallel laser pits (20), the P4 marked P4 in this example comprising a double structuring.
  • the CIGS layer package (8) is prepared. structured and thus the CIGS layer system for all three laser patches similar removed. As a result, the molybdenum layer of the back contact (2) is exposed.
  • FIG. 13 A specific embodiment of a CIGS solar cell (40) with the corresponding openings for exposing the back contact (43), for separating the front side contact (42) and the edge insulation (41) is shown schematically in Figure 13.
  • the geometric specification of the structuring, ie the scoring for the isolation trench (42) and for exposing the back contact (43), can be carried out in a similar manner.
  • the back irradiation of the solar cell on the layer side selectively separates the CIGS layer from the molybdenum layer. This enables the functionalities of the isolation trench (42) and the back contact opening (43).
  • the edge isolation trench 41 can also be designed in this way.
  • the structuring of the solar cells is carried out as follows. Ready-processed CIGS thin-film solar cell material is cut in a punching process so that the outer contour of the solar cell is formed. When punching, however, short circuits can occur in the edge region, which reduce the efficiency of the solar cell (40).
  • the solar cell is provided with contact fingers (6) in a process of coating or printing. This is achieved in the present case by the application of a conductive adhesive that can be printed or dispensted. After curing, the contact fingers (6) and the front side busbar (44a) are deposited on the solar cell surface.
  • the laser structuring is now carried out using the method according to the invention of backside laser ablation front side thin-film structuring.
  • the solar cell is placed with the layer side on a vacuum table and by means of a
  • Aspirated diaphragm pump Thereafter, according to the layout of the solar cell, that is, for example, a mini cell, in accordance with the scheme in Figure 13, the corresponding Laserritze be introduced.
  • the following parameters are used: excimer laser with a wavelength of 248 nm, a pulse duration of approx. 25 ns and a pulse repetition frequency of 100 Hz; a laser spot size of
  • the structuring can also take place before the application of the contact fingers (6). Then the printing must be done with the appropriate accuracy to the structures introduced. However, the contact fingers (6) and the busbars (44) can then be applied in one work step. Other orders of the individual process steps are also feasible.
  • Exemplary Embodiment 7 Principle of the removal of defects, which were caused here by the direct laser irradiation of the layer package with a nanosecond laser at a defined location, by the method according to claim 1.
  • This example aims at a localized localization of CIGS thin film solar cells.
  • the task of a structuring process may be to remove or isolate defective areas of large-area manufactured components so that their damaging consequences do not become effective.
  • the method makes it possible to locally apply the CIGS / TCO layer package with the optionally contained therein
  • the laser spot is directed to the defect.
  • the size of the irradiated area is selected according to the defect size and the optimal patterning conditions. If larger defect areas are to be removed, this can be done in two ways: either the required area is completely removed by scanning with the laser spot, or the defect area (60) is surrounded by an isolation trench (42) which covers the defect area from the remaining functional area
  • a defect (60) is introduced into the solar cell layer system by means of high-power laser radiation (10), which defect can be dimensioned on the measured reduced performance parameters.
  • the solar cell is structured with the method according to the invention so that around the defect area (60) produced by the preceding high-power laser irradiation (10), an isolation trench (42) is created, which removes the front-side contact and thus electrically separates, that over the defect area adverse current flow more is possible.
  • a CIGS thin-film solar cell is patterned by the method according to the invention.
  • a schematic representation of the arrangement and procedure of this embodiment is given in Figure 15.
  • it is fixed over the entire surface of a glass substrate by means of an adhesive film.
  • a so-called picosecond laser is used, which has a wavelength of 1064 nm, a pulse duration of about 15 ps and after focusing by means of a scanner optics a focus diameter of about 25 ⁇ .
  • the workpiece is fastened on a suction table in such a way that the glass carrier faces the beam and the beam first strikes the adhesive film after passing through the carrier glass and then onto the substrate.
  • the laser is operated at a pulse repetition rate of 200 kHz and an output power of approximately 1.35 W is set.
  • the laser beam is now guided over the rear side with the scanner at a speed of approx. 250 mm / s.
  • the described structuring effect at a laser power of about 1 , 6 W can be achieved. From this it can be concluded that further combinations of laser parameters make possible the structuring in the described form.
  • Exemplary Embodiment 9 A PEN carrier film (polyethylene naphthalate) having a thickness of about 100 ⁇ m is present, on which an intrinsic zinc oxide (i-ZnO) layer having a
  • Layer thickness of 50 nm and on this an aluminum-doped zinc oxide (Al: ZnO) - layer is deposited with a layer thickness of about 300 nm. From the PEN film, the ZnO layers are to be removed locally and selectively.
  • the laser method according to the invention is used.
  • the material system is fixed with the layer side on a commercially available vacuum suction table so that the support has in the direction of the incident laser radiation.
  • the irradiation of the sample is carried out with the following parameters:
  • the laser beam is in the Formed and focused type that the irradiated area on the carrier film has a rectangular shape with a size of 100 ⁇ x 100 ⁇ , in which the energy distribution is uniform.
  • the area to be processed is irradiated with 40 laser pulses which cause an energy density of 10 J / cm 2 on the back of the substrate. After irradiation, the following effects are observed:
  • a PET (polyethylene terephthalate) support film having a thickness of approximately 100 .mu.m is provided, on which an approximately 200 nm thick ITO layer and, subsequently, 150 nm organic semiconductor material are applied.
  • the organic layer should be removed locally from the PET carrier film.
  • the composite material is fixed on a standard vacuum table.
  • the laser beam is shaped so that the laser spot on the PET carrier film has a homogeneous energy distribution and the spot size is 100 ⁇ m x 100 ⁇ m.
  • Embodiment 1 1 (3)
  • a CIGS thin film solar cell according to the structure shown in Figure 1 is used for patterning.
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer.
  • the technical procedure is adequate.
  • a CIGS thin-film solar cell is used according to the structure marked in FIG. 1 for structuring.
  • the CIGS and molybdenum layer thickness are in each case about 3 ⁇ m.
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. The same laser as in embodiment 1 1 is used.
  • a CIGS thin film solar cell according to the structure shown in Figure 1 is used for patterning.
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer.
  • the technical procedure is adequate.
  • a CIGS thin film solar cell according to the structure shown in Figure 1 is used for patterning.
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer.
  • the technical procedure is adequate.
  • a CIGS thin film solar cell according to the structure shown in Figure 1 is used for patterning.
  • the CIGS and molybdenum layer thickness are in each case about 3 ⁇ m.
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed laser scribing method, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer.
  • the technical procedure is adequate. It is the same laser as used in Example 14.
  • a CIGS thin film solar cell according to the structure shown in Figure 1 is used for patterning.
  • the thickness of Kapton foil is 50 ⁇ .
  • the CIGS layer is to be patterned by the proposed method for laser scribing, in which the CIGS layer is locally and selectively removed from the molybdenum layer. The technical procedure is adequate. The same laser as in Embodiment 1 is used.
  • Figure 1 Schematic representation of the cross-section of a CIGS thin-film solar cell on polyimide.
  • FIG. 2 Selected individual steps of the front side layer / material structuring process by backside ablation are schematically illustrated by the example of selectively removing the CIGS absorber layer system (8) from the molybdenum layer.
  • the four steps of the process are: I) irradiation of the backside with a pulsed laser, II) removal of material at or near the backside of the thin-layer support with the formation of energy waves, e.g. B. shock waves, III) and IV) interaction of the energy waves (15) with the layer system (8), which leads to the removal (14) in the interaction region.
  • Figure 3 Scanning electron micrograph of the edge (23) of a CIGS patterned thin-film solar cell, in which the CIGS layer system (3, 4 and 5 or 8) of the molybdenum back contact (2) by irradiation with a
  • FIG. 4 Schematic depiction of the arrangement for the process of thin-layer structuring by backside ablation with a transparent liquid material (17) in contact with the backside of the thin-film support.
  • Figure 5 Schematic depiction of the arrangement for the process of thin-layer structuring by backside ablation with a construction of several transparent materials in contact with the back of the thin-film support.
  • the example shows the simultaneous use of water (17) and glass (17a).
  • Figure 6 Exemplary, schematic illustration of the arrangement of an auxiliary absorber (18) for the process of thin-layer structuring by backside ablation.
  • the additional absorber material is applied in the region of the rear side of the layer carrier (1) and suitably coupled to the layer carrier.
  • Figure 7 Schematic illustration of the arrangement for the process of thin-film structuring by backside ablation with additional introduction of forces or force effects (F).
  • F forces or force effects
  • Figure 8 Schematic illustration of the arrangement for the process of thin-film structuring by backside ablation with additional triggering of forces (30) or force effects (F).
  • forces (30) or force effects (F).
  • F force effects
  • Figure 10 Scanning electron micrograph of a laser scribe (20) in a solar cell, in which in addition to the CIGS absorber layer system (8 consisting of 3, 4 and 5), the molybdenum layer (2) in the center was removed using Nd: YAG laser pulses.
  • Figure 1 1 Schematic representation of the area of the interconnection in the external serial interconnection of CIGS solar cell segments on a common film carrier (1) with the molybdenum back contact (2), the layer package (8), consisting of the CIGS absorber (3) , Cadmium sulfide (4) and the TCO front contact (5), the laser scribes (20) filled with conductive paste (50) and insulating paste (51), and the back side ablation pits (24) generated by the scribe steps P3 and P4.
  • the current flow (100) within the solar cell segment is indicated by arrows.
  • Figure 12 Microscopic image of the interconnection area for performing the external serial interconnection of CIGS solar cell segments by backside ablation front side structuring and conductive paste application.
  • the picture shows the Condition after the complete thin film deposition process and laser scribing.
  • the laser pits (20) marked P3 and P4 can be seen.
  • the backside ablation front side patterning process was first applied to all three scratches, and then the molybdenum layer (2) in the scribe line marked P4 was removed by conventional (front) laser ablation in the center of the exposed CIGS layer stack (8) to provide the required transection of the To achieve molybdenum layer (2), wherein the support (1) - here polyimide - is exposed, but not to damage the CIGS layer, otherwise parasitic resistances occur, which lead to the reduction of cell efficiency.
  • Figure 13 Schematic representation of an embodiment of CIGS thin-film solar cells in plan view, seen from the coating side.
  • the production of further functional elements turns the CIGS thin-film material into a solar cell (40).
  • Essential functional structures are: the contact fingers (6), the busbars for the front side (44a) and the back contact (44b), isolation scribe (42) for separating the front contact and the edge insulation (41).
  • the backside ablation front side structuring enables the structuring tasks isolation trench (42), the exposure of the back contact (43) and an edge insulation (41) to be achieved in CIGS thin-film solar cells.
  • Figure 14 Microscopic image of an exposed molybdenum layer (2) in which the reverse side ablation front side patterning process removed the CIGS layer system (8) and structured a contiguous area larger than the laser focus by patterning adjacent areas multiple times ,
  • Figure 15 Schematic representation of the use of the process after assembly of semi-finished products during the further manufacturing process.
  • the example relates to application of the method according to the invention in module production, in the context of which the thin-film solar cells are mounted, for example, on glass.
  • the assembly can be done for example by a thin adhesive layer (19) on the carrier glass (17a), as the figure shows.
  • the irradiation of the thin film solar cell (9), consisting of the carrier film (1) the molybdenum remindk toast (2) and the already known layer package (8) with a suitable laser beam (10) in the Form according to the invention is possible as shown.
  • the adhesive layer (19) together with the carrier glass (17a) can lead to an enhancement of the energy conversion and thus to a better, more efficient structuring.
  • FIG. 1 6 Schematic illustration of defect removal using backside ablation front side structuring.
  • a CIGS mini-solar cell according to Figure 13 - shown in I) - is, as shown in II), provided with a high-energy laser pulse irradiation (10) with a defect (60).
  • this defect (60) is surrounded by an isolation trench (42) - this can be seen in FIG. III) - and thus electrically isolated from the intact solar cell areas, so that no current flow is possible.
