VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON DUNNSCHICHTSOLARZELLENMODULEN MIT EINER IN EINER VERTIKALEN RICHTUNG VERKIPPBAREN HALTE-UND TRANSPORTEINRICHTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von

Dünnschichtsolarzellenmodulen, wie sie gattungsgemäß aus der US 6,559,411 B 2 bekannt ist.

[0002] Aus der US 6,559,411 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ritzen von beschichteten Glassubstraten bekannt. Gemäß dem hier beschriebenen Stand der Technik ist es seit vielen Jahren bekannt, Schichten auf Glassubstraten mittels Laserstrahl zu ritzen, entweder seitens der äußersten Schicht her oder durch das Glassubstrat hindurch.

[0003] Als Stand der Technik werden in der US 6,559,411 B2 zwei Typen von traditionellen Laserbearbeitungssystemen genannt.

[0004] Der erste Typ umfasst einen ortsfest montierten Laserkopf oberhalb eines

Zweiachsen-Tisches, auf dem das beschichtete Glassubstrat transportiert wird.

[0005] Der zweite Typ umfasst einen in eine Achsrichtung beweglichen Laserkopf und einen in eine hierzu senkrechte Achsrichtung beweglichen Einachsentisch.

[0006] Beide Typen sind aufgrund der nur gering erreichbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten nachteilig.

[0007] Der Gegenstand der US 6,559,411 B2 bezieht sich nun auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen die Ritzgeschwindigkeit deutlich erhöht werden soll.

[0008] Ein einseitig beschichtetes Substrat wird in einer Bewegungsrichtung relativ zu einer Laserquelle transportiert, die einen gepulsten Laserstrahl über ein durch ein Galvanometer in x-, y- und z-Richtung angesteuertes Spiegelsystem auf die unbeschichtete Oberfläche des Substrates richtet. Der Laserstrahl transmittiert durch das Glassubstrat und erzeugt einen überlappenden Abtrag in der Beschichtung.

[0009] Die Vorrichtung umfasst eine Transport- und Halteeinrichtung mit einem Ladeende, einem zentralen Ritzmodul und einem Entladeende.

[0010] Das beschichtete Glassubstrat wird in vertikaler Ausrichtung, auf einen Ladewagen am Ladeende aufgesetzt, zum Ritzmodul transportiert, dort von einem Förderband übernommen, geritzt und anschließend an einen Entladewagen übergeben und zum Entladeende transportiert.

[0011] Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Ritzeinrichtung mit einer Laserquelle, die einen gepulsten Laserstrahl bereitstellt, der über das durch den Galvanometer gesteuerte Spiegelsystem auf die unbeschichtete Seite eines im Ritzmodul gehaltenen Glassubstrates gerichtet ist.

[0012] Genauer umfasst das Spiegelsystem eine Fokussiereinrichtung, die eine Linse horizontal bewegt, um die Fokuslänge des Laserstrahls in der z-Richtung zu steuern, und eine verkippbar gesteuerte Spiegelbaugruppe, um den Strahl in x-y-Richtung über einen vorgegebenen Ablenkbereich abzulenken. Das Ritzen erfolgt, indem jeweils entlang einer Linie benachbarte Flächen überlappend mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden. Die Flächen sind jeweils durch die Dimension und die Geometrie des Querschnitts des Laserstrahls im Auftreffort bestimmt. Mit einer Überlappung von 50% soll grundsätzlich eine gleichmäßige Ritzbreite mit hoher Ritzgeschwindigkeit erreicht werden. Der Laserstrahl soll eine Wellenlänge aus dem nahen Infrarotbereich aufweisen, eine Pulsfrequenz zwischen 50 und 100 kHz und eine Pulsdauer im Bereich von 8 bis 70 ns haben.

[0013] Zusätzlich weist die Vorrichtung Druck- und Vakuumpositionierer auf, um das Glassubstrat planar zu halten, sowie Detektoren, die die exakte Position des Glassubstrates detektieren und mit der Fokussiereinrichtung in Verbindung stehen, um den Laserfokus über den gesamten Ablenkbereich in der bzw. den abzutragenden Schichten zu positionieren.

[0014] Das Laserritzen kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen.

[0015] Auf eine erste Weise wird der Transportweg des Glassubstrates zwischen zwei

Ritzlinien erfasst und jeweils nach Zurücklegung einer vorgegebenen Wegstrecke der Transport unterbrochen, um in Ruhestellung des Glassubstrates senkrecht zur Transportrichtung eine Ritzlinie zu erzeugen, indem der Laserstrahl in dieser Richtung abgelenkt wird.

