用於將薄膜器件劃分為單獨的單元格的方法和設備的製作方法

2023-05-23 03:28:11 1

專利名稱：用於將薄膜器件劃分為單獨的單元格的方法和設備的製作方法
技術領域：
本申請設計一種使用刻繪和噴墨印製技術形成單獨的電氣單元格、並將所述單元格串聯地互連以製造各種薄膜器件的工藝。特別地，本申請描述一種新穎的方法，其用於在具有底部電極材料、半導體材料和頂部電極材料的連續層的太陽能板中形成所述單元格和串聯互連結構。所述方法特別適合用於在柔性基板上形成的太陽能板，因為所述工藝消除了與相繼的層到層刻繪對齊相關聯的問題。該方法還適合用於製造其它薄膜器件，例如照明板和電池。本申請還涉及用於實行所述方法的設備。
背景技術：
在薄膜太陽能板中形成並互連單元格的通常的方式涉及相繼層塗覆和雷射器刻繪工藝。為了完成所述結構，通常需要三個單獨的塗覆工藝和三個單獨的雷射器工藝。通常以如下所述的由每個塗覆步驟繼以雷射器步驟而構成的六步驟的序列來進行這些工藝:a)在整個基板表面上沉積下電極材料的薄層。基板通常為玻璃，但也可為聚合物片材。該下層通常是透明的傳導氧化物，比如氧化錫(Sn02)、氧化鋅(ZnO)或銦錫氧化物(ΙΤ0)。有時，該下層為不透明金屬，比如鑰(Mo)。b)雷射刻繪剛好穿透所述下電極層以將所述連續的膜分隔成電隔離的單元格區域的、典型地間隔5mm至IOmm的橫跨所述板的表面的平行線。c)在整個基板區域上沉積活性發電層。該層可由單個非晶矽層或非晶矽和微晶矽的雙層組成。還使用諸如碲化鎘與硫化鎘(CdTe/CdS)和銅銦鎵二硒化物(CIGS)之類的其他半導體材料的層。d)雷射器以平行於並儘可能靠近所述第一電極層內的初始刻痕而不破壞所述下電極材料的方式穿過所述活性層刻繪線條。e)在整個板的區域上沉積第三頂部電極層，該頂部電極層通常為金屬(比如鋁)或諸如ZnO之類的透明導體。f)雷射器以儘量靠近並平行於其他線條的方式在該第三層內刻繪線條，以打斷所述頂部電極層的電連續性。一般地，在這些步驟中每個步驟之間需要在不同環境之間(例如真空或大氣環境)移動所述基板。繼以雷射器隔離的該沉積程序將所述板分成多個單獨的長窄單元格，並在所述板中的所有單元格之間製造電串聯連接。通過這種方式，整個板所產生的電壓由每個單元格內形成的電勢與單元格的數目的乘積給出。板被劃分成典型地為50至100個的單元格，使得整個板的輸出電壓典型地在50伏至100伏的範圍內。每個單元格典型地為5mm至15mm寬，並約IOOOmm長。JP10209475中給出了該多步驟太陽能板製造方法中使用的工藝的詳盡描述。已經設計出方案，以通過組合部分所述單獨的層塗覆步驟而簡化製造太陽能板的該多步驟工藝。這減少了必須將所述基板從真空移至大氣環境的次數，並從而有可能改善層的質量以及提高太陽能板的效率。US6919530、US6310281和US2003/0213974A1都描述了用於製造太陽能板的方法，其中在進行雷射器刻繪之前塗覆所述三個需要的層中的兩個層。所述下電極層和所述活性層(或多層活性層)被相繼沉積，然後這兩個層被一起雷射器刻繪，以形成槽，該槽隨後被絕緣材料填充。在US6310281和US2003/0213974A1中提出了所述槽填充是通過噴墨印製來進行的。在所述槽填充之後的是如上所述的互連程序，具有穿過所述活性層雷射器刻痕、所述頂部電極層的沉積、以及隔離所述單元格的所述頂部電極層的最終刻痕。還提出了一種方案，其中在進行任何雷射器刻繪之前，所有三個層都被塗覆。W02007/044555A2描述了用於製造太陽能板的方法，其中在一個工藝序列中塗覆整個三個層的堆疊，接下來製造進入並穿透所述堆疊的雷射器刻痕。該雷射器刻繪工藝是複雜的，因為其由具有兩個不同深度的單個刻痕組成。在所述刻痕的第一側上，所述雷射器完全穿透所述整個三個層的堆疊直到所述基板，以便將所述下電極層電分隔，以限定所述單元格，而在所述刻痕的第二側上，所述雷射器僅穿透所述頂部層和活性層，以留下暴露下電極層材料的臺(ledge)的區域。將絕緣材料局部施加於穿透到所述基板處的刻痕的第一側，使得所述絕緣材料覆蓋所述下電極層的邊緣和在所述刻痕的第一側上的活性層的邊緣。接下來，將傳導材料沉積到所述刻痕內，使得所述傳導材料橋接先前施加的絕緣材料，並且將在第一側上的頂部電極層連接到在第二側上的下電極材料的臺上。在W02007/044555A2中描述的工藝是複雜的，並且需要仔細地控制。在所述二級雷射器刻繪工藝的第二階段期間生成的碎片可能會沉積到下電極材料的臺的相鄰頂部表面上，導致電連接較差。需要高度的控制以確保所述絕緣材料被精確地放置在所述刻痕的第一側上的正確位置上，並且沒有材料在下電極材料的臺上沉積。需要極高的精度，以確保所述傳導材料被正確地放置，並且不與在所述刻痕的第二側上的頂部電極相接觸。因為所有這些原因，所以不大可能能夠通過該方法高度可靠地連接單元格。因此，仍需要用於太陽能板等的新的單元格形成和互連工藝，所述工藝從三個層的完全堆疊開始，但繼續以快速、簡單和可靠的方式來互連單元格。這種工藝還將適用於用以製造諸如照明板或電池之類的其他薄膜器件的單元格的形成和串聯互連。