  • the comparative proof of the performance parameters solar cell according to IV) shows that the reduced by the introduced defect (60) performance parameters is almost completely eliminated by the surrounding the defect isolation trench (42).
  • Figure 17 Scheme for performing a process of laser structuring for the production of scribing trenches, isolation trenches, exposure surfaces or edge insulation by means of the method according to the invention.
  • Structuring edge e.g. Edge in CIGS absorber

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Abstract

Das selektive Abtragen dünner Schichten betrifft ein Verfahren zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen auf Chalkopyrit-Basis mittels gepulster Laserstrahlung durch den Abtrag zuvor aufgebrachter Schichten. Die Erfindung betrifft eine Strukturierungsmethode, die nur geringe thermische Belastungen des zu strukturierenden Schichtsystems durch Laserbestrahlung zur Folge hat. Erfindungsgemäß wird die Strukturierung der dünnen Schichten dadurch erzielt, dass ein durch Wellenlänge, Pulsdauer und Energiedichteverteilung charakterisierter Laserstrahl auf die dem Dünnschichtsystem gegenüberliegende Seite des Substrates gerichtet wird und so der Abtrag von Schichten des Dünnschichtsystems erzielt wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Träger.

Description

Selektives Abtragen dünner Schichten mittels gepulster Laserbestrahlung zur Dünn- schichtstrukturierung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrag von Materialien aus einem Schichtpaket, das sich auf einem Träger befindet, zur Herstellung von Mustern in Einzelschichten oder dem Schichtpaket sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0001 ] Elektrische und elektronische Bauteile und Baugruppen können unter anderem als Dick- und auch als Dünnschichtsystem hergestellt werden. Im Regelfall sind definierte Muster in den dünnen Schichten erforderlich, um die beabsichtigte Funktionalität zu realisieren. Diese Muster können durch additive wie auch durch subtraktive Verfahren hergestellt werden. [0002] Es ist bereits bekannt, dünne Schichten unterschiedlichen Aufbaus mittels PVD (physical vapour deposition)- und CVD (chemical vapour deposition)-Verfahren herzustellen. Sie können auf starre Träger, beispielsweise Glas, aber auch auf Folien, also dünne, flexible Träger aus Metall oder Polymer, abgeschieden werden. [0003] Es kann technisch erforderlich sein, diese Schichten teilweise oder auch punktuell oder auch vollständig wieder abzutragen. Dies erfolgt insbesondere mit dem Ziel, die Geometrie der Schichten bei großflächiger Beschichtung einzustellen oder hierdurch die Funktionalität im Verlaufe der weiteren Verarbeitung zu erhöhen. Ein Beispiel ist die Entfernung von dünnen Schichten für die integrierte Verschaltung von Dünnschicht- Solarzellen, beispielsweise auf Chalkopyrit-Basis. Ein weiteres Beispiel ist die flächige Abscheidung von dünnen Schichten für elektrooptische Anwendungen wie Dünnschicht (LCD)- Displays, organische Leuchtdioden (OLED) oder Dünnschichtsolarzellen.
[0004] Ein Abtrag dünner Schichten kann beispielsweise auch durch Ätzen, Laserbear- beitung, Photolithographie oder mechanische Bearbeitung, z. B. Fräsen, erfolgen.
[0005] Ätzprozesse wie nasschemisches Ätzen oder Plasmaätzen ermöglichen die zeitgleiche Strukturierung von großen Flächen, jedoch sind stabile Masken, die oft direkt auf den Schichten hergestellt werden müssen, erforderlich. Diese Masken müssen mit lithographischen Methoden, z. B. Photolithographie, hergestellt werden. Zur Herstellung photolithographischer Masken sind spezielle Chemikalien und zusätzlich Prozessschritte erforderlich. Gleichfalls sind Probleme der Überdeckungsgenauigkeit bei der lithographischen Maskierung großer Flächen bekannt. Weitere Probleme resultieren aus der Justage der Masken, insbesondere, wenn sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Her- stellungsprozess verwendet werden. Mehrfach zu verwendende Masken für Ätzprozesse sind schwierig herstell- und anwendbar.
[0006] Der Materialabtrag bei Plasmaätzprozessen erfolgt hauptsächlich mittels chemischer Reaktionen, die erst die hohen Ätzraten ermöglichen. Daraus ist ersichtlich, dass für spezifische Materialien angepasste Ätzmittel erforderlich sind, die oftmals sehr reaktive, d. h. ggf. auch aggressive Chemikalien beinhalten. Andererseits kann beim Vorhandensein geeigneter Ätzmittel ein sehr sanfter, schädigungsarmer und schichtselektiver Abtrag erzielt werden. Für die Siliziumtechnologie werden oft Plasmaätzprozesse angewandt.
[0007] Das nasschemische Ätzen, bei dem das maskierte Werkstück ganzflächig mit der Ätzlösung in definierter Weise in Kontakt gebracht werden muss, ist ein rein chemisches Ätzverfahren. Die wesentlichen Randbedingungen dieses Verfahrens sind ebenfalls durch geeignete Chemikalien bestimmt, die allerdings gleichfalls sehr aggressiv sein können und sorgfältig nach dem Ätzen entfernt werden müssen. Auch hierbei kann ein schichtselektiver Abtrag möglich sein
[0008] Die Strukturierung von dünnen Schichten durch Ritzen, Fräsen oder ähnlichen Verfahren erfordert die Anwendung von kleinsten mechanischen Werkzeugen, mit de- nen tiefengenau Schichten oder Schichtpakete abgetragen werden müssen. Der eigentliche Abtragsprozess ist mechanischer Natur und kann unterschiedlich ausgeformt sein, beispielsweise Spanen beim Fräsen und Spannungen beim Ritzen. In jedem Fall müssen die mechanischen Spannungen von benachbarten Schichten und dem Substrat aufgenommen werden.
[0009] Zum Abtrag bzw. zur Strukturierung dünner Schichten ist Energie erforderlich, die auch durch Laserstrahlungsabsorption beigebracht werden kann. Die Energieabsorption bei Laserbestrahlung kann über unterschiedliche Prozesse erfolgen; so ist die Energieaufnahme von Metallen primär an die Absorption an freie Elektronen gekoppelt. In der Folge von Relaxationsprozessen können weitere Vorgänge angeregt werden, zu denen die Wärmeleitung ins Material, Phasenübergänge wie Schmelzbildung, Strukturveränderungen, Verdampfen, Plasmabildung und mechanische Wirkungen, beispielsweise Schockwellen, gehören. Die Absorption von Laserstrahlung kann also zu einer Reihe von Primär- und Sekundärprozessen führen, die letztlich in einem Materialabtrag münden können.
[0010] Allerdings kann die Energiedeponierung unterschiedliche physikalische und/oder chemische Prozesse anregen, die auch zu einer Schädigung des verbleibenden oder umliegenden Materials führen können. Beispiel hierfür sind Schmelzprozesse, die zu einer Vermischung von Schichten und damit zur Zerstörung der schichtungsspezifischen Funktionalität führen können.
[001 1 ] Die Übertragung der von Elektronen absorbierten Energie auf ein Gitter erfolgt im Bereich einiger Pikosekunden, so dass bei ultrakurzen Laserpulsen der Materialabtrag erst nach dem Puls erfolgt. Trotzdem wird auch bei diesen Lasertypen das Material erwärmt, auch wenn die erforderlichen Energiedichten zum Abtrag im Vergleich zu längeren Pulsen geringer sind. Diese Diskrepanz ergibt sich aus dem Fakt, dass die Wärmeleitung beim Abtrag mit ultrakurzen Laserpulsen weitgehend zu vernachlässigen ist. Andererseits wird die Verteilung der absorbierten Laserenergie durch die Absorption im Material System bestimmt, die wiederum durch lineare und nichtlineare Prozesse bei der Bestrahlung des Materialsystems durch (ultra)kurze Laserpulse ausgelöst werden. Aufgrund der hohen Photonendichten, die beim Einsatz sehr kurzer Pulse erzeugt werden können, kommt es zu einem schnellen Abtrag des Materials, so dass kein oder nur ein geringer Wärmeeintrag in das verbleibende Material erfolgt und nur eine geringe thermisch geschädigte Randzone entsteht; die thermische Diffusionslänge, bezogen auf die Laserpulsdauer, ist klein gegenüber der Laserabtragstiefe. Trotzdem kann auch bei diesen Lasertypen die eingebrachte Energie zu Phasenwandlungen o. ä. führen und damit die Gefahr der Dünnschichtbeschädigung hervorrufen.
[0012] Der durch Laserbestrahlung hervorgerufene Abtrag wird oft durch physikalische Prozesse, die unter dem Begriff Ablation zusammengefasst werden, hervorgerufen, die zur Strukturierung von dünnen Schichten oder Oberflächen genutzt werden können. Für technische Prozesse wird oftmals gepulste Laserstrahlung mit einer Länge der Laser- strahlungspulse im Bereich von Nanosekunden angewendet. Diese Nanosekundenlaser zeichnen sich durch geringe Kosten und gute Nutzungseigenschafen aus und sind für verschiedene Strahlungs- und Leistungsparameter verfügbar. [0013] Es ist bekannt, dass Polymere (z. B. Polyimid) mit Hilfe von Licht oder Lasern abgetragen werden können. Bei der Bestrahlung von Polymeren durch gepulste Lichtquellen, z. B. Laser, wird der Materialabtrag oft durch den Begriff der Ablation - Laser- ablation - bezeichnet. Als Laserquellen werden in der Regel gepulste Laser mit Pulslängen kürzer als 1 με und einer Wellenlänge, die von dem Material absorbiert wird, und sowohl im infraroten, sichtbaren oder auch ultravioletten Spektralbereich liegen kann (z. B. Excimerlaser und frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser), verwendet. Üblicherweise muss eine Schwellenergiedichte überschritten werden, um einen merklichen Materialabtrag zu erreichen. Mit zunehmender Energiedichte nimmt die Höhe des Materialabtrags zu. Durch die höhere eingebrachte Energie und den dadurch verstärkten Material- abtrag ist auch mit stärkeren sekundären Wirkungen zu rechnen. Die Abtragstiefe pro Laserimpuls, d. h. die Ablationstiefe, hängt auch vom Material ab und wird vor allem durch die Eindringtiefe der Photonen im zu bearbeitenden Material bestimmt. Der Polymerabtrag durch Laserablation erfordert also eine Strahlungsabsorption im Material durch lineare oder nichtlineare Prozesse.
[0014] Die sehr schnell verlaufenden Prozesse bei der Laserabsorption, wie zum Beispiel die Materialerwärmung im Nanosekundenbereich, haben eine Reihe sekundärer Vorgänge zur Folge. So werden zum Beispiel Wärmewellen, Schockwellen und akustische Wellen ausgelöst. Diese breiten sich in den Materialien aus und können zusätzli- che Folgen auch in Materialbereichen haben, die nicht direkt durch den Laser bestrahlt werden. Beispiele, die die technische Nutzung von sekundären Wirkungen der Laserstrahlung haben, sind das Laserschockhärten und das Lasermikroskalpell in der Augenheilkunde. [0015] Üblicherweise werden die Methoden, die den Schichtabtrag zur Folge haben, auf der Schichtseite angewandt, d. h. Ätzmittel, mechanisches Werkzeug oder Laserstrahl. Der Schichtabtrag mit dem Ziel, die besagten Schichten abzutragen, zu strukturieren und so mit den notwendigen Mustern zu versehen, ist also die primäre Wirkung und unmittelbare Folge der Anwendung der besagten Werkzeuge. [001 6] Die bekannten Verfahrensweisen haben jeweils spezifische Nachteile, die technischer, funktioneller oder ökonomischer Natur sein können, wie die folgenden ausgewählten Beispiele belegen. Im Falle des mechanischen Abtrags können auch benachbarte Schichten beschädigt werden, die eigentlich intakt bleiben sollen. Die Kontrolle über die Abtragstiefe ist schwierig und kaum im Sinne des selektiven Abtrags von dünnen Schichten zu realisieren.
