(57)【要約】  本発明は、基板の周辺領域において、コーティングされた基板の薄膜をアブレーションするための装置と、そのための方法とに関する。本発明に係る装置は、レーザー発振器と、レーザー光線をアブレーション領域に誘導するための光学ユニットと、平坦な基板のためのホルダとを含む。前記ホルダは、基板がその平面において、２つの独立した直線方向において直線的に動くことを可能とする。前記ホルダは、基板がその表面上に垂直に立つ軸を中心として回転することを可能にする。これによって、光学ユニット及び、アブレーションされた材料の最終的な除去のための手段に関して、装置を単純化かつ固定して構成することが可能となる。
2010524203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜がコーティングされた平坦な基板表面の周辺領域にある薄層をアブレーションするための方法であって、
前記周辺領域は、前記基板の単数の縁又は複数の縁に沿う領域であり、
前記薄層のアブレーションは、互いに平行ではない縁に沿った前記周辺領域のうち少なくとも２つの必ずしも連続しなくはない領域において、以下のステップ、
‐レーザー光線を発生させるステップと、
‐前記レーザー光線を、アブレーション領域に誘導するステップと、
‐概ねアブレーションプロセス全体を通じて、前記基板表面の平面において、変化しない方向であって部分的に前記アブレーション領域内に位置しかつ前記基板表面の外側に始点を持ち前記基板表面の内側に終点を持つ方向が空間に存在するように、前記周辺領域の加工される部分が前記アブレーション領域を通過するように動かされるステップと、
によって行われる方法。
【請求項２】
コーティングされた前記基板の方向が、少なくとも概ね前記アブレーションプロセスの間、少なくとも垂直に近い方向に保持されるとともに、前記アブレーション領域が、アブレーションの間つねに前記基板の下縁に位置するように前記基板が動かされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アブレーションに必要な前記基板の移動を行うために、多軸型ロボットが使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板が、前記表面の前記周辺領域から離れた内側領域とのみ接触する手段によって保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
薄膜でコーティングされた平坦な基板表面の周辺領域にある薄層をアブレーションするための装置であって、
前記周辺領域は、前記基板の縁に沿う領域であり、
‐前記アブレーションのためにレーザー光線を発生させるレーザー発振器と、
‐前記アブレーションのために設けられたアブレーション領域に前記光線を誘導するための光学ユニットと、
‐前記基板を保持するための基板ホルダであって、基板が保持されているときに、概ね基板平面と平行に、直線的な動きが実現可能なように構成されている前記基板ホルダと、
を含み、
前記基板ホルダは、基板が保持されているときに、概ね基板表面上の垂線に立つ軸を中心として回転が実現可能なように構成されていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池として使用するために、基板上の薄膜をアブレーションするための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜太陽電池は、従来の結晶太陽電池に対する、費用効果が高く、それゆえに関心を集める選択肢として、ますます知られるようになっている。薄膜太陽電池の実質的なエレメントは、ガラス基板上の薄膜層系から成る。薄膜層系は基本的に、裏面電極と受光面電極との間に挟まれた吸収層を含む。薄膜層系は、敏感な薄膜材料が外部環境と接触しないように、つまり、安全上の理由だけではなく、太陽電池が風雪にさらされる場合に過度の経年変化を避けるために、封止する必要がある。一般的に、封止は、２枚目のガラスを基板のコーティングされた面に接着して行われる。太陽電池の外側に電気経路を通じさせないため、及び、２つのガラス基板間の接着が強く、かつ耐久性があるということを保証するために、太陽電池の縁に沿って、周辺領域の薄膜層系を除去する必要がある。
【０００３】
薄膜層系を周辺領域から除去する方法としては、様々な方法が知られている。例えば、サンドブラスティングやレーザーアブレーションが挙げられる。
【０００４】