類似於太陽能板，這樣的器件由都沉積在剛性或柔性基板上的下電極層、活性層和頂部電極層組成。可通過將所述器件劃分成多個單元格並串聯連接所述單元格來實現在比基本的單個單元格電壓更高的電壓下的操作。此處提出的雷射器和噴墨單元格形成和互連設備適用於這樣的操作。就照明板而言，所述下電極和上電極有可能是由與用於太陽能板的材料(例如，TCO或金屬)類似的材料製成，但是所述活性材料非常不同。在這種情況下，活性層最可能是有機材料，但是無機材料也是可能的。活性有機層是基於低分子量材料(所謂的0LED)或高分子量聚合物(所謂的P-0LED)的。空穴和電子輸運層通常與所述活性發光層相關聯。就這些照明板而言，操作是在低電壓下進行的，並且所有的層都是薄的，因此本文描述的互連工藝非常適用於將所述板劃分成單元格，並串聯連接所述單元格，以允許在顯著地更高的電壓下的操作。就薄膜電池而言，所述層經常是更為複雜的。對於基於鋰離子技術的薄膜電池的情況，所述下層具有兩個組成部分:用於收集電流的金屬層和起到陰極作用的鋰鈷氧化物(LiCoO3)層。所述上電極層也具有兩個組成部分:用於收集電流的金屬層和起到陽極作用的氮化錫(Sn3N4)層。在這兩個層之間的是所述活性層，即鋰磷氮氧化合物(LiPON)電解液。就這種電池而言，操作是在低電壓下進行的，並且所有的層都是薄的，因此本文描述的互連工藝非常適用於將所述電池劃分成單元格並串聯連接所述單元格，以允許在顯著地更高的電壓下的操作。本申請人在更早的(未公布的)專利申請中提出一種用於將薄膜太陽能板劃分為單獨的單元格並串聯連接這些單元格的方法和設備。所述設備使用組合了三個雷射器光束和兩個流體噴嘴的加工頭。該加工頭上的所有這五個組成部分都針對於兩個相鄰單元格之間的單個互連結構，使得所述加工頭在所述太陽能板上的單次經過產生單個互連結構。然後通過在垂直於互連方向的方向使所述加工頭以等於單元格寬度或單元格寬度的倍數的距離步進、並使加工頭再次橫越所述板，來形成其它互連結構。本申請提供對在所述更早的申請中提出的方法和設備的改進。

發明內容
根據本申請的第一方面，提供了一種用於將薄膜器件劃分為由互連結構加以串聯互連的單獨的單元格的方法，所述薄膜器件具有為下電極層的第一層、為活性層的第二層和為上電極層的第三層，所有所述層在所述器件上是連續的，所述單元格的劃分和在相鄰單元格之間的互連結構的形成由加工頭實現，所述加工頭設置為能同時在多於一個互連上操作，並在在所述器件上來回經過(pass)的序列中在每個互連結構的形成中進行以下步驟:a)製造穿過所述第一層、第二層和第三層的第一切口 ；b)製造穿過所述第二層和第三層的第二切口，所述第二切口鄰近所述第一切口 ；c)製造穿過所述第三層的第三切口，所述第三切口鄰近所述第二切口，並且在所述第二切口的與所述第一切口相對的一側上；d)使用第一噴墨印製頭將非傳導材料沉積到所述第一切口內；以及e)使用第二噴墨印製頭來施加傳導材料，以在所述第一切口中的所述非傳導材料上搭橋，並且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一層和所述第三層之間製造電連接，其中，除步驟a)先於步驟d)、步驟d)先於步驟e)、並且步驟b)先於步驟e)以外，可以以任何順序實行所述步驟，並且在至少一次使所述加工頭在所述器件上經過的期間，所述步驟中的至少兩個步驟分別在單獨的互連結構上被實行。根據本申請的第二方面，提供了一種用於將薄膜器件劃分為由互連結構加以串聯互連的單獨的單元格的設備，所述薄膜器件具有為下電極層的第一層、為活性層的第二層和為上電極層的第三層，所有所述層在所述器件上是連續的，所述單元格各具有寬度W，使得相鄰的互連結構彼此間距W，所述設備包括加工頭，在所述加工頭上提供:a) 一個或更多個切割器單元，用於製造穿過所述第一層、第二層和第三層的第一切口、鄰近所述第一切口的穿過所述第二層和第三層的第二切口、以及鄰近所述第二切口並在所述第二切口的與所述第一切口相對的一側上的穿過所述第三層的第三切口 ；b)第一噴墨印製頭，用於將非傳導材料沉積到所述第一切口中；以及
c)第二噴墨印製頭，用於施加傳導材料，以在所述第一切口中的所述非傳導材料上搭橋，並且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一層和所述第三層之間製造電連接，所述一個或更多個切割器和所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭彼此間距W或W的倍數，所述加工頭由此能同時在多於一個互連結構上操作，所述設備還包括:d)驅動機構，用於相對於所述器件移動所述加工頭；以及e)控制機構，用於控制相對於所述器件的所述加工頭的移動，並致動所述一個或更多個切割器單元和所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭，以便能在所述加工頭在所述器件上來回經過的序列中將所述器件劃分為單獨的單元格，並形成所述互連結構。因此，在本申請中，加工頭上的三個雷射器光束和兩個流體噴嘴定位為同時在多於一個互連結構上操作。