DE19964443B4

DE19964443B4 - Barrier layer removal device for thin-film solar cell manufacture uses pulsed laser beam of given pulse width and pulse energy density

Info

Publication number: DE19964443B4
Application number: DE19964443A
Authority: DE
Inventors: Helmut Vogt; Franz Dr. Karg
Original assignee: Shell Solar GmbH
Current assignee: CNBM Bengbu Design and Research Institute for Glass Industry Co Ltd
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2019-07-20

Abstract

The barrier layer removal device uses a laser with a laser resonator and an optical system providing a pulsed laser beam with a pulse width of less than 100 ns and a pulse energy density of between 0.1 J/sq cm and 10 J/sq cm, directed onto a surface area (41) of between 1 sq mm and 1 sq cm with a homogenous power distribution. An independent claim for a barrier layer removal method is also included.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf einem Werkstück, insbesondere zur Entschichtung von beschichteten Keramiken oder Gläsern sowie Solarmodulen.The The invention relates to a device for removing layers a workpiece, in particular for the stripping of coated ceramics or glass as well as solar modules.

Herkömmliche Solarmodule aus kristallinem Silizium basieren auf einer Waferherstellung und einer nachfolgenden elektrischen Verdrahtung. Hieraus entstehen relative kleine Leistungseinheiten von ca. 1 W Silizium-Wafern, die dann in der Regel zu 50–100 W Modulen verschaltet werden müssen.conventional Solar modules made of crystalline silicon are based on a wafer production and a subsequent electrical wiring. To arise from this relative small power units of about 1 W silicon wafers, which then usually to 50-100 W modules must be interconnected.

Als Alternative zu diesen herkömmlichen Solarmodulen sind Dünnfilmsolarzellen bekannt geworden, die auf Schichtdicken im Mikrometerbereich basieren. Die wesentlichen Elemente einer Dünnfilmsolarzelle sind in 2 gezeigt und bestehen aus einem p/n-Übergang zwischen der Absorberschicht und der Fensterschicht.As an alternative to these conventional solar modules, thin film solar cells have become known which are based on layer thicknesses in the micrometer range. The essential elements of a thin-film solar cell are in 2 are shown and consist of a p / n junction between the absorber layer and the window layer.

Im Unterschied zur herkömmlichen Verdrahtung von Silizium-Wafern können Dünnfilmzellen integriert verschaltet werden:
im Anschluß an einzelne Beschichtungsschritte auf der Gesamtfläche werden a) die Rückelektrode b) die dazwischen liegende Zelle und c) die Frontelektrode in Längsstreifen unterteilt. Werden die drei Schnitte relativ zueinander seitlich versetzt, bildet sich eine elektrische Verbindung zwischen Front- und Rückelektrode benachbarter Zellen. Für die einzelnen Schnitte können mechanische Ritzverfahren oder Verfahren mit Lasern angewendet werden. Auf diese Weise kann kostengünstig ein Standard-Solarmodul für 12 V – Anwendungen hergestellt werden, das beispielsweise eine Ausdehnung von ca. 0,5 × 0,5 m² aufweist.In contrast to the conventional wiring of silicon wafers, thin-film cells can be interconnected in an integrated manner:
Following individual coating steps on the total area, a) the back electrode b) the cell in between and c) the front electrode are subdivided into longitudinal strips. If the three sections are laterally offset relative to one another, an electrical connection is formed between the front and rear electrodes of adjacent cells. For the individual cuts, mechanical scribing or laser techniques can be used. In this way, a standard solar module for 12 V applications can be produced inexpensively, for example, has an extension of about 0.5 × 0.5 m ² .

Die Lebensdauer eines derartigen Solarmoduls wird maßgeblich dadurch beeinflußt, wie gut die Dünnschichten vor Witterungs- und anderen Umwelteinflüssen geschützt sind. Um eine möglichst lange Lebensdauer von 30 Jahren und mehr zu erreichen, müssen die Dünnschichten den extremen Einwirkungen von Sonnenstrahlen, Feuchtigkeit und Luftschadstoffen dauerhaft standhalten. Die Anforderungen hinsichtlich Feuchtestabilität und Spannungsfestigkeit können daher nur erfüllt werden, wenn eine ausreichende Verkapselung der Dünnschicht-Solarzelle sowie eine ausreichende elektrische Isolation der stromführenden Komponenten gewährleistet ist. Hierzu werden die stromführenden Komponenten einer Dünnschicht-Solarzelle mit einem Laminat eingekapselt. Die Einkapselung wird dadurch erreicht, dass nach Beschichtung des Substrats mit den stromführenden Schichten der Randbereich des Substrats wieder entschichtet wird und eine Laminatschicht sodann über die gesamte Schicht aufgebracht wird. Hierdurch erreicht man im Randbereich eine feuchtedichte Verklebung von Laminatschicht und Substrat. Somit sind die inneren Bereiche zuverlässig gegen eine Feuchtedegration geschützt.The Life of such a solar module is significantly influenced by how good the thin films before weather and other environmental influences protected are. To one as possible To achieve a long life of 30 years and more, the thin films the extreme effects of sun rays, moisture and air pollutants withstand permanently. The requirements regarding moisture stability and dielectric strength can therefore only fulfilled if sufficient encapsulation of the thin-film solar cell as well as a sufficient electrical insulation of the current-carrying Components guaranteed is. For this purpose, the current-carrying Components of a thin-film solar cell encapsulated with a laminate. The encapsulation is achieved by after coating the substrate with the current-carrying layers of the edge region the substrate is stripped again and then a laminate layer over the entire layer is applied. As a result, one reaches in the edge region moisture-proof bonding of laminate layer and substrate. Consequently the inner areas are reliable protected against moisture degradation.

1 zeigt zur Verdeutlichung eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine verkapselte Solarzelle. Auf dem Substrat 4 sind demnach strukturierte Schichten 3 aufgebracht, die in den Randbereichen 5 entschichtet und durch eine Laminatschicht 2 eingekapselt sind. Über der Laminatschicht 2 ist wiederum eine Schicht aus Fensterglas 1 aufgebracht. 1 shows for clarity a schematic representation of a section through an encapsulated solar cell. On the substrate 4 are therefore structured layers 3 Applied in the margins 5 decoated and through a laminate layer 2 are encapsulated. Over the laminate layer 2 is again a layer of window glass 1 applied.

Ein Problem bei einer derartigen Einkapselung einer Dünnschicht-Solarzelle ist die Entschichtung der Dünnschichten im Randbereich. Die herkömmlichen Entschichtungsverfahren, wie etwa die Sandstrahlbearbeitung oder die Entschichtung mit einer Schleifscheibe, führen unvermeidlich auch zu einer Beschädigung des Substratrandes und zur Bildung von Mikrorissen in diesem Bereich. Aufgrund der großen Temperaturunterschiede in einem sich in Betrieb befindlichen Dünnschicht-Modul und den daraus entstehenden Zugspannungen erhöht sich die Bruchgefahr, so dass Rissbildungen im Randbereich schließlich zu einer Beschädigung einer Solarzelle führen können. Die Randentschichtung muß also in dem üblicherweise einige Millimeter bis Zentimeter breiten Randbereich besonders schonend erfolgen.One Problem with such encapsulation of a thin-film solar cell is the stripping of the thin films at the edge. The conventional ones Decoating methods, such as sandblasting or Decoating with a grinding wheel inevitably lead to too damage of the substrate edge and to the formation of microcracks in this area. Because of the big one Temperature differences in an operating thin-film module and the resulting tensile stresses increases the risk of breakage, so that cracks in the edge area eventually damage a Lead solar cell can. The edge stratification must therefore usually a few millimeters to centimeters wide edge area particularly gentle respectively.

Zur Bearbeitung von Solarzellen sind grundsätzlich chemische Abtragungsverfahren bekannt, die allerdings den Nachteil langer Prozesszeiten haben und aufwendige Prozessschritte nach sich ziehen.to Processing of solar cells are basically chemical removal processes known, however, have the disadvantage of long process times and involve complex process steps.