[0017] Der Schichtabtrag durch Plasmaätzen ist durch die chemische Reaktion des aktivierten Ätzgases mit den Schichten charakterisiert und erfordert im Regelfall eine photo- lithographische Maskierung. Darüber hinaus muss - für dieses Verfahren erschwerend - berücksichtigt werden, dass bei Multischichtsystemen die Ätzprozesse unterschiedlicher Art sind und so unterschiedliche Chemikalien und Prozessparameter angewendet werden müssen. Nicht für jedes Material stehen technisch handhabbare Plasmaätzprozesse zur Verfügung. Weiterhin ist die Frage der Umweltverträglichkeit und der Kosten durch die Chemikalien ein mögliches Nutzungshindernis. Obwohl die Nutzung von flächigen, nichtlokalen Abtrags-verfahren Vorteile bietet, ist die vorhergehende Maskierung durch Photolithographie aufwendig.
[0018] Der Abtrag von Schichten mit Laserstrahlen hat den Nachteil, dass die verblei- benden Schichten miteinander verschmelzen können und für den eigentlichen Zweck unbrauchbar werden. Andere thermisch verursachte Wirkungen können ebenfalls die Anwendung einschränken. Darüber hinaus kann die Abtragsgeschwindigkeit nicht beliebig durch Skalierung der Laserbestrahlungsparameter (z. B. Leistung etc.) gesteigert werden, da thermische Akkumulationseffekte wirksam werden können, die nachteilige Folgen verursachen.
[0019] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, bei deren Anwendung die geschilderten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die Funktionsfähigkeit der Schichten nach der Strukturierung speziell im Bereich der Strukturierung erhalten bleiben, wenn einzelne Schichten oder Teile des Schichtenpakets abgetragen werden. Darüber hinaus kann in bestimmten Fällen eine ökonomischere Strukturierung erreicht werden und es können auch dann Strukturen hergestellt werden, wenn die Schichten nicht mehr in geeigneter Weise für das Werkzeug zugänglich sind, was beispielsweise im Zuge der Weiterverarbeitung vorkommen kann.
[0020] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Abtrag dünner Schichten, wie sie unter anderem in CIGS-Dünnschichtsolarzellen vorhanden und in Abbildung 1 dargestellt sind, dann selektiv und schonend vorgenommen werden kann, wenn Laserstrahlen kurzzeitig mit definierten Parametern (E, tpuis, λ usw.) auf die gegenüber der Beschichtung (Schicht oder Schichtsystem) liegenden Seite des Schichtträgers der Beschichtung angewandt werden. Die Absorption der Laserstrahlung soll dabei bevorzugt im Bereich der Oberfläche des Substratträgers oder davor erfolgen. Ein unmittelbarer Materialabtrag durch die Laserbestrahlung im Bereich der Rückseite oder an anderer Stelle der Anordnung, im Bereich des Schichtträgers und jedoch nicht des Schichtsystems, kann zur Erzielung des Abtrags der dünnen Schichten, also beispielsweise zur Solarzellenstrukturierung, erforderlich sein. Das Verfahren ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Die Hauptschritte des Verfahrens sind die Laserbestrahlung der gegenüber der oder den Schichten liegenden Seite des Schichtträgers (1 ) mit kurzer Dauer, wobei eine starke Absorption eine überwiegend oberflächennahe Absorption zur Folge hat, sowie die Energiewandlung der eingestrahlten Laserenergie in andere Energieformen, wie beispielsweise mechanische Energie, wobei die gewandelte Energie nachfolgend den Schichtträger in Richtung der Schicht oder des Schichtsystems durchläuft
[0021 ] Die kurzzeitige Einwirkung der Laserstrahlung kann dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl selbst eine begrenzte zeitliche Dauer, die durch die Pulsdauer be- stimmt ist, aufweist oder durch schnelle Bewegung des Laserstrahls über das Werkstück nur eine begrenzte Bestrahlungsdauer erzielt wird.
[0022] Die Wellenlänge der Laserstrahlung ist so zu wählen, dass eine sehr intensive Wechselwirkung in einem örtlich begrenzten Bereich des Schichtträgers oder in ange- brachten Hilfsmaterialien (z. B. einer Hilfsschicht oder Hilfsfolie) erreicht wird. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die Eigenschaften der Laserstrahlung gut den Absorptionseigenschaften des Schichtträgers angepasst sind. [0023] Eine primäre Erwärmung der dünnen Schichten durch den Laserpuls wird erfindungsgemäß weitgehend vermieden, indem der Laserstrahl bevorzugt im Substratbereich, noch bevor er auf die Schichten auftreffen kann, absorbiert wird. Bei hochrepetierenden Lasern kann zwar eine thermische Aufheizung im Substratbereich erfolgen, je- doch vermindern die schlechte thermische Leitfähigkeit des oftmals elektrisch und damit auch thermisch isolierenden Schichtträgers die zu erwartenden negativen Wirkungen auf die Schichten.
[0024] Die Energie zur Schichtstrukturierung wird hauptsächlich durch sekundäre Pro- zesse geliefert. Diese können Druckwellen, mechanische Spannungen, Verformungen, Dehnungen oder ähnliches umfassen. Die Wirkung dieser sekundären Prozesse, die bei der Laserbestrahlung auftreten, kann durch geeignete technische Hilfsmittel oder eine geeignete Verfahrensführung beeinflusst und eben auch verstärkt werden. [0025] Einzelne ausgewählte Stufen des Prozesses der Vorderseitenschicht-Amaterial- strukturierung durch Rückseitenablation sind schematisch in Abbildung 2 am Beispiel der selektiven Entfernung des CIGS-Absorberschichtsystems (8) von der Molybdänschicht (2) dargestellt. Nach Bestrahlung der Rückseite des Dünnschichtträgers mit einem gepulsten Laserstrahl (10) wird, wie in I) dargestellt, der Laserstrahl im Bereich der rückseitigen Schichtträgeroberfläche absorbiert. Hierdurch wird ein Laserablations- prozess ausgelöst, wodurch Energiewellen entstehen, die sich, ausgehend von dem bestrahlten Bereich, durch das Substrat in Richtung der dünnen Schichten bewegen. Diese Energiewellen können die bereits angesprochenen physikalischen Effekte, z. B. Schockwellen, einzeln oder in Kombination umfassen. Die dünnen Schichten werden durch die Energiewellen erfasst (siehe III), und durch Wechselwirkung mit dem Schichtsystem kommt es zum Abtrag im Wechselwirkungsbereich.
[0026] Der Schichtabtrag als Ergebnis der rückseitigen Bestrahlung ist in der raster- elektronenmikroskopischen (REM) Abbildung 3 am Beispiel der Strukturierung einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle auf Polyimidfolienträger abgebildet. Auffallend ist die steile Strukturkante des CIGS-Absorberschichtpakets - bestehend aus (3), (4) und (5), die zusammen das aktive Schichtgebiet (8) bilden, die glatte Molybdänschichtoberfläche (2) und der leicht wellige Rand der Strukturierungskante (23). Diese Charakteristika sind Besonderheiten des Prozesses und werden in dieser Form nicht beim Vorderseitenrit- zen durch direkte Bestrahlung des Dünnschichtsystems oder dünner Schichten beobachtet.
[0027] Die sekundären Wechselwirkungen aufgrund der Absorption und dem Material- abtrag durch die Laserbestrahlung, können auch dadurch beeinflusst werden, dass Hilfsstoffe an der Rückseite des Schichtträgers angebracht werden. Diese Hilfsstoffe können bezüglich der Laserstrahlung transparent, teilabsorbierend oder absorbierend sein. [0028] Bei der Verwendung von transparenten Hilfsstoffen (17 in Abb. 4), die bevorzugt flüssig oder fest sein können, durchdringt der Laserstrahl den Hilfsstoff, wird durch den Schichtträger oder einem auf dem Schichtträger (1 ) angebrachten weiteren Hilfsstoff absorbiert und bewirkt die Prozesse, die zum Abtrag führen. Der angebrachte Hilfsstoff kann, je nach Ausführungsart, zur Verstärkung dieser Prozesse führen. Eine Ausfüh- rungsform ist in prinzipieller, schematischer Form in Abbildung 4 dargestellt. Insbesondere kann Wasser als ein flüssiger, transparenter Hilfsstoff Verwendung finden. Allerdings sind auch Anordnungen von unterschiedlichen transparenten Materialien möglich, wie in Abbildung 5 dargestellt ist. Hier wird ein starres Glas (17a) zusammen mit einem Wasserfilm (17) verwendet, um die zum Schichtabtrag führenden Ablationsprozesse zu verstärken.
[0029] Die zusätzliche Anordnung von absorbierenden Hilfsstoffen (18), in denen die zum Schichtabtrag führenden Prozesse durch die Laserbestrahlung ebenfalls ausgelöst werden können, wird in Abbildung 6 schematisch skizziert. Diese in der absorbierenden Hilfsschicht (18) entstehenden Energiewellen werden zum Schichtträger, beispielsweise durch einen innigen Kontakt, weitergeleitet. Das absorbierende Zusatzmaterial (18) kann fest oder flüssig sein. Im Fall fester absorbierender Hilfsstoffe, beispielsweise Polymerfolien, ist die Kopplung durch einen Flüssigkeitsfilm ähnlich zu Abbildung 5 erreichbar. Gleichfalls ist es möglich, die den Schichtabtrag bewirkenden Prozesse durch mehrere Laserstrahlen zu erreichen, die nicht notwendigerweise die gleichen Eigenschaften haben müssen und auch zeitlich und/oder räumlich versetzt zur Anwendung gebracht werden können. [0030] Da die Laserstrahlungsabsorption, die den Material- bzw. den Dünnschichtabtrag als Folge eines Laserablationsprozesses im Bereich des Schichtträgers bewirkt und die primäre Ursache des Schichtabtrages ist, im Bereich der Rückseite des Dünnschichtträgers wesentliche Voraussetzung ist, muss entweder die Wellenlänge des Lasers so gewählt werden, dass eine hohe Absorption im Substrat erzielt wird, oder das Substrat oder die Hilfsstoffe können so gewählt werden, dass diese die Laserstrahlung gut absorbieren. Hierbei wird nicht nur das Ziel verfolgt, das Schichtsystem vor direkter Laserstrahleinwirkung zu bewahren, sondern auch die Abtragswirkung durch die geeignete Abstimmung von Laserwellenlänge und Absorber (Substrat oder Hilfsstoff) zu optimie- ren.
Neben der Wellenlänge können auch die Pulsdauer oder andere Eigenschaften der Laserstrahlung so gewählt werden, dass eine hohe Absorption der Laserstrahlung im Bereich der Schichtträgerrückseite erfolgt. [0031 ] In der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können im Zuge der Strukturierung zusätzliche Kräfte und Spannungen (30, 31 ) eingebracht werden, die vorteilhaft auf den Strukturierungsprozess wirken. Diese Spannungen als Folge von Kräftewirkungen (F) können durch folgende Methoden erzielt werden: (i) seitliche Krafteinwirkung, vertikale und horizontale Kräfte; (ii) statische oder dynamische Felder, darunter vor allem Tem- peraturfeldverteilungen, Ultraschallfelder, Schwingungen bzw. Vibrationen oder akustische Felder; oder (iii) durch die geometrische Verformung des Werkstücks, beispielsweise Biegung oder Streckung. Ausgewählte Ausführungsbeispiele sind in Abbildung 7 und Abbildung 8 dargestellt. [0032] Der geformte und ggf. gebündelte Laserstrahl, d. h. der Laserspot, kann über die Rückseite des Werkstücks entsprechend der auf der Schichtseite zu erzeugenden Muster bewegt werden, wobei die Geschwindigkeit, der Pulsüberlapp, die Laserstrahlgröße auf dem Werkstück und weitere Strahleigenschaften wie z. B. die Pulsenergie aufeinander abgestimmt werden.
