(57)【要約】  本発明は、回折光学素子（１１）と、集束対物レンズ（１３）と、調整手段（２１）とを含む、レーザスクライビング装置で使用するように構成されたレーザ光学ヘッド（１０）であって、回折光学素子（１１）及び集束対物レンズ（１３）が、１本の共通な光軸（１６）上で互いに離間して配置され、かつ調整手段（２１）が、光軸（１６）に直角の第３平面内で回折光学素子（１１）を回転するように構成されるレーザ光学ヘッドに関する。本発明は、薄膜太陽電池の漏れ電流の減少を提供する。
2013535334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子（１１）と、集束対物レンズ（１３）と、調整手段（２１）とを含む、レーザスクライビング装置で使用するように構成されたレーザ光学ヘッド（１０）であって、前記回折光学素子（１１）及び前記集束対物レンズ（１３）が、１本の共通な光軸（１６）上で互いに離間して配置され、かつ前記調整手段（２１）が、前記光軸（１６）に直角の第３平面内で前記回折光学素子（１１）を回転するように構成されるレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項２】
前記調整手段（２１）が、前記回折光学素子（１１）を前記光軸（１６）の周りで回転させるためのステップモータ、及び／又はモータ駆動ステージ（２１）を含む請求項１に記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項３】
コントローラを含み、かつ前記コントローラが、前記回折光学素子（１１）を前記光軸（１６）の定義された角度位置（θ）に位置決めするように構成される請求項１又は２に記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項４】
前記調整手段（２１）が、前記回折光学素子（１１）を≦０．１ｍｒａｄの精度で角度位置（θ）に位置決めするように構成される請求項３に記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項５】
少なくとも前記回折光学素子（１１）及び前記集束対物レンズ（１３）が、ジョイントハウジングに組み込まれ、かつ前記ジョイントハウジングが、環境変化による熱膨張に対する前記ジョイントハウジングの感度を減少させるように構成された材料を含む請求項１から４のいずれかに記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項６】
前記材料が、低膨張材料、好ましくは溶融石英を含む請求項５に記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項７】
前記回折光学素子（１１）及び前記集束対物レンズ（１３）が、（１８）≧７０ｍｍかつ≦１５０ｍｍ、好ましくは≧２５ｍｍかつ≦５０ｍｍで互いに離間される請求項１から６のいずれかに記載のレーザ光学ヘッド（１０）。
【請求項８】
位置決め手段と、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光学ヘッド（１０）と、移動手段とを含む、基板（２）の表面をレーザ加工するように構成されたレーザスクライビング装置であって、
前記位置決め手段が、加工される表面を有する前記基板（２）を第１平面内（２３）に配置するように構成され、
前記レーザ光学ヘッド（１０）が、入射レーザビーム（１４）を分割することによって多重レーザビーム（１２）を発生させるように構成されて、前記多重レーザビーム（１２）が、互いに所定の一定距離（２２）を示し、かつ前記多重レーザビーム（１２）が、平行に配置され、第２平面（１５）を画定するようにし、
集束対物レンズ（１３）が、前記表面内で平行な溝（６、７、８）を加工するために前記多重レーザビーム（１２）を前記基板（２）に集束させるように構成され、前記第１平面（２３）及び前記第２平面（１５）が、交差線（２５）を形成し、かつ前記基板（２）に入射する個別のレーザビームによって前記表面内で加工される前記溝（６、７、８）が、互いにピッチ（１７）によって離間されるようにし、かつ
前記移動手段が、前記レーザ光学ヘッド（１０）を移動方向（２４）で前記基板（２）に対して移動させるように構成されるレーザスクライビング装置。
【請求項９】
調整手段が、前記移動方向（２４）と、前記交差線（２５）との間の角度（９０°−θ）を変化させることによって前記溝（６、７、８）の前記ピッチ（１７）を調整するように構成される請求項８に記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１０】
前記角度（θ）が、≧０°かつ≦９０°であり、かつ／又は前記角度（θ）が、少なくとも２つの隣接溝（６、７、８）が少なくとも部分的に重複するように構成される請求項８又は９に記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１１】
前記第２平面（１５）が、前記第１平面（２３）に基本的に直角に配置され、かつ／又は光軸（１６）が、前記第１平面（２３）に基本的に直角に配置される請求項８から１０のいずれかに記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１２】
前記レーザ光学ヘッド（１０）が、≧３かつ≦９のレーザビーム（１２）、好ましくは４のレーザビーム（１２）を発生させるように構成される請求項８から１１のいずれかに記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１３】
前記調整手段（２１）が、≧４ｍｍかつ≦１０．８ｍｍ、好ましくは≧５．５ｍｍかつ≦８．５ｍｍ、かつ更に好ましくは≦０．１ｍｍのピッチ（１７）を作り出すように構成される請求項８から１２のいずれかに記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１４】
前記レーザ光学ヘッド（１０）が、≦１０μｍの溝位置決め精度を達成するように構成される請求項８から１３のいずれかに記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１５】
前記多重レーザビーム（１２）が、前記表面（２）に析出された薄膜材料に溝（６、７、８）を加工するように構成される請求項８から１４のいずれかに記載のレーザスクライビング装置。
【請求項１６】
基板（２）の表面をレーザ加工する方法であって、次の：
（ａ）第１平面（２３）内に、加工される前記表面を有する前記基板（２）を配置するステップと、
（ｂ）多重レーザビーム（１２）が、互いに所定の一定距離（２２）を示し、かつ前記多重レーザビーム（１２）が、平行に配置され、第２平面（１５）を画定するように、回折光学素子（１１）によってレーザ光（１４）の単一のビームを分割することによって多重レーザビーム（１２）を発生させるステップと、
（ｃ）前記第１平面（２３）及び前記第２平面（１５）が、交差線（２５）を形成し、かつ前記基板（２）に入射する個別のレーザビームによって前記表面内で加工される溝（６、７、８）が、互いにピッチ（１７）によって離間され、前記ピッチ（１７）が所望の移動方向（２４）と、交差線（２５）との間の角度（９０°−θ）を変化させることによって調整可能であるように、前記表面内に平行な溝（６、７、８）を加工するために、前記多重レーザビーム（１２）を前記基板（２）に集束させるステップと、
（ｄ）前記多重レーザビーム（１２）を前記移動方向（２４）で前記基板（２）に対して移動させるステップとを含む方法。
【請求項１７】