Die Entfernung der beschriebenen Randbereiche erfolgt daher bislang weiter durch mechanische Verfahren wie Schleifen oder Sandstrahlen, da mit diesen Verfahren eine genaue Dosierung des Materialabtrages möglich ist. Neben der bereits unerwünschten Beschädigung des Substratrandes und der Bildung von Mikrorissen haben diese Verfahren außerdem den Nachteil, dass im Nachgang in der Regel eine chemische Reinigung des Werkstücks im Ultraschallbad erforderlich ist, da durch die Aufwirbelung der abgetragenen Schichten das Modul in unerwünschter Weise verschmutzt wird.The Removal of the described edge areas is therefore so far further by mechanical processes such as grinding or sandblasting, because with these methods an accurate dosage of the material removal possible is. In addition to the already undesirable damage of the substrate edge and the formation of microcracks, these methods also have the Disadvantage that in the aftermath usually a dry cleaning of the workpiece in the ultrasonic bath is necessary, since by the Aufwirbelung of the worn layers, the module is contaminated in an undesirable manner.

Es ist bekannt, die oben beschriebenen Schritte zur integrierten Verschaltung eines Dünnschicht-Solarmoduls durch einen Laserstrahl herzustellen, um die sich hierdurch bildenden einzelnen Streifen dann seriell untereinander zu verschalten. Die dabei eingesetzten Laser besitzen eine Gaußförmige Energieverteilung im Abtragungsbereich, mit Abtragungsbreiten von bis zu 0,2 mm. Der Abtragungsprozess kann allerdings nicht genau dosiert werden, was dazu führt, dass das darunter liegende Substrat beschädigt werden kann. Für die angesprochene Randentschichtung werden deshalb Laserabtragungsverfahren nicht eingesetzt.It is known to produce the steps described above for the integrated interconnection of a thin-film solar module by a laser beam in order to then interconnect the individual strips forming thereby in series. The lasers used have a Gaussian energy distribution in the ablation area, with ablation widths of up to 0.2 mm. However, the ablation process can not be precisely metered, resulting in damage to the underlying substrate. For the angepro For this reason laser ablation processes are not used.

EP 0 482 240 A1 betrifft ein Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von flachen und/oder leicht gewölbten Werkstücken. Als besondere Anwendung wird die Strukturierung von Dünnschichtmodulen zur Serienverschaltung genannt. Mit einem Laser wird eine Kerbe in die dünnen Schichten eines Dünnschichtmoduls eingebracht, wobei sich der Verlauf der Kerbe an einer dazu versetzten Markierung orientiert. Die Markierung wird optisch von einem Detektor erfasst, dessen Signal über einen Regelkreis die Stellvorrichtung des Lasers ansteuert. Insbesondere kann eine bereits eingebrachte Kerbe als Marke verwendet werden, so dass eine weitere Kerbe genau parallel zu der bereits bestehenden Kerbe eingebracht werden kann. EP 0 482 240 A1 relates to a method for dimensionally accurate machining of flat and / or slightly curved workpieces. A special application is the structuring of thin-film modules for series connection. With a laser, a notch is introduced into the thin layers of a thin-film module, wherein the course of the notch is oriented on a staggered marking. The marking is optically detected by a detector whose signal drives the adjusting device of the laser via a control loop. In particular, an already introduced notch can be used as a mark, so that a further notch can be introduced exactly parallel to the already existing notch.

Die US 4,734,550 betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Bearbeitung von dünnen Schichten mit einem Laser. Als besondere Anwendung wird die Bearbeitung von mit der Dünnschichttechnik erzeugten photoelektrischen Schichten genannt. Das Bearbeitungsverfahren setzt sich zum Ziel, eine möglichst genaue Kerbe in die dünnen Schichten einzubringen. Hierzu wird der Bearbeitungsstrahl auf die Oberfläche des jeweiligen Werkstücks derart aufgebracht, dass die momentan gerade beaufschlagte Leistungsverteilung möglichst homogen bleibt. Dies wird durch einen rechteckig fokussierten Strahl mit flacher Intensitätsverteilung erreicht, wobei die Strahlführung zusätzlich derart gesteuert ist, dass die Überlappungsbereiche des rechteckig fokussierten Strahls in Bewegungsrichtung eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung ergeben. Mit diesem Verfahren sollen präzise und gleichmäßig tiefe Einkerbungen erzielt werden können.The US 4,734,550 also relates to a method of processing thin films with a laser. As a special application, the processing of photoelectric layers produced by the thin-film technique is called. The processing method sets itself the goal of introducing a notch as exact as possible into the thin layers. For this purpose, the processing beam is applied to the surface of the respective workpiece such that the currently applied power distribution remains as homogeneous as possible. This is achieved by a rectangularly focused beam with a flat intensity distribution, wherein the beam guidance is additionally controlled in such a way that the overlapping areas of the rectangularly focused beam in the direction of movement produce the most uniform possible intensity distribution. With this method, precise and uniform deep indentations should be achieved.

DE 39 02 985 A1 betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls. Als besondere Anwendung wird das Verlöten von Bauteilen auf einer Platine mittels Laser genannt. Außerdem sind als weitere Anwendungen das Markieren, Bohren oder Schweißen in der Elektronikfertigung genannt, jedoch nicht das Abtragen von Schichten. In Abhängigkeit von dem gewünschten Erwärmungs-Muster auf der Platine wird die Größe des Auftreffpunktes und der Einstrahlwinkel des Lasers computergesteuert eingestellt. DE 39 02 985 A1 relates to a device and a method for the treatment of workpieces by means of a laser beam. As a special application, the soldering of components on a circuit board is called by laser. In addition, other applications include marking, drilling or welding in electronics manufacturing, but not the removal of layers. Depending on the desired heating pattern on the board, the size of the point of impact and the angle of incidence of the laser is adjusted computer-controlled.

EP 0 536 431 A1 betrifft ebenfalls ein Laserbearbeitungs-Verfahren für einen Dünnschichtaufbau. Als Anwendung wird die Freilegung bzw. Entfernung der Rückelektrode im Substrat-Design angegeben, wobei die Bestrahlung des Lasers von der Substratseite her erfolgt. EP 0 536 431 A1 also relates to a laser processing method for a thin film construction. As an application, the exposure or removal of the back electrode is specified in the substrate design, wherein the irradiation of the laser takes place from the substrate side.

In US 4,705,698 wird als bevorzugte Verfahrensparameter ein Nd-YAG-Laser mit Impulsdauern von kleiner 50 ns angegeben.In US 4,705,698 the preferred process parameter is an Nd-YAG laser with pulse durations of less than 50 ns.

Zielsetzung der US 4,705,698 ist generell eine Entschichtung von dünnen Schichten und insbesondere eine Trennung von Kontakten, so dass hier auf Fragen der Spurbreite überhaupt nicht eingegangen wird.Objective of the US 4,705,698 is generally a stripping of thin layers and in particular a separation of contacts, so that questions of track width are not discussed here at all.

Die US 6,168,986 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Dünnschichtsolarzellen wobei ein Nd-YAG-Laser im 4. Oberton mit rechteckigem Strahlquerschnitt zwischen 10 μm und 100 μm Breite verwendet wird und der Laserstrahl geneigt auf die Bearbeitungsfläche auftrifft.The US 6,168,986 B1 describes a method for processing thin-film solar cells using a 4th-order Nd-YAG laser with a rectangular beam cross section between 10 μm and 100 μm in width and with the laser beam incident on the processing surface inclined.