サンドブラスティングは信頼度が低く、費用がかかる。薄膜層系の多くは、廃棄処理に特別な措置が必要となる材料（ＣｄＴｅなど）を含んでいるからである。このような材料を砂から分離するのは困難であり、それゆえに費用がかかる。
【０００５】
この点に関しては、レーザーアブレーションは有利である。アブレーション媒質は、除去される材料と混合されないので、アブレーションされた材料の収集には問題が生じないからである。本明細書において、「アブレーションされた」とは、電磁気の放射の作用によって、基板から切り離された状態を意味する。
【０００６】
特許文献１には、レーザーアブレーション装置に基づくレーザーアブレーション方法が記載されている。当該装置の基本構成要素は、レーザー発振器と、レーザー光線を誘導するための光学素子を備えた光学ユニットと、基板を取り付け、保持するためのテーブルと、である。アブレーションには、テーブル上に設置された基板の表面に、短パルスを放射するレーザー発振器が用いられるのが典型的である。光学ユニットは、光線を形成する開口部を含んでも良いし、さらに光線を一点に集めるため、又は開口部の像を加工対象物に形成するためにレンズを含んでも良いし、さらに点が加工対象物表面の上を速く動くように、可動鏡システムを含んでも良い。アブレーションプロセスの間、作り出されたレーザー光線は、加工される基板の表面の上を動かなければならない。それゆえ、基板とレーザー光線との間で関連した動きが必要となる。これは、基板が固定した光学ユニットに関連して動くか、光学ユニットが固定した太陽電池に関連して動くことによって、あるいは、その両方の組み合わせによって実現され得る。動かす際には、例えばＸＹステージを有するＣＮＣ装置が使用可能である。
【０００７】
特許文献１の図１には、レーザーアブレーション装置の一実施形態が示されている。当該装置においては、基板を動かすためにＸＹテーブルが使用されており、かつ、光学ユニットは固定されている。そこに図示された場合においては、基板は水平方向に保持されており、アブレーションの間、薄膜はレーザー光線の方向を向いている。結果として、例えば重力によって、アブレーションされた材料は不完全にのみ基板から取り去られるとともに、基板上に再び堆積される。
【０００８】
特許文献１の図１２には、一実施形態が示されている。当該実施形態においては、「テーブル」は垂直方向に保持レールに掛けられている。光学ユニットは集合的に、ＸＹテーブル上に配置されるので、少なくとも一方向において固定されている加工対象物に関連して動くことができる。少なくとも、加工対象物上部でアブレーションが行われるときには、切り離された材料が不完全にのみ収集され、再び基板上に堆積するということが起こり得る。それは例えば、上縁に沿って、薄膜材料を周辺領域から除去しなければならないときである。
【０００９】
したがって、再度の堆積という問題が解決されるか、又は少なくとも軽減するようなレーザーアブレーション装置とアブレーション方法とが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４７３４５５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、費用効率良く、太陽電池の周辺領域をアブレーションできるような、太陽電池のための薄膜アブレーション装置及び方法を提供することにある。周辺領域の幅は、２０ｍｍよりも小さいのが典型的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の課題は、薄膜でコーティングされた平坦な基板の表面の周辺領域であって基板の縁に沿う周辺領域において、薄層をアブレーションするための方法によって解決され、当該方法は、
‐レーザー光線を発生させるステップと、
‐一定のアブレーション領域にレーザー光線を誘導するステップと、
‐一定のアブレーション領域の中心から、一定のベクトルが発するように、加工が行われる周辺領域が、一定のアブレーション領域を通過するように動かされ、当該ベクトルは概ねアブレーションプロセス全体を通じて、基板の縁によって囲まれた平面の内側方向を向いているステップと、
を有する。
【００１３】
この方法によって、レーザーパルスをアブレーション領域に伝搬するために用いられる光学ユニットと、場合によっては、アブレーションされた材料を最終的に除去するための手段も、完全に固定して構成され得る。それによって確実に、アブレーションされた材料は、常に効果的に、基板から離れる方向へ誘導可能となる。