前記第２平面（１５）が、前記第１平面（２３）に基本的に直角に配置される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記移動方向（２４）と、前記交差線（２５）との間の前記角度（９０°−θ）を変化させることは、前記回折光学素子（１１）を回転させることによって行われる請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記回折光学素子（１１）を回転させることは、前記回折光学素子（１１）、及び前記多重レーザビーム（１２）を集束させるための集束対物レンズ（１３）が、互いに離間して配置される光軸（１６）の周りでの回転を可能にする移動ステージ（２１）によって行われる請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記回折光学素子（１１）が、第３平面で回転し、かつ前記第３平面が、前記入射単一レーザビーム（１４）及び／又は前記第２平面（１５）に基本的に直角である請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記移動方向（２４）と、前記交差線（２５）との間の前記角度（９０°−θ）を較正するステップを含む請求項１６から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記角度（９０°−θ）が、≧０°かつ≦９０°であり、かつ／又は前記角度（９０°−θ）は、少なくとも２つの隣接溝（６、７、８）が少なくとも部分的に重複するように構成される請求項１６から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｅ）が、少なくとも部分的に重複する溝（６、７、８）を作り出すように構成された角度（９０°−θ）によって選択的に実行される請求項１６から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記回折光学素子（１１）が、≧３かつ≦９のレーザビーム（１２）、好ましくは４のレーザビーム（１２）を発生させるように構成される請求項１６から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記移動方向（２４）と、前記交差線（２５）との間の前記角度（９０°−θ）は、前記ピッチ（１７）が≧４ｍｍかつ≦１０．８ｍｍ、好ましくは≧５．５ｍｍかつ≦８．５ｍｍ、かつ更に好ましくは≦０．１ｍｍであるように調整される請求項１６から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記回折光学素子（１１）が、前記多重レーザビーム（１２）を前記基板（２）上に集束させるように構成され、それにより≦１０μｍの溝位置決め精度を達成する請求項１６から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
薄膜太陽電池（１）を製造する方法であって、次の：
（１）薄膜材料（３、４、５）を基板（２）上に析出するステップと、
（２）請求項１６から２６のいずれかに記載の方法によって前記基板（２）をレーザ加工し、前記薄膜材料（３、４、５）が加工される表面を含むステップか、
（２’）請求項８から１５のいずれかに記載のレーザスクライビング装置によって前記基板（２）をレーザ加工し、前記薄膜材料（３、４、５）が加工される表面を含むステップとを含む方法。
【請求項２８】
前記ステップ（２）又は（２’）が、少なくとも２０％の基板（２）表面積のレーザ加工を含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
薄膜太陽電池（１）を含む、基板（２）を複数のセグメントにセグメント化する、請求項８から１５のいずれかに記載のレーザスクライビング装置の使用であって、前記薄膜太陽電池（１）が、基板（２）と、前記基板（２）上に析出された薄膜材料（３、４、５）とを含み、かつ前記薄膜材料（３、４、５）が、前記レーザスクライビング装置によって加工される表面を含む使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザスクライビング装置で使用するように構成されたレーザ光学ヘッド、及びレーザ光学ヘッドを含むレーザスクライビング装置に関する。本発明は、基板の表面をレーザ加工する方法、及び薄膜太陽電池を製造する方法に更に関係する。その上、本発明は、基板を複数のセグメントにセグメント化するレーザスクライビング装置の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
溝を作ることにより薄膜太陽電池セグメントをスクライビングするためのレーザの使用は、長年にわたりよく知られており、かつ例えば特許文献１及び特許文献２（特許文献３）に記載されている。
【０００３】
先行技術から知られているレーザスクライビング工具の既存の光学ヘッドは、光学ヘッドを主溝方向に垂直な方向に位置決めする機械システムの調整を行うことにより、電池セグメント幅の変動を提供する。較正手順は、セグメンテーション溝の所望の位置と、その実際の位置を比較し、かつ補正するために使用される。この較正は、反復法又は補正用ルックアップテーブルを利用できる。較正手順は、例えば多重光学ヘッドの各々におけるレーザビームの各々に関して、いわゆるＰ１−Ｐ２−Ｐ３スクライビング工程の各々を行う製造環境における工具の各々に関して、個別に行われねばならない。更に、この構成手順は、電池セグメント幅が変化した時はいつも繰り返さねばならない。
【０００４】
セグメント相互接続「デッド」エリアに関する許容範囲が維持され、かつスクライブ「パターン」の交差が回避されるために、較正が必要である。較正手順の困難さは、セグメンテーション溝の位置に必要な精度によって増大し、これは、それ自体が必要な「デッド」エリアの関数である：例えば、４００μｍの「デッド」エリア幅は、２０μｍの較正精度のみを必要とするが、２００μｍの「デッド」エリア幅は、１０μｍよりも良好な、概して３μｍの較正精度を必要とする。かかる光学ヘッドが、ビーム位置較正精度の要件を１０μｍ以下で満たすために十分に精密に位置決めされることは、一層困難になる。
【０００５】
概して、かかる高精度を達成するためには、更に複雑かつ時間のかかる構成手順が必要であり、かつ更に高い頻度で繰り返さねばならない。更に、製造環境において、Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３工程の各々を行う様々な工具の多くの可能な組み合わせは概して、セグメンテーション溝の位置決め誤差の蓄積をもたらし、その結果製造ライン全体の「デッド」エリアの安全限界が、個別のレーザスクライビング工具に関する性能限界よりも著しく大きく設定せねばならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２９２，０９２号明細書
【特許文献２】特開昭５９−１７２２７４号公報
【特許文献３】米国特許第４，５４２，５７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
「デッド」エリアの幅を最小限に抑えながら、薄膜太陽電池をスクライビングするための非常に精密かつ信頼性のある方法を提供するレーザスクライビング装置で使用するように構成されたレーザ光学ヘッドを提供することは、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項によって達成される。好適な実施態様は、従属請求項において与えられる。
【０００９】
特に、本発明は、回折光学素子と、集束対物レンズと、調整手段とを含む、レーザスクライビング装置で使用するように構成されたレーザ光学ヘッドであって、回折光学素子及び集束対物レンズが、１本の共通な光軸上で互いに離間して配置され、かつ調整手段が、光軸に直角の第３平面内で回折光学素子を回転するように構成されるレーザ光学ヘッドを提供する。
【００１０】
回折光学素子（ＤＯＥ）は、好ましくは入射光ビーム、例えばレーザビームを特定の平面に位置する多重ビームに分割することを可能にする、単一でコンパクトな光学素子である。単一のＤＯＥから生じたビームの全ては、好ましくはほぼ同じ強度を持ち、かつ互いに一定の角度間隔で方向付けられ、かつ光学ヘッドの光軸を中心にする。ＤＯＥからの多重ビームは、次に太陽電池積層を加工するために、ビームを好ましくは太陽電池に向けて方向付け、かつ集束させる集束対物レンズに入射する。集束対物レンズの光学性能は、好ましくはＤＯＥの特定のビーム分割角度間隔、及び光学ヘッドと、太陽電池との間の距離に適合させる。
【００１１】
従って、光学ヘッドは、太陽電池を様々なセグメントにパターニングする好ましい可能性を提供する。集束対物レンズは光を集束させるための先行技術から知られているいかなる手段も、例えばレンズ、視野レンズ、再結像レンズ（ｒｅｉｍａｇｉｎｇ  ｌｅｎｓｅｓ）、ストリップミラー（ｓｔｒｉｐ  ｍｉｒｒｏｒｓ）及び／又は更なる手段を含むことができる。更なる実施態様において、光学ヘッドは、大きな直径の入射及び／又は流出ビームを生成するための拡大望遠鏡光学手段を含む。
【００１２】
好ましくは、ＤＯＥ及び集束対物レンズは、ＤＯＥに入射する入射ビームが、集束対物レンズによって、例えば基板及び／又は太陽電池に光学的に伝送されるように、共通の光軸に配置される。ＤＯＥは、好ましくは入射ビームを複数の離散ビームに分割するための位相格子素子として提供される。好ましくは、ビームは、レーザビームとして提供され、かつガウス強度分布を実質的に含む。複数の離散ビームは、好ましくはビーム分布方向に平行で、かつ／又は第３平面に直角である軸の周りを回転可能である。従って、本発明による光学ヘッドは、基板の表面内での溝作成を提供し、隣接するビーム間の生じたピッチは、ＤＯＥを光軸の周りで、すなわち光軸に直角である第３平面で回転させることによって容易かつ正確に調整できる。