Die US 5,800,625 A beschreibt eine Vorrichtung zum Abtragen einer Schicht auf einem Werkstück, welche Vorrichtung einen Laser, sowie ein optisches System aufweist, das den durch den Laser erzeugten Laserstrahl auf die zu bearbeitende Fläche des Werkstücks mit einer im Wesentlichen homogenen Leistungsverteilung abbildet. Eine erste Stellvorrichtung für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl ist vorgesehen, eine Steuereinheit, um abzutragende Oberflächeneinheiten mit konstanten Energiemengen zu beaufschlagen, sowie eine zweite Stellvorrichtung zum Einstellen eines Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot einer jeweils abzutragenden Oberflächeneinheit. Die Energieimpulsdichte des Bearbeitungsstrahls ist in der Größenordnung von 1 variabel einstellbar. Auch ist die Fläche, die der Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks bestrahlt, einstellbar und größer als 1 mm².The US 5,800,625 A describes a device for removing a layer on a workpiece, which device comprises a laser, as well as an optical system which images the laser beam generated by the laser on the surface to be machined of the workpiece with a substantially homogeneous power distribution. A first adjusting device for a relative movement between the workpiece and the laser beam is provided, a control unit to apply to surface units to be removed with constant amounts of energy, and a second adjusting device for adjusting a processing angle between the optical axis of the processing beam and the solder of each surface unit to be ablated. The energy impulse density of the processing beam is variably adjustable in the order of 1. Also, the area irradiated by the laser beam on the surface of the workpiece is adjustable and larger than 1 mm ² .

Nakano, S. at al: Laser Patterning Method for Integrated Type A-Si Solar Cell Submodules, Jap. J. Appl. Phys. Band 25, Nr. 12, 1986, Seiten 1936–1943 erwähnt das Abtragen von Schichten von einem Glas Substrat mit Hilfe eines durch einen gütegeschalteten YAG-Laser erzeugten Bearbeitungstrahls.Nakano, S. at al: Laser Patterning Method for Integrated Type A-Si Solar Cell Submodules, Jap. J. Appl. Phys. Volume 25, No. 12, 1986, pages 1936-1943 mentions that Ablating layers of a glass substrate with the help of a through a Q-switched YAG laser generated processing beam.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtragen von Schichten an Werkstücken, insbesondere Keramiken oder Gläsern, bereitzustellen, um eine kostengünstige Abtragung von Streifen bis zu einigen Millimetern Breite ohne Beschädigung des unter der abzutragenden Schicht liegenden Substrats zu ermöglichen.task The present invention is an apparatus and a method for removing layers of workpieces, in particular ceramics or glasses, to provide a cost-effective Ablation of strips up to a few millimeters wide without damaging the To allow under the layer to be removed lying substrate.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.These The object is achieved by a device according to the features of the patent claim 1 and a method having the features according to claim 7 solved.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht zum einen auf der Verwendung einer aus dem Restaurationsbereich bekannten Laservorrichtung zum Abtragen von Schichten an einem Werkstück mit einem Laserresonator und mit einem optischen System, das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl in einen Bearbeitungsstrahl mit einer Querschnittsbreite von mindestens 0,2 mm und mit einer im wesentlichen homogenen Leistungs-Verteilung abbildet.The solution according to the invention is based, on the one hand, on the use of a laser device known from the restoration sector for the removal of layers on a workpiece with a workpiece A laser resonator and having an optical system which images the laser beam generated by the laser resonator in a processing beam having a cross-sectional width of at least 0.2 mm and with a substantially homogeneous power distribution.

Ein derartiges Lasergerät zur Reinigung von verschmutzten Oberflächen ist aus dem Restaurationsbereich bekannt. Das optische System umfasst eine Lichtleiterfaser, in der der Bearbeitungsstrahl zu einem Bearbeitungskopf geführt wird. Die Handhabung des Bearbeitungskopfes erfolgt in der Regel manuell, um so das Werkstück individuell bearbeiten zu können. Auf diese Weise können beispielsweise durch Umwelteinflüsse verschmutzte Statuen oder Kunstgegenstände gereinigt werden, um so die ursprüngliche Oberfläche wieder freizulegen. Der Reinigungseffekt basiert dabei auf der photochemischen Reaktion zwischen dem Hochleistungslaser und der jeweiligen Schmutzschicht, die entfernt werden soll. Der Laser arbeitet dabei im Impulsbetrieb und gegebenenfalls nach der Methode der Güteschaltung. Die Lichtimpulse erzeugen in den obersten Mikrometern der Schicht ein Plasma, dessen Ausdehnung eine Stoßwelle nach sich zieht. Der erhitzte Werkstoff steht unter einem hohen Innendruck, so dass die Plasma-Partikel aus dem bestrahlten Bereich herausgeschleudert werden. Für den Abtragungsprozess sind somit drei Phasen kennzeichnend, nämlich die Reflektion und Absorption der Laserstrahlung, sodann die Ausbildung der Wärmequelle und die Phasenumwandlung und schließlich die Verlagerung der Schmelz- und Verdampfungszone von der Oberfläche in tieferliegende Werkstoffbereiche und Materialauswurf. Auf diese Weise lassen sich einfach Fett-, Öl- oder Lackschichten entfernen.One such laser device for cleaning soiled surfaces is from the restoration area known. The optical system comprises an optical fiber in which the machining beam is guided to a machining head. The handling of the machining head is usually done manually, around the workpiece to edit individually. That way you can for example due to environmental influences soiled souvenirs or works of art are cleaned the original surface to expose again. The cleaning effect is based on the photochemical reaction between the high-power laser and the respective dirt layer, which should be removed. The laser operates in pulsed mode and, where appropriate, the method of Q-switching. The light pulses In the top micrometers of the layer, generate a plasma whose Extension a shockwave pulls. The heated material is under a high Internal pressure, so that the plasma particles from the irradiated area be thrown out. For The ablation process is thus characterized by three phases, namely the Reflection and absorption of the laser radiation, then the training the heat source and the phase transformation and finally the relocation of the melting and evaporation zone from the surface into deeper material areas and material ejection. This way you can easily grease, oil or Remove paint layers.

Die Erfindung zeigt nun in überraschender Weise auf, dass eine derartige Reinigungsvorrichtung generell auch zur Entschichtung von beschichteten Gläsern oder Keramiken verwendet werden kann. Vermutlich wurde bisher angenommen, dass die auf einer Glasoberfläche oder einer Keramikoberfläche aufgebrachten Schichten nicht dick genug sind, um die auftretenden Stoßwellen zu absorbieren. Überraschenderweise zeigt allerdings die Erfindung, dass mit dem beschriebenen Laserreinigungsgerät beispielsweise eine zuverlässige Entschichtung von stromführenden Schichten an den Randbereichen einer Dünnschicht-Solarzelle möglich ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis lehrt somit die Erfindung, dass grundsätzlich alle mit einer Dünnschicht beschichteten Gläser oder Keramiken wirkungsvoll mit der oben beschriebenen Laser-Reinigungsvorrichtung entschichtet werden können. Weitere Anwendungen könnten demnach sein:

– Heutige Isoliergläser für Fensterscheiben, sogenannte "K-Gläser", weisen zusätzlich aufgedampfte Schichten auf, um die Durchlässigkeit der Fensterscheiben gegenüber Wärmestrahlung zu verringern. Typische Isoliergläser bestehen aus mindestens zwei Einzelscheiben, die mit einem Rahmenprofil zu einer Doppelglasscheibe verklebt werden, so dass auch hier eine Randentschichtung erforderlich ist.
– In der gesamten Displaytechnik fallen ebenfalls vielfältig Entschichtungsprozesse an.
– Schließlich kommen weitere Anwendungen in Betracht, bei denen beschichtete Gläser weiterverarbeitet werden müssen. Ein mögliches Beispiel sind sogenannte "schaltbare Fenster", die bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Lichtdurchlässigkeit ändern.