【００１４】
本発明の好適な実施形態においては、基板は垂直方向に保持される。これは、必要とされる基板の動きを容易にするという利点がある。基板の周辺領域は、アブレーションが常に、現時点で下方に位置する基板の縁の領域で行われるように、アブレーション領域を通過することができる。その後、重力によって、又は、少なくとも重力の支援を受けて、アブレーションされた材料は基板から取り去られる。時には重力の効果が十分であり、除去のためにさらなる手段を設ける必要がない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の種類のレーザーアブレーション装置の図である。
【図２】本発明に係る装置の実施形態で、基板を水平方向に設置した場合の図である。
【図３】レーザーアブレーションの各段階を示すとともに、基板がどのように動かされるのかを示した図である。
【図４】アブレーションされた材料を最終的に除去するための手段を有するアブレーションヘッドの図である。
【図５】本発明に係る装置の実施形態で、基板を垂直方向に設置した場合の図である。
【図６】本発明に係る装置の実施形態で、ロボットを有する場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、先行技術による従来のレーザーアブレーション装置を示している。当該装置は、レーザー発振器３と、鏡やレンズなどの様々な光学素子を備えた光学ユニット５と、Ｘ方向及びＹ方向に沿って移動可能なテーブル７と、を含んでいる。
【００１７】
光学ユニット５は、レーザー発振器３によって作り出されるレーザーパルスを、コーティングされた基板９の表面の領域に誘導する。基板９は、その背面でテーブル７に載置されている。これによって、アブレーション領域が決定される。コーティングが基板９の前面において行われているので、レーザーパルスによって基板表面から除去される材料は、比較的高い確率で、重力によって再び基板上に落下し、妨げとなるような汚染や問題を惹起し得るという点が不利である。
【実施例１】
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施形態を示した図である。ここに図示されているのは、レーザー発振器２０３と、レーザー発振器２０３のレーザーパルスをアブレーション領域２０７に誘導する光学ユニット２０５と、を有するレーザーアブレーション装置２０１である。当該第１の実施形態によるレーザーアブレーション装置２０１は、コーティングされた基板２１１を水平方向に保持するために、テーブル２０９も含んでいる。テーブル２０９は、水平方向ではＸ及びＹの２方向に動くことができるが、さらに垂直方向では軸を中心として回転することができる。可能性として考えられる動きの方向は、図２に点線と矢印で示されている。
【００１９】
テーブル２０９のサイズと、特にテーブルの表面とは、基板２１１のサイズよりも明らかに小さいので、基板２１１を、加工される周辺領域の全てがテーブルから突き出るように、テーブル上に載置することができる。
【００２０】
本発明の第１の実施形態による方法では、前面にコーティングが行われている基板２１１は、加工される周辺領域全体がテーブルから突き出るように、その前面でテーブル２０９上に載置されている。それによって、コーティング面は下向きとなり、レーザーアブレーションは基板を貫いて行われる。つまり、レーザー光線は、コーティングに達する以前に、まず基板を貫通する。図２には、除去された材料を最終的に受容するための手段２１３も図示されている。ガラス表面から除去された材料は、重力によって、基材を離れて落下する。それゆえ、手段２１３は当該材料を収集するために、容器などを具備するだけで良い。しかしながら、当該手段によって、掃除機のように、容器内に入る気流を発生させることが好ましい。それによって、アブレーションによって除去された材料の収集及び搬出プロセスは、少なくとも支援されるからである。
【００２１】
