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(12) NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES
                    PATENTWESENS (PCT) V E R ~ F F E N T L I C H TINTERNATIONALE ANMELDUNG
                                                                   E

      (19) Weltorganisation für geistiges Eigentum
                  Internationales Büro                                           111111111111111 111111111111111111111 111 1 11111111111111111111111111 1111111111111 1111
      (43) Internationales Veröffentlichungsdatum                                    (10) Internationale Veröffentlichungsnummer
                14. Mai 2009 (14.05.2009)                           PCT                        WO 20091059752 A2
     (51) Internationale Patentklassifikation:                               (72) Erfinder; und
          HOlL 31/02 (2006.01)       B23K26/32 (2006.01)                     (75) ErfinderIAnmelder (nur für US): ZIMMER, Klaus
          H05K 3/32 (2006.01)                                                     [DEDE]; Amselweg 36a, 04668 ParthensteinIOT Klinga
                                                                                  (DE). BRAUN, Alexander [DEDE]; Stephanstrasse 20,
     (21) Internationales Aktenzeichen:           PCT/EP2008/009316               04103 Leipzig (DE). OTTE, Karsten [DEDE]; Dölitzer
     (22) Internationales Anmeldedatum:                                           Strasse 18, 04277 Leipzig (DE). GERLACH, Lothar
                                5. November 2008 (05.11.2008)                     [DE/NL]; Hazenboslaan 25, NI-2341 SE Oegstgeest (NI).
                                                                             (74) Anwalt: RECHTSANWALTSGESELLSCHAFT MBH
     (25) Einreichungssprache:                                  Deutsch
                                                                                  DR. JUR. PETER NENNING; Riesaer Strasse 164,
     (26) Veröffentlichungssprache:                             Deutsch           04319 Leipzig (DE).

     (30) Angaben zur Priorität:                                             (81) Bestimmungsstaaten (soweit nicht anders angegeben,für
          10 2007 052 972.6                                                       jede iieifügbare nationale Schutzrechtsart): AE, AG, AL,
                          7. November 2007 (07.11.2007)               DE           AM, AO, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BH, BR, BW, BY,
                                                                                  BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DO,
     (71) Anmelder (für alle Bestimmungsstaaten mit Ausnahme von                  DZ, EC, EE, EG, ES, FI,GB, GD, GE, GH, GM, GT, HN,

-
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P




=
P
          US):SOLARION AG [DEDE]; Ostende 5,04288 Leipzig
          (DEI.
                                                                                  HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ,
                                                                                  LA, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LY, MA, MD, ME, MG, MK,
P
                                                                                                                   [Fortsetzung auf der nächsten Seite]
=
E



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= (54) Title: METHOD AND MEANS FOR CONNECTING THIN METAL LAYERS
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-
-
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E (54) Bezeichnung:

-
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                           VERFAHREN UND MITTEL ZUM VERBINDEN DÜNNER METALLSCHICHTEN


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E                                                                               8                  13

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-                                                                                                                                         61~
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                                                                                                                                           7

-
P




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=                                                                                                                                 Fig. 2
=
     (57) Abstract: Disclosed are a configuration for bonding a thin metal layer to two workpieces {B}and {A},e.g. solar cells and film-
 4 backedlreinforced small contact strips as well as a method for the stable production of such a connection, comprising the following
     steps: (i) the backing film is removed from the solar cell; (ii) the two filmsllayers are pressed together; and (iii) the two parts are
 5 irradiated from the side of the rear contact { } of the thin-film solar cell. According to the invention, preferably two or three laser
     treatment steps are used for removing the backing film of the thin-film solar cell in an ablation process by means of a short-pulse
     laser and nveting the first metal layer, e.g. the rear contact of the solar cell, to the second metal layer, e.g. the small contact strip, by
     irradiating the same by means of a long-pulse laser. The energy density, pulse duration and temporary pulse form, pulse frequency,
     and wavelength for the ablation process and the weldinglnveting process are selected according to the specific matenals used. Such
     a laser riveting process can be used for electncally contacting thin-film solar cells with small flexible contact strips.
 0
 2.(57)
 .        Zusammenfassung: Eine Konfiguration zum Bonden von einer dünnen Metallschicht auf zwei Werkstücken {B}und {A},z.
     B. Solarzellen und foliengestützenlverstärkten Kontaktbändchen, und eine Methode zur stabilen Herstellung einer solchen Verbin-
 0   dung einschließlich der Schritte (i) zur Entfernung der Trägerfolie von der Solarzelle, (ii)