The invention now surprisingly shows that such a cleaning device can generally also be used for stripping coated glasses or ceramics. Presumably it has previously been assumed that the layers applied to a glass surface or a ceramic surface are not thick enough to absorb the shock waves that occur. Surprisingly, however, the invention shows that with the described laser cleaning device, for example, a reliable stripping of current-carrying layers at the edge regions of a thin-film solar cell is possible. Based on this knowledge, the invention thus teaches that in principle all glasses or ceramics coated with a thin layer can be effectively stripped off with the laser cleaning device described above. Further applications could be:

- Today's insulating glasses for windows, so-called "K glasses", additionally have vapor-deposited layers in order to reduce the permeability of the window panes to thermal radiation. Typical insulating glasses consist of at least two individual panes, which are glued to a frame profile to a double glass pane, so that here too a delimitation is required.
- In the entire display technology are also various decoating processes.
- Finally, other applications come into consideration, in which coated glasses must be further processed. One possible example is so-called "switchable windows", which change their light transmission when an electric field is applied.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Entschichtung in den oben genannten Fällen mit vertretbarem Aufwand möglich ist, ohne dass das Substrat bzw. die Glas- oder Keramikscheibe beschädigt werden. Im Fall einer Entschichtung von Dünnschicht-Solarzellen ist es somit erstmals möglich, gekapselte Dünnschicht-Module kostengünstig herzustellen, die gegenüber Umwelteinflüssen noch besser geschützt sind.One particular advantage of the invention is that a stripping in the above cases possible with reasonable effort is, without the substrate or the glass or ceramic disc are damaged. In the case of a stripping of thin-film solar cells it is thus possible for the first time, encapsulated thin-film modules inexpensive to manufacture, the opposite environmental influences even better protected are.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe besteht in der Anpassung einer an sich bekannten Laservorrichtung zum Abtragen von Schichten an einem Werkstück durch eine erste Stellvorrichtung für eine vorgegebene Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungsstrahl, eine Steuereinheit, die die erste Stellvorrichtung derart ansteuert, dass jede abzutragende Flächeneinheit des Werkstücks mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird, und eine zweite Stellvorrichtung zum Einstellen eines konstanten Bearbeitungswinkels zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot jeder abzutragenden Flächeneinheit.A another inventive solution of the above This task consists in the adaptation of a known per se Laser device for removing layers on a workpiece a first adjusting device for a predetermined relative movement between the workpiece and the Processing beam, a control unit, which is the first adjusting device so that each ablated surface unit of the workpiece with a substantially constant amount of energy is applied, and a second adjusting device for setting a constant machining angle between the optical axis of the machining beam and the solder each to be removed area unit.

Die bekannte Laservorrichtung zur Abtragung von Schichten an einem Werkstück weist üblicherweise nur ein Handstück auf, mit dem der Bearbeitungsstrahl manuell über das Werkstück geführt werden kann. Eine Entschichtung beispielsweise einer Dünnschicht-Solarzelle benötigt allerdings eine entsprechende Automatisierung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zum einen sichergestellt, dass der Bearbeitungsstrahl jede abzutragende Flächeneinheit nur mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt und dass für jede Flächeneinheit ein konstanter Bearbeitungswinkel zwischen der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls und dem Lot jeder abzutragenden Flächeneinheit eingestellt ist.The known laser device for removing layers on a workpiece usually has only a handpiece on, with which the machining beam are manually guided over the workpiece can. A stripping, for example, a thin-film solar cell, however, needed a corresponding automation. With the device according to the invention on the one hand it is ensured that the processing beam is every to be removed area unit only charged with a substantially constant amount of energy and that for every unit area a constant machining angle between the optical axis of the Adjusted beam and the solder of each surface unit to be removed is.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Stellvorrichtung aus einer mechanischen Führung besteht, mit der der Bearbeitungsstrahl samt dem optischen System über das Werkstück geführt wird. In diesem Fall bleibt also das Werkstück ortsfest, während die optische Einrichtung beweglich geführt ist. Hierzu wird der Bearbeitungsstrahl vorzugsweise über eine Lichtleiterfaser geführt. Alternativ ist es allerdings auch denkbar, dass die erste Stellvorrichtung aus verstellbaren Umlenkspiegeln besteht, über die der Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück geführt wird. Als Umlenkspiegel können beispielsweise zwei Umlenkspiegel mit senkrecht zueinander liegenden Drehachsen verwendet werden, so dass der Bearbeitungsstrahl einfach über eine größere Ebene bewegt werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das optische System ortsfest gehaltert ist, während das Werkstück, beispielsweise auf einem xy-Tisch, gegenüber dem feststehenden Bearbeitungsstrahl geführt wird. Schließlich sind auch Kombinationen der oben genannten Prinzipien denkbar, bei denen sowohl der Bearbeitungsstrahl als auch das Werkstück beweglich geführt sind.According to a preferred embodiment, it is provided that the first adjusting device consists of a mechanical guide, with which the processing beam is guided together with the optical system on the workpiece. In this case, that remains Workpiece stationary, while the optical device is movably guided. For this purpose, the processing beam is preferably guided over an optical fiber. Alternatively, however, it is also conceivable that the first adjusting device consists of adjustable deflecting mirrors over which the machining beam is guided on the workpiece. For example, two deflection mirrors with axes of rotation lying perpendicular to one another can be used as deflecting mirrors, so that the processing beam can be moved simply over a larger plane. In addition, it is also possible that the optical system is held stationary while the workpiece, for example on an xy table, is guided relative to the stationary processing beam. Finally, combinations of the above-mentioned principles are conceivable in which both the processing beam and the workpiece are movably guided.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit die erste Stellvorrichtung derart ansteuert, dass der Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück in einer Hin- und Herbewegung parallele, sich überdeckende Schichtstreifen abträgt. In der Regel wird die Querschnittsbreite des Bearbeitungsstrahls geringer sein als die Breite des tatsächlich abzutragenden Bereichs, so dass durch eine derartige Ansteuerung der ersten Stellvorrichtung auf effektive Weise auch größere Bereiche abgetragen werden können. Neben einer Hin- und Herbewegung des Bearbeitungsstrahls bietet sich auch eine rotierende bzw. quasi-rotierende Bewegung an, durch die parallele, sich überdeckende Schichtstreifen abgetragen werden. Bei einem rechteckigen oder quadratischen Dünnschicht-Modul ist es beispielsweise denkbar, dass der Bearbeitungsstrahl fortlaufend um den Bearbeitungsrand in einer rotierenden oder quasi-rotierenden Bewegung geführt wird und in einem Umlauf jeweils einen Schichtstreifen im Bereich der Querschnittsbreite des Bearbeitungsstrahls abträgt. Auf diese Weise ist eine Entschichtung größerer Bereiche möglich, ohne dass die erste Stellvorrichtung abrupte Geschwindigkeitsänderungen durchführen muss.To a further embodiment it is provided that the control unit is the first adjusting device such that the processing beam on the workpiece in a Float parallel, overlapping Strips off stratum. In general, the cross-sectional width of the machining beam less than the width of the area actually to be removed, so that by such a control of the first adjusting device effectively also larger areas can be removed. In addition to a reciprocating motion of the machining beam provides also a rotating or quasi-rotating movement, through the parallel, overlapping ones Layer strips are removed. For a rectangular or square Thin-film module For example, it is conceivable that the processing beam continuously around the machining edge in a rotating or quasi-rotating Movement led becomes and in a circulation in each case a layer strip in the range the cross-sectional width of the machining beam ablates. On In this way, a stripping of larger areas is possible without that the first actuator must make abrupt changes in speed.

Ein zweiter Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einstellung eines konstanten Bearbeitungswinkels. In aufwendigen Versuchsreihen hat sich herausgestellt, dass die Einstellung des Bearbeitungswinkels bei der Entschichtung eines Dünnschicht-Solarmoduls zwei Effekte haben kann: zum einen kann durch die Einstellung des Bearbeitungswinkels erreicht werden, dass die Abtragungsgeschwindigkeit bzw. die Abtragungseffektivität optimiert wird. Soweit das Substrat mit mehreren Schichten beschichtet ist, kann darüber hinaus durch die Einstellung des Bearbeitungswinkels eine gewisse Selektivität der abzutragenden Schichten erreicht werden. Insbesondere konnte bei einem Dünnschichtaufbau gemäß 2 in bisher noch nicht vollständig geklärter Weise ein Bearbeitungswinkel gefunden werden, bei dem die Schicht der Frontelektrode und die Absorberschicht abgetragen werden konnten, während die Rückelektrode unbeschädigt blieb.A second aspect of the device according to the invention is the setting of a constant machining angle. In complex series of tests it has been found that the setting of the machining angle during the stripping of a thin-film solar module can have two effects: on the one hand can be achieved by adjusting the machining angle that the removal rate and the Abtragungseffektivität is optimized. As far as the substrate is coated with several layers, moreover, a certain selectivity of the layers to be removed can be achieved by adjusting the processing angle. In particular, in a thin-film structure according to 2 In a manner not yet completely clarified, a machining angle can be found in which the layer of the front electrode and the absorber layer could be removed, while the back electrode remained undamaged.