[0033] Der Laserstrahl muss in geeigneter weise geformt und bezüglich der Energiedichteverteilung optimiert werden, um die gewünschte Ausbildung der sekundären laserinduzierten Prozesse zu ermöglichen. Insbesondere muss die Form des Laserflecks, d. h. seine Länge und Breite, der erforderlichen Strukturierung angepasst wer- den, die Intensitätsverteilung verändert, z. B. homogenisiert, werden, wodurch sich ein schnellerer Abtrag und damit eine schnellere Strukturierung erreichen lässt.
[0034] Das Verfahren ist umfassend erprobt und bietet viele Vorteile im Vergleich zu bekannten Verfahrensweisen. Es zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die direkte Bestrahlung des Dünnschichtsystems nicht notwendig ist und dadurch vor allem thermische Wirkungen auf das Dünnschichtsystem im laserbestrahlten Bereich, die zu einer schädlichen Beeinflussung der dünnen Schichten führen können, vermieden werden. [0035] Vorteilhaft an dieser Erfindung ist weiterhin, dass durch diesen Laserprozess keine Verschmelzungen einzelner Schichten miteinander entstehen, weil der Laserstrahl diese Schichten nicht berührt. Zudem können die Abtragsreste technisch unaufwändig abgesaugt werden und schlagen sich nicht auf der Werkstückoberseite nieder.
[0036] Hierdurch lassen sich für die Strukturierung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen beispielsweise Schmelzerscheinungen oder andere thermische Wirkungen, die beim Laserritzen mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen auftreten können, vermeiden und ein ähnlicher Abtrag, wie er vom mechanischen Ritzen bekannt ist, erzielt werden. Des- halb ist auch nicht mit der Ausbildung von anderen, laserinduziert entstehende Phasen zu rechnen.
[0037] Dadurch, dass sekundäre thermische Prozesse zur Strukturerzeugung genutzt werden können, sind die bei direkter Laserbestrahlung auftretenden Erscheinungen von Schichtveränderungen, beispielsweise Schmelzerscheinungen von dünnen Schichten bei CIGS-Dünnschichtsolarzellen - oder Degradationserscheinungen bei Schichten für organische Halbleiter - vermieden, wodurch Vorteile entstehen.
[0038] Weiterhin erfolgt der Materialabtrag nicht durch den sequenziellen Abtrag mit jedem Laserpuls durch die thermische Wirkung, wodurch sich die Materialeigenschaften beim Abtrag eines Schichtsystems nacheinander ändern können und hierdurch die Durchführung eines optimierten Prozesses schwierig oder technisch aufwendig würde, sondern es können die Eigenschaften des Schichtsystems selbst genutzt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein selektiver Abtrag erreicht werden, wie er zur Freilegung von Kontaktöffnungen notwendig ist. Weiterhin sind höhere Strukturierungsgeschwin- digkeiten möglich, da die abgetragene Schichtdicke größer der Ablationsrate sein kann, der Laserfokus geeignet geformt werden kann und thermische Akkumulationen nicht erwartet werden können.
[0039] Bei der Strukturierung von Schichtpaketen unterschiedlicher Schicht- und Grenzflächeneigenschaften kann die gleichzeitige Ausbildung mehrerer Ritzgräben beobachtet werden (Abbildung 10), was Vorteile in der Prozessgeschwindigkeit bietet. Gleichzeitig wird die Lage beider Ritze durch ein und denselben Laserfokus definiert, wodurch ein selbstjustierender Prozess und eine Strukturierung mit hoher Überdeckungsgenauigkeit erreicht werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein absoluter Lagebezug zu anderen Elementen nicht von wesentlicher Bedeutung ist, wenn große Substrate zu strukturieren sind und wenn das Werkstück im Verlaufe des Bearbeitungsprozesses Größen- und Dimensionsänderungen durchlaufen kann.
[0040] Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Abbildung 17für die Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Trägern dargestellt. In der dargestellten Form wird das zu strukturierende Band im Bereich der Laserbestrahlung frei geführt. Hierdurch werden zwei wesentliche Vorteile erzielt: Einerseits wird die Schicht- seite mit dem aktiven Dünnschichtsystem nicht durch Reibung mit Komponenten der Anordnung beim Transportprozess beschädigt und andererseits kann das abgetragene Material gut entfernt werden. Insbesondere wird durch die Schwerkraft und durch Luft-/Gasströmungen bewirkt, dass nur wenig oder kein abgetragenes Material auf dem Solarzellenmaterial zurück bleibt.
[0041 ] Wesentliche Aspekte der vorgestellten technischen Lösung lassen sich wie folgt zusammen fassen. Es handelt sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um ein Verfahren zum Abtrag von Materialien aus einem Schichtpaket, wobei eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus einem Schichtträger (1 ), einem Rückkon- takt (2), einem CIGS-Absorber (3), einer Cadmiumsulfidschicht (4) und einem Vorderseitenkontakt (5) auf einer zur Bearbeitung des Materials mit Laserstrahlen geeigneten Unterlage fixiert wird, derart fixiertes Material zunächst schichtträgerseitig mit einem Excimer-Laser (10) bestrahlt wird, der eine Wellenlänge von 248 nm - 532 nm und eine Pulsfrequenz von 6 ns bis 25 ns aufweist und mit 5 bis 100 Hz Pulswiederholungsfre- quenz arbeitet, eine Laserleistung von 100 mW bis 300 mW verwendet wird bei einer Pulsenergie von 20 μϋ, wobei der Excimer-Laserstrahl ein durch Projektion einer Maske bestimmtes Gebiet mit gleichmäßiger Energiedichte bestrahlt, wobei diese Fläche zwischen 100 x 100 bis 150 x 150 μηι beträgt oder der Laserspot fokussiert wird mit Gaussverteilung d = 5 bis 10 μηι und der Laserstrahl mit gleichbleibender Geschwindigkeit zwischen 2500 μηΊ/sec und 7500 μηΊ/sec über das Substrat geführt wird, wobei ein Schichtträger, ein Schichtpaket insgesamt oder Teile desselben abgetragen werden.
[0042] Das bezeichnete Schichtpaket besteht aus TCO, CIGS und MO mit
Schichtdicken 200 nm, 1 ,5 μηι und 800 nm, ist auf Polyimidsubstrat, nämlich
Kaptonfolie aufgebracht, ein Excimer-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 25 ns bei einer Pulsfrequenz von 100 Hz wird auf die Substratseite gerichtet und das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 2500 μηΊ/sec bewegt, wobei es abgetragen wird unter gleichzeitiger Strukturierung des Schichtpaketes.
(0043] Dabei wird gegebenenfalls eine Maske eingesetzt, zum Beispiel der Abmaße 150 x 150 μηπ, die Geschwindigkeit des Vorbeiführens am Excimer-Laserstrahl beträgt 3 μηΊ/sec und die CIGS-Schicht wird dabei abgetragen [0044] Es kann zweckmäßig ein Neodym-YV04-Laser verwendet werden, der einen Laserstrahl der Wellenlänge 532 nm erzeugt, mit einer Pulsationszeit von 6 ns und einer Pulsfrequenz von 5 kHz arbeitet, einer Pulsenergie von 20 μϋ und eine Laserleistung von 100 mW bringt, ein Laserspotdurchmesser infolge Gaussverteilung von etwa d =8,2 μηι und der mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,5 mm/sec über das Substrat ge- führt wird, wobei Polyimid an der Rückseite ebenso ablatiert wird wie die CIGS-Schicht, die gegenüber der Bestrahlungsstelle von der Molybdänschicht entfernt wird.
[0045] Unter Einsatz eines Nd:YVO4-Lasers der Parameter Wellenlänge 532 nm, Pulsationszeit ca.6 ns, Frequenz ca. 5 kHz bei einer Laserleistung von ca. 300 mW wird. die Molybdänschicht auf Polyimid strukturiert
[0046] In einer weiteren Variante mit den Voraussetzungen und Parametern
a) Schichtpaket, bestehend aus TCO, CIGS und MO mit Schichtdicken 200 nm, 1 ,5 μηι und 800 nm, b) Polyimidsubstrat Kaptonfolie
wird ein Excimer-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 25 ns bei einer Pulsfrequenz von 100 Hz auf die Substratseite gerichtet und das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 2500 μηΊ/sec bewegt ,wobei es abgetragen wird unter gleichzeitiger Strukturierung des Schichtpaketes, wobei zwei oder mehr Rücksei- tenablationsgruben (P3) entstehen, gegenüberliegend Laserritzgräben (20), die mit Leitpaste (50) oder mit Isolationspaste (51 ) verfüllt werden und damit eine
Modulverschaltung ermöglicht wird. [0047] Man kann auch derart vorgehen, dass eine fixierte Dünnschichtsolarzelle mit einem Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Pulsdauer von ca. 25 ns und einer Pulswiederholungsfrequenz von 100 Hz, einer Laserspotgröße von 100 x 100 mm bestrahlt wird und mit einer Geschwindigkeit von 2,5 mm/sec über das
Polyimidsubstrat geführt wird, wobei die CIGS-Schicht vollständig entfernt wird und die Molybdänschicht unbeeindruckt bleibt.
[0048] Defektstellen können isoliert werden, wenn ein Excimer-Laser mit den
Parametern Wellenlänge 248 nm, Pulsdauer ca. 25 ns und Pulswiederholungsfrequenz 100 Hz auf eine Defektstelle gerichtet wird, eine Laserspotgröße entsprechend der Defektstelle eingestellt wird und die Defektstelle mit einem Isolationsgraben (42) isoliert wird.
[0049] Verfahrenserleichternd erfolgt das Fixieren des Schichtträgers mit einer Vakuum- Ansaugvorrichtung und das ablatierte Material wird abgesaugt oder weggeblasen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1 [0041 ] Es liegt eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle vor. Die Solarzelle hat den in
Abbildung 1 dargestellten Aufbau. Die TCO- und intrinsische Zinkoxid-Schichtdicke beträgt ca. 0,5μηπ, die CIGS-Schichtdicke ca. 2μηι und die Molybdänschichtdicke 1 μηι. Das Solarzellensubstrat ist handelsübliche Kaptonfolie mit einer Dicke von 25 μηπ, auf die die Schichten aufgebracht sind. [0042] Die Solarzelle wird auf einem Vakuum-Ansaugtisch in einer handelsüblichen La- sermaterialbearbeitungsanlage fixiert. Die Bestrahlung wird mit folgenden Parametern ausgeführt: Die Wellenlänge und die Pulsdauer des verwendeten Excimerlasers betragen 248 nm bzw. 25 ns. Die Pulswiederholfrequenz beträgt 100 Hz. Der Laserstrahl wird so geformt, dass im bestrahlten Gebiet, das durch Projektion einer rechteckigen Maske mit einem Objektiv bestimmt ist, eine gleichmäßige Energiedichte auftritt. Der Strahl wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit über das Substrat geführt. Nun wird ein Laserstrahl auf die Werkstücksunterseite (Substratseite) gerichtet, fokussiert und bei gleichen Laserparametern das Werkstück mit etwa 2,5 mm/s bewegt.