 3                                                                                                                 [Fortsetzung auf der nächsten Seite]
MN, MW, MX, MY, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG,                   TJ, TM), europäisches (AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK,
     PH, PL, PT, RO, RS, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM,               EE, ES, FI,FR, GB, GR, HR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV,
     ST, SV, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ,               MC, MT, NL, NO, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR), OAPI (BF,
     VC, VN, ZA, ZM, ZW.                                               BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN,
                                                                       TD, TG).
(84) Bestimmungsstaaten (soweit nicht anders angegeben, für
     jede verfügbare regionale Schutzrechtsart): ARIPO (BW,      Veröffentlicht:
                                                                 -
      GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG,                ohne internationalen Recherchenbericht und erneut zu ver-
     ZM, ZW), eurasisches (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU,               öffentlichen nach Erhalt des Berichts




dem Zusammenpressen der beiden FolienISchichten gegeneinander und (iii) der Bestrahlung der beiden Teile von der Seite des Rück-
kontaktes { } der Dünnschichtsolarzelle wird vorgestellt. Entsprechend der Erfindung werden vorzugsweise zwei oder drei Laser-
bearbeitungsschntte angewendet, um die Trägerfolie der Dünnschichtsolarzelledurch Ablation mit einem Kurzpulslaserzu entfernen
und die erste Metallschicht, z. B. den Rückkontakt der Solarzelle, mit der zweiten Metallschicht, z. B. dem Kontaktbändchen,durch
Bestrahlung mit einem Langzeitpulslaser zu vernieten. Die Energiedichte, Pulsdauer und temporäre Pulsform, die Pulsfrequenz und
die Wellenlänge werden bezüglich der Ablation und des SchweißNernietungsprozesses entsprechend der spezifischen verwendeten
Materialien gewählt. Eine derartige Laservernietung kann zum elektrischen Kontaktieren von Dünnschichtsolarzellen mit flexiblen
Kontaktbändchen angewendet werden.
Verfahren und Mittel zum Verbinden dünner Metallschichten


     [0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bon-
     den von zwei Metallfilmen, die auf flexible Träger aufgebracht sind, und ein Ver-
 5   fahren zur Realisierung dieser Verbindung. Insbesondere bezieht sich die Erfin-
     dung auf die elektrische Verbindung von Dünnschichtsolarzellen mit flexiblen Lei-
     terplatten und ein Verfahren zur Herstellung derselben.


     [0002]    Gegenwärtig werden verschiedene Typen von Dünnschichtsolarzellen,
10   die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, entwickelt. Abb. 1 zeigt den
     schematischen Aufbau einer solchen Zelle, die im Wesentlichen aus einem Front-
     kontakt (51, einem Rückkontakt (2) und einer halbleitenden Absorberschicht (3)
     besteht. Der Frontkontakt ist dem ankommende Licht zugewandt und besteht aus
     einem transparenten leitfähigen Oxid (TOC - transparent conductive oxide), der
15   Rückkontakt besteht aus einer Metallschicht. Die Licht umwandelnde Halbleiter-
     schicht (Absorber) (3) kann aus verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus
     amorphem sowie mikro- oder polykristallinem Silizium, Kupfer-lndium-Gallium-
     Diselenid (CIGS) und anderen halbleitenden Materialien. Ein zusätzlicher dünner
     halbleitender Film (4) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit ist erforderlich, um den
20   pn-Übergang mit der halbleitenden Absorberschicht (3) herzustellen. Für CIGS-
     Solarzellen wird der pn-Übergang durch einen Heteroübergang der CIGS-Schicht
     und einer dünnen CdS-Schicht gebildet.