Um die aus Versuchsreihen ermittelten Bearbeitungswinkel reproduzierbar einstellen zu können, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die zweite Stellvorrichtung durch die Steuereinheit ebenfalls ansteuerbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eine Speichereinheit und eine Eingabeeinheit aufweist, wobei in der Speichereinheit für jeden Typ des Entschichtungsprozesses ein optimaler Bearbeitungswinkel gespeichert ist und wobei bei Eingabe eines Typs eines Entschichtungsprozesses in die Eingabeeinheit die entsprechenden Steuersignale für einen optimalen Bearbeitungswinkel von der Steuereinheit an die zweite Stellvorrichtung weitergeleitet werden.Around the machining angles determined from test series are reproducible to be able to adjust is according to a preferred embodiment provided that the second adjusting device by the control unit is also controllable. In particular, it can be provided that the control unit comprises a memory unit and an input unit, wherein in the storage unit for each type of stripping process stored an optimal processing angle is and when entering a type of a stripping process in the input unit, the corresponding control signals for optimal Machining angle from the control unit to the second actuator to get redirected.

Bei der Freilegung einer Rückelektrode einer Dünnschicht-Solarzelle hat sich herausgestellt, dass vorzugsweise ein Winkel größer als 0°, insbesondere zwischen 5° und 10°, gewählt werden muß. Vermutlich führt die Schrägstellung der optischen Achse zum Einfallslot dazu, dass die unter der abzutragenden Schicht liegenden Schichten weniger zur Absorption der Laserstrahlen neigen, so dass diese Schichten völlig beschädigungsfrei bleiben.at the exposure of a return electrode a thin-film solar cell has become pointed out that preferably an angle greater than 0 °, in particular between 5 ° and 10 °, are selected got to. presumably leads the inclination the optical axis to Einfallslot to that under the ablated Layer lying less for the absorption of the laser beams so that these layers remain completely free of damage.

Zur vollständigen Abtragung aller Schichten hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei einer geeigneten Polarisation des Bearbeitungsstrahls als optimaler Bearbeitungswinkel der sogenannte Brewstersche Winkel gewählt werden kann, dessen Tangens gleich der Brechzahl der abzutragenden Schicht entspricht.to complete Removal of all layers has been found to be particular at a suitable polarization of the processing beam as optimal Machining angle of the so-called Brewster angle can be selected can, whose tangent equal to the refractive index of the ablated layer equivalent.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bearbeitungsstrahl über eine Lichtleiterfaser mit zusätzlicher Modenmischung zu der mechanischen Führung geleitet wird. Zweckmäßigerweise ist am Faserausgang eine Abbildungsoptik vorgesehen, so dass der Lichtaustrittspunkt der Lichtleiterfaser auf der zu bearbeitenden Oberfläche abgebildet wird. Auf diese Weise lassen sich der Bearbeitungsabstand sowie die durch den Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Fläche variabel einstellen. Der Bearbeitungsstrahl weist dann auf der zu bearbeitenden Oberfläche ein trapezförmiges Strahlprofil auf. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, dass der auf der Oberfläche abgebildete Bearbeitungsstrahl eine Fläche im Bereich von einigen mm² aufweist.According to a preferred embodiment, it is provided that the processing beam is passed via an optical fiber with additional mode mixture to the mechanical guide. Appropriately, an imaging optics is provided at the fiber output, so that the light exit point of the optical fiber is imaged on the surface to be processed. In this way, the machining distance and the surface acted upon by the machining beam can be variably adjusted. The processing beam then has a trapezoidal beam profile on the surface to be processed. To be particularly favorable, it has been found that the machining beam shown on the surface has a surface in the range of a few mm ² .

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Laserresonator vom Typ Nd:YAG. Zur Entschichtung von Solarzellen hat sich gezeigt, dass die Wellenlänge 1,064 μm des Nd:YAG-Lasers sich besonders gut eignet. Vorzugweise wird der Laserresonator nach der Methode der Güteschaltung mit Impulsdauern im Bereich von 25 ns und einer Impulsenergiedichte im Bereich von 1 J/cm² betrieben. Bei diesen Betriebsbedingungen des Laserresonators lassen sich bei Solarzellen besonders gute Abtragungsergebnisse erzielen, wenn die mechanische Führung mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 cm/s verschoben wird und dabei die Impulsfolgefrequenz des Laserresonators im Bereich von 50 Hz liegt.According to a further preferred embodiment, the laser resonator is of the type Nd: YAG. For the removal of solar cells has been shown that the 1.064 μm wavelength of the Nd: YAG laser is particularly well suited. Preferably, the laser resonator is operated by the method of Q-switching with pulse durations in the range of 25 ns and a pulse energy density in the range of 1 J / cm ² . In these operating conditions of the laser resonator, particularly good removal results can be achieved in solar cells when the mechanical guide is displaced at a travel speed in the range of 1 cm / s and the pulse repetition frequency of the laser resonator is in the range of 50 Hz.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Werkstück auf einem Bearbeitungstisch mit Aussparungen aufgespannt ist, so dass im Bereich der Aussparungen auch die Unterseite des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden kann. Insbesondere bei Solarzellen mit einer lichtdurchlässigen Substratschicht, die selektiv von darüberliegenden Schichten befreit werden soll, hat sich herausgestellt, dass eine noch schonendere Bearbeitung des Substrats erreicht werden kann, wenn das Substrat von der Substratseite her entschichtet wird. Soweit es nicht möglich ist, den über den Bearbeitungstisch hinausragenden Teil der Solarzelle zu entschichten, müssen für diesen Anwendungsfall entsprechende Aussparungen in dem Bearbeitungstisch vorgesehen sein.To a further preferred embodiment is provided that the workpiece mounted on a working table with recesses, so that in the area of the recesses also the bottom of the workpiece with the processing beam can be acted upon. Especially at Solar cells with a translucent substrate layer, the selectively from overlying layers has been freed, it has been found that an even more gentle Processing of the substrate can be achieved when the substrate is stripped from the substrate side. As far as it is not possible the over stripping the part of the solar cell projecting beyond the working table, have to For this Use case corresponding recesses in the machining table be provided.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Absaugvorrichtung zur Absaugung der entstehenden Stäube und Dämpfe vorgesehen. Auf diese Weise ist zum einen der Schutz des Bedienpersonals vor den entstehenden Dämpfen und Stäuben gewährleistet, zum anderen können dadurch auch Niederschläge auf dem Werkstück vermieden werden, die die Oberflächenqualität der freizulegenden Schicht beeinträchtigen könnten.To a further preferred embodiment is a suction device for extracting the resulting dusts and fumes intended. In this way, on the one hand, the protection of the operating personnel before the resulting fumes and dusts guaranteed to others thereby also precipitation on the workpiece be avoided, the surface quality of the to be cleared Impair layer could.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem Verfahren zur Entschichtung von Solarzellen mit einer Substratschicht und darauf aufgebrachten strukturierten Schichten. Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass eine an sich bekannte Laserreinigungsvorrichtung mit einem Laserresonator und mit einem optischen System, das den durch den Laserresonator erzeugten Laserstrahl in einen Bearbeitungsstrahl mit einer Querschnittsbreite von mindestens 0,2 mm und mit einer im wesentlichen homogenen Leistungsverteilung abbildet, bereitgestellt wird, dass der Bearbeitungsstrahl über das Werkstück derart geführt wird, dass jede abzutragende Flächeneinheit der jeweiligen Solarzelle mit einer im wesentlichen konstanten Energiemenge beaufschlagt wird und dass die optische Achse des Bearbeitungsstrahls während des Entschichtungsprozesses in einem konstanten Bearbeitungswinkel gehalten wird.A there is another solution according to the invention from a process for stripping solar cells with a Substrate layer and deposited thereon structured layers. The solution according to the invention is based on the knowledge that a laser cleaning device known per se with a laser resonator and with an optical system using the laser beam generated by the laser resonator in a processing beam with a cross-sectional width of at least 0.2 mm and with a represents substantially homogeneous power distribution provided is that the processing beam over the workpiece so guided is that every unit of area to be removed the respective solar cell with a substantially constant amount of energy is applied and that the optical axis of the processing beam while the stripping process in a constant machining angle is held.