單元格典型地為5mm至IOmm寬，所以所述雷射器光束和流體噴嘴被該距離或該距離的倍數分隔開。用所有三個雷射器工藝和兩個噴墨工藝形成完整的互連結構要求加工頭橫跨板數次經過(而不是如更早的申請中那樣單次經過)。僅當在每個個體互連結構上進行了所有三個雷射器工藝和兩個噴墨工藝時，該互連結構才完整。本申請較更早的申請的一個顯著優點是加工頭在板上行進的兩個方向上都能操作，而仍然保有簡單的雷射器光束和流體噴嘴的設置。更早的申請提到雙向操作的可能，但其需要兩組流體噴嘴，一組在加工頭行進的一個方向上操作，另一組在行進的相反方向操作。本申請避免了該重複。由說明書所附的權利要求和示出的實施例的說明可以清楚本申請的優選和可選特徵。本文中可互換地使用術語「刻繪」和「切割」。在本申請以下具體實施方式
中，用於形成穿透各層的切口的切割器單元都基於雷射器，雷射器光束被聚焦，以消融並移除材料，以形成隔離切口(即雷射器刻痕)。這是用於形成切口的優選方法，但也可以使用其它切割方法。用於形成切口的替換的方法是用細絲或刻針機械刻繪。可以使用這樣的機械刻繪取代雷射器刻繪或切割以形成所有或部分第一、第二或第三切口。如W02007/044555A2所述的申請，本申請涉及處理具有整個三層的堆疊的薄膜器件，但與W02007/044555A2中所述的相比，相繼層的切割和噴墨處理更不複雜且遠為穩健，在任何切割或噴墨材料沉積前相繼施加所有三層塗覆。理想地，這些塗覆可以在單個真空工藝中施加，但這不是必要的。本申請的關鍵點在於，在塗覆的沉積之後，使用單個組合的層切割和噴墨工藝，以製造單元格互連。「單個組合工藝」應理解為指所有切割工藝和所有相關的基於材料沉積工藝的噴墨都憑藉在平行於在單元格之間的邊界的方向以及在平行於基板表面的平面中的加工頭的移動來進行。製造一個或更多個單元格互連所要求的所有切割器單元和所有噴墨印製頭都附接於單個加工頭，因此所有部件都橫跨板以同一速度一起移動。將各個層切割工藝和各個噴墨沉積工藝施加於基板的序列可以根據使用的材料而變化。各個層切割器單元和噴墨印製頭附接於加工頭的位置使得在加工頭在基板上經過的序列中移動時實現希望的序列。為便於描述，自此將參考雷射器消融來描述層切割工藝。但應注意，如上所述，所有或部分這些雷射器切割或雷射器刻繪工藝都可以被機械刻繪工藝(或其它切割工藝)取代。
為在相鄰的第一和第二單元格之間形成單個單元格互連結構，使三個相鄰的雷射器光束(由附接於加工頭的三個相鄰的光束傳遞單元傳遞)在平行於單元格之間的邊界的方向相對於基板一起移動，以製造抵達各個層中的不同深度的三個平行的相鄰刻痕。第一雷射器光束製造限定第一單元格的邊緣的第一刻痕線。第一刻痕線穿透所有層抵達基板。處在第一刻痕的第二單元格側的第二雷射器光束製造穿透除下電極層外的所有三層的第二刻痕線。處在第二刻痕的第二單元格側的第三雷射器光束製造穿透上電極層的第三刻痕線。第三刻痕僅需穿透第三層，但實際上也可部分或完全延伸穿透第二層(所以深度上可以類似於第二刻痕)。該第三刻痕限定第二單元格的範圍。進行這三個雷射器工藝的確切順序並不是關鍵的，但以下討論了優選的順序。第一噴墨印製工藝跟隨部分或所有所述雷射器工藝。針對該第一印製工藝，第一噴墨頭帶著至少一個噴嘴橫跨基板表面移動，所述噴嘴設置為印製填充第一雷射器刻痕的絕緣墨水的細線。該墨水可以為熱固化類型的，其中在沉積後立即向沉積的液體局部地施加熱量，以固化絕緣墨水，以製造填充第一刻痕的材料的絕緣固體線。替換地，繼所有雷射器和噴墨工藝之後，可以向整個基板施加熱量，以固化絕緣墨水的線，以製造填充基板上所有第一刻痕的材料的絕緣固體線。該整體基板固化工藝可以發生在進行雷射器刻繪和墨水沉積工藝的同一設備上，但實際上該固化更可能在單獨的設備上進行。絕緣墨水也可以是UV固化類型的。此時憑藉UV燈或其它適合的UV光源進行固化，此時在沉積後立即向沉積的液體局部地施加UC輻射，以固化絕緣墨水，以製造填充第一刻痕的材料的絕緣固體線。所述刻痕中絕緣層的深度在連續且無小孔的條件下儘量小。絕緣材料線的寬度為在第一刻痕的第一單元格側與下方兩個暴露層完全接觸，以便保護這些層不受在第二噴墨印製工藝中隨後施加的材料的影響。第一刻痕兩側的一定程度的絕緣墨水過填充是允許的，並甚至是可取的，但理想地，所述過填充的側向範圍應該保持在小於第一刻痕的寬度的值。第二噴墨印製工藝跟隨部分或全部所述雷射器工藝以及第一噴墨印製工藝發生。針對該第二噴墨印製工藝，第二噴墨頭帶著至少一個噴嘴在基板表面上方移動，所述噴嘴設置為印製導電墨水帶，所述導電墨水帶寬度足以製造與第一雷射器刻痕的第一單元格側的頂部電極材料的電接觸，以跨騎第一刻痕中的絕緣墨水材料並進入第二刻痕，以製造與第二單元格的下電極層材料的電接觸。第一刻痕中的絕緣墨水在施加導電墨水時可以為固化或未固化的。如果絕緣墨水未固化，則導電墨水的組分為使得溶劑不顯著擾動或溶解未固化的絕緣墨水材料。導電墨水可能為熱固化類型的，此時跟隨所有雷射器和噴墨工藝向整個基板施加熱量，以固化導電墨水帶，以形成材料的固體傳導帶。以這種方式，形成了將一個單元格中的頂部電極連接到下一單元格中的下電極層上的導電橋。傳導層的深度在穩健並具有足夠低的電阻的情況下儘量小。