     [0003]    Die Herstellung von dünnen Solarzellen auf flexiblen Substraten wurde
     schon gezeigt bzw. vorgestellt. Polymere bieten exquisite Eigenschaften wie zum
     Beispiel Festigkeit, Dichte, Oberfiächenqualität usw. bei geringem Gewicht.
                                                               - --

     Allerdings ist die maximale Gebrauchstemperatur aufgrund der Stabilität des Po-
     lymer-materials begrenzt. Für eine qualitativ hochwertige Halbleiterschichtab-
     scheidung ist dennoch ein zusätzlicher Energieeintrag in Form von Vliärmeenergie
30   oder Strahlung notwendig. Aus diesem Grund werden für den industriellen Pro-
     zess der Abscheidung dünner Halbleiterschichten für flexible Solarzellen oft Hoch-
     leistungspolymerfolien wie z. B. ~apton@
                                            verwendet.
WO 20091059752                                                PCTlEP20081009316
       [0004]     Diese Materialien werden mit oder ohne textile Verstärkung auch für
       starre und flexible Leiterplatten verwendet. Die Technologie der Herstellung so-
       wohl des Basismaterials als auch verschiedener Produkte ist bekannt.


 5     [0005]     Die in der Solarzelle produzierte elektrische Energie muss zum
       Verbraucher weitergeleitet werden. Zu diesem Zweck müssen die dünnen Schich-
       ten elektrisch kontaktiert und mit einem Leitbahnsystem verbunden werden. Bei
       Dünnschichtsolarzellen und besonders bei flexiblen Solarzellen muss dieser Kon-
       takt ebenfalls flexibel sein, sodass auch dünne Schichten, dünne Folien oder ähn-
10     liche dünne metallische Leiter verwendet werden sollten.




       [0007]    Ein Standardprozess zur Verbindung der Kontaktpads massiver Solar-
15    zellen, wie beispielsweise Siliziumwafer-Solarzellen, ist das Anlöten von Kontakt-
      streifen an Lötpunkte von Vorder- und Rückkontakt, z. B. durch Bestrahlung mit
       Hochleistungslampen. Das Löten dünner Schichten ist aufgrund der geringen
      Schichtdicke von etwa 1 Pm und darunter komplizierter. Die Legierungsprozesse,
      die während des Lötens auftreten, können bekanntermaßen Schädigungen der
20    dünnen Schichten oder Kontaktstellen verursachen.


      [0008]     Ein weiteres Verfahren, Dünnschichtsolarzellen mit den externen Kon-
      takten zu verbinden, besteht in der Verwendung von Kontaktklebern. Dieser weit-
      verbreitete Prozess setzt allerdings die Verwendung eines zusätzlichen Materials
25    voraus. Die Kontaktfläche sollte wegen der spezifischen Widerstandswerte des
      Kontaktklebers und der üblichen Applikationstechniken der Pasten, beispielsweise
      Siebdruck oder ähnlicher Verfahren, von mittlerer Größe sein.