Hinsichtlich weiterer bevorzugter Verfahrensschritte ist zu unterscheiden zwischen Freilegung bzw. Entschichtung des Substrats und der Freilegung einzelner Zwischenschichten. Im ersten Fall findet eine Abtragung aller auf dem Substrat aufgebrachten Schichten statt, im zweiten Fall erfolgt dagegen eine selektive Abtragung der oberen Schichten.Regarding Another preferred method steps is to distinguish between Exposure or stripping of the substrate and the exposure of individual Interlayers. In the first case, there is a removal of all The layers applied to the substrate take place, in the second case contrast, selective removal of the upper layers.

Der erste Fall der kompletten Abtragung aller Schichten tritt bei der bereits erwähnten Randentschichtung zur Einkapselung der Solarzelle mit einem Laminat oder auch bei Photovoltaikmodulen für Architekturanwendungen auf, bei denen Flächen mit einer partiellen optischen Transparenz auf dem Substrat hergestellt werden. Soweit das Substrat in diesen Fällen aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, hat sich herausgestellt, dass eine Entschichtung nicht nur von der Schichtseite, sondern besonders vorteilhaft auch von der Substratseite her möglich ist. Mit diesem Verfahren lässt sich eine besonders schonende Entschichtung der Substratschicht erreichen, allerdings muss hierbei gegebenenfalls ein spezieller Werkzeugtisch mit geeigneten Ausschnitten vorgesehen werden, um alle gewünschten Bereiche der Solarzelle entschichten zu können.Of the first case of complete removal of all layers occurs at the already mentioned Edge stripping to encapsulate the solar cell with a laminate or even photovoltaic modules for architectural applications, where surfaces made with a partial optical transparency on the substrate become. As far as the substrate in these cases from a translucent material exists, it has turned out that a deletion is not only from the layer side, but particularly advantageous also from the substrate side possible is. With this method leaves achieve a particularly gentle stripping of the substrate layer, however, this may require a special tool table be provided with appropriate cutouts to all desired areas to be able to de-laminate the solar cell.

Der zweite Fall der partiellen Entschichtung tritt beispielsweise bei Solarzellen auf, deren strukturierte Schichten aus einer Frontelektrode, einer Absorberschicht und einer Rückelektrode bestehen und bei denen die Rückelektrode zur Kontaktierung freigelegt werden soll. Nach Freilegen der Rückelektrode kann diese dann durch Metallbänder kontaktiert werden. Da in diesem Fall das Substrat nicht komplett entschichtet wird, entfällt hier die Möglichkeit der Bearbeitung von der Substratseite, so dass immer von der Schichtseite her entschichtet werden muss.Of the For example, the second case of partial deletion occurs Solar cells whose structured layers consist of a front electrode, an absorber layer and a return electrode and at which the return electrode to be exposed for contacting. After exposing the return electrode can this then by metal bands be contacted. Because in this case the substrate is not complete is stripped, deleted here the possibility the machining of the substrate side, so always from the layer side has to be decoupled.

Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:in the The following is the invention with reference to various embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle, 1 a cross section through an encapsulated thin-film solar cell,

2 einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle mit Schichtfolge und Kontaktierung der Rückelektrode, 2 a cross section through an encapsulated thin-film solar cell with layer sequence and contacting the back electrode,

3 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen und 3 a first embodiment of a device for stripping of solar cells and

4 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen. 4 A second embodiment of a device for stripping of solar cells.

1 zeigt einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle. Die Solarzelle besteht im wesentlichen aus einem Substrat 4, den darauf aufgebrachten und strukturierten Schichten 3, einer Laminatschicht 2 und einer darauf aufgebrachten Schicht Fensterglas. Die stromführenden Schichten 3 weisen eine Dicke von 1–5 μm auf und das Substrat 4 besteht vorzugsweise aus Floatglas. Um Strompfade zu den stromführenden Schichten 3 und eine Feuchtedegration der Schichten selbst zu vermeiden, darf der Randbereich 5 des Substrats 4 keine stromführenden Schichten enthalten. Der Randbereich 5 ist deshalb erfindungsgemäß entschichtet worden. 1 shows a cross section through an encapsulated thin-film solar cell. The solar cell consists essentially of a substrate 4 dar on applied and structured layers 3 , a laminate layer 2 and a layer of window glass applied thereon. The current-carrying layers 3 have a thickness of 1-5 microns and the substrate 4 is preferably made of float glass. To current paths to the current-carrying layers 3 and to avoid moisture degradation of the layers themselves, may the edge area 5 of the substrate 4 no live layers included. The border area 5 has therefore been stripped according to the invention.

2 zeigt einen Querschnitt durch eine verkapselte Dünnschichtsolarzelle mit Schichtfolge und Kontaktierung der Rückelektrode. Bei Substrat-Dünnschichtsolarzellen gliedert sich die Schichtfolge auf in die Rückelektrode 24, die Absorberschicht 23 und die Frontelektrode 22. Die Schichten sind auf dem Substrat 25 aufgebracht und seitens der Frontelektrode 22 durch das Laminat 21 geschützt. Das Laminat 21 wird durch eine Schicht 20 aus Fensterglas abgeschlossen. 2 shows a cross section through an encapsulated thin-film solar cell with layer sequence and contacting the back electrode. In the case of substrate thin-film solar cells, the layer sequence breaks down into the return electrode 24 , the absorber layer 23 and the front electrode 22 , The layers are on the substrate 25 applied and on the part of the front electrode 22 through the laminate 21 protected. The laminate 21 is through a layer 20 made of window glass.

In 2 sind zwei Bereiche A und B markiert, die die verschiedenen Ergebnisse möglicher Entschichtungsprozesse bei einer Dünnschicht-Solarzelle darstellen.In 2 Two areas A and B are marked which represent the different results of possible stripping processes in a thin-film solar cell.

In dem Bereich A wurde eine komplette Entschichtung des Substrats vorgenommen, wobei das Substrat selber mit einer beschädigungsfreien Oberfläche zurückbleibt. Im Bereich B wurde eine selektive Entschichtung der Frontelektrode und der Absorberschicht vorgenommen, so dass die Rückelektrode stehen bleibt. Zur Kontaktierung der Rückelektrode müssen die darüber liegenden Schichten selektiv entfernt werden, ohne die Rückelektrode selbst wesentlich zu schädigen. Die freigelegten Bereiche werden dann mit Metallbändern 26 kontaktiert.In area A, a complete stripping of the substrate was made, leaving the substrate itself with a damage-free surface. In region B, a selective stripping of the front electrode and the absorber layer was carried out, so that the rear electrode stops. To contact the back electrode, the overlying layers must be selectively removed without significantly damaging the back electrode itself. The exposed areas are then covered with metal bands 26 contacted.

Bei der Entfernung der Schichten über den zu kontaktierenden Bereichen muß der Lichteinfall auf jeden Fall seitens der Schichtseite der Frontelektrode 22 erfolgen.When removing the layers over the areas to be contacted, the incidence of light must in any case be due to the layer side of the front electrode 22 respectively.