傳到材料線的寬度為完全接觸第一刻痕的第一單元格側的第一單元格頂部電極材料的區域，並完全填充第二刻痕。第二刻痕的第二單元格側和第一刻痕的第一單元格側的一定程度的導電墨水過填充是允許的，並甚至是可取的，但理想地，所述過填充的側向範圍應該保持在小於刻痕寬度的值。由於使用了三個單獨的雷射器刻痕，可以個別地優化針對每個刻痕的雷射器工藝參數，以消除基板或下層受損的可能性，降低形成層間電短路的風險，並最小化碎片沉積。可以在垂直於該頭的移動方向或與該頭的移動方向成一角度的間隔開的位置上將個體光束傳遞頭附接到加工頭上，使得噴墨頭的位置限定在加工頭在基板上經過的序列中將工藝施加於基板的序列。用於所述五個工藝的優選序列為:a.穿透所有三層到達基板表面以限定第一單元格的範圍的第一雷射器刻痕b.在第一雷射器刻痕中沉積絕緣墨水的第一噴墨工藝c.穿透頂部兩層到達下電極層的第二雷射器刻痕工藝d.在絕緣墨水上施加導電墨水帶以形成自第一單元格側的頂部電極至第二單元格側的下電極的傳導橋的第二噴墨工藝e.穿透頂部電極層以隔離第一和第二單元格並限定第二單元格的範圍的第三雷射器刻痕工藝。如上所示，該第三刻痕也可以部分或完全延伸穿過第二層，但不應該穿透第
一層，使用該雷射器和噴墨工藝序列，持續保護了堆疊中的下層不受來自更早的工藝的游離墨水材料和雷射器消融碎片的影響，直至暴露前一刻；整個單元格互連工藝變得非常穩健。例如，第一雷射器工藝產生的部分碎片和第一印製工藝沉積的部分絕緣墨水可能會在第二雷射器工藝穿透刻繪以暴露下電極的區域中在基板表面上形成。如果第二雷射器工藝先於第一噴墨印製工藝，或第一雷射器工藝，則任何游離碎片或絕緣墨水均可能進入第二雷射器刻痕區域並汙染暴露的下電極層。將第二雷射器工藝留至第一雷射器工藝和第一噴墨印製工藝之後意味著在第二雷射器刻痕區域中的下電極層持續受到保護，並且在第二雷射器工藝期間，該區域中的任何絕緣墨水和任何再沉積碎片都在所述雷射器消融頂部兩層時被移除。作為另一示例，第二雷射器工藝產生的碎片和第二印製工藝沉積的部分導電墨水可能會在第三雷射器工藝穿透刻繪以分隔頂部電極層的區域中在基板表面上形成。如果第三雷射器工藝先於第二印製工藝或第二或甚至第一雷射器工藝，則任何游離碎片或墨水均可能沉積在第三雷射器刻痕區域中的第二單元格的頂部表面上，並可能導致橫跨刻痕區域的電連接。將第三雷射器刻痕工藝留至第一和第二雷射器工藝以及第一和第二印製工藝之後意味著消除了該互連故障源。部分工藝必須先於其它工藝:I)第一雷射器刻痕工藝必須總是先於第一印製工藝2)第一印製工藝必須總是先於第二印製工藝3)第二雷射器刻痕工藝必須總是先於第二印製工藝在這些規則下，可能有若干不同的工藝序列，但以上給出的工藝序列是優選的。有熱固化和UV固化兩種固化介電墨水的方式。導電墨水通常被熱固化。如果兩種墨水都能被熱固化，且施加導電墨水時未固化的介電墨水不與導電墨水混合，則整個固化工藝可以在切割和沉積步驟之後單獨地完成。此時加工頭上不需要固化器件。但是在許多情況下，可取的是在沉積導電墨水之前固化(熱固化或UV固化)介電墨水。此時在加工頭上需要固化器件。如果介電墨水是UV固化的，則可能需要在施加導電墨水之前固化，因為導電墨水許多情況下是不透明的。用於產生第一、第二和第三切口的雷射器一般為操作在IR至UV範圍內(即具有從IOSOnm下至340nm的波長)的脈衝Q開關類型。也可以使用操作在更短波長(例如下至250nm)處的雷射器。在最簡單的情況下，使用具有單個聚焦透鏡的單個雷射器，以產生與單個互連結構相關的所有三個切口。因此此時需要將單個光束劃分為三個組成部分，以形成基板表面上的三個焦斑。互連中的切口分隔一般較小(在0.1mm至0.2mm範圍內)，因此製造三向光束劃分的優選方式是使用定位在單個聚焦透鏡前面的專用多面稜鏡元件或衍射光學元件(DOE)。這樣的器件向雷射器光束的部分引入小角度偏差，引起透鏡的焦點處的所需值的焦斑分隔。這樣的器件還允許以適合的器件設計來設定個別光束中的相對功率。產生與單個互連結構相關的第一、第二、和第三光束的另一優選方法涉及使用兩個不同的脈衝雷射器和單個聚焦透鏡。此時所述雷射器可以具有不同的波長，這就優化移除上層而不損傷下層材料而言通常是有利的。當使用兩個雷射器形成單個互連結構所需的三個光束時，第一雷射器用於形成所述光束中的兩個光束，第二雷射器用於形成第三個光束。使用DOE或簡單雙稜鏡以如上所述針對僅使用單個雷射器且光束被劃分為三個組成部分的情況下的相同方式將第一光束劃分為兩個組成部分。使來自第二雷射器的光束與自第一雷射器產生的光束組合，且所有光束都穿過單個聚焦透鏡，以產生具有基板表面上所需的分隔的三個斑。通常使用以專用反射鏡組合的光束，所述反射鏡使用第一和第二雷射器之間的波長差或偏振來透射一個光束並反射另一個光束。當第一、第二和第三刻痕在分隔的互連上進行時，可以針對每個刻痕使用單獨的透鏡。使用受伺服馬達驅動的臺來相對於加工頭移動基板。在操作中，加工頭可以是靜止的，板在平行於單元格方向的方向上在一系列線性移動中向兩個軸線移動，橫跨基板的每次經過都繼以正交方向的步進。可能有其它臺設置。優選的設置使基板向一個軸線移動並使加工頭向另一軸線移動。還可以是加工頭在靜止的基板上向兩個正交方向移動的設置。由說明書所附權利要求將明了本申請的其它優選和可選特徵。