【００１３】
ＤＯＥを含む本発明による光学ヘッドが、非常にコンパクトに製造でき、かつ非常に精密に構築され、その結果ＤＯＥからのビーム分割の安定性が、生じた多重ビームの性質、例えば先行技術と比較して減少し、かつ／又は最小限に抑えられたデッドエリアにより、非常に強固な性能を可能にするそのエネルギー分布及び位置決め精度の安定性に変えられ得ることが発見された。その上、本発明による光学ヘッドは、光軸の周りのＤＯＥの単純な回転により電池セグメント幅を調整する、非常に容易な能力を提供し、かつ多重ビームの性質及び位置の安定性をなおも維持する。先行技術とは反対に、ＤＯＥ回転角度を電池セグメント幅と相関させるために、単一の較正手順のみが必要とされ、それにより工具のセットアップ及び調整時間を減少させる。本発明による光学ヘッドは、太陽電池の絶縁溝をパターニングするために使用する時に特に好適である。ＤＯＥの使用のために、０°又は９０°に近い又は等しい角度を回転するＤＯＥによる多重ビームの全てを使用して絶縁溝をパターニングすることで、多重の溝を同時にスクライビングすることを可能にし、溝が、好ましくは光学ヘッドに対する基板の運動を有する間に、近接した間隔及び／又は単一の加工流路の重複により非常に制御された、精密な方法でパターニングされるので、スループットの改善が達成される。従って、本発明は、例えば太陽電池のセグメント幅の単純な変動を提供するビーム分割の好適な方法を提案し、かつ太陽電池全体にわたるセグメンテーション溝、及び同様に、例えば太陽電池の縁部で主セグメンテーション溝の方向に平行又は垂直な絶縁溝の両方の迅速な製造を可能にする。光学ヘッド及び／又はレーザスクライビング装置が、かかる薄膜太陽電池の漏れ電流の減少を可能にすることは、本発明の更なる利点である。
【００１４】
本発明の更に好ましい実施態様において、調整手段は、回折光学素子を光軸の周りで回転させるためのステップモータ、及び／又はモータ駆動ステージを含む。もう１つの好ましい実施態様において、レーザ光学ヘッドは、コントローラを含み、かつコントローラは、回折光学素子を光軸の定義された角度位置に位置決めするように構成される。この状況において、調整手段は、好ましくは回折光学素子を≦１ｍｒａｄ、好ましくは≦０．１ｍｒａｄ、かつ更に好ましくは≦０．０１ｍｒａｄの精度で角度位置に位置決めするように構成される。かかる実施態様は、光軸の周りでの回折光学素子の非常に正確な回転を可能にし、かつ従って標的、例えば基板及び／又は太陽電池に対する多重ビームの非常に精密な位置決めを次にもたらす。好ましくは、前述のように手段を使用する時に、ビーム位置精度は、≦１０μｍ、更に好ましくは≦３μｍである。従って、かかる実施態様は、２００μｍ未満のみの幅を有する「デッド」エリアの作成を可能にする。
【００１５】
本発明のもう１つの好ましい実施態様において、少なくとも回折光学素子及び集束対物レンズは、ジョイントハウジングに組み込まれ、かつジョイントハウジングは、環境変化による熱膨張に対するジョイントハウジングの感度を減少させるように構成された材料を含む。それに関連して、材料が、低膨張材料、好ましくは溶融石英を含むことが更に好ましい。これらの方策全ては、回折光学素子の回転及び／又は回折光学素子によって発生した多重ビームの精度、特に経時的精度が、更に改善され、従って基板の非常に精密なレーザスクライビングをもたらすという利点を有する。
【００１６】
本発明の更なる実施態様において、回折光学素子及び集束対物レンズは、≧７０ｍｍかつ≦１５０ｍｍ、好ましくは≧２５ｍｍかつ≦５０ｍｍで互いに離間される。好ましくはＤＯＥの角度間隔は、≧１．５°〜≦６．５°、更に好ましくは≧３°〜≦５°に及ぶ。集束対物レンズの適切な光学直径は、好ましくは≧１５ｍｍかつ≦７０ｍｍ、好ましくは≧２５ｍｍかつ≦５０ｍｍである。
【００１７】
本発明の目的は、位置決め手段と、前述のようなレーザ光学ヘッドと、移動手段とを含む、基板の表面をレーザ加工するように構成されたレーザスクライビング装置であって、位置決め手段が、加工される表面を有する基板を第１平面内に配置するように構成され、レーザ光学ヘッドが、入射レーザビームを分割することによって多重レーザビームを発生させるように構成されて、多重レーザビームが、互いに所定の一定距離を示し、かつ多重レーザビームが、平行に配置され、第２平面を画定するようにし、集束対物レンズが、表面内で平行な溝を加工するために多重レーザビームを基板に集束させるように構成され、第１平面及び第２平面が、交差線を形成し、かつ基板に入射する個別のレーザビームによって表面内で加工される溝が、互いにピッチによって離間されるようにし、かつ移動手段が、レーザ光学ヘッドを移動方向で基板に対して移動させるように構成される、レーザスクライビング装置によって更に取り組まれる。
【００１８】
かかるレーザスクライビング装置は、基板の、好ましくは太陽電池の、非常に精密かつ信頼性のあるスクライビングを提供する。基板は、当業者に知られているいかなる基板であっても良い。更に好ましくは、基板は、太陽電池、例えば薄膜太陽電池内に提供される。かかる薄膜太陽電池は、頂部に透明又は半透明な電極層が析出されるガラス基板を通常含み、続いてＰＩＮ又はＮＩＰ（Ｎ＝負ドープされたシリコン、Ｉ＝真性シリコン、Ｐ＝正ドープされたシリコン）構造を示す薄い非晶質及び／又は微晶質シリコン膜で形成された光電変換半導体、及び背後電極層がある。背後電極層は、この場合も透明導電層と、反射体層、導電及び反射金属層又は技術的同等物を含んでも良い。光電変換半導体は、単一、タンデム又は多重接合として形成できる：各接合は、この場合もＰＩＮ又はＮＩＰ構造を示す。従って、電極層は、レーザスクライビング装置によって加工する表面を含む。
【００１９】
ガラス基板は、薄膜装置を製造することに適した、当業者に知られたいかなるガラス基板であっても良い。好ましい実施態様において、ガラスは、フロートガラス、セキュリティガラス及び／又は石英ガラスである。好ましくは大きいサイズの、太陽電池の製造に一般に使用されるフロートガラスは、溶融ガラスを好ましくは連続的に、成形チャンバ内の伸長したスズ浴に送出することによって一般的に製造される。次に、溶融ガラスは、スズ表面に広がり、かつ／又は平坦な連続ガラス板又は層として少なくとも１方向に適切な手段によって引き出される。冷却及び引張工程を注意深く制御することによって、生じたガラス板の形状及び厚みが、調整できる。
【００２０】
本発明による薄膜層は、当業者に知られた種々の析出技術によって析出できる。本発明の好ましい実施態様において、薄膜層は、化学蒸着（ＣＶＤ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）、例えば真空スパッタリング工程によって析出される。更に好ましくは、蒸着工程は、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、及び／又は有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）析出工程である。
【００２１】
ガラス基板に析出される透明電極は、当技術分野で知られたいかなる適切な材料を含んでも良い。好ましくは、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、更に好ましくはＺｎＯ又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含む。前面電極の析出は、好ましくは真空／マグネトロンスパッタリング、蒸発又はＣＶＤ、更に好ましくはＬＰＣＶＤ、かつ最も好ましくはＺｎＯ薄膜層を形成するための前駆物質としてジエチル亜鉛を用いてＬＰＣＶＤによって達成される。
【００２２】