Für die Beurteilung der Qualität des Entschichtungsprozesses wurden auf die freigelegten Rückelektrodenbereiche Metallbänder mit einem zur Zeit eingesetzten Standardkontaktierprozess aufgebracht. Die gute Haftung der Bänder zeigt, dass die erfindungsgemäße Entschichtung mit einer Laservorrichtung auch zur Freilegung der zu kontaktierenden Bereiche der Rückelektrode geeignet ist. Die mechanische Entschichtung kann damit auch bei der Rückelektrodenfreilegung ersetzt werden.For the assessment the quality of the decoating process were applied to the exposed back electrode areas metal bands applied with a currently used standard bonding process. The good adhesion of the tapes shows that the stripping according to the invention with a laser device also for exposing the areas to be contacted the return electrode suitable is. The mechanical stripping can thus also at the back electrode exposure be replaced.

3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Entschichtung von Solarzellen. Die Entschichtung erfolgt mit einem gepulsten Laser vom Typ Nd:YAG. Vorzugsweise wird der Laserresonator mit der Methode der Gütemodulation mit Impulsdauern im Bereich von 25 ns betrieben. Der Bearbeitungsstrahl wird mit Hilfe eines Lichtleiterkabels 40 zu einer Abbildungsoptik mit einer Fokussierlinse 34 geleitet. Der Ausgang 35 der Lichtleiterfaser 40 wird dabei über die Fokussierlinse 34 auf dem Werkstück 31 im Bearbeitungsbereich 41 abgebildet. 3 shows a first embodiment of a device for stripping of solar cells. Decoating takes place with a pulsed laser of the type Nd: YAG. Preferably, the laser resonator is operated with the method of quality modulation with pulse durations in the range of 25 ns. The machining beam is made using a fiber optic cable 40 to an imaging optics with a focusing lens 34 directed. The exit 35 the fiber optic fiber 40 is doing over the focusing lens 34 on the workpiece 31 in the editing area 41 displayed.

Die Impulsenergiedichte bzw. Energieimpulsdichte auf dem Werkstück ergibt sich bei diesem Aufbau aus der Impulsenergie des Lasers, den optischen Verlusten sowie dem Abbildungsmaßstab der eingesetzten Optik. Die notwendige Impulsenergiedichte sowie die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum zu entschichtenden Werkstück bei vorgegebener Impulsfrequenz sind abhängig vom zu entfernenden Schichtpacket. Zum Beispiel konnten die untersuchten Schichtpackete von Dünnschichtsolarmodulen mit Impulsenergiedichten in der Größenordnung von 1 J/cm² bei Verfahrgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 cm/s und einer Impulsfrequenz von 50 Hz entfernt werden.The pulse energy density or energy pulse density on the workpiece results in this structure from the pulse energy of the laser, the optical losses and the magnification of the optical system used. The necessary pulse energy density and the travel speed of the laser beam relative to the workpiece to be stripped at a given pulse frequency depend on the layer package to be removed. For example, the tested laminates of thin film solar modules with pulse energy densities of the order of 1 J / cm ^{2 could be} removed at traverse speeds of the order of 1 cm / s and a pulse frequency of 50 Hz.

Bei der Entschichtung der Rückelektrode gemäß 2 ist die notwendige Impulsenergiedichte bzw. Energieimpulsdichte sowie die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum zu entschichtenden Werkstück bei vorgegebener Impulsfrequenz ebenfalls abhängig vom Schichtpacket. Eine erfolgreiche Entschichtung der Rückelektrode von Dünnchichtsolarmodulen wurde beispielsweise mit Pulsenergiedichten in der Größenordnung von 1 J/cm² bei Verfahrgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 3 cm/s und einer Pulsfrequenz von 50 Hz erzielt.When stripping the back electrode according to 2 is the necessary pulse energy density or energy pulse density and the travel speed of the laser beam relative to the workpiece to be stripped at a given pulse frequency also depends on the layer package. Successful delamination of the back electrode of thin film solar modules has been achieved, for example, with pulse energy densities of the order of 1 J / cm ² at traveling speeds of the order of 3 cm / s and a pulse frequency of 50 Hz.

Wie in 3 dargestellt, wird das Werkstück 31 dabei durch einen entsprechenden Werkzeugträger 32, bei dem es sich zum Beispiel um einen Vakuumspanntisch handeln kann, gehalten. Der Werkzeugträger 32 ist wiederum auf einem CNC-gesteuerten xy-Tisch 33 montiert. Der Tisch 33 mit dem Werkzeugträger 32 und dem Werkstück 31 kann mit konstanter Geschwindigkeit verfahren werden, so dass der Bearbeitungsbereich 41 zur Entschichtung der Solarzelle 31 entlang einer definierten Strecke bewegt werden kann. Entstehende Dämpfe und Stäube werden über Absaugvorrichtungen 36, 38 abgesaugt. Für besondere Anwendungsfälle sind Düsen 37, 39 vorgesehen, um die freizulegende Oberfläche vor Oxidation oder anderen chemischen Prozessen mit der Atmosphäre zu schützen. Als geeignetes Schutzgas hat sich hier vor allem Stickstoff herausgestellt. Die Düsen 37, 39 sind so eingestellt, dass im Bearbeitungsbereich das Schutzgas gleichmäßig über die Oberfläche des Werkstücks strömt.As in 3 shown, the workpiece becomes 31 doing so by a corresponding tool carrier 32 , which may be, for example, a vacuum clamping table held. The tool carrier 32 is again on a CNC-controlled xy-table 33 assembled. The table 33 with the tool carrier 32 and the workpiece 31 can be moved at a constant speed, so the machining area 41 for stripping the solar cell 31 can be moved along a defined route. Resulting vapors and dusts are via suction devices 36 . 38 aspirated. For special applications are nozzles 37 . 39 provided to protect the surface to be exposed from oxidation or other chemical processes with the atmosphere. Nitrogen has proved to be the most suitable protective gas here. The nozzles 37 . 39 are set so that the protective gas flows evenly over the surface of the workpiece in the processing area.

Optimale Bearbeitungsergebnisse ergeben sich, wenn die optische Achse 46 der Abbildungsoptik gegenüber dem Einfallslot 43 auf einen für den jeweiligen Anwendungsfall zu bestimmenden optimalen Bearbeitungswinkel eingestellt wird. Im Fall der Freilegung einer Rückelektrode einer Dünnschichtsolarzelle haben sich beispielsweise Verkippwinkel im Bereich von 5°–10° als besonders günstig herausgestellt.Optimal machining results arise when the optical axis 46 the imaging optics opposite the entrance slot 43 one for each Weil's application is set to be determined optimal machining angle. In the case of exposing a back electrode of a thin-film solar cell, tilt angles in the range of 5 ° -10 °, for example, have proven to be particularly favorable.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform zur Entschichtung von Solarzellen. Der Aufbau zur Halterung der Solarzelle 31 wurde gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beibehalten und ist mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein wesentlicher Unterschied der zweiten Ausführungsform gemäß 4 zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Entschichtung gemäß 4 im Bereich von der unteren Substratschicht erfolgt. 4 shows a second embodiment for delamination of solar cells. The structure for holding the solar cell 31 has been retained over the first embodiment and is identified by the same reference numerals. An essential difference of the second embodiment according to 4 to the first embodiment is that the stripping according to 4 occurs in the region of the lower substrate layer.

Diese Anwendung kommt bei allen Entschichtungsprozessen von Solarzellen in Betracht, bei denen ein lichtdurchlässiges Substrat vorliegt und das Substrat in bestimmten Bereichen völlig freigelegt werden soll. Während bei einem Einfall von der Schichtseite feine Haarrisse im Entschichtungsbereich entstanden, konnte das Glassubstrat bei Lichteinfall von der Substratseite entschichtet werden, ohne dass eine Schädigung des Substrats im Lichtmikroskop zu erkennen war.These Application comes with all decoating processes of solar cells in which there is a translucent substrate and the Substrate in certain areas should be completely exposed. While Fine hairline cracks in the decoating area on incidence from the layer side emerged, the glass substrate could with incident light from the substrate side be stripped, without causing damage to the substrate in a light microscope was recognizable.