現在將僅通過示例參考附圖來說明本申請，附圖中:圖1顯示根據本申請人更早的(未公布的)申請所述的設備的一部分的放大的示意性平面圖；圖2A至圖2D顯示由圖1中示出的設備傳遞給基板表面的優選的雷射器和噴墨工藝序列；圖3顯不用於相對於圖1的加工頭在兩個方向上移動基板的設備；圖4顯示圖1中示出的設備的另一修改形式的放大的示意性平面圖；圖5顯示圖1中示出的設備的修改形式的放大的示意性平面圖；圖6至圖11顯示根據本申請的設備的第一至第六實施例的放大的示意性平面圖；圖12顯示相對於諸如圖4至圖11中示出的加工頭在兩個方向上移動基板的設備；以及圖13顯示用於控制相關移動系統、噴墨頭和雷射器的操作的設備。為簡單起見，附圖將層切割工藝顯示為雷射器消融式的。但是如上所述，這些雷射器切割工藝可全部或部分被機械刻繪工藝或其它切割工藝取代。
具體實施例方式圖1顯示如上述更早的(未公布的)申請中提出的基本加工頭的細節。藉助於加工頭2沿Y方向將太陽能板I劃分為多個單元格，加工頭2沿X方向橫跨太陽能板I移動。加工頭的放大圖顯示穿過太陽能板上的薄膜層分別刻繪槽6、7和8的三個雷射器光束3、4和5。噴嘴9將液體絕緣墨水10施加到刻痕6中。該墨水需要被固化，這是通過熱的方法或通過UV激活完成的。器件11代表局部加熱源(例如IR燈、IR 二極體雷射器或其它IR雷射器器件)或局部UV源(例如UV燈、UV雷射器二極體或向板表面傳遞UV輻射的光導)。噴嘴12施加導電墨水13，以在填充雷射器刻痕6的絕緣墨水10上搭橋並進入雷射器刻痕7。所有雷射器光束和兩個噴嘴都橫跨板在X方向一起移動，以在單次經過(pass )中製成單個互連結構。在該頭橫跨板經過之後，使板(或頭)向Y方向步進單元格寬度，以處理相鄰的互連。因為直到形成雷射器槽6後才能施加絕緣墨水10，並且直到絕緣墨水被施加並被固化之後才能施加導電墨水13，所以容易看到示出的頭設置僅能向一個方向操作。圖2顯示由圖1中示出的頭設置的類型在板表面形成結構的序列。如圖2A中示出的，基板14具有施加於表面的三層的堆疊15。簡言之，這些層即下電極層、活性層和上電極。如圖2B中示出的，三個雷射器光束3、4和5橫跨板的經過，產生三個刻痕6、7和8 ;其中，刻痕6穿透所有層直到基板表面，刻痕7僅穿透兩個頂部層到達下電極層，而刻痕8至少穿透頂部電極層，但也可以如刻痕7—樣穿透中間層。圖2C顯示第一噴墨噴嘴9如何施加絕緣墨水10，以填充刻痕6，而圖2D顯示導電墨水13如何被第二噴墨噴嘴12施加，以在絕緣墨水上搭橋並進入刻痕7，以製造自刻痕6左側單元格上的上電極層至刻痕6右側單元格中刻痕7的底部處的下電極層的電連接。圖3顯示用於相對於太陽能板移動上述加工頭的一種可能的設置。板I支撐在工藝卡盤16上，工藝卡盤16被由伺服馬達18驅動的線性臺17向Y方向移動，並被由伺服馬達18』驅動的線性臺17』向X方向移動。來自雷射器19的光束被反射鏡20、20』引導至加工頭2處，並在該處被劃分為三個組成部分，以產生三個刻痕6、7和8。加工頭2還包含兩個噴墨噴嘴。所有五個組成部分都設置在沿X方向的線21中，以在板向X方向在加工頭下方被移動時處理單個單元格互連結構22。對於每個單元格互連，板必須朝相同方向在加工頭下方移動，以使刻痕和墨水施加的序列正確。因此在朝Y的每個板步進處，板必須被移回到X方向中同一開始點處。圖4顯示如何能在上述加工頭2的修改形式在板I上的單次經過中同時形成若干互連。通過使用框架23來實現這一點，框架23傳遞多個(在示出的示例中，五個)類型3的雷射器光束，以形成多個類型6的刻痕，其中框架23的角度調節為使得雷射器光束3之間在Y方向的距離精確地等於單元格寬度(或單元格間距的倍數)。框架24攜帶多個類型4的雷射器光束，以形成多個類型7的刻痕，而框架25攜帶多個類型5的雷射器光束，以形成多個類型8的刻痕。框架26攜帶多個絕緣墨水配給噴嘴9，框架27攜帶多個墨水固化器件11，並且框架28攜帶多個導電墨水配給噴嘴12。不同框架23、24、25的相對位置在Y方向是固定的，並且所述框架全部圍繞垂直於板表面的軸線被轉動，使得所有三個雷射器槽6、7和8以及墨水流10和13對於每個互連都被正確定位。因此，在加工頭橫跨板經過之後，形成了多個(在本示例中，5個)完整的單元格互連。然後使基板向Y方向步進單元格寬度的所要求的倍數數目，以便形成其它互連。由於該頭上的組成部分的設置，會看到僅能在相對於板的加工頭的移動的一個方向上處理。圖5顯示圖1中示出的加工頭的另一修改版本，所述修改版本能允許雙向處理單個互連。此時如所示，需要附加的噴嘴和墨水固化器件。絕緣墨水配給噴嘴9、墨水固化器件11和導電墨水配給噴嘴12在加工頭靜止、並且板被向圖頂部方向移動時起作用，而絕緣墨水配給噴嘴9』、墨水固化器件11』和導電墨水配給噴嘴12』僅在加工頭靜止、並且板被向圖底部方向移動時起作用。這樣的設置是複雜而低效率的，因為任何時候都僅有一半噴墨噴嘴和固化器件被使用。圖6顯示根據本申請的設備的第一實施例的加工頭。