当業者は、位置決め手段として適切ないかなる手段も、好ましくはその上に基板を配置するための平坦なテーブル又は支持体を提供できる。同様に当業者は、例えば米国特許第４，２９２，０９２号明細書及び／又は米国特許第１９８５／４５４２５７８号明細書から知られるような、回折光学素子への入射レーザビームを示すレーザ手段を提供する。好ましくは、レーザ手段は、スペクトルの赤外（ＩＲ）領域において、第２調和波長（５３２ｎｍ）及び／又は第３調和波長（３５５ｎｍ）で機能し、レーザ手段は、０．０１〜５０ナノ秒の範囲でのパルス長でパルス化され、かつ１ｋＨｚ〜４０ＭＨｚの範囲、好ましくは４０ＭＨｚのパルス繰り返し周波数で機能する。レーザスクライビング装置によって基板内で加工される溝は、例えばいわゆるＰ１、Ｐ２及び／又はＰ３パターン、並びに縁部及び／又は横断絶縁目的のための単一レーザスクラブパターンＰ４であっても良い。移動手段は、好ましくはコンベヤ及び／又はベルトを含み、かつ基板を定速で移動させるように構成され、移動方向は、好ましくは加工される溝方向に平行である。もう１つの好ましい実施態様において、移動手段は、基板が複数の流路でレーザスクライビングされるよう、光学ヘッドを移動させるように構成される。
【００２３】
それ故に、本発明によれば、それぞれ回折光学素子により作り出された、分割された多重レーザビームが、基板内に溝を作り出すために使用され、個別のレーザビームが、回折光学素子の角度間隔によって決まる所定の距離によって互いに対して離れており、他方で基板内に作り出された溝が、ピッチによって互いに対して離れていることが好ましい。調整手段は、回折光学素子を回転させるように構成されるので、ピッチの大きさは、回折光学素子が回転する角度位置に好ましくは関連するので、可変である。この状況において、更に好ましい実施態様によれば、調整手段は、移動方向と、交差線との間の角度を変化させることによって溝のピッチを調整するように構成される。このことは、ピッチの大きさが、回折光学素子を回転させることによって調整可能であり、それにより第１平面及び第２平面によって形成される、移動方向と、交差線との間の角度を変化させることを意味する。好ましくは、移動方向は、溝方向に等しい。更に好ましくは、ピッチ、すなわちスクライブ距離は、隣接溝の各々に直角に測定される、２つの隣接溝の間の最も近い距離である。
【００２４】
更に好ましい実施態様において、角度は、≧０°かつ≦９０°であり、かつ／又は角度は、少なくとも２つの隣接溝が少なくとも部分的に重複するように構成される。少なくとも２つの隣接溝の重複は、例えば太陽電池の全ての材料層が、連続領域において除去されることを確実にするために、高い精度をもたらす。０°の角度は、好ましくは多重レーザビーム全部によって作り出される「単一の」溝をもたらし、他方で９０°の角度は、好ましくはレーザビームの距離に等しいピッチをもたらす。
【００２５】
本発明のもう１つの好ましい実施態様において、第２平面は、第１平面に基本的に直角に配置され、かつ／又は光軸は、第１平面に基本的に直角に配置される。レーザ光学ヘッドが、≧３かつ≦９のレーザビーム、好ましくは４のレーザビームを発生させるように構成され、多重ビームが、好ましくは互いに平行であることが更に好ましい。更なる実施態様において、調整手段は、≧４ｍｍかつ≦１０．８ｍｍ、好ましくは≧５．５ｍｍかつ≦８．５ｍｍ、かつ更に好ましくは≦０．１ｍｍのピッチを作り出すように構成される。レーザ光学ヘッドが、≦１０μｍ、好ましくは≦３μｍの溝位置決め精度を達成するように構成されることが、特に好ましい。もう１つの実施態様において、多重レーザビームは、表面に析出された薄膜材料に溝を加工するように構成される。薄膜材料は、薄膜表面に平行に配置される、ＰＩＮ又はＮＩＰ、接合構造を有する非晶質及び／又は微晶質シリコン膜を含んでも良い。ＰＩＮ／ＮＩＰ構造は、基板、例えば光透過性基板、又はスーパーストレートの１つの主表面上の前記複数の領域の各々において連続的に伸長しても良い、透明膜電極の間に挟まれても良い。
【００２６】
本発明の目的は、基板の表面をレーザ加工する方法であって、次の：
（ａ）第１平面内に、加工される表面を有する基板を配置するステップと、
（ｂ）多重レーザビームが、互いに所定の一定距離を示し、かつ多重レーザビームが、平行に配置され、第２平面を画定するように、回折光学素子によってレーザ光のビームを分割することによって多重レーザビームを発生させるステップと、
（ｃ）第１平面及び第２平面が、交差線を形成し、かつ基板に入射する個別のレーザビームによって表面内で加工される溝が、互いにピッチによって離間され、ピッチが所望の又は意図した移動方向と、交差線との間の角度を変化させることによって調整可能であるように、表面内に平行な溝を加工するために、多重レーザビームを基板に集束させるステップと、
（ｄ）多重レーザビームを移動方向で基板に対して移動させるステップとを含む方法によって更に達成される。
【００２７】
更に好ましい実施態様において、第２平面は、第１平面に基本的に直角に配置される。好ましくは移動方向と、交差線との間の角度を変化させることは、回折光学素子を回転させることによって行われる。回折光学素子を回転させることは、回折光学素子、及び多重レーザビームを集束させるための集束対物レンズが、互いに離間して配置される光軸の周りでの回転を可能にする移動ステージによって行われることが、更に好ましい。もう１つの実施態様において、回折光学素子は、第３平面で回転し、かつ第３平面は、入射単一レーザビーム及び／又は第２平面に基本的に直角である。更なる実施態様において、方法は、移動方向と、交差線との間の角度を較正するステップを含む。更なる実施態様において、角度は、≧０°かつ≦９０°であり、かつ／又は角度は、少なくとも２つの隣接溝が少なくとも部分的に重複するように構成される。特別に好ましい実施態様において、ステップ（ｅ）は、少なくとも部分的に重複する溝を作り出すように構成された角度によって選択的に実行される。更に好ましい実施態様において、回折光学素子は、≧３かつ≦９のレーザビーム、好ましくは４のレーザビームを発生させるように構成される。好ましくは、移動方向と、交差線との間の角度は、ピッチが≧４ｍｍかつ≦１０．８ｍｍ、好ましくは≧５．５ｍｍかつ≦８．５ｍｍ、かつ更に好ましくは≦０．１ｍｍであるように調整される。更なる実施態様において、回折光学素子は、多重レーザビームを基板上に集束させるように構成され、それにより≦１０μｍの溝位置決め精度を達成する。
【００２８】
基板の表面をレーザ加工する方法の更なる実施態様及び／又は利点は、前述のようなレーザ光学ヘッド及び／又はレーザスクライビング装置から当業者によって導かれる。
【００２９】
本発明の目的は、薄膜太陽電池を製造する方法であって、次の：
（１）薄膜材料を基板上に析出するステップと、
（２）前述のような方法によって基板をレーザ加工し、薄膜材料が加工される表面を含むステップか、
（２’）前述のようなレーザスクライビング装置によって基板をレーザ加工し、薄膜材料が加工される表面を含むステップとを含む方法によって更に達成される。
【００３０】
更に好ましい実施態様において、ステップ（２）又は（２’）は、少なくとも２０％の基板表面積のレーザ加工を含む。好ましくは、表面は、セグメンテーション溝に垂直な方向に伸びるリボン内で加工される。かかるステップは好ましくは、太陽電池の光透過率を効果的に増加させるために、例えば数千の重複する横断溝内で繰り返し実行される。
【００３１】
本発明の目的は、薄膜太陽電池を含む、基板を複数のセグメントにセグメント化する、前述のようなレーザスクライビング装置の使用であって、薄膜太陽電池が、基板と、基板上に析出された薄膜材料とを含み、かつ薄膜材料が、レーザスクライビング装置によって加工される表面を含む使用によって更に達成される。
【００３２】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施態様から明らかになり、かつ実施態様を参照して解明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】先行技術による太陽電池を区切るためのスクライブ線を含む、薄膜太陽電池の原理を示す。
【図２】本発明の好ましい実施態様によるレーザ光学ヘッドの回折光学素子と、集束対物レンズとの間の光学的関係を示す。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施態様による光学ヘッドを側面図又は断面図で示す。
【図３Ｂ】本発明の好ましい実施態様による光学ヘッドを側面図又は断面図で示す。
【図３Ｃ】本発明の好ましい実施態様による光学ヘッドを側面図又は断面図で示す。
【図４Ａ】本発明の好ましい実施態様によるレーザ光学ヘッドを使用することによる種々の用途に関する、隣接レーザビームのピッチ、及び複数のレーザビームを発生させる回折光学素子の回転の状況を示す。
【図４Ｂ】本発明の好ましい実施態様によるレーザ光学ヘッドを使用することによる種々の用途に関する、隣接レーザビームのピッチ、及び複数のレーザビームを発生させる回折光学素子の回転の状況を示す。
【図５Ａ】本発明の好ましい実施態様によるレーザ光学ヘッドを使用することによる種々の用途に関する、隣接レーザビームのピッチ、及び複数のレーザビームを発生させる回折光学素子の回転の状況を示す。