Der optische Aufbau gleicht ansonsten demjenigen gemäß der ersten Ausführungsform, so dass entsprechend ebenfalls der Bearbeitungsstrahl mit einem Lichtleiter 50 an eine Abbildungsoptik mit einer Fokussierlinse 54 herangeführt wird. Die Fokussierlinse bildet wiederum den Austrittsbereich 55 des Lichtleiters 50 auf das Werkstück 31 im Bearbeitungsbereich 51 ab.The optical structure otherwise resembles that according to the first embodiment, so that correspondingly also the processing beam with a light guide 50 to an imaging optics with a focusing lens 54 is introduced. The focusing lens in turn forms the exit area 55 of the light guide 50 on the workpiece 31 in the editing area 51 from.

Bei der Entschichtungsmethode gemäß der zweiten Ausführungsform wurden beispielsweise gute Ergebnisse erzielt, wenn der Bearbeitungswinkel der optischen Achse 56 auf das Einfallslot eingestellt war.In the decoating method according to the second embodiment, for example, good results were obtained when the machining angle of the optical axis 56 was set to the entrance slot.

Die beim Laserprozess erzeugten Stäube und Dämpfe werden auch bei der zweiten Ausführungsform abgesaugt. Eine Nachreinigung wie bei den bisher eingesetzten Entschichtungsverfahren ist weder für die Variante von der Substratseite noch für die Variante von der Schichtseite erforderlich. Damit sind beide Varianten des neuen Laserentschichtungsverfahrens den bisherigen mechanischen Verfahren vorzuziehen.The Dust generated during the laser process and fumes are also in the second embodiment aspirated. A post-cleaning as in the previously used Entschichtungsverfahren is neither for the variant of the substrate side still for the variant of the layer side required. Thus, both variants of the new Laserentschichtungsverfahrens to prefer the previous mechanical method.

Besonders zu beachten ist bei der zweiten Ausführungsform gemäß 4 allerdings, dass für eine vollständige Bearbeitung der Solarzelle von der Substratseite her womöglich entsprechende Ausschnitte in dem xy-Tisch 33 und dem Werkzeugträger 32 vorgesehen sein müssen, damit der Bearbeitungsstrahl ungehindert alle zu entschichtenden Bereiche der Solarzelle 31 erreichen kann.Particular attention should be paid in the second embodiment according to 4 however, that for complete processing of the solar cell from the substrate side possibly corresponding cutouts in the xy-table 33 and the tool carrier 32 must be provided so that the processing beam unhindered to be stripped areas of the solar cell 31 can reach.

Insbesondere für Produkte, bei denen auch feinste Mikrorisse im Substrat bedenklich erscheinen, sollte daher die Variante mit Lichteinfall von der Substratseite eingesetzt werden. Bei weniger kritischen Anwendungen bzgl. Mikrorissen im Substrat – oder bei anderen Substrattypen – ist die hinsichtlich der Werkstückhalterung einfachere Entschichtung mit Lichteinfall von der Schichtseite möglich. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Verfahren gemäß den Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden. So können zum Beispiel für den Bruch empfindliche Randbereiche des Substrats gemäß der zweiten Ausführungsform von der Substratseite her entschichtet werden, da diese Randbereiche auch für diesen Fall einfach zugänglich sind und somit entsprechende Ausschnitte in dem Werkzeugträger und in dem Spanntisch nicht benötigt werden. Für Spezialanwendungen zu entschichtende Mittenbereiche können dagegen wiederum gemäß der ersten Ausführungsform von der Schichtseite entschichtet werden.Especially for products, in which even the finest microcracks in the substrate seem questionable, should therefore be the variant with light from the substrate side be used. For less critical applications regarding microcracks in the substrate - or with other substrate types - is with regard to the workpiece holder easier stripping with light from the layer side possible. Especially It is also advantageous if the methods according to the embodiments in suitable Way combined. So can for example for the rupture sensitive edge regions of the substrate according to the second embodiment be stripped from the substrate side, since these edge areas also for this case easily accessible are and thus corresponding cutouts in the tool carrier and not needed in the chuck table become. For Special applications to be stripped middle areas, however, can again according to the first embodiment be stripped from the layer side.

Claims

Device for removing layers on a workpiece ( 31 ), in particular on a ceramic or a glass, a) with a laser resonator, which is operated by the method of Q-switching, b) with an optical system ( 34 . 54 ), which images the laser beam generated by the laser resonator on the surface to be processed as a processing beam with a substantially homogeneous power distribution, c) with a first adjusting device ( 33 ) for a given relative movement between the workpiece ( 31 ) and the processing beam, and with a control unit, the first adjusting device ( 33 ) such that each surface unit to be removed of the workpiece ( 31 ) is applied with a substantially constant amount of energy, and d) with a second adjusting device for setting a constant machining angle between the optical axis of the machining beam and the solder ( 43 . 53 ) each surface unit to be removed, characterized in that the processing beam on the surface to be processed with a surface ( 41 . 51 ) in the range of one mm ² to several mm ² , and the processing beam has an energy impulse density of the order of 1 J / cm ² , and that the processing beam has a trapezoidal beam profile on the surface to be processed.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the processing beam via an optical fiber ( 40 . 50 ) with additional mode mixing to a mechanical guide becomes.

Device according to one of claims 1-2, characterized that the pulse durations are less than 100 ns.

Device according to claim 3, characterized in that that the pulse durations are in the range of 25 ns.

Device according to one of claims 1-4, characterized the laser resonator is of type Nd: YAG and with a wavelength of 1.064 mm is operated.

Device according to one of claims 1-5, characterized in that the first adjusting device ( 33 ) is moved at a travel speed in the range of 1 cm / s and while the pulse repetition frequency of the laser resonator is in the range of 50 Hz.

Process for stripping workpieces ( 31 ), in particular coated ceramics or glasses, comprising the steps: - providing a device according to one of the preceding claims: a) with a laser resonator, which is operated by the method of Q-switching, and b) providing an optical system ( 34 . 54 ), which images the laser beam generated by the laser resonator on the surface to be processed as a processing beam with a homogeneous power distribution, c) with a first adjusting device ( 33 ) for a given relative movement between the workpiece ( 31 ) and the processing beam, and with a control unit, the first adjusting device ( 33 ) such that each surface unit to be removed of the workpiece ( 31 ) is applied with a substantially constant amount of energy, and d) with a second adjusting device for setting a constant machining angle between the optical axis of the machining beam and the solder ( 43 . 53 ) of each surface unit to be removed, - setting a constant machining angle between the optical axis of the machining beam and the solder ( 43 . 53 ) of each surface unit to be removed, - imaging of the laser beam generated by the laser resonator on the surface to be processed as a processing beam with a homogeneous power distribution, - performing a relative movement between the workpiece ( 31 ) and the processing beam such that each surface unit of the workpiece to be removed ( 31 ) is acted upon by a substantially constant amount of energy, characterized in that the processing beam on the surface to be machined with an area ( 41 . 51 ) in the range of one mm ² to several mm ² , and the processing beam has an energy impulse density of the order of 1 J / cm ² , and the processing beam has a trapezoidal beam profile on the surface to be processed.

A method according to claim 7, characterized in that the processing beam via an optical fiber ( 40 . 50 ) is passed with additional mode mixing to a mechanical guide.

Method according to one of claims 7-8, characterized that pulse durations less than 100 ns, preferably in the range of 25 ns, to be set.

Method according to one of claims 7-9, characterized that a laser resonator of the type Nd: YAG with a wavelength of 1,064 mm is provided.

Method according to one of claims 7-10, characterized that the first adjusting device with a travel speed is shifted in the range of 1 cm / s and thereby the pulse repetition frequency of the laser resonator is in the range of 50 Hz.

Method according to one of claims 7-11, characterized that the removal of the layers is performed on a workpiece at its edge.

Method according to one of claims 7-12, characterized that the workpiece a solar module is.