框架29現在攜帶間隔設置的三個雷射器頭3、4和5、兩個噴墨噴嘴9和12以及墨水固化器件11，使得每個組成部分都針對單獨的互連結構。所述六個組成部分以要進行各種雷射器和墨水填充(和固化)工藝的序列所給出的順序以等於單元格的寬度的間距處在框架29上。板I向X方向移動，使得頭2覆蓋板的整個寬度，在向兩個X方向之一的每次X經過之後，板I向Y方向(向圖中右側)步進一個單元格寬度。以這種方式，由頭2上的每個組成部分順序處理每個互連位置。在圖中，當頭向X方向橫跨板移動時，雷射器頭3針對板的未被處理的區域，並穿透所有3層刻繪，以在互連30中形成槽6。同時雷射器頭4穿透頂部兩層刻繪，以在互連31中形成槽7，互連31早已被雷射器頭3處理過。雷射器頭5穿過頂部層刻繪，以在互連32中形成槽8，互連32早已被雷射器頭3、4處理過。墨水配給噴嘴9將絕緣墨水沉積到槽6中(槽6早已被雷射器頭I在互連33上形成)，墨水固化器件11固化由噴嘴9先前沉積的與互連34相關的絕緣墨水，以及最後，墨水配給噴嘴12將導電墨水沉積到互連35上，以在先前沉積的絕緣墨水上搭橋，並進入由雷射器頭4先前刻繪的槽7。這樣，在板向Y方向以一個單元格寬度步進六次之後，互連形成循環周期完成，並形成分離的單元格和其間的互連。圖7:在圖6示出的設置中，由噴嘴9施加的絕緣墨水的固化不立即發生，而是等到板向Y方向做一個步進之後發生。該時間延遲可達一秒或更多秒，這對於可能要求迅速固化以防止或限制側向散布的某些墨水來說太長了。圖7顯示在加工頭上的組成部分的替換的設置，當需要在絕緣墨水被配給到槽6中之後立即固化被噴嘴9施加的該絕緣墨水時，使用所述替換的設置。此時需要在所述頭上鄰近噴嘴9定位兩個固化器件11和11』。當板向圖頂部向Y方向移動時，固化器件11固化由噴嘴9鋪設的絕緣墨水。當板向相反的Y方向移動時，固化器件11』固化由噴嘴9鋪設的絕緣墨水。圖8類似於圖7的設置，只是加工頭上的框架的組成部分以不同的序列排序。所述頭上的組成部分的許多序列都是可能的，因為僅有有限數目的對於所述互連形成過程而言重要的工藝排序條件:I)刻繪槽6的雷射器頭3必須在絕緣墨水配給噴嘴9之前2)絕緣墨水配給噴嘴9必須在導電墨水配給噴嘴12之前3)刻繪槽7的雷射器頭4必須在導電墨水配給噴嘴12之前當需要在沉積導電墨水之前固化絕緣墨水時，固化器件11還必須跟在絕緣墨水配給噴嘴9之後。任何滿足上述三個條件的所述頭上的組成部分的序列都是可能的。在圖8中示出的設置中，當板向Y方向步進時，每個互連見到如下工藝序列:I)雷射器頭3刻繪穿透所有三層的槽62)絕緣墨水被墨水噴嘴9配給到槽6中，並被固化器件11或11』立即固化3)雷射器頭4刻繪穿透頂部兩層的槽74)導電墨水被墨水噴嘴12配給到絕緣墨水上，並進入槽7中5)雷射器頭5刻繪穿透頂部層的槽8圖9:當墨水配給噴嘴較大且難於被設在單個單元格間距上時，如圖9中示出的替換的設置是可能的，所述替換的設置中墨水配給噴嘴設在多個所述間距上。在所述設置中，雷射器頭3、4和5針對相鄰的互連30、31和32，但噴嘴9、固化器件11和噴嘴12針對被兩個單兀格寬度分隔開的互連33、34和35。其它組成部分間距也是可能的，只要組成部分之間的距離是單元格寬度的倍數。圖10:在某些情況下，可能便於藉助衍射光學元件(DOE)來產生所述三個雷射器光束3、4和5，所述衍射光學元件將單個入射光束劃分為單個透鏡的焦平面處的三個焦斑。此時,如圖10所示，便於使所有三個光束處在單個互連上。此時,雷射器光束3、4和5全部操作在互連30上，而絕緣墨水配給噴嘴9、墨水固化器件11和導電墨水配給器件12分別操作在分隔的互連32、33和34上。圖11:如圖11所示，其它類似的設置是可能的，所述其它類似的設置中僅兩個雷射器光束操作在同一互連上，而第三個雷射器光束操作在分隔的互連上。圖12顯示用於相對於太陽能板移動如圖6至圖11中示出的加工頭的一種可能設置。板I支撐在工藝卡盤16上,工藝卡盤16被由伺服馬達18驅動的線性臺17向Y方向移動，並被由伺服馬達18』驅動的線性臺17』向X方向移動。來自雷射器19的光束被反射鏡20、20』引導至加工頭2處，並在該處被劃分為三個組成部分，以產生三個刻痕6、7和8。加工頭2還包含兩個噴墨噴嘴和一個固化器件。所有六個組成部分都設置在沿Y方向的線21中，並在完成板向X方向在加工頭下6次經過以及板向圖右側在Y方向的6個單元格寬度步進之後，完成形成單元格互連結構22的整個工藝。圖13顯示用於控制圖12中示出的設置的典型方法。支撐在工藝卡盤16上的板I被受伺服馬達18、18』驅動的線性臺17、17』在加工頭下移動，伺服馬達18、18』被主控制器單元36控制。雷射器單元19和配給噴嘴控制單元37和38以及固化器件控制單元39也被主控制器單元36控制。
權利要求