[0052] Nach der Bestrahlung werden zwei Wirkungen festgestellt: (i) Durch den Laser- beschuss des Polyimidsubstrates wird dieses geringfügig abgetragen und (ii) auf der gegenüberliegenden Seite, der beschichteten Seite des Substrats, wird gegenüber dem Bereich der Lasereinwirkung ein Materialabtrag auf der Schichtseite des Werkstücks erzielt. Das Substrat wird auf der laserbestrahlten Rückseite abgetragen. Es werden keine nachteiligen Folgen - mechanische Beeinträchtigungen - des geringfügigen Abtrags beobachtet
[004353] Für den Fall einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle, deren Schichtpaket auf ein Substrat aus einer 25 μηι dicken Polyimidfolie aufgebracht worden ist, wird der Strahl eines Excimerlasers (tpuis = ~ 25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) auf eine Fläche von
150 x 150 μηπ2 bei 3 mm/s gerichtet. Bei geringem Pulsüberlapp von ca. 20 % und einer Laserfluenz von etwa 5 J/cm2 erfolgt die Laserbestrahlung der Rückseite des CIGS- Dünnschichtsolarzellensubstrats. Das Ergebnis der Laserbestrahlung und des Substratabtrags ist bei den angegebenen Parametern der Abtrag und die Ablösung der CIGS-Schicht. Das rasterelektronenmikroskopische Abbild der strukturierten Oberfläche ist in Abbildung 3 zu sehen. Die Ritzkante (23) ist nahezu senkrecht und weist keine sichtbaren Spuren von Schmelzen oder anderen Schichtveränderungen auf. Der Verlauf der Ritzkante (23) in Richtung des Ritzens ist nicht vollständig gerade, wie es von der direkten Laserablation bekannt ist, wodurch ebenfalls klar ist, dass es sich um einen bisher nicht bekannten Prozess handelt, der indirekt den Laserablationsprozess, allerdings an der schichtabgewandten Seite des Schichtträgers nutzt, aber der bezweckte Schichtabtrag nicht durch einen Laserablationsabtrag im ursprünglichen Sinne, der aufgrund der direkten Absorption der Laserstrahlung erfolgt, zustande kommt. [004454] Die Folge der Einzelprozesse, die zum Abtrag der Schichten führen, ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Die wesentlichen Bestandteile, Anordnungen und Abläufe des Verfahrens sind dargestellt. Das von der Rückseite mit einem Laser (10) bestrahlte Substrat (1 ) absorbiert Teile der Laserstrahlung oberflächennah. Hierdurch kommt es durch photochemische bzw. photothermische Prozesse zur Ablati- on eines Materials im Bereich der Schichtträgerrückseite. Dies kann im einfachsten Fall der Schichtträger (1 ) selbst sein, wie hier dargestellt ist. Durch die Laserablation (1 1 ) werden sekundäre Prozesse ausgelöst, die schließlich zum Schichtabtrag führen. Dies können, wie in der Abbildung schematisch dargestellt, Schockwellen sein. Diese Ener- giewellen (15), z. B. Schockwellen, die einen Teil der Laserenergie tragen, dringen bis zu dem Schichtsystem (8) vor und können bei geeigneter Parameterwahl, ggf. zusammen mit anderen Prozessen, zum Schichtabtrag (16) führen. Hierbei erfolgt der
Schichtabtrag bevorzugt an einer Grenzfläche; im Beispiel ist dies die Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht des Rückkontaktes (2) und dem CIGS-Absorberschicht- System (8). Die Eigenschaften der Schichten und der Grenzfläche sind wichtig für die Schichtablösung, so dass durch Einstellung der Eigenschaften von Schicht und Grenzfläche die Schichtstrukturierung (14) beeinflusst werden kann. Durch geeignete Formung und/oder Bewegung des Lasers lassen sich Muster zur Schichtstrukturierung (14) erzeugen.
Ausführungsbeispiel 2
[0055] Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung ver- wendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 2 jedoch wird nun ein Neodym :YV0 -Laser (Neodym-dotiertes Yttrium-Orthovana- dat; Nd:YV04) mit folgenden Parametern verwendet: tPuis ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz. Der Laserstrahl, der außerdem eine gaussförmige Energiedichteverteilung besitzt, wird mittels eines Scanners ausgelenkt und hiernach mit einer speziellen Scanneroptik, die eine Brennweite von 50 mm besitzt, fokussiert. Folglich ist auch im Laserfokus, abweichend von Ausführungsbeispiel 1 , keine gleichförmige Bestrahlung zu erwarten, sondern eine ebenfalls annähernd gaussförmige Verteilung mit einem Maxi- mum der Energie im Zentrum des Laserspots, der einen Durchmesser von d ~ 8,2 μηι aufweist. Die Laserleistung beträgt etwa 100 mW. Die Pulsenergie des Lasers beträgt etwa 20 μϋ. Der Laserstrahl wird auf die Werkstücksunterseite (Substratrückseite) gerichtet und mit gleichbleibender Geschwindigkeit von ca. 7,5 mm/s über das Substrat geführt.
[004556] Auch hier wird die Ablation des Polyimides an der Rückseite und die lokale Schichtentfernung gegenüber der Bestrahlungsstelle beobachtet. Das Ergebnis des Abtrags wurde im Rasterelektronenmikroskop untersucht und ist in Abbildung 9 darge- stellt. Man sieht einen Ritzgraben mit unregelmäßig ausgebrochenen Rändern, die ebenfalls keinerlei Schmelzspuren aufweist. In Übereinstimmung mit Ausführungsbeispiel 1 wird auf der Substratrückseite Material abgetragen, wodurch ein Graben gebildet wird. Erkennbar werden jedoch schmalere Ritzgräben - im Beispiel liegen diese im Bereich von 80 μηι - erzielt, die offensichtlich auf den geringeren Fokusdurchmesser zu- rückzuführen sind.
Ausführungsbeispiel 3
[0057] Bei veränderten Strukturierungsparametern wird auch die Strukturierung einer Molybdänschicht auf Polyimid erreicht. In diesem Beispiel wird zur Strukturierung ein Nd:YV04-Laser (tpuis ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz) verwendet. Die Laserleistung wird jedoch auf etwa 300 mW erhöht. Auch hier belegen die rasterelektronenmikrosko- pischen Abbildungen, dass die Breite der abgetragenen Schicht schwankt, aber keine Schmelzerscheinungen auftreten.
Ausführungsbeispiel 4
[004658] In Weiterführung des Ausführungsbeispiel 2 kann bei veränderten Strukturierungsparametern die gleichzeitige Strukturierung mehrerer Schichten erreicht werden. Die Prozessführung ist gleichartig dem Ausführungsbeispiel 1 und dem Ausfüh- rungsbeispiel 2. In diesem Beispiel wird zur Strukturierung ebenfalls ein Neodym:YV04- Laser (tpuis ~ 6 ns, λ = 532 nm und f = 5 kHz) verwendet. Die Laserleistung beträgt etwa 300 mW. Die weiteren Parameter werden ähnlich dem Ausführungsbeispiel 2 gewählt. [0059] Die rasterelektronenmikroskopische Abbildung des Laserritzes (20) ist in Abbildung 10 dargestellt. Der Laserritz (20) besteht aus zwei Gräben: der breitere Graben rührt von der Entfernung des CIGS-Schichtsystems (8) her und der zentrale schmalere Graben ist der Ritz in der Molybdänschicht (2). Auch hier ist der Ritzgraben des CIGS- Schichtverbundes (8) mit unregelmäßig ausgebrochenen Rändern (23) zu sehen, die ebenfalls keinerlei Schmelzspuren aufweisen. Trotz der höheren Pulsenergie sind keine Schmelzerscheinungen am Rande der Ritzgräben sowohl für das Molybdän wie auch für das CIGS-Schichtpaket zu beobachten. Vorteilhaft hierbei sind (i) die höhere Effizienz der Strukturierung, da mehrere Schichten gleichzeitig strukturiert werden, (ii) die inhärent erzielte Überdeckungsgenauigkeit im Sinne eines selbstjustierenden Struktu- rierungsprozesses. In diesem Beispiel sind das die Laserritze (20) in der CIGS- Schicht (8) sowie in der Molybdänschicht (2). Dies bedeutet, dass zwei funktionelle Strukturierungsschritte - technische Vorkehrungen zueinander - ablaufen können, wodurch der Herstellungsprozess einfacher und zuverlässiger wird.
Aus diesem Beispiel lässt sich folgern, dass der Materialabtrag grenzflächenselektiv sein kann und an derjenigen Grenzfläche erfolgt, die die geringste Festigkeit aufweist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch die Erzeugung und Weiterleitung der Sekundärenergie auf der Schichtseite ebenfalls eine spezifische Energiedichteverteilung auf- tritt, die entsprechende Schichtabtragsgebiete hervorruft. Der schicht-/grenzflächen- selektive Abtrag kann die mögliche Kontaktierung der freigelegten Schichten für bestimmte Anwendungen, z. B. Dünnschichtsolarzellen, erleichtern.
Ausführungsbeispiel 5
[004760] Speziell zur Verwendung bei der Herstellung von CIGS- Dünnschichtsolarzellen und Solarmodulen lassen sich diese Strukturierungsvarianten vorteilhaft anwenden. Zur Erläuterung des Beispiels wird auf Abbildung 1 1 Bezug genommen, in der das Verschaltungsgebiet bei der externen seriellen Verschaltung spezi- eil am Beispiel von CIGS-Solarzellen auf Polyimidfolie als Dünnschichtträgersubstrat (1 ) dargestellt ist. Von Bedeutung sind die beiden Strukturierungsgräben P3 und P4, die funktionell unterschiedliche Aufgaben bei der Herstellung der Verschaltung haben, aber den selektiven Abtrag von Schichten möglichst ohne Beeinflussung der Unterlage erfordern. In diesem Sinne lässt sich das Verfahren vorteilhaft einsetzen. Die durch die Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung hergestellten Ritzgräben werden nachfolgend mit Isolationspaste (51 ) bzw. Leitkleber (50) verfüllt, um die in Abbildung 1 1 dargestellte Verschaltung zu erreichen. In der Darstellung ist gleichfalls der
Stromweg (100), der sich durch die Laserritze (20) und den Leitkleberauftrag (50) ergibt, eingezeichnet. Die rückseitig im Schichtträger durch den Prozess entstandenen Gruben (24) sind für die beabsichtigte Nutzung als Dünnschichtsolarzelle von untergeordneter Bedeutung.
[0061 ] Das CIGS-Dünnschichtsolarzellenmaterial wird in einem typischen PVD- Mehrschrittbeschichtungsprozess hergestellt. Es wird - vergleichend zur mechanischen Strukturierung mit einem Nadelwerkzeug - die Rückseitenablations-Vorderseiten- strukturierung zur Herstellung der P3-Gräben angewendet, um so die externe serielle Verschaltung vorzubereiten. Die P4-Strukturierung wird in diesem Beispiel in zwei Schritten erzielt, wobei zunächst eine P3-Strukturierung durch den erfindungsgemäßen Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierungsprozess erfolgt und danach die Molybdänschicht mit üblicher Laserablation im Zentrum des P3-Grabens aufgetrennt wird (P4-Ritz in Abbildung 1 1 ). Hierdurch wird vermieden, dass durch den verwendeten Nanosekundenlaser nachteilige Effekte durch den Strukturierungsprozess im Schichtstapel entstehen. Nach der Laserstrukturierung werden die entsprechenden Isolations- bzw. Leitpasten mit Dispensern bzw. Siebdruck aufgebracht und anschießend getrocknet. Die gleichartige Verfahrensweise zur Herstellung von CIGS-Mini- modulen wird unter Nutzung des mechanischen Ritzens zur Strukturierung ausgeführt. Die Minimodule, die aus je 2 Zellen bestehen, werden danach auf ihre elektrischen Eigenschaften hin charakterisiert und getestet. Im Rahmen der Fehlerspanne ergeben sich keine Unterschiede in der Effizienz der Module im Vergleich zu mechanisch geritzten Modulen.
[004862] Das Ergebnis der Laserstrukturierung zur Vorbereitung der elektrischen Verschaltung mittels Leit-/lsolationspastenauftrag ist in Abbildung 12 dargestellt. Die lichtmikroskopische Abbildung nach den Laserstruktunerungsprozessen zeigt drei parallele Laserritze (20), wobei der mit P4 gekennzeichnete Ritz in diesem Beispiel eine zweifache Strukturierung umfasst. Zunächst wird mit der erfindungsgemäßen Rücksei- tenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung das CIGS-Schichtpaket (8) strukturiert und damit das CIGS-Schichtsystem für alle drei Laserritze gleichartig entfernt. Hierdurch wird die Molybdänschicht des Rückkontaktes (2) freigelegt.