【図５Ｂ】本発明の好ましい実施態様によるレーザ光学ヘッドを使用することによる種々の用途に関する、隣接レーザビームのピッチ、及び複数のレーザビームを発生させる回折光学素子の回転の状況を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、先行技術による従来の薄膜太陽電池１の一部の略断面図である。透明絶縁体基板２上に、透明前面電極層３が配置され、光電変換半導体４は、透明前面電極層３上に形成され、かつ更なる透明背後電極層５が、光電変換半導体４上に形成される。光電変換半導体４は、薄い非晶質及び／又は微晶質シリコン膜の堆積を含む。
【００３５】
図１は、溝６、７及び８を更に示す。この構造化の目的は、直列に電気接続された多数の太陽電池セグメントから構成されるモノリシック太陽光電池モジュールを構築することである。それ故に透明電極層３は、電池セグメント幅を決定する、第１絶縁溝６によって分割される。光電変換半導体４は、積層全体が、製造工程中、次の順序：層３−溝６−層４−溝７−層５−溝８で組み立てられる時に、その溝を充填する。透明背後電極層５からの材料で充填される溝７は、隣接電池１間に電気接触を可能にする。実際に、一方の電池１の背後電極５は、隣接電池１の前面電極３と接触する。背面電極層５及び光電変換半導体４は、第２絶縁溝８によって最終的に分割される。この構造化工程は、好ましくはレーザ光等を用いることによって達成される。
【００３６】
薄膜太陽電池１は、例えば次のように製造できる：最初に透明絶縁体基板２にわたって、透明電極層３が、例えばＬＰＣＶＤ、すなわち低圧ＣＶＤによって析出される。例えばＺｎＯ、ＳｎＯ２及び／又はインジウムスズ酸化物ＩＴＯを含む、透明導電性酸化物ＴＣＯとも呼ばれるこの透明電極層３は、その後レーザスクライビングされ、前記透明電極層３の一部を除去して、透明電極層３を複数の絶縁した隣接層に分割する、第１絶縁溝６を形成する。
【００３７】
その後、このパターニングされた透明電極層３にわたって、プラズマ促進ＣＶＤが、光電変換積層４を析出するために用いられる。積層４は、例えば薄い非晶質シリコンの少なくとも１つのｐ−ドープされた層と、真性ｉ−層と、ｎ−ドープされた層とを含む。この作業は、多接合非晶質シリコン薄膜太陽電池１を形成するために繰り返すことができる。従ってｐ−ｉ−ｎ接合は、前記光電変換層４を構築するために、微晶質材料、又は非晶質及び微晶質材料の混合物から形成できる。
【００３８】
光電変換半導体層４は、次にレーザスクライビングされ、光電変換半導体層４の一部を除去して、光電変換半導体層４を複数のかかる絶縁層４に分割する溝７を形成する。
【００３９】
その後、背面電極層５が析出され、溝７を充填し、かつそれにより接触線をもたらし、かつ光電変換半導体層４を覆う。この背面電極層５は、この場合も透明導電性酸化物ＴＣＯ、例えばＺｎＯ、ＳｎＯ２、インジウムスズ酸化物ＩＴＯ、又は金属層、例えばアルミニウム、又はかかる層の組み合わせであっても良い。
【００４０】
最後に、光電変換半導体層４及び背面電極層５は、レーザスクライビングされ、光電変換半導体層４を、直列に電気接続された複数の光活性層４又はセグメントに分割する第２絶縁溝８を形成する。図１に示す薄膜太陽電池１は、このようにして製造される。
【００４１】
本発明は、太陽電池１を横切り、かつその全長にわたる概して５〜１０ｍｍの間隔での溝６のレーザスクライビングによってＴＣＯ層３を複数の電気的に絶縁された領域に分離することを開示する。析出後、光電変換半導体層４は、その後レーザによってスクライビングされる。このことは、この層内でスクライビングされた溝７が、ＴＣＯ層３内の初期溝に、その全長に沿って概して５〜３０μｍ以内まで平行であること、かつ１０〜１５０μｍの典型的な間隔により、当初の溝６に対してできるだけ近接することを必要とする。
【００４２】
背面電極層５の析出後、レーザは、セグメントの電気直列相互接続を完成するために、背面電極層５及び光電変換半導体層４を同時に分割する第２絶縁溝８を形成するために使用される。溝８は、ＴＣＯ層３内の初期溝６に、その全長に沿って概して５〜３０μｍ以内まで平行であり、かつ１０〜１５０μｍの典型的な間隔により、光電変換半導体層内の溝７に対してできるだけ近接するようにスクライビングされる。
【００４３】
太陽電池セグメントの直列相互接続を示す、生じた太陽電池１は、かかる薄膜太陽電池１の漏れ電流の減少を可能にし、かつパネル全体によって発生した電圧は、各電池及び多数の電池内で形成された電位の積によって与えられる。概して１．４ｍ２のパネルは、５０〜２００の電池に分割され、その結果全体パネル出力電圧は、３０〜２００Ｖの範囲内である。
【００４４】
米国特許第４，２９２，０９２号明細書及び特開昭５９−１７２２７４号公報（米国特許第１９８５／４５４２５７８号明細書）に記載された材料に加えて、多くの他の材料が、薄膜太陽電池１を作るために使用できる。他の同様に効果的な装置は、とりわけテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅−インジウム−ジセレニド（ＣＩＳ）、銅−インジウム−ガリウム−ジセレニド（ＣＩＧＳ）及びガラス上の結晶シリコン（ＣＳＧ）をベースとする光電変換半導体層４によって作られる。レーザは、これらの装置内に直列相互接続を有する、複数の太陽電池１を作り出すために、幾つかの又は全ての層３、４、５内で溝６、７、８をスクライビングするために概して使用される。
【００４５】
個別の層３、４、５内で溝６、７及び８をスクライビングするために使用されるレーザビームは時折、ガラス板の被覆された側から適用されるが、反対側からも適用でき、その場合にビームは、膜と相互作用する前に、ガラスを通過する。使用されるレーザは、一般的にスペクトルの赤外（ＩＲ）領域において機能するが、第２調和波長、例えば５３２ｎｍ、及び第３調和波長、例えば３５５ｎｍで機能するレーザも使用できる。レーザは、一般的に０．０１〜５０ナノ秒の範囲でのパルス長でパルス化され、かつ１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲でのパルス繰り返し周波数で機能するが、４０ＭＨｚの高さであっても良い。レーザビームは、先行技術において、効果的な材料加工に必要な、要求される空間強度分布を提供するように設計された光学ヘッドとして一般的に知られる光機械システムによって加工される積層３、４、５に向けられる。
【００４６】
薄膜太陽電池は、金属シートのような不透明基板上にも作ることができる。この場合に、基板２を通る照射が可能でなく、従って全てのスクライビング工程は、被覆された側から入射するビームを必要とする。幾つかの他の場合において、太陽パネルは、薄い金属又は高分子シートのような、可撓性基板２上に製造される。前者の場合に、被覆された側のみからの照射が可能である。後者の場合に、被覆された側から、又は基板２を通る照射が、両方とも可能である。
【００４７】
太陽電池１上の溝６の設置は、セグメント幅を決定する。電池の大きさと組み合わせたセグメント幅の選択は、太陽電池１の所望の電気的特性に基づき、例えば広いセグメントは、漏れ電流Ｉｓｃ（ｓｃ＝短絡）増大を与え、狭いすなわち多くのセグメントは、開回路電圧Ｖｏｃ増大を与える。直列接続、並列接続、又は電池接続の他の組み合わせの電池レイアウト形態、前面３又は背後５電極層材料シート抵抗によって影響を及ぼされる電池内の電流損失の最適化を含む他の検討材料が、セグメンテーション溝６、７、８幅に影響を与え得る。
【００４８】
太陽電池１のセグメント間に有効な直列接続を生成するために、先行技術に記載されたように、パターン１又はＰ１としても知られる各溝６が、パターン２又はＰ２としても知られる各溝７と一緒に構築されるべきであり、かつ次にパターン３又はＰ３としても知られる各溝８が、構築されるべきである。Ｐ１溝６の最外縁部から隣接するＰ３溝７の最外縁部によって画定される狭い領域内に含まれる電池１のエリアは、太陽光発電電流の収集に寄与できず、かつ事実上失われるか、又は「デッド」エリア９である。このエリアは、電池１内で各セグメントに関して複製され、かつ電池１の利用可能な活性領域の数パーセントになり得る。それ故に、最大の電池効率を得るために、このデッドエリア９を最小限に抑えることが必須である。デッドエリアは、Ｐ１からＰ２溝６、７の分離、及びＰ２からＰ３溝７、８の分離を減少させることによって最小限に抑えることができる。しかしながら、セグメント間の相互接続は、パターンのいずれかが「交差する」ならば作用しなくなる。すなわちＰ１−Ｐ２−Ｐ３の溝配列が、混乱したならば、このことは、太陽電池１の出力を低下させる。溝分離の減少は、「デッド」エリアが減少するが、溝パターンの「交差」が回避されるように、各工程ステップで精密なレーザビームの設置を必要とする。