1.一種用於將薄膜器件劃分為由互連結構加以串聯互連的單獨的單元格的方法，所述薄膜器件具有為下電極層的第一層、為活性層的第二層和為上電極層的第三層，所有所述層在所述器件上是連續的，所述單元格的劃分和在相鄰單元格之間的互連結構的形成由加工頭實現，所述加工頭設置為能同時在多於一個互連上操作，並在在所述器件上來回經過的序列中在每個互連結構的形成中進行以下步驟: a)製造穿過所述第一層、第二層和第三層的第一切口； b)製造穿過所述第二層和第三層的第二切口，所述第二切口鄰近所述第一切口； c)製造穿過所述第三層的第三切口，所述第三切口鄰近所述第二切口，並且在所述第二切口的與所述第一切口相對的一側上； d)使用第一噴墨印製頭將非傳導材料沉積到所述第一切口內；以及 e)使用第二噴墨印製頭來施加傳導材料，以在所述第一切口中的所述非傳導材料上搭橋，並且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一層和所述第三層之間製造電連接， 其中，除步驟a)先於步驟d)、步驟d)先於步驟e)、並且步驟b)先於步驟e)以外，可以以任何順序實行所述步驟，並且在至少一次使所述加工頭在所述器件上經過的期間，所述步驟中的至少兩個步驟分別在單獨的互連結構上被實行。
2.根據權利要求1所述的方法，其中執行所述步驟的順序是由用於在垂直於所述頭的移動方向或與所述頭的移動方向成一角度的方向上形成所述第一切口、第二切口和第三切口的所述加工頭上的組成部分以及所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭在所述加工頭上的相對位置來確定的。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述第一切口、第二切口和第三切口中的一個或更多個切口是使用一個或更多個雷射器光束形成的。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其中所述第一切口、第二切口和第三切口中的一個或更多個切口是使用一個或更多個機械刻繪器形成的。
5.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中所述加工頭在橫跨所述器件的兩個方向上經過的序列中實行所述步驟。
6.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中在沉積到各個切口中之後，實行一個或更多個固化步驟，以固化所述非傳導材料和/或所述傳導材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其中一個或更多個所述固化步驟是在所述加工頭在所述器件上經過時，由提供在所述加工頭上的一個或更多個固化裝置實行的。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中一個或更多個所述固化步驟是在所述經過的序列之後在單獨的設備中實行的。
9.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中所述薄膜器件是下述之一:太陽能板、照明板以及電池。
10.一種用於將薄膜器件劃分為由互連結構加以串聯互連的單獨的單元格的設備，所述薄膜器件具有為下電極層的第一層、為活性層的第二層和為上電極層的第三層，所有所述層在所述器件上是連續的，所述單元格各具有寬度W，使得相鄰的互連結構彼此間距W，所述設備包括加工頭，在所述加工頭上提供: a)—個或更多個切割器單元，用於製造穿過所述第一層、第二層和第三層的第一切口、鄰近所述第一切口的穿過所述第二層和第三層的第二切口、以及鄰近所述第二切口並在所述第二切口的與所述第一切口相對的一側上的穿過所述第三層的第三切口； b)第一噴墨印製頭，用於將非傳導材料沉積到所述第一切口中；以及 C)第二噴墨印製頭，用於施加傳導材料，以在所述第一切口中的所述非傳導材料上搭橋，並且完全或者部分填充所述第二切口，以便在所述第一層和所述第三層之間製造電連接，所述一個或更多個切割器和所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭彼此間距W或W的倍數，所述加工頭由此能同時在多於一個互連結構上操作，所述設備還包括: d)驅動機構，用於相對於所述器件移動所述加工頭；以及 e)控制機構，用於控制相對於所述器件的所述加工頭的移動，並致動所述一個或更多個切割器單元和所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭，以便能在所述加工頭在所述器件上來回經過的序列中將所述器件劃分為單獨的單元格，並形成所述互連結構。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述一個或更多個切割器單元包括用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的單個脈衝雷射器。
12.根據權利要求10所述的設備，其中所述一個或更多個切割器單元包括用於形成所述第一切口、第二切口和/或第三切口的兩種或更多種類型的脈衝雷射器。