[0063] Danach wird mittels üblicher Laserablation durch die direkte Bestrahlung der Mo- lybdänschicht (2) diese strukturiert. Die typischen Charakteristika der Rückseitenlaser- ablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung sind auch hier aufzufinden. Hingegen zeigt die Vorderseitenablation die typischen Schmelzerscheinungen und Debrisablage- rungen. [004964] Die gute Steuerbarkeit des Laserstrahles lässt sehr genaue Strukturierungen auch mit geringem Abstand zu, so dass damit in nahezu beliebiger Form Schichten lokal entfernt werden können. Dies eröffnet weitere Gestaltungsmöglichkeiten der integrierten Verschaltung als Kombination von Serien- und Parallelschaltung von Einzelzellsegmenten, die vorteilhafte Modulausführungen ermöglichen.
Ausführungsbeispiel 6
[0065] - Rückkontaktöffnung von Einzelzellen - Auch bei der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen aus CIGS-Solarzellenmaterial sind üblicherweise Strukturierungs- schritte notwendig. Diese Strukturierungen sind schematisch in Abbildung 13 skizziert. Diese Strukturierungen umfassen zumindest drei Anwendungsziele, nämlich die Trennung des Vorderseitenkontaktes zur elektrischen Isolation des Rückkontaktgebietes mittels Isolationsgrabens (42), die Freilegung des Rückkontaktes (43) zur Kontaktierung der Molybdänschicht für Einzelsolarzellen und die Randisolation (41 ) der Einzelsolarzelle.
[0066] Eine spezifische Ausführungsform einer CIGS-Solarzelle (40) mit den entsprechenden Öffnungen zur Freilegung des Rückkontaktes (43), zur Trennung des Vorderseitenkontaktes (42) und zur Randisolation (41 ) ist in Abbildung 13 schematisch dargestellt. Die geometrische Spezifikation der Strukturierungen, d.h. der Ritz für den Isolati- onsgraben (42) und zur Freilegung des Rückkontaktes (43), können gleichartig ausgeführt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die rückseitige Bestrahlung der Solarzelle auf der Schichtseite die CIGS-Schicht von der Molybdänschicht selektiv abgetrennt. Damit lassen sich die Funktionalitäten des Isolationsgrabens (42) und der Rückkontaktöffnung (43) sicherstellen. Für eine Vielzahl von Anwendungen kann auch der Randisolationsgraben (41 ) so ausgeführt werden.
[005067] Die Strukturierung der Solarzellen wird folgendermaßen ausgeführt. Fertig prozessiertes CIGS-Dünnschichtsolarzellenmaterial wird in einem Stanzprozess so zu- rechtgeschnitten, dass die äußere Kontur der Solarzelle entsteht. Beim Stanzen können allerdings Kurzschlüsse im Randbereich entstehen, die die Effizienz der Solarzelle (40) vermindern. Nun wird die Solarzelle in einem Prozess der Beschichtung oder des Druckens mit Kontaktfingern (6) versehen. Dies wird im vorliegenden Fall durch den Auftrag eines Leitklebers erreicht, der gedruckt oder dispenst werden kann. Nach dem Aushärten sind die Kontaktfinger (6) und der Vorderseitenbusbar (44a) auf der Solarzellenoberfläche aufgebracht.
[0068] Nun erfolgt die Laserstrukturierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rückseitenlaserablations-Vorderseitendünnschichtstrukturierung. Hierzu wird die Solarzelle mit der Schichtseite auf einen Vakuumtisch gelegt und mittels einer
Membranpumpe angesaugt. Danach werden entsprechend dem Layout der Solarzelle, also beispielsweise einer Minizelle, in Übereinstimmung mit dem Schema in Abbildung 13, die entsprechenden Laserritze eingebracht. Dabei werden folgende Parameter an- gewandt: Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Pulsdauer von ca. 25 ns und einer Pulswiederholfrequenz von 100 Hz; einer Laserspotgröße von
100 x 100 μηπ2, der mit einer Geschwindigkeit von 2,5 mm/s über die Rückseite, d. h. das Polyimidsubstrat (1 ) bewegt wird. Hierdurch wird das CIGS-Schichtsystem (8) vollständig entfernt und dabei die Molybdänschicht (2) weitgehend unbeschädigt belassen.
[00519] Da für diese Anwendungsfälle, in denen ein höherer Strom zu erwarten ist, zur Verminderung des Kontaktwiderstandes größere Gebiete der Molybdänschicht (2) zu kontaktieren sind, muss auch ein größeres Gebiet von dem abgeschiedenen CIGS- Schichtsystem (8) befreit werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entweder die Laserspotgröße erhöht wird oder ein kleiner Laserstrahlspot beispielsweise mäan- derförmig geführt zur Strukturierung angewandt wird. Das lichtmikroskopische Bild in Abbildung 14 zeigt das Ergebnis einer solchen Vorgehensweise in Form einer großen freigelegten Fläche. Die ursprüngliche Strukturierungsbreite ist ebenfalls im Bild zu sehen. [005270] Danach wird im Bereich der Rückkontaktöffnung ein Leitkleber aufgebracht, der den Rückkontakt elektrisch so kontaktiert, dass die Entnahme des elektrischen Stromes ermöglicht wird.
[0071 ] Abweichend von dem oben beschriebenen Verfahrensablauf kann die Strukturierung auch vor dem Aufbringen der Kontaktfinger (6) erfolgen. Dann muss das Drucken mit entsprechender Genauigkeit zu den eingebrachten Strukturen erfolgen. Allerdings können dann in einem Arbeitsschritt die Kontaktfinger (6) sowie die Busbars (44) aufge- bracht werden. Andere Reihenfolgen der einzelnen Prozessschritte sind auch durchführbar.
[005372] Die Verfahren lassen sich in dieser oder leicht abgewandelter Form bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen und -solarmodulen vorteilhaft anwen- den.
Ausführungsbeispiel 7 [0073] Prinzipnachweis der Entfernung von Defekten, die hier durch die unmittelbare Laserbestrahlung des Schichtpaketes mit einem Nanosekundenlaser an definierter Stelle hervorgerufen wurden, durch das Verfahren entsprechend Anspruch 1 .
[005474] Dieses Beispiel zielt auf eine punktuelle, lokalisierte Strukturierung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen. Beispielsweise kann die Aufgabe eines Strukturierungs- prozesses darin bestehen, fehlerhafte Bereiche von großflächig hergestellten Bauteilen zu entfernen oder zu isolieren, so dass deren schädigende Folgen nicht wirksam werden. [0075] In Bezug zu den mehrfach erwähnten CIGS-Dünnschichtsolarzellen lässt sich mit dem Verfahren lokal das CIGS/TCO-Schichtpaket mit den ggf. darin enthaltenen
Fehlern entfernen. Hierdurch wird zwar die effektive Fläche der Solarzelle vermindert, jedoch nur in einem unbedeutenden Maße. Durch die Entfernung der Defekte, die eine wesentliche, die Effizienz beeinflussende Wirkung haben, wird eine Verbesserung der Solarzelle erreicht.
[005576] Das Vorgehen und die Parameter sind adäquat den vorhergehenden Bei- spielen. In diesem Beispiel, schematisch dargestellt in Abbildung 1 6, wird zur Strukturierung ein Excimerlaser (tpuis ~ 25 ns, λ = 248 nm, f = 100 Hz) verwendet. Mittels eines Bewegungssystems wird der Laserspot auf den Defekt gerichtet. Die Größe des bestrahlten Gebietes wird entsprechend der Defektgröße und den optimalen Strukturie- rungsbedingungen gewählt. Sind größere Defektgebiete zu entfernen, kann dies auf zwei Arten erfolgen: entweder wird die erforderliche Fläche vollständig durch Abrastern mit dem Laserspot entfernt, oder der Defektbereich (60) wird mit einem Isolationsgraben (42) umgeben, der das Defektgebiet von der übrigen Funktionsfläche
(Solarzellenabsorberfläche) trennt. [0077] Am folgenden Beispiel, dass in Abbildung 16 schematisch dargestellt ist, ist die Wirkung und die Effizienz der Verfahrensweise demonstriert. Es wird die Umrandung des Defektes (60) mit einem Isolationsgraben (42) als Methode zur elektrischen Isolation demonstriert. Zunächst wird eine Solarzelle mit einer Einrichtung verbunden, die die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie ermöglicht und es erfolgt die Bestimmung charakteristischer Solarzellenkennwerte. Folgende Kennwerte werden ermittelt: Parallelwiderstand Rp = 4,83 kQ ; Kurzschlusstrom lsc = -0,00779 mA; Leerlaufspannung Uoc = 0,0314 V.
[005678] Danach wird mittels Laserstrahlung (10) hoher Leistung ein Defekt (60) in das Solarzellenschichtsystem eingebracht, der an den gemessenen verminderten Leistungsparametern bemessen werden kann. Zu diesem Zweck wird mit dem Excimerlaser von der Schichtseite aus die gesamte Zelle durchbohrt und danach werden die folgenden Kennwerte ermittelt: Parallelwiderstand Rp = 0,5695 kQ; Kurzschlussstrom lsc = - 0.00733 A; Leerlaufspannung Uoc = 0 V.
[0079] Nun wird die Solarzelle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren so strukturiert, dass um das durch die vorhergegangene Hochleistungslaserbestrahlung (10) erzeugte Defektgebiet (60) ein Isolationsgraben (42) entsteht, der den Vorderseitenkontakt entfernt und so elektrisch trennt, dass über das Defektgebiet kein nachteiliger Stromfluss mehr möglich ist. Die nun nochmals ausgeführte Messung der elektrischen Kennwerte der CIGS-Solarzelle - es werden folgende Kennwerte ermittelt: Parallelwiderstand Rp = 4,85 kQ; Kurzschlussstrom lsc = -0,00599 mA; Leerlaufspannung Uoc = 0,025 V - ist der Nachweis, dass der - zuvor eingebrachte - Defekt keine Wirkung mehr hat und dass die Solarzelleneffizienz nicht nachteilig im Rahmen der Messbarkeit beeinflusst wird.
[005780] Die Kennwerte sind unter Schwachlichtbedingungen ermittelt. Durch die Flächenverminderung sind die Erhöhung des Parallelwiderstandes und die Verminde- rung des Kurzschlussstromes zu erklären. Insgesamt wird deutlich, dass trotz Flächenverminderung eine Effizienzverbesserung durch die Defektentfernung eintritt. Eine wesentliche Folge ist, dass die Ausbeute des Gesamtprozesses der Herstellung von Solarzellen deutlich verbessert werden kann. Ausführungsbeispiel 8
[0081 ] CIGS-Solarzellenstrukturierung mit ultrakurzen Laserpulsen durch einen dicken Glasträger [005882] Wie in Ausführungsbeispiel wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle durch das erfindungsgemäße Verfahren strukturiert. Eine schematische Darstellung der Anordnung und Verfahrensweise dieses Ausführungsbeispiels ist in Abbildung 15 gegeben. Hierzu wird diese mittels einer Klebefolie vollflächig auf einem Glasträger fixiert. Zur Strukturierung wird ein sogenannter Pikosekundenlaser verwendet, der eine Wel- lenlänge von 1064 nm, eine Pulsdauer von ca. 15 ps und nach Fokussierung mittels einer Scanneroptik einen Fokusdurchmesser von ca. 25 μηι aufweist. Das Werkstück wird auf einem Saugtisch so befestigt, dass der Glasträger dem Strahl zugewandt ist und der Strahl nach dem Durchdringen des Trägerglases zunächst auf die Klebefolie und dann auf den Schichtträger trifft.
[0083] Der Laser wird mit einer Pulswiederholrate von 200 kHz betrieben und eine Ausgangsleistung von ca. 1 ,35 W eingestellt. Zum Zweck der Erzeugung von Ritzen in der CIGS-Schicht wird nun der Laserstrahl mit dem Scanner mit einer Geschwindigkeit von ca. 250 mm/s über die Rückseite geführt. [005984] Liefert der Laser keine Einzelpulse, wie dies auf die bisherigen Ausführungen zum Anwendungsbeispiel zutrifft, sondern Pulsgruppen mit einem zeitlichen Abstand der Pulse im Bereich von 20 ns, die im Intervall Pulswiederholrate auftreten, kann der beschriebene Strukturierungseffekt bei eine Laserleistung von ca. 1 ,6 W erreicht werden. Hieraus ist zu schlussfolgern, dass weitere Kombinationen von Laserparametern die Strukturierung in der beschriebenen Form ermöglichen.