図３のａ）からｊ）は、本発明に係るアブレーション方法がどのように実施されるのかを、順を追って示している。上面図として、コーティングされた基板が図示されている。コーティングが残存する領域は斜線で示されている。材料がアブレーションによって除去された領域は白地で示されている。本実施例では、アブレーションは基板の長辺中央あたりから開始している。これは、図３のａ）に示されている。ここではまだ材料は除去されていない。基板が、加工される周辺領域に沿って、基板の第１の角に至るまで直線方向に、アブレーション領域を通過するように動かされる間に、アブレーションが行われる。これは、図３のｂ）に示されている。次に、図３のｃ）に示された位置に、基板を回転させる。この第１の角を中心とする回転には、テーブルの回転と、Ｘ方向及びＹ方向への移動とが含まれる。基板が、加工される周辺領域に沿って、基板の第２の角に至るまで直線方向に、アブレーション領域を通過するように動かされる間に、アブレーションが行われる。これは、図３のｄ）に示されている。次に、図３のｅ）に示された位置に、基板を回転させる。基板が、加工される周辺領域に沿って、基板の第３の角に至るまで直線方向に、アブレーション領域を通過するように動かされる間に、アブレーションが行われる。これは、図３のｆ）に示されている。次に、図３のｇ）に示された位置に、基板を回転させる。基板が、加工される周辺領域に沿って、基板の第４の角に至るまで直線方向に、アブレーション領域を通過するように動かされる間に、アブレーションが行われる。これは、図３のｈ）に示されている。次に、図３のｉ）に示された位置に、基板を回転させる。図３のｊ）に示されているように、基板が、加工される周辺領域に沿って、開始位置に至るまで直線方向に、アブレーション領域を通過するように動かされる間に、アブレーションが行われる。
【００２２】
図３のａ）からｊ）にはそれぞれ、より小さく、破線になっていないベクトルであって、基板外側を始点として基板内側を終点とする空間において、アブレーションプロセスの間に変化しない方向を規定しているベクトルが示されており、それによって、薄膜がコーティングされた平坦な基板の表面の周辺領域であって基板の縁に沿う周辺領域において、薄層をアブレーションするための方法が明らかになり、当該方法は、
‐レーザー光線を発生させるステップと、
‐レーザー光線を、一定のアブレーション領域に誘導するステップと、
‐一定のアブレーション領域の中心から、一定のベクトルが発するように、加工が行われる周辺領域が、一定のアブレーション領域を通過するように動かされるステップであって、当該ベクトルは概ねアブレーションプロセス全体を通じて、基板の縁によって囲まれた平面の内側方向を向いているステップと、
を含む。
【００２３】
図４には、基板から除去された材料を最終的に受容するための手段が例示されている。光学ユニットの一部としてレンズ４２１を含むアブレーションヘッド４０１が図示されている。アブレーションヘッド４０１は容器４１３も含んでいる。容器４１３は、薄膜コーティング４１９が行われた基板４１１の周辺領域に近接して設けられている。容器４１３は、アブレーションされた材料４２３を吸い出すための管４２５も含む。容器４１３のジオメトリは、容器内の低圧によって、基板の両側から管へ気流が生成され、それによって、アブレーションされた材料が基板から取り去られるように選択される。アブレーションヘッドは、吸収されずに基板を通過するレーザー光線を吸収するための手段を含んでも良い。当該手段は、図４には図示されていない。
【００２４】
上記の説明から分かることには、テーブルが回転できることが重要である。回転可能なテーブルを用いてのみ、図４に示したように、アブレーションヘッド４０１を完全に固定して保持することができる。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態によれば、基板は垂直方向に保持される。これは図５に示されている。アブレーション方法は、アブレーション領域がつねに基板の下縁に位置するように実施される。
【００２６】
アブレーションされた材料は重力によって落下し、基板表面から取り去られる。このような垂直配置においては、コーティングされた表面は光学ユニットの方向を向くか、又は、光学ユニットから離れた方向を向く。いずれの場合も、アブレーションされた材料は、重力によって基板から取り去られる。しかしながら、光学ユニットから離れた方向にコーティングを向けさせることには、若干の利点がある。アブレーションされた材料が、アブレーションにまだ必要とされるレーザー光線と接触し得ないからである。ここでもまた、基板平面において直線的な動きが可能であるのとは別に、基板表面上の垂線を中心とする回転を可能とするように基板ホルダを設置することが重要である。それによってのみ、アブレーション領域は、その都度基板の下縁に位置し得る。基板は、低圧に基づく機械装置によって保持可能である。
【００２７】