【００４９】
各工程Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３のためのレーザスクライビング工具は、スクライビング工程の開始に先立ってセグメンテーション溝６、７、８を正確な分離で位置決めするために、セットアップされる。このことは先行技術において、光学ヘッド１０位置によって決定される所望の溝６、７、８位置を、実際の溝６、７、８位置と比較し、かつ次に光学ヘッド１０位置を必要に応じて補正する較正手順を概して利用する。このステップは、太陽電池１上にパターニングアライメントフィーチャ又は基点を概して伴い、かつセグメント幅の選択が最初になされる時の１回のみから、太陽電池基板２が工具を通して製造される毎まで変動させ得る頻度で実行できる。明らかに、先行技術において、較正手順は、各レーザビーム及び／又は各光学ヘッドに対して実行せねばならず、かつ較正が頻繁に実行せねばならないほど、レーザ工程ステップの全体的サイクル時間が大きくなる。アライメントフィーチャ測定システム又は光学ヘッド位置決めシステムの精度及び安定性が、セグメンテーション溝６、７、８の位置に必要な精度と比較して低いならば、較正の頻度は、増加する。
【００５０】
レーザ工程ステップの全体的サイクル時間は、太陽電池製造の全体的スループットに寄与し、かつそれ故にこの時間を最小限に抑えることは、太陽電池１の所有コストＣｏＯの改善に繋がる。レーザ工程サイクル時間減少への幾つかのアプローチには、幾つかのセグメンテーション溝６、７、８を、太陽電池１の長さにわたって同時に平行に製造するために、多重レーザビーム１２を太陽電池１に向ける多重光学ヘッド１０を操作することを伴う。このようにして、光学ヘッド１０又は基板２の少ない流路が、太陽電池１を完全にセグメント化するために必要である。すでに記載したように、先行技術システムの各レーザビーム及び各光学ヘッド１０は、セグメンテーション溝６、７、８が、太陽電池１上に精密に置かれるように較正されねばならない。
【００５１】
平行に伸び、かつ太陽電池１の４つの縁部に近接して位置決めされる縁部絶縁溝は、必要であり、その結果電流短絡が、セグメントの一端と、もう１つのセグメントとの間で、又は電流収集に使用される太陽電池１上の接触エリアにより生成されない。短絡、すなわち分路は、太陽電池１の出力性能を減少できる。
【００５２】
太陽電池１を横切って分配され得るセグメンテーション溝に垂直に伸びる横断絶縁溝は、日光による照明が、暗くされ、かつ従って電池のそのエリアへの損害及び太陽電池全体１の性能の低下を防ぐ、電池１の領域を流れ得る最大電流を限定するために概して使用される。
【００５３】
両方のタイプの縁部及び横断絶縁溝は、太陽電池１セグメンテーション工程Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３の後の、単一のレーザスクライブ工程、パターン４又はＰ４、又はＰ１及びＰ３工程の一部として溝スクライビングの組み合わせによって形成できる。両方の場合において、要件は、基板２上で太陽電池１の全ての材料層を除去し、かつ絶縁溝にわたって十分に高い程度の電気抵抗を提供することである。
【００５４】
概して、基板２又は光学部品の幾つかの流路が、非常に狭い間隔を置かれるか、又は重複する複数の絶縁溝６、７、８を製造するために使用され、この場合に隣接溝６、７、８の中心間の間隔は、個別の溝幅よりも小さい。多重絶縁溝６、７、８は、単一溝内の絶縁分路又は他の故障が、電池性能を低下させ得る電流短絡をもたらす確率を減少させる。
【００５５】
しかしながら、絶縁溝６、７、８の数及び分離が大きいほど、発電に利用できない太陽電池１のエリアが大きくなる。絶縁溝６、８を製造するためにＰ１及びＰ３工程を組み合わせる典型的な場合において、太陽電池１の全ての材料層３、４、５が、連続領域で除去されることを確実にするために、Ｐ１及びその後のＰ３溝６、８が高い正確度で互いに重複することが必要である。製造環境において現実的に達成できる、様々なスクライビング工程の設置精度は、２つの個別の工程が太陽電池１上で仕上げられ、かつ有効な絶縁溝が製造されることを確実にするために、多重の、狭い間隔を置かれた又は重複する、Ｐ１及びＰ３溝６、８の集合を必要とする。
【００５６】
絶縁溝を作り出すために必要なレーザスクライビングされた溝６、７、８の数、及び溝が狭い間隔を置かれねばならないという条件は、加工時間に対して著しい影響を与え、かつレーザ加工ステップの全体的サイクル時間の大きな部分になり得る。
【００５７】
これら全ての薄膜太陽電池装置の共通の特性は、各々が長さ１メートル又はそれ以上まである多重溝６、７、８が、パネルにわたって複数のセグメントを作り出すためにスクライビングされねばならないことである。それ故に１００ｍまで、又はそれを超える、層当たりのレーザ溝全長が、必要である。このレーザ溝切りは、許容可能なパネル工程サイクル時間内に、工業用レーザスクライビング工具によって実現されねばならない。これは、一般的に２分未満であり、それ故に毎秒数メートルまでのレーザスクライビング速度が必要である。
【００５８】
レーザスクライビング工具において、レーザ照射を使用する太陽電池１のセグメンテーションは、光学ヘッド１０の相対運動を利用し、光学ヘッドは、レーザビームを太陽電池１、及び基板２に向け、そのいずれかは、レーザビームが、太陽電池１、又は基板２に入射する間、固定されるか、又は機械座標系に対して移動しても良く、その結果連続溝６、７、８が、太陽電池層内に形成される。
【００５９】
先行技術における１つのアプローチは、全ての線をスクライビングするために単一ビームを使用することであったが、ビームが、ガルバノメータ駆動ミラースキャナシステムを使用して高速で移動することになる。米国特許出願公開第２００３／０２０９５２７号明細書は、このような事例を記載している。スキャナシステムは、４メートル／秒までの速度でレーザビームを６００ｍｍ幅のパネルの全幅にわたって移動させるために使用され、他方でパネルは、スキャナユニットを越えて直交方向に移動される。この先行技術は、パネルの全幅をカバーするために、大きな走査範囲を有するスキャナレンズを使用せねばならないという欠点を有する。このことは、通常レンズが比較的長い焦点距離を有することを意味する。焦点をパネル幅全体にわたって維持するために、第３軸を有するスキャナシステムを使用して、各走査中のビームの大きさの拡大を動的に調整することも多くの場合に必要である。
【００６０】
このことは、制御システムに複雑さを加える。必要な走査レンズの長い焦点距離は、作り出され得る焦点の最小の大きさに対する限定に繋がり、それ故に作られ得る溝幅は、望むほど狭くはない。スキャナシステムに関連する位置決め誤差は、レンズ焦点距離に釣り合うので、このことは溝を精密に設置する難しさにも繋がる。理想的な溝６、７、８は、幅ができるだけ狭くすべきであり、かつ３つの溝６、７、８間の「デッド」エリアを最小限に抑えるために、連続した溝は、できるだけ互いに近接するべきであるので、これらの両方とも、重大な問題であり得る。その上、かかる線走査を達成するために必要な光学系の制限のために、このアプローチは、概して６００ｍｍの長さまでのパネルの短い寸法と平行なパネルをスクライビングすることに通常限定される。かかるシステムによって、パネルの長軸に平行な溝６、７、８を作り出すことは可能でない。
【００６１】
幾つかの先行技術の事例において、工具は、線スクライビング中に静止光学部品を有するが、このことは、パネルが非常に迅速に移動せねばならないことを意味する。過剰なパネル速度を回避するために、多重光学系が、多くの場合使用され、溝６、７、８を加工するために平行なレーザビームを発生させる。このことの例として、１００の個別の溝６、７、８を必要とする約１．１ｍ×１．３ｍの寸法を有するパネルは、６０秒未満で８つの平行なレーザビームによって加工でき、パネルは、３００ｍｍ／秒未満の最大速度で移動する。多重ビームのアプローチが、種々のレーザ工具のアーキテクチャで実現された。
【００６２】
先行技術におけるもう１つのアプローチは、比較的低出力、例えば３５５ｎｍ若しくは５３２ｎｍで５Ｗ未満、又は１０６４ｎｍで１０Ｗ未満の単一レーザからなる光学系を使用することである。この低出力レーザは、加工物にレーザビームを送出する単一光学ヘッドと対にされる。複数のかかる光学系が、正味加工速度を上げるために工具内に組み込まれる。かかるシステムは、独国特許出願公開第１０２００６０３３２９６．２号明細書及び米国特許出願公開第２００８／０２６３８７７号明細書に記載される。