13.根據權利要求11或12所述的設備，包括:聚焦透鏡，用於向所述器件傳遞第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束，在所述光束之間有角偏差，使得由所述第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束形成的在所述透鏡的焦點處的焦斑在用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上具有所要求的空間分隔。
14.根據權利要求11或12所述的設備，包括:衍射光學元件，用於將來自脈衝雷射器的雷射器光束分裂，以形成用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束。
15.根據權利要求11或12所述的設備，包括:稜鏡光學元件，用於將來自脈衝雷射器的雷射器光束分裂，以形成用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束。
16.根據權利要求11或12所述的設備，包括:衍射光學元件，用於將來自第一脈衝雷射器的雷射器光束分裂，以形成所述第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束中的任意兩個雷射器光束；以及用於提供餘下的雷射器光束的第二脈衝雷射器，所述設備設置為使得來自所述第一脈衝雷射器和第二脈衝雷射器的光束組合，以在用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上形成三個空間分隔的雷射器光斑。
17.根據權利要求11或12所述的設備,包括:雙稜鏡式的稜鏡光學兀件，用於將來自第一脈衝雷射器的雷射器光束分裂，以形成所述第一雷射器光束、第二雷射器光束和第三雷射器光束中的任意兩個雷射器光束；以及用於提供餘下的雷射器光束的第二脈衝雷射器，所述設備設置為使得來自所述第一脈衝雷射器和第二脈衝雷射器的光束組合，以在用於形成所述第一切口、第二切口和第三切口的器件表面上形成三個空間分隔的雷射器光斑。
18.根據權利要求10至17中任一項所述的設備，其中所述加工頭包括以距離W或W的倍數間隔開的一行六個組成部分，即所述三個切割器單元、所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭、以及固化器件。
19.根據權利要求10至17中任一項所述的設備，其中所述加工頭包括以距離W或W的倍數間隔開的一行五個組成部分，即所述三個切割器單元以及所述第一噴墨印製頭和第二噴墨印製頭，並且所述加工頭還包括與所述第一噴墨印製頭或第二噴墨印製頭相鄰的第一固化器件和第二固化器件，其中一個固化器件用於在該頭在所述器件上朝第一方向移動期間操作，另一個固化器件用於在該頭在所述器件上朝相反方向移動期間操作。
20.根據權利要求18或19所述的設備，其中所述三個切割器器件彼此間隔W，並且所述第一噴墨印製頭或第二噴墨印製頭彼此間隔W的倍數。
21.根據權利要求14或15所述的設備，其中所述雷射器光束中的兩個或三個雷射器光束定位為便於在同一互連結構上操作，並且所述第一噴墨印製頭或第二噴墨印製頭距離所述雷射器光束的間距以及彼此間的間距均為W或W的倍數。
22.根據權利要求10至17中任一項所述的設備，其中所述驅動機構包括:雙軸伺服馬達，用於在兩個正交方向上相對於所述器件來移動所述加工頭。
23.根據權利要求10至18中任一項所述的設備，其中所述控制系統設置為在橫跨所述器件的連續路徑中在平行於所述第一切口和第二切口的長度的方向上使所述器件和加工頭相對於彼此移動，並且在所述路徑的末端向垂直於第一方向的方向步進距離W，W等於要在所述器件中形成的所述單元格的寬度。
全文摘要
用於將薄膜器件劃分為單獨的單元格的方法和設備，薄膜器件具有為下電極層的第一層、為活性層的第二層和為上電極層的第三層，層在器件上各為連續，單元格各具有寬度W，並被互連結構串聯互連。單元格的劃分和在相鄰單元格之間的互連結構的形成由加工頭實現，加工頭設置為能在在器件上來回經過的序列中同時在多於一個互連上操作，加工頭進行以下步驟a)製造穿過第一層、第二層和第三層的第一切口；b)製造穿過第二層和第三層的第二切口，第二切口鄰近第一切口；c)製造穿過第三層的第三切口，第三切口鄰近進第二切口，並且在第二切口的與第一切口相對的一側上；d)使用第一噴墨印製頭將非傳導材料沉積到第一切口內；以及e)使用第二噴墨印製頭來施加傳導材料，以在第一切口中的非傳導材料上搭橋，並且完全或者部分填充第二切口，以便在第一層和第三層之間形成電連接，其中，步驟a)先於步驟d)、步驟d)先於步驟e)、並且步驟b)先於步驟e)(，除此以外，可以在加工頭橫跨器件的單次經過中以任何順序實行步驟)。並且在至少一次使加工頭在器件上經過的期間，步驟中的至少兩個步驟各自在單獨的互連結構上被實行。薄膜器件可為太陽能板、照明板或電池。
文檔編號B23K26/40GK103119731SQ201180045897
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月16日 優先權日2010年9月25日
發明者A·N·布倫頓 申請人:萬佳雷射有限公司