[0085] Auch unter den genannten Bedingungen kann ein zusammenhängender Ritz der CIGS-Schicht erreicht werden. Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird auch auf der Rückseite eine Laserspur beobachtet. Allerdings ist zu bemerken, dass in diesem Fall das abgetragene Material nicht durch die aufgeklebte Glasscheibe entweichen kann, wodurch eine Beeinflussung der ablaufenden Prozesse und eine Veränderung der Verfahrensparameter erwartet werden kann. Der durch die Glasschicht be- grenzte Abtransport der abgetragenen Produkte kann zu einer Verstärkung der Energiewandlung führen und damit den Prozess effizienter gestalten.
Aufgrund der Gelegenheit, durch Glas die Strukturierung durchzuführen, ergibt sich die Möglichkeit, bereits montierte Dünnschichtsolarzellen zu strukturieren, örtlich Anpas- sungen vorzunehmen oder Defektgebiete zu isolieren.
Ausführungsbeispiel 9 [006086] Es liegt eine PEN-Trägerfolie (Polyethylennaphthalat) mit einer Stärke von ca. 100 μηι vor, auf welcher eine intrinsische Zinkoxid (i-ZnO)-Schicht mit einer
Schichtdicke von 50 nm und auf dieser eine aluminiumdotierte Zinkoxid (AI:ZnO)- Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 300 nm abgeschieden wird. Von der PEN-Folie sollen die ZnO-Schichten lokal und selektiv entfernt werden. Dazu wird das erfindungs- gemäße Laserverfahren angewandt. Das Material System wird mit der Schichtseite auf einem handelsüblichen Vakuum-Ansaugtisch so fixiert, dass der Schichtträger in Richtung der einfallenden Laserstrahlung weist. Die Bestrahlung der Probe wird mit folgenden Parametern durchgeführt: Die Wellenlänge und die Pulsdauer betragen λ = 248 nm und t = 25 ns. Die Pulswiederholfrequenz beträgt f = 10 Hz. Der Laserstrahl wird in der Art geformt und fokussiert, dass das bestrahlte Gebiet auf der Trägerfolie eine rechteckige Form mit einer Größe von 100 μηι x 100 μηι hat, in welcher die Energieverteilung gleichförmig ist. Das zu bearbeitende Gebiet wird mit 40 Laserpulsen bestrahlt, welche eine Energiedichte von 10 J/cm2 auf der Schichtträgerrückseite verursachen. Nach der Bestrahlung werden folgende Wirkungen festgestellt:
(i) durch die Laserbestrahlung wird die PEN-Folie abgetragen,
(ii) in der PEN-Folie ist eine Verfärbung außerhalb der Bearbeitungsstelle sichtbar und
(iii) die ZnO-Schichten, die sich auf der nichtbestrahlten Seite des Schichtträgers befinden, werden von der PEN-Trägerfolie lokal abgelöst.
Ausführungsbeispiel 10 [006187] Es liegt eine ca. 100 μηι dicke PET (Polyethylenterephthalat)-Trägerfolie vor, auf der eine ca. 200 nm dicke ITO-Schicht und darauffolgend 150 nm organisches Halbleitermaterial aufgebracht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die organische Schicht lokal von der PET-Trägerfolie entfernt werden. Dazu wird der Materialverbund auf einem handelsüblichen Vakuum-Tisch fixiert. Die Bestrahlung erfolgt dabei mit einem Excimerlaser bei einer Wellenlänge von λ = 248 nm und einer Pulsdauer von t = 25 ns. Der Laserstrahl ist so geformt, dass der Laserspot auf der PET- Trägerfolie eine homogene Energieverteilung hat und die Spotgröße 100 μηι x 100 μηι ist. Mit einer Pulsfolgefrequenz von f = 10 Hz und einer Energiedichte von F = 10 J/cm2 wird ein Punkt der PET-Trägerfolie mit 80 Laserpulsen bestrahlt. Als Ergebnis der Vor- gehensweise kann beobachtet werden, dass die organischen Schichten, welche zusammen mit der ITO-Schicht auf der der laserbestrahlten Seite der PET-Trägerfolien gegenüberliegen Oberfläche aufgebracht wurden, entfernt werden. Zusätzlich kann ein Abtrag der PET-Trägerfolie beobachtet werden.
Ausführungsbeispiel 1 1 (3)
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 1 1 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: tPuis ~ 14 ns, λ = 193 nm und f = 80 Hz.
Ausführungsbeispiel 12
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entspre- chend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Die CIGS- und Molybdänschichtdicke betragen hierbei jedoch jeweils ca. 3μηι. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird der selbe Laser wie in Ausfüh- rungsbeispiel 1 1 verwendet.
Ausführungsbeispiel 13
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entspre- chend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 13 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: tPuis ~ 15 ns, λ = 249 nm und f = 100 Hz.
Ausführungsbeispiel 14
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entspre- chend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Im Ausführungsbeispiel 14 jedoch wird nun ein Excimerlaser mit folgenden Parametern verwendet: tpuis ~ 14 ns, λ = 351 nm und f = 100 Hz.
Ausführungsbeispiel 15
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 14 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Die CIGS- und Molybdänschichtdicke betragen hierbei jeweils ca. 3μηι. Auch hier soll die CIGS-Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird er selbe Laser wie in Ausführungsbeispiel 14 verwendet.
Ausführungsbeispiel 1 6
Gleichartig zum Ausführungsbeispiel 1 wird eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle entsprechend dem in Abbildung 1 gekennzeichneten Aufbau zur Strukturierung verwendet. Allerdings beträgt die Stärke der Kaptonfolie hierbei 50μηι. Auch hier soll die CIGS- Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserritzen strukturiert werden, bei dem die CIGS-Schicht lokal und selektiv von der Molybdänschicht entfernt wird. Das technische Vorgehen ist adäquat. Es wird der selbe Laser wie in Ausführungsbeispiel 1 verwendet.
Legenden zu den Abbildungen
Abbildung 1 : Schematische Darstellung des Querschnitts einer CIGS-Dünnschicht- solarzelle auf Polyimid.
Abbildung 2: Ausgewählte einzelne Stufen des Prozesses der Vorderseitenschicht-/ materialstrukturierung durch Rückseitenablation sind schematisch am Beispiel der selektiven Entfernung des CIGS-Absorberschichtsystems (8) von der Molybdänschicht dargestellt. Die vier Schritte des Prozesses sind: I) die Bestrahlung der Rückseite mit einem gepulsten Laser, II) der Abtrag von Material an oder nahe der Rückseite des Dünnschichtträgers mit der Bildung von Energiewellen, z. B. Schockwellen, III) und IV) Wechselwirkung der Energiewellen (15) mit dem Schichtsystem (8), das zum Abtrag (14) im Wechselwirkungsbereich führt. Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung der Kante (23) einer strukturierten bzw. geritzten CIGS-Dünnschichtsolarzelle, bei der das CIGS-Schichtsystem (3, 4 und 5 bzw. 8) vom Molybdänrückkontakt (2) durch die Bestrahlung mit einem
Excimerlaser entfernt wurde. Abbildung 4: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation mit einem transparenten flüssigen Material (17), das mit der Rückseite des Dünnschichtträgers in Kontakt ist.
Abbildung 5: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschicht- strukturierung durch Rückseitenablation mit einem Aufbau von mehreren transparenten Materialien, die mit der Rückseite des Dünnschichtträgers in Kontakt sind. Das Beispiel zeigt die gleichzeitige Verwendung von Wasser (17) und Glas (17a).
Abbildung 6: Beispielhafte, schematische Abbildung der Anordnung eines Hilfsabsor- bers (18) für den Prozess der Dünnschichtstrukturierung durch Rückseitenablation. Das zusätzliche Absorbermaterial wird im Bereich der Rückseite des Schichtträgers (1 ) angebracht und mit dem Schichtträger geeignet gekoppelt. Abbildung 7: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschicht- strukturierung durch Rückseitenablation mit zusätzlicher Einleitung von Kräften oder Kraftwirkungen (F). Beispielhaft ist die einfache Streckung des Schichtträgers durch laterale Kräfte skizziert.
Abbildung 8: Schematische Abbildung der Anordnung zum Prozess der Dünnschicht- strukturierung durch Rückseitenablation mit zusätzlicher Auslösung von Kräften (30) oder Kraftwirkungen (F). Beispielhaft ist die Biegung eines flexiblen Schichtträgers skizziert, wodurch Schichtspannungen hervorgerufen werden können. Sowohl konkave wie auch konvexe Wölbungen (31 ) sind möglich.
Abbildung 9: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines Strukturierungsgrabens, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wurde. Durch die Bestrahlung mit einem Nd:YAG-Laser (tPuis ~ 6 ns, λ = 532 nm) wurde das CIGS- Absorberschichtsystem (8 bestehend aus 3, 4 und 5) vom Molybdänrückkontakt (2) entfernt. Der so hergestellte Ritz kann zur Strukturierung einer Solarzelle genutzt werden.
Abbildung 10: Rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines Laserritzes (20) in eine Solarzelle, bei dem neben dem CIGS-Absorberschichtsystem (8 bestehend aus 3, 4 und 5) auch die Molybdänschicht (2) im Zentrum unter Anwendung von Nd:YAG- Laserpulsen entfernt wurde.
Abbildung 1 1 : Schematische Darstellung des Gebietes der Verschaltung bei der externen seriellen Verschaltung von CIGS-Solarzellensegmenten auf einem gemeinsamen Folienträger (1 ) mit dem Molybdän-Rückkontakt (2), dem Schichtpaket (8), bestehend aus dem CIGS-Absorber (3), Cadmiumsulfid (4) und dem TCO-Vorderseitenkontakt (5), den Laserritzen (20), die mit Leitpaste (50) bzw. Isolationspaste (51 ) verfüllt wurden, sowie die mit den Ritzschritten P3 und P4 erzeugten Rückseitenablationsgruben (24). Der Stromfluss (100) innerhalb des Solarzellensegments ist durch Pfeile gekennzeich- net.
Abbildung 12: Mikroskopische Abbildung des Verschaltungsgebietes zur Durchführung der externen seriellen Verschaltung von CIGS-Solarzellensegmenten durch Rückseiten- ablations-Vorderseitenstrukturierung und Leitpastenauftrag. Die Abbildung zeigt den Zustand nach dem kompletten Dünnschichtabscheideprozess und dem Laserritzen. Insbesondere sind die mit P3 und P4 gekennzeichneten Laserritze (20) zu sehen. Hierbei wurde zunächst für alle drei Ritze der Rückseitenablations- Vorderseitenstrukturierungsprozess angewandt und danach die Molybdänschicht (2) in dem mit P4 gekennzeichneten Ritz mittels üblicher (Vorderseiten-) Laserablation im Zentrum des freigelegten CIGS-Schichtstapels (8) entfernt, um so die erforderliche Durchtrennung der Molybdänschicht (2) zu erzielen, wobei der Schichtträger (1 ) - hier Polyimid - freigelegt wird, dabei aber die CIGS-Schicht nicht zu schädigen, weil sonst parasitäre Widerstände auftreten, die zur Verminderung der Zelleffizienz führen.
Abbildung 13: Schematische Darstellung einer Ausführungsform von CIGS-Dünn- schichtsolarzellen in Draufsicht, von der Beschichtungsseite aus, gesehen. Durch die Herstellung von weiteren Funktionselementen wird aus dem CIGS-Dünnschichtmaterial eine Solarzelle (40). Wesentliche Funktionsstrukturen sind: die Kontaktfinger (6), die Busbars für den Vorderseiten- (44a) und den Rückkontakt (44b), Isolationsritz (42) zur Trennung des Frontkontaktes und die Randisolation (41 ). Durch die Rückseitenablati- ons-Vorderseitenstrukturierung können in CIGS-Dünnschichtsolarzellen die Strukturie- rungsaufgaben Isolationsgraben (42), die Freilegung des Rückkontaktes (43) sowie eine Kantenisolation (41 ) gelöst werden..