【００６３】
このアプローチは、溝６、７、８によりパネル全体をカバーするために、パネル又は光学系全部が、溝方向と垂直な方向に進む必要があるという短所を有する。このことは、モジュールの要件の必要な精度に達するために、位置決めシステムが非常に精密であるべきか、又は各レーザビーム位置の較正が、光学ヘッド１０の全ての位置にわたって実行されねばならないことを意味する。多重レーザ源を有するシステムのコストは、概して高く、かつ太陽電池１の所有コストに悪影響を与える。その上、定期点検を必要とし、かつ総合的に高い故障の可能性を有する多数のレーザ源があり、従って動作可能時間の減少及び全体的な所有コストの上昇をもたらす。
【００６４】
先行技術における更なるアプローチは、比較的高出力、例えば３５５ｎｍで１０Ｗ超、又は５３２ｎｍで５Ｗ超、又は１０６４ｎｍで２０Ｗ超の単一レーザからなる光学系を使用することである。高出力レーザビームは次に、多重レーザビームを複数の、概して２〜４の光学ヘッド１０に送出するために、偏光分割又は強度分割によって分割される。この場合において多数のかかる光学系が、単一のレーザ工具に組み込まれ得た。かかるシステムは、独国特許出願公開第１０２００６０３３２９６．２号明細書に記載されている。この工具のアーキテクチャは、工具当たり１つのみ、又は概して２つのレーザ源を必要とするという利点を有し、定期的及び不定期的な保守のための動作不能時間の要件を減少させる。
【００６５】
しかしながら、光学系におけるアライメント、偏光制御及びビーム出力平衡が、複雑であり、かつ実際には実現するために時間がかかり得る。ビームポインティング、出力及び強度プロファイルのような、光学系におけるレーザビームの性質のいかなる変更も、パネル上の加工エリアで個別ビーム間の著しい相違をもたらし得る。ビーム間の出力変動及びプロファイル変動は、溝６、７、８の品質に影響を及ぼすことがあり、かつビーム間の位置変動は、頻繁な較正作業の必要性をもたらすことがある。結果は、実行すべき頻繁な較正の日常的作業及びアライメント点検の必要性による工具の動作可能時間の減少になる。
【００６６】
前述の全ての先行技術のレーザ工具は、概して工具内で１つ以上の線形配列で位置決めされ、線形の軸が溝方向に垂直である、ビームを有する。例えば縁部絶縁及び横断絶縁溝６、７、８を作り出すため、工具上で２つの直交する方向に同じパネルをレーザスクライビングするためには、パネルの全流路に関して１つのみのレーザビームを使用すること、又は直交する溝６、７、８を施すために工具内でパネルを回転させることが可能である。第１の場合にこの単一ビーム加工は、非効率的であり、かつ多くの場合工具サイクル時間に対する重大な要因となり得る。第２の場合にパネル回転工程は、工具のサイクル時間を増加させる。概して、パネル寸法は非対称であり、かつ工具のアーキテクチャは、多くの場合に主溝方向に直角の方向で、パネルの長軸を収容する空間が欠如するために、パネルを回転させることを不可能にし得る。
【００６７】
多重光学ヘッド１０を備えたレーザスクライビング工具は、幾つものセグメンテーション溝６、７、８が、太陽電池１の長さにわたって、同時に平行に製造できるように、セグメンテーション溝方向に垂直な多重レーザビームの線との配置において、多重レーザビームが、太陽電池１に向けられるように構成されても良い。
【００６８】
しかしながら、この配置は、縁部絶縁溝、及び特に、主セグメンテーション溝６、７、８に垂直な方向で伸びる横断絶縁溝の加工のためにさほど適切ではない。多重の重複する又は狭い間隔を置かれた縁部絶縁又は横断絶縁溝の設置における高い正確度の要件は、セグメンテーション溝６、７、８に平行な方向においてであり、他方でセグメンテーション溝の精密な設置は、セグメンテーション溝６、７、８に垂直な方向での精密な位置決めを必要とする。機械システムに基づく光学ヘッド１０の両方向で精密な溝設置を有するために必要とされる複雑さは、重大である。概して、採用される単純なアプローチは、１つの絶縁溝６、７、８が同時に加工されるように、レーザビーム及び多重光学ヘッド１０の１つを除いて全部を機械的又は光学的に止めることである。多重平行ビーム加工がなければ、絶縁溝６、７、８を完全にパターニングするために必要な時間は、レーザ加工の全体的サイクル時間の相当な割合になり、かつモジュールに関してＣｏＯに影響を与える。
【００６９】
溝位置の時間のかからない較正による電池セグメント幅の容易な調整、並びにセグメンテーション及び絶縁溝両方の多重パターニングを可能にするアプローチは、レーザ加工時間及びそれ故に太陽電池製造のＣｏＯの両方で大きな利点がある。
【００７０】
本発明による解決法は、多重レーザビーム１２を提供するために回折光学素子（ＤＯＥ）１１を使用する光学ヘッド１０の特徴を用いる。光学ヘッド１０内で、ＤＯＥ１１は、集束対物レンズ１３と組み合わされる。ＤＯＥ１１は、入射レーザビーム１４を特定の第２平面１５に位置する多重ビーム１２に分割することを可能にする、単一でコンパクトな光学部品である。単一のＤＯＥ１１から生じたビーム１２の全ては、ほぼ同じ強度を持ち、かつ互いに一定の角度間隔αで方向付けられ、かつ光学ヘッド１０の光軸１６を中心にする。
【００７１】
ＤＯＥ１１からの多重ビーム１２は、次に太陽電池積層３、４、５を加工するために、レーザビーム１２を太陽電池１に向けて方向付け、かつ集束させる集束対物レンズ１３に入射する。集束対物レンズ１３の光学性能は、ＤＯＥ１１の特定のビーム分割角度間隔α、及び光学ヘッド１０と、太陽電池基板２との間の距離に適合させる。ＤＯＥ１１光学ヘッド１０によってパターニングされた、生じた電池セグメント幅１７は、ＤＯＥ１１の角度分割α、及び光学ヘッド１０と、ＤＯＥ１１との間の分離１８によって決定される。
【００７２】
光学ヘッド１０の可能な実施態様を介した入射レーザビーム１４の経路、及び太陽電池１加工に使用される、生じた多重集束レーザビーム１２を示す略図が、図２に示される。この実施例において、ＤＯＥ１１は、単一の入射ビーム１４が、太陽電池積層３、４、５に集束させる４つの個別のビーム１２に分割されるように構成され、太陽電池１内の４つのセグメンテーション溝６、７、８の同時加工を可能にする。ＤＯＥ１１を光学レーザヘッド１０配置内で回転させることにより、生じたピッチ１７、すなわち主溝方向２４に垂直な方向での隣接レーザビーム１２間の電池セグメント幅１７は、種々の加工の必要性に適合させるために調整でき、従って基板２のレーザ処理、例えば太陽電池積層３、４、５のスクライビングにおいて柔軟性を提供する。
【００７３】
本発明実施態様による一実施態様において、典型的な電池セグメント幅１７、ピッチ１７は、５．５〜８．５ｍｍの範囲内であるが、１０．８ｍｍの大きさであっても良い。図２に示すように、このことは、ＤＯＥ１１から集束対物レンズ１３への分離１８、及びＤＯＥ１１の角度分割間隔αによって決定されるが、しかしながら集束対物レンズ１３の最大光学直径１９によって概して限定される。この用途でのＤＯＥ１１の角度間隔αは、概して１．５°〜５°に及び得るが、６．５°の大きさであっても良く、他方でＤＯＥ１１と、集束対物レンズ１３との間の分離１８は、概して７０〜１５０ｍｍの範囲内である。集束対物レンズ１３の適切な光学直径１９は、２５〜５０ｍｍの範囲内に位置する。
【００７４】
光学ヘッド１０の可能な実施態様の機械図面レイアウトを、図３Ａ〜図３Ｃに示す。光学ヘッドは、集束対物レンズ１３、ＤＯＥ１１及び調整手段２１、例えばＤＯＥ１１を光軸１６の周りで回転させるためのモータ駆動ステージ２１を含む他の全ての構成部品が取り付けられた、中央取付ブロック２０を含む。アライメント及び位置決めシステム、ビームシャッタリング（ｂｅａｍ  ｓｈｕｔｔｅｒｉｎｇ）、セットアップ及び保守用アクセスを含む、図面に示した全ての追加の特徴は、レーザスクライビング工具に組み込まれた時に光学ヘッド１０の正確な働きに必要である。しかしながら、これらは、本発明の主題でなく、従って本明細書にこれ以上記載しないが、応用可能であり、かつ／又は当業者にとって明らかである。アセンブリ全体は、太陽電池積層３、４、５の加工に使用される光学ヘッド１０及び多重レーザビーム１２の正確な位置決めを可能にする、平行移動及び上昇ステージの個別の集合上に保持される。
【００７５】
このコンパクトな配置は、迅速な加工に必要であれば高速で移動できる低質量アセンブリを可能にし、かつ高い位置安定性のために設計できる。その上、材料の僅かな長さのみが光軸１６に沿って存在し、従ってアセンブリは、環境変化による熱膨張に更なる耐性がある。１つの光学ヘッド１０が、３から７のいずれかの場所に多重ビーム１２を提供するために、ＤＯＥ１１及び集束対物レンズ１３の適切な選択を介して使用できる。