[0016] Auf eine zweite Weise soll das Glas mit einer kontinuierlichen

Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden und der Laserstrahl wird senkrecht und in Transportrichtung mit einer Geschwindigkeit, abgestimmt auf die Transportgeschwindigkeit ausgelenkt, sodass wiederum eine Ritzlinie senkrecht zur Transportrichtung entsteht. Nach der Erzeugung einer Ritzlinie erfolgt eine Rücksetzbewegung.

[0017] Um Ritzlinien in die unterschiedlichen Schichten des beschichteten Glassubstrates einzubringen, wird die Energie des Laserstrahls entsprechend eingestellt bzw. werden Laser mit einem unterschiedlichen Energieniveau verwendet.

[0018] Nachteilig an der hier beschriebenen Vorrichtung ist hier, dass das Spiegelsystem in halber Höhe der Modulbreite oberhalb der Transportebene fixiert werden muss, um von der Systemachse aus mit einem gleichen Ablenkwinkel nach oben und unten einen Abtastbereich zu erhalten, der das Dünnschichtsolarzellenmodul über die Modulbreite abdeckt. Sofern Dünnschichtsolarzellenmodule unterschiedlicher Modulbreiten mit nur einem Laserstrahl und entsprechend einem Spiegelsystem bearbeitet werden sollen, muss die Position des Spiegelsystems in seiner Höhe gegenüber der Transportebene verändert werden. Eine für die Positionierung des Spiegelsystems erforderliche Halterung bedarf einer hohen Steifigkeit und präzisen Führung zur Höhenverstellung, um das Spiegelsystem unabhängig von der Höhenposition mit gleicher Genauigkeit bezogen auf das Dünnschichtsolarzellenmodul anzusteuern.

[0019] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Vorrichtung zum Einbringen von Ritzlinien mittels Laser in Dünnschichtsolarzellenmodule unterschiedlicher Abmaße zu finden.

[0020] Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

[0021] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0022] Anhand der Zeichnung wird die Vorrichtung im Folgenden beispielhaft näher erläutert.

[0023] Es zeigen:

[0024] Fig. Ia eine Prinzipskizze einer Vorrichtung

[0025] Fig. Ib eine Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß Fig. Ia in Seitenansicht

[0026] Fig. Ic Positionsvarianten der Systemachse

[0027] Die Vorrichtung (Fig. Ia, Ib) umfasst gleich einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung gemäß der US 6,559,411 B2 eine Halte- und Transporteinrichtung 1, die dazu ausgelegt ist, ein Dünnschichtsolarzellenmodul 2 zu halten und entlang einer horizontalen Transportebene in einer Transportrichtung T zu transportieren, sowie wenigstens eine Laserstrahlquelle 3 mit einem zugeordneten galvanometergesteuerten Spiegelsystem 4 mit einer Systemachse 5, das so zur Halte- und Transporteinrichtung 1 angeordnet ist, dass ein von der Laserstrahlquelle 3 kommender und in das Spiegelsystem 4 eingekoppelter Laserstrahl, um die Systemachse 5 ein- oder zweidimensional ausgelenkt, die dem Spiegelsystem 4 zugewandte Oberfläche des in der Halte- und Transporteinrichtung 1 gehaltenen Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 abtasten kann.

[0028] Einige der genannten Mittel sind erfindungsgemäß anders im Vergleich zu einer Vorrichtung gemäß der US 6,559,411 B2 ausgeführt, wie noch erläutert wird.

[0029] Das zu bearbeitende Dünnschichtsolarzellenmodul 2 kann ein in seinem

Schichtaufbau und seiner Strukturierung bereits fertiges Modul sein, in welches mittels der Vorrichtung Ritzlinien eingebracht werden, die eine Aneinanderreihung von Sacklöchern darstellen, wodurch in Abhängigkeit von Anzahl, Verteilung und Größe der Sacklöcher ein vorgegebener Transparenzgrad eingestellt werden kann.

[0030] Das Dünnschichtsolarzellenmodul 2 kann aber auch ein in seinem Schichtaufbau und seiner Strukturierung noch unfertiges Modul sein, in welches mittels der Vorrichtung Ritzlinien eingebracht werden, die schlitzförmige Strukturierungslinien darstellen.

[0031] Nachfolgend soll der Aufbau und die Funktion der Vorrichtung anhand der Bearbeitung eines Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 beschrieben werden, an dem durch die einzubringenden Ritzlinien eine vorgegebene Transparenz eingestellt wird.