Abbildung 14: Mikroskopische Abbildung einer freigelegten Molybdänschicht (2), bei der durch das Verfahren der Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung das CIGS- Schichtsystem (8) entfernt und durch die mehrfache Strukturierung benachbarter Gebiete eine zusammenhängende Fläche strukturiert wurde, die größer als der Laserfokus- fleck ist.
Abbildung 15: Schematische Darstellung zur Nutzung des Verfahrens nach Montage von Halbprodukten im Verlaufe des weiteren Fertigungsprozesses. Hier bezieht sich das Beispiel auf Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Modulfertigung, in dessen Rahmen die Dünnschichtsolarzellen beispielsweise auf Glas montiert werden. Die Montage kann beispielsweise durch eine dünne Kleberschicht (19) auf dem Trägerglas (17a) erfolgen, wie die Abbildung zeigt. Die Bestrahlung der Dünnschichtsolarzelle (9), bestehend aus der Trägerfolie (1 ) dem Molybdän-Rückkkontakt (2) und dem, bereits bekannten Schichtpaket (8) mit einem geeigneten Laserstrahl (10) in der erfindungsgemäßen Form, ist wie dargestellt möglich. Die Kleberschicht (19) kann zusammen mit dem Trägerglas (17a) zur Verstärkung der Energiewandlung und damit zu einer besseren, effizienteren Strukturierung führen. Abbildung 1 6: Schematische Darstellung zur Defektentfernung durch Anwendung der Rückseitenablations-Vorderseitenstrukturierung. Zur Demonstration der Wirksamkeit wird der schematisch dargestellte Ablauf überprüft. Eine CIGS-Minisolarzelle entsprechend Abbildung 13 - dargestellt in I) - wird, wie in II) zu sehen, mit einer hochenergetischen Laserpulsbestrahlung (10) mit einem Defekt (60) versehen. Durch das erfin- dungsgemäße Verfahren wird dieser Defekt (60) mit einem Isolationsgraben (42) umrandet - dies ist in III) zu sehen - und so elektrisch von dem intakten Solarzellengebieten isoliert, so dass kein Stromfluss mehr möglich ist. Der vergleichende Nachweis der Leistungsparameter Solarzelle entsprechend IV) ergibt, dass die durch den eingebrachten Defekt (60) verminderten Leistungsparameter fast vollständig durch den den Defekt umrandenden Isolationsgraben (42) beseitigt wird.
Abbildung 17: Schema zur Durchführung eines Prozesses der Laserstrukturierung zur Herstellung von Ritzgräben, Isolationsgräben, Freilegungsflächen oder Randisolationen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Liste der Bezeichner und Abkürzungen
1 Solarzellensubstrat, Schichtträger z.B. Polyimid
2 Rückkontakt z.B. Molybdän
3 CIGS-Absorber
4 Cadmiumsulfid
5 Vorderseitenkontakt z.B. TCO
6 Kontaktfinger
8 Schichtpaket, bestehend aus
CIGS- + CdS- + TCO-Schichten
9 CIGS-Solarzelle
10 Laserstrahl
1 1 Laserablation
12 Laserstrahlabsorption
13 rückseitige Ablation; Rückseitenabla- tion
14 Schichtstrukturierung
15 Energiewellen
1 6 entfernte Schichtbestandteile
17 transparenter Hilfsstoff
17a transparenter Hilfsstoff, hier Glasträger für Solarzellen
18 zusätzliches Absorbermaterial
19 Hilfsstoff, z. B. Kleber zum Fixieren
von Solarzellen
Laserritz
Strukturierungskante, z.B. Kante in CIGS-Absorber-,
CsS- und TCO-Schicht Rückseitenablationsgrube
30 Kraft Biegung Solarzelle
Randisolationsgraben
Isolationsgraben
Rückkontaktöffnung
Busbar
a Busbar Vorderseitenkontaktb Busbar Rückseitenkontakt Leitpaste
Isolationspaste Defekt, laserinduzierter Defekt 0 Stromfluss

Claims

Patentansprüche
Selektives Abtragen dünner Schichten zur Dünnschichtsolarzellenstrukturierung, wobei eine kurzzeitige Laserbestrahlung von der schichtabgewandten Seite auf die Rückseite eines Schichtträgers angewandt wird, die Laserstrahlung im Bereich der Rückseite des Schichtträgers direkt oder durch einen Hilfsstoff überwiegend absorbiert wird, durch die Laserbestrahlung auch im Bereich der Rückseite des Schichtträgers ein Materialabtrag durch die Laserbestrahlung auftritt, die absorbierte Laserenergie zu Teilen durch den Schichtträger zu der Schicht oder den Schichten geleitet wird und die weitergeleitete Energie nichtelektromagnetischer Art den Abtrag der Schicht oder der Schichten bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine Schicht oder ein Schichtpaket, das aus einem Halbleitermaterial, einem Dielektrikum oder einen Metall bestehen kann, auf einem Schichtträger mit einer Dicke im Bereich von 10 μηι bis 2 mm aufgebracht sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schicht oder ein Schichtpaket einen organischen oder anorganischen Halbleiter umfasst, dabei das Halbleitermaterial ein organischer Halbleiter sein kann, wie sie in organischen Leuchtdioden, organischen Solarzellen oder der Plastikelektronik Verwendung finden, ein transparentes leitfähiges Oxid oder ein elementarer, binärer, ternärer oder quaternärer Halbleiter, wie CIGS, CIS, CISe, InAs oder GaAlAs, ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtdicke der Schicht oder des Schichtpaketes, das mit der rückseitigen
Bestrahlung des Sichtträgers abgetragen wird, kleiner als 10 μηι ist, dass ein schichtselektiver Abtrag dadurch erreicht wird, dass die mechanische Festigkeit der Schichtübergänge so eingestellt wird, dass diese entsprechend niedriger als die Festigkeit der Schicht oder Schichten ist, dass die Gesamtdicke des Abtrags dadurch eingestellt wird, dass dort die Haftung in der Schicht oder in dem
Schichtsystem am geringsten ist, dass der Schichtträger entweder eine Polymerfolie aus Polyimid (PI) - wie Kapton, Polyethylenterephthalat (PET) oder Polykarbonat (PC) darstellt, eine Metallfolie oder ein Papier ist oder diese als Bestandteil enthält und vor der Oberfläche der schichtabgewandten Seite des Schichtträgers eine Hilfsschicht aus absorbierendem Material mit geringer Dicke angebracht wird und diese mechanisch mit dem Schichtträger verbunden ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kurzzeitige Laserbestrahlung eine Dauer von bis zu 10 με hat und entweder durch die Pulslänge eines Laserpulses, die Gesamtdauer einer Folge von Laserpulsen oder die Verweildauer des Laserspots bestimmt wird, wobei die kurzzeitige
Laserbestrahlung mehrfach nacheinander angewendet werden kann, dabei die Laserstrahlung eine Wellenlänge aufweist, bei der eine hohe Absorption der Laserstrahlung im Bereich der Schichtträgerrückseite erreicht wird, was mit
Wellenlängen der Laserstrahlung im Bereich von kleiner 550 nm oder größer 1 μηι erzielt wird, die Größe des Laserflecks kleiner 1 mm2 ist und bevorzugt eine Größe im Bereich von 5 μηπ2 bis 200 μηπ2 zu nutzen ist, die Energiedichte im Laserspot bevorzugt konstant ist oder in der Mitte ein Maximum aufweist, die Energiedichte des Laserflecks mindestens doppelt so hoch ist wie die minimale Energiedichte, die zur Laserablation und/oder zum Materialabtrag des Schichtträgers oder der absorbierenden Hilfsschichten führt, die in Richtung der schichtabgewandten Seite des Schichtträgers eingestrahlte Laserstrahlung direkt von dem Schichtträger, einer auf dem Schichtträger aufgebrachten Schicht oder Material absorbiert wird oder in einem mechanisch an den Schichtträger angebrachten Hilfsmaterial absorbiert wird, durch Wahl der Laserwellenlänge die Absorption der Laserstrahlung so weit gesteigert wird, dass sie zum Materialabtrag des Schichtträgers, der rückseitig zusätzlich aufgebrachten Schicht oder dem angebrachten Hilfsmaterial führt; für Polymere kurzwellige Laserstrahlen im UV- oder sichtbaren Wellenlängenbereich des Spektrums verwendet werden, der Schichtträger sich hinter einem
transparenten Material befindet bzw. mit diesem durch weitere Hilfsstoffe verbunden ist und die Laserbestrahlung durch das transparente Material auf den Schichtträger trifft.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei, eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus einem flexiblen Schichtträger (1 ), einem Rückkontakt (2), einem CIGS-Absorber (3), einer Cadmiumsulfidschicht (4) und einem Vorderseitenkontakt (5) auf einer zur Bearbeitung des Materials mit Laserstrahlen geeigneten Unterlage fixiert wird oder durch äußere Kräfte gehalten wird, das derartig fixierte Material zunächst schichtträgerseitig mit einem Laser (10) bestrahlt wird, der eine Wellenlänge im Bereich von 193 nm bis 500 nm und eine Pulslänge im Bereich von 0,1 ns bis 100 ns aufweist, der Laserfokus einen
Durchmesser im Bereich von 30 μηι bis 200 μηι aufweist und die Laserpulsenergie so eingestellt wird, dass die Energiedichte im Laserspot im Bereich von 0,1 J/cm2 bis 50 J/cm2 liegt und der Laserspot so bewegt wird, dass sich die Laserflecke aufeinanderfolgender Laserpulse bei Bewegung des Schichtträgers in einem
Bereich von 5 % bis 95 % überlappen, so dass eine Schicht oder ein Schichtstapel abgetragen werden und so Strukturen eingeritzt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtträger eine Kaptonfolie mit einer Dicke von ca. 25 μηι ist und der Laser eine Pulsdauer von kleiner 50 ns aufweist und mit Wellenlängen im Bereich von 190 nm bis 500 nm emittiert und der Pulsüberlapp ca. 30 % bis 80 % beträgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schichtpaket aus TCO, CIGS und Mo mit Schichtdicken von ca. 200 nm, 1 ,5 μηι und 800 nm besteht, der Schichtträger eine Kaptonfolie ist, die Pulsdauer kleiner als 50 ns ist, der Laserfleck eine Größe von ca. 100 μηπ2 hat und so über den
Schichtträger geführt wird, dass ein Pulsüberlapp von kleiner 80 % erfolgt, wobei die CIGS-Schicht abgetragen und hierdurch strukturiert wird, wobei zwei oder mehr Laserritzgräben (20) entstehen, die mit Leitpaste (50) oder mit Isolationspaste (51 ) verfüllt werden und damit eine Modulverschaltung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen möglich ist, gegebenenfalls durch das Aneinanderfügen mehrerer Laserritzgräben eine Fläche von Schichtmaterial freigelegt wird und eine Defektstelle in einer Schicht oder Schichtsystem gerichtet durch den Laserspot bestrahlt und dort das defektbehaftete Material abgetragen wird oder die Defektstelle mit einem
Isolationsgraben (42) isoliert wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlänge des Lasers so eingestellt wird, dass der Schichtträger die
Laserstrahlung optimal absorbiert, die zu strukturierende Schicht nach unten - Richtung Aufstellungsfläche - ausgerichtet ist, der Laserstrahl von oben auf den Schichtträger geführt wird, die abgetragenen Schichtbestandteile darüber hinaus mittels Luftströmen, also Saug- und Blaseeinrichtungen zusätzlich entfernt werden, der Werkstücktransport bevorzugt außerhalb des genutzten Dünnschichtbereiches und ohne wesentlichen mechanischen Kontakt erfolgt und durch Kamera- und Markenerkennungssysteme eine lagegenaue Strukturierung ermöglicht wird.
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