【００７６】
ＤＯＥ１１の後の多重ビーム１２における角度分割間隔αの精度は、概して０．１ｍｒａｄ未満であり、かつ約１００ｍｍの光学ヘッド１０からＤＯＥ１１の分離１８との組み合わせで、１０μｍよりも良好なセグメンテーション溝６、７、８の位置決め精度をもたらす。しかしながら、ビーム間隔の安定性は、ＤＯＥ１１システムに関して、ＤＯＥ１１構造に不可欠な、周期的な細かい特徴によって決まるので、従来のビーム分割光学部品の他の形状と比較して、遙かに改善されている。
【００７７】
ＤＯＥ１１は、経時的に、かつ環境条件、例えば温度の変化に対して並外れて安定している溶融石英のような適切な光学材料から製造される。ＤＯＥ１１光学ヘッド１０は、多重セグメンテーション溝６、７、８を単一の光学装置から高い位置決め精度及び優れた安定性によって提供するためのコンパクトな配置である。
【００７８】
本発明において、ＤＯＥ１１光学ヘッド１０の新規な使用は、電池セグメント幅１７を変化させる時の機械位置決めに基づく光学ヘッド１０の繰り返される再較正、又はかかる位置決めシステムにおける他の変動及びドリフトのために必要になり得る較正の複雑さを克服することを可能にする。ＤＯＥ１１光学ヘッド１０のこの新規な使用は、レーザスクライビング工具が、多重ビーム１２の使用を維持し、かつそれ故に全体的なレーザ加工サイクル時間を減少させて、縁部絶縁及び横断絶縁溝６、７、８をパターニングすることも可能にする。これらの特徴は、図４Ａ及び図４Ｂの図表で更に記載する。
【００７９】
すでに記載したようにＤＯＥ１１は、特定の平面１５内に位置する、規則的に角度間隔を置いた多重ビーム１２を提供する。図４Ａ及び図４Ｂを見ると、第１加工平面２３での多重ビーム１２の分離２２は、電池セグメント幅１７を決定する。この平面２２の配向は、ＤＯＥ１１の構造内の周期的な細かい特徴の配向に相当する。
【００８０】
ＤＯＥ１１を光学ヘッド１０の光軸１６の周りで回転させることにより、分割される多重ビーム１２が内部に位置する平面１７を回転させることが可能である。これらの多重ビーム１２が集束対物レンズ１３を通ってリレーされ、かつ太陽電池１基板２及び多重ビーム１２の交差点２５の間に引かれる線に対して角度θにある、セグメンテーション溝方向２４に垂直な方向でこれらビーム１２の間隔空け又は分離２２を検討する時、これら多重ビーム１２によってスクライビングされる、有効な電池セグメント幅１７は、角度θのコサイン及び多重ビーム１２の分離２２の積によって直接変化する。
【００８１】
実際に、光学ヘッド１０の光軸１６の周りでのＤＯＥ１１の回転は、ＤＯＥ１１を取り付ける高精度移動ステージ２１によって達成でき、かつこのことは次に、光軸１６の周りでの、少なくとも９０°の移動の角度θを介し、かつ概して１０μｍよりも良好な精度を有する正確な回転を可能にする。このようにして、セグメンテーション溝方向２４に平行若しくは垂直な、又はこれら２つの限度の間のいずれかの角度の線において、太陽電池１に全多重レーザビーム１２を有することが可能である。
【００８２】
最大セグメンテーション溝分離、すなわち最大電池セグメント溝１７は、θ＝０°、すなわちビーム分割方向が溝方向２４に垂直である値によって達成される。精密な回転ステージ２１と組み合わされた、ＤＯＥ１１によって提供される光学ビーム分割の強固な性質は、電池セグメント溝１７対ＤＯＥ１１回転角度θの１回限りの較正のみが、各光学ヘッド１０に必要とされ、かつ各分割ビームには必要とされないことを確実にする。
【００８３】
一旦、較正が、レーザスクライビング工具内で各光学ヘッド１０に対して実行されると、連続製造のために、一定のセグメント幅１７を設定すること、又は太陽電池１の電気的特性を最適化するため、若しくはセグメント幅１７変動に対する他の好ましくない要因を電池全体で補正するために、必要であればセグメント幅１７に僅かな調整を行うことが、簡単である。較正シーケンスは、アライメントマークを太陽電池１の未使用領域にパターニングし、かつ次にその位置を登録し、かつ各加工ビームの位置に補正係数を適用するために、概して１０〜２０秒かかり得る。この手順は、工具較正にドリフトが生じなかったことを確認するために製造中に低頻度の間隔で、又は異なる電池セグメント幅を使用するためにレイアウトが変更される時、所望であれば適用される必要があるのみである。
【００８４】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、９０°又は０°に近付く回転角度θで、ビーム１２によって加工される個別の溝６、７、８が、互いに非常に近接しているか、又は部分的に重複して、単一の広い溝６、７、８を有効に製造するように、セグメンテーション溝方向２４、又は垂直方向における多重ビーム１２の分離が、減少するように決めることが可能である。「複合」溝６、７、８は、全体の幅１７の正確かつ安定した制御の点から見て、ＤＯＥ１１ビーム分割の同じ特徴の利益を受け、かかる形態に関して追加の較正をセットアップする必要がない。
【００８５】
これらの多重絶縁溝構造は、光学ヘッド１０に対する基板２の運動の単一の加工流路において製造できる。かかる一組の「複合」溝６、７、８は、縁部絶縁又は横断絶縁溝６、７、８としての使用に適している。なぜならばこれらの特徴は、概して多重溝によって提供される追加の絶縁の利益を受けるからである。概して４から９の範囲内で個別の溝６、７、８が、縁部絶縁又は横断絶縁溝６、７、８を形成するために使用され、かつ実物大の太陽モジュール上に、概して少なくとも４つの各タイプの絶縁溝６、７、８がある。縁部及び横断絶縁溝６、７、８をパターニングするために単一のレーザビームの多重流路の使用に依存する、従来のレーザ加工光学ヘッド１０のレーザ加工ステップに必要なサイクル時間は、本明細書に記載された本発明の新規な使用によって概して３５〜６５秒減少できる。
【００８６】
その上、建物一体型太陽光発電（ＢＩＰＶ）に関係するある種の用途において、セグメンテーション溝６、７、８に垂直な方向に伸びるリボン内の２０％迄のシリコン膜エリアを除去することが好適である。このことは概して、モジュールの光透過性を効果的に増加させるために、数千の重複する横断溝６、７、８内でＰ３パターン８の繰り返しの適用を必要とする。
【００８７】
本明細書に記載した発明において、９０°に近い角度θでのＤＯＥ１１の回転は、多重の重複する横断溝６、７、８の同時スクライビングを可能にでき、かつそれ故にパターニングに使用される多重ビーム１２の数にほぼ等しい係数によってレーザ加工サイクル時間を著しく減少できる。
【００８８】
本発明は、図面及び上記の記載において詳細に例示及び記載されたが、かかる例示及び記載は、例証又は代表的であり、限定的でないとみなされるべきである。本発明は、開示された実施態様に限定されない。開示された実施態様であるべき他の応用例は、図面、開示及び添付の請求項の研究から、特許請求された発明を実施する際に、当業者によって理解及び実行され得る。請求項において、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を含む）」は、他の要素又はステップを排除せず、かつ不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を排除しない。幾つかの方策が相互に異なる従属請求項において述べられたという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用できないことを示していない。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定すると解釈されるべきでない。
【符号の説明】
【００８９】
１  薄膜太陽電池
２  基板
３  前面電極層
４  光電変換半導体
５  背後電極層
６  第１絶縁溝
７  溝
８  第２絶縁溝
９  デッドエリア
１０  光学ヘッド
１１  回折光学素子
１２  多重レーザビーム
１３  集束対物レンズ
１４  入射レーザビーム
１５  第２平面
１６  光軸
１７  ピッチ
１８  ＤＯＥ分離
１９  直径
２０  中央取付ブロック
２１  調整手段
２２  分離
２３  第１平面
２４  セグメンテーション溝方向／移動方向
２５  交差線
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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