[0032] Das Dünnschichtsolarzellenmodul 2, welches aus einer transparenten Substratschicht besteht, die einseitig mit einer Schichtenfolge beschichtet ist, von denen wenigstens die äußerste Schicht für Licht nicht transparent ist, wird dem Spiegelsystem 4 entweder mit seiner beschichteten Oberfläche, bevorzugt jedoch mit seiner unbeschichteten Oberfläche zugewandt, in der Halte- und Transporteinrichtung 1 gehalten und transportiert. Die Ausdehnungen des grundsätzlich rechteckigen Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 sollen als Modullänge a und Modulbreite b bezeichnet werden, wobei die in Transportrichtung T verlaufenden Kanten des Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 Längskanten darstellen.

[0033] In Abhängigkeit von einem größer werdenden Ablenkwinkel γ von γ = 0 bis γ = γ _+max bzw. γ = γ. _max , um ein Dünnschichtsolarzellenmodul 2 mit einer größeren Modulbreite b bearbeiten zu können, wird die Änderung der Weglänge des Laserstrahls zwischen dem Spiegelsystem 4 und dem Auftreffpunkt auf dem Dünnschichtsolarzellenmodul 2 größer, weshalb insbesondere, wenn der Ablenkbereich von γ _+max bis γ. _max groß ist, der Laserfokus nachgeregelt wird, sodass der Laserstrahl stets in einer gleichen Ebene im Dünnschichtsolarzellenmodul 2 fokussiert wird.

[0034] Diese Fokuslagennachreglung wird üblicherweise über die Verschiebung einer Linse realisiert, die zu dem galvanometergesteuerten Spiegelsystem 4 gehört, wenn man von einem x-y-z-gesteuerten Spiegelsystem 4 spricht. Ein solches Spiegelsystem 4 ermöglicht demnach eine gesteuerte Strahlauslenkung in zwei zueinander senkrechte Richtungen, nämlich in horizontaler Richtung über die Modullänge a (x-Richtung) und in vertikaler Richtung über die Modulbreite b (y-Richtung), sowie eine Fokusnachführung (in z-Richtung).

[0035] Für die vorliegende Erfindung ist die Verwendung eines solchen x-y-z-gesteuerten Spiegelsystems 4 von Vorteil, da es große Ablenkwinkel und damit große Ablenkbereiche erlaubt. Es ist bekannt, dass die Genauigkeit der Strahlablenkung mit größeren Ablenkwinkeln und Arbeitsabständen abnimmt, was jedoch für die vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung zum Schaffen einer vorgegebenen Transparenz im Vergleich zur Verwendung der Vorrichtung zur Strukturierung der Dünnschichtsolarzellenmodule, auch Ritzen genannt, ohne Auswirkung auf die Qualität des Bearbeitungsergebnisses ist.

[0036] Während bei der Strukturierung eine Maßhaltigkeit der Strukturierungslinien im Bereich von 5 bis 25 μm erforderlich ist, sind Schwankungen in der Maßhaltigkeit eines Lochmusters zur Bewirkung einer teilweisen Transparenz des Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 von geringerer Bedeutung.

[0037] Da der Abtastbereich auf dem Dünnschichtsolarzellenmodul 2 durch den maximalen Ablenkwinkel Y _1112x des Spiegelsystems 4 und den Abstand des Spiegelsystems 4 zum Dünnschichtsolarzellenmodul 2 bestimmt wird, kann er über eine Vergrößerung des Abstandes vergrößert werden.

[0038] Für Dünnschichtsolarzellenmodule mit den üblichen Abmaßen von z. B. 600 mm x 1200 mm sollte der Abstand größer 1,5 m sein, damit der Abtastbereich das Dünnschichtsolarzellenmodul 2 über seine gesamte Modulbreite b abdeckt.

[0039] Einer Abstandsvergrößerung sind jedoch Grenzen gesetzt, wenn das

Dünnschichtsolarzellenmodul 2 horizontal in der Halte- und Transporteinrichtung 1 liegt. Würde man das Spiegelsystem 4 unterhalb des Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 anordnen, müsste die Transportebene oberhalb einer für den Bediener ergonomisch günstigen Arbeitshöhe verlaufen. Ebenso wäre eine Montage des Spiegelsystems 4 oberhalb der Transportebene für die Strukturierung durch das Glas hindurch unbrauchbar, da das Substrat dann auf der Schichtseite liegend transportiert werden müsste.