図６は、本発明の一実施形態を示したものであり、テーブルの代わりに、堅牢な多軸型産業ロボットが使用されている。当該ロボットを用いれば、図３に示したステップだけではなく、基板の効率的な取り付け及び取り外しも可能である。さらに、ロボットを使用することで、基板をロボットアームの端部に、部材を用いて保持することが可能となる。このとき、当該部材は基板の、コーティングが行われていない面に固定される。ここでもやはり、コーティング面は光学ユニットの方向を向くか、又は光学ユニットから離れた方向を向き得るが、後者の構成に若干の利点がある。明らかに、アブレーションされた材料は、アブレーションにまだ必要とされるレーザー光線と接触しないからである。
【００２８】
様々な実施形態が本発明を例示するが、本発明はこれらの例に限定して理解されるべきではない。
【００２９】
むしろ明らかにすべきことには、本発明に係る装置は、薄膜でコーティングされた平坦な基板の表面の周辺領域において、薄層をアブレーションするための装置であって、当該周辺領域は、基板の単数の縁又は複数の縁に沿っており、当該装置は、
‐アブレーションのためにレーザー光線を発生させるレーザー発振器と、
‐アブレーションのために設けられたアブレーション領域に光線を誘導するための光学ユニットと、
‐基板を保持するための基板ホルダであって、基板が保持されているときに、２つの独立した直線方向へ、概ね基板平面と平行に、直線的な動きが実現可能なように構成されている基板ホルダと、
を含み、基板ホルダは、基板が保持されているときに、概ね基板表面上の垂線に立つ軸を中心として回転が実現可能なように構成されていることを特徴とすることである。
【００３０】
前記装置によって、本発明にかかるアブレーション方法、すなわち、薄膜がコーティングされた平坦な基板の表面の周辺領域において薄層をアブレーションするための方法であって、当該周辺領域は、基板の単数の縁又は複数の縁に沿う領域であり、薄層のアブレーションは、互いに平行ではない縁に沿った周辺領域のうち少なくとも２つの必ずしも連続しなくはない領域において、以下のステップ、
‐レーザー光線を発生させるステップと、
‐レーザー光線を、アブレーション領域に誘導するステップと、
‐、概ねアブレーションプロセス全体を通じて、基板表面の平面において変化しない方向であって部分的にアブレーション領域内に位置しかつ基板表面外側に始点を基板表面内側に終点を持つ方向が空間に存在するように、周辺領域の加工される部分がアブレーション領域を通過するように動かされるステップと、
によって行われる方法が実施可能である。
【００３１】
上述のように、コーティングされた基板の方向が、少なくとも概ねアブレーションプロセスの間、少なくとも垂直に近い方向に保持されるとともに、アブレーション領域が、アブレーションの間つねに基板の下縁に位置するように基板が動かされることが可能である。このとき、多軸型ロボットを使用すると有利である。
【００３２】
基板は、表面の周辺領域から離れた内側領域とのみ接触する手段によって保持されることが好ましい。
【符号の説明】
【００３３】
２０１  レーザーアブレーション装置
２０３  レーザー発振器
２０５  光学ユニット
２０７  アブレーション領域
２０９  テーブル
２１１  基板
２１３  手段
４０１  アブレーションヘッド
４１１  基板
４１３  容器
４１９  薄膜コーティング
４２１  レンズ
４２３  材料
４２５  管
【図１】
2010524203.tif 000003
【図２】
2010524203.tif 000004
【図３ａ）】
2010524203.tif 000005
【図３ｂ）】
2010524203.tif 000006
【図３ｃ）】
2010524203.tif 000007
【図３ｄ）】
2010524203.tif 000008
【図３ｅ）】
2010524203.tif 000009
【図３ｆ）】
2010524203.tif 000010
【図３ｇ）】
2010524203.tif 000011
【図３ｈ）】
2010524203.tif 000012
【図３ｉ）】
2010524203.tif 000013
【図３ｊ）】
2010524203.tif 000014
【図４】
2010524203.tif 000015
【図５】
2010524203.tif 000016
【図６】
2010524203.tif 000017
【国際調査報告】
2010524203.tif 000018
2010524203.tif 000019
2010524203.tif 000020
2010524203.tif 000021