[0040] Auch bei einer Vorrichtung gemäß der US 6,559,411 B2 sind der

Abstandsvergrößerung Grenzen gesetzt, da wie bereits dargelegt das Spiegelsystem in halber Höhe der Modulbreite oberhalb der Transportebene fixiert werden muss, um von der Systemachse aus mit einem gleichen Ablenkwinkel γ nach oben und unten einen Abtastbereich zu erhalten, der das Dünnschichtsolarzellenmodul über die Modulbreite abdeckt.

[0041] Es ist die Idee der Erfindung, das Spiegelsystem 4 vorteilhaft in der Transportebene oder in einer hierzu nahen Ebene anzuordnen und es dort auch für die Bearbeitung unterschiedlicher Modulbreiten b zu belassen. In Abhängigkeit von der Modulbreite b werden das Dünnschichtsolarzellenmodul 2 gegenüber der Transportebene und das Spiegelsystem 4 gegenüber einer zur Transportebene senkrechten Ebene nur um einen Kippwinkel α, der größer 0 und kleiner 90°, bevorzugt 45° ist, gekippt, sodass die Systemachse 5 jeweils in der Mitte des Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 senkrecht auftrifft. Vorteilhaft wird die Vorrichtung auf einen Kippwinkel α von 45° optimiert, sodass eine Anpassung an Dünnschichtsolarzellenmodule 2 von geringfügiger Abweichung in der Modulbreite b sowohl für Verkleinerungen als auch für Vergrößerungen bei ansonsten kaum sich ändernden Parametern wie dem Abstand möglich ist.

[0042] In Fig. Ic sind für die Systemachse 5 drei verschiedene Winkelpositionen dargestellt, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Modulbreiten b (hier mit bi, b ₂ und b ₃ bezeichnet).

[0043] Der Kippwinkel α (hier mit αi, α ₂ undα ₃ bezeichnet) wird für größer werdende Modulbreiten b geringer.

[0044] Vorteilhaft weist die Halte- und Transporteinrichtung 1 zur Anpassung an unterschiedliche Modulbreiten b Mittel auf, mit denen das

Dünnschichtsolarzellenmodul 2 gegenüber der Transportebene um einen Kippwinkel α verkippt und in unterschiedlichen Kipplagen fixiert werden kann.

[0045] Darüber hinaus ist das Spiegelsystem 4 ebenfalls verkippbar gelagert.

[0046] Der vertikale maximale Ablenkwinkel γ _max wird für unterschiedliche Modulbreiten b in Abhängigkeit vom Abstand zum Dünnschichtsolarzellenmodul 2 vorteilhaft so gewählt, dass der Abtastbereich in vertikaler Richtung eine Länge gleich der Modulbreite b aufweist.

[0047] Über ein bloße Einstellung verschiedener Kippwinkel α ist es damit möglich, das Spiegelsystem 4 jeweils an Dünnschichtsolarzellenmodule 2 unterschiedlicher Modulbreite b anzupassen.

[0048] Dabei kommt es bei der genannten vorteilhaften Verwendung der Vorrichtung nicht auf eine hochpräzise Einstellung eines vorgegebenen Kippwinkels α an, da Abweichungen hiervon lediglich zum Parallelversatz des Lochmusters führen, was für die Qualität des Bearbeitungsergebnisses nicht relevant ist. Auch eine Verdrehung des Spiegelsystems 4 um eine senkrechte Achse zur Kippachse des Kipp winkeis α, z. B. zu den Außenkanten des Dünnschichtsolarzellenmoduls 2 ist mit einer weitaus größeren Toleranz ohne nachteilige Auswirkung im Vergleich zu den Toleranzen bei Verwendung der Vorrichtung zur Strukturierung.

[0049] Die Halte- und Transporteinrichtung 1 ist demnach so ausgelegt, dass das

Dünnschichtsolarzellenmodul 2 horizontal geführt in einer Transportrichtung T transportiert und gegenüber einer hierzu senkrechten, vertikalen Ebene um einen veränderbaren Kippwinkel α gekippt gehalten werden kann.

[0050] Bezugszeichenliste

1 Halte- und Transporteinrichtung

2 Dünnschichtsolarzellenmodul

3 Laserstrahlquelle

4 Spiegelsystem

5 Systemachse

[0051] V _τ Transportgeschwindigkeit

[0052] T Transportrichtung

[0053] a Modullänge

[0054] b Modulbreite

[0055] α Kippwinkel

[0056] γ Ablenkwinkel