      [0009]     Ferner sind Verbindungstechnologien bekannt, die ohne zusätzliche
30    Materialien wie Leitkleber oder Lötzinn auskommen. Der Anschluss dünner Drähte
      an Halbleiterchips ist aus der Halbleiterindustrie bekannt und wird durch einen so-
      genannten Bondprozess realisiert. Allerdings setzt dieser Prozess spezielle Ober-
      flächen und Materialien voraus und kann nur mit speziellen Metallen wie Gold und
      Aluminium ausgeführt werden. Außerdem wirken beim Bonden hohe Drücke auf
WO 20091059752                                                   PCTlEP20081009316

        die Oberfläche der dünnen Schichten ein. Die mechanische Starrheit der Polymer-
        folien entspricht nicht den Erfordernissen des Bondprozesses, wie er in der Halb-
        leiterindustrie angewendet wird.
        Die moderne Lasertechnologie stellt leistungsfähige Laserquellen mit Leistungen
 5      im kW-Bereich zur Verfügung. Maschinenbau-Anwendungenerfordern solche
        Leis-tungen, allerdings sind für Mikroprozesse in der Regel einige Watt ausrei-
        chend. Des Weiteren kann der Laserstrahl auf sehr kleine Flächen fokussiert und
        kontrolliert zu beliebigen Punkten auf der Oberfläche geführt werden. Das Aufspal-
        ten leistungsstarker Laserstrahlen in Teilstrahlen wird oft benutzt, um die Leistung,
10      die Geschwindigkeit bzw. die Bearbeitungsqualitätzu erhöhen.


        [OOIO]        In JP2005191584 wird eine integrierte Solarbatterie vorgestellt, bei der
        Anschlusspads die Spannung der Solarzelle abgreifen. Um die Solarbatterie mit
        einer verzinnten Kupferfolie zu verbinden, wurde zusätzlich Lötzinn auf die Bond-
15      stellen aufgetragen. Hierdurch kann die Kontaktierung durch Löten realisiert wer-
        den.


        1001I]        Laserstrahlbearbeitung kommt bei der Solarzellenherstellung regelmä-
        ßig zur Anwendung. Speziell bei der Dünnschichtsolarzellenherstellung wird das
20      Laserritzen eingesetzt, um die verschiedenen Teile der Solarzelle voneinander zu
        isolieren. Derartige Ritzverfahren werden auch bei der seriellen Verschaltung von
        Solarzellen angewendet, wie in EP1727211 dargestellt ist.


        [0012]        Ein anderes Konzept der Verbindung von Dünnschichtsolarzellen mit
25      einem externen Kontakt wird in von E.J. Simburger et al. in “Development of a thin
        film solar cell interconnect for the PowerSphere concept", Materials Science and
        Engineering B 116 (2005) 321-325 vorgeschlagen und in ähnlicher Weise in
        US20050011551 dargestellt. Das Konzept beruht auf der Verwendung eines um-
        greifenden Randkontaktes, der an der Kante einer Dünnschichtsolarzelle ange-
30      ordnet ist, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten einer Dünn-
        schichtsolarzelle und den Kontaktpads, die auf der Rückseite der Solarzelle ange-
        ordnet sind, herzustellen. Ein Laserstrahl wird für die Verschweißung der Kupferfo-
        lie mit flexiblen Kontaktbändchen benutzt. Bei dieser Ausführungsform muss der
        umgreifende Randkontakt durch eine komplizierte Folge von Dünnschicht-
Beschichtungsprozessen hergestellt werden. Außerdem wird die Verbindung des
     Umgriffkontaktes mit dem externen Kontaktbändchen durch Laserschweißen her-
     gestellt. Aufgrund der verwendeten Metalle bildet sich ein Metallübergangskontakt,
     der typisch für die Bildung von Legierungen ist, die während der Vermischung der
 5   flüssigen Phasen beim Schweißen auftritt.
     [0013]    In US6114185 wird vorgeschlagen, das Laserschweißen zur Verbin-
     dung von Halbleiterbauelementen mit Metallteilen anzuwenden. Allerdings ist ein
     Kontakt zu den Elektroden der Solarzelle nicht vorgesehen. Weiterhin wird betont,
     dass die Halbleiterbauelemente den Temperaturen während des Schweißvorgan-
10   ges standhalten müssen.


     [0014]    Die gegenwärtig verfügbaren Lasertechnologien ermöglichen die Ver-
     bindung metallischer Teile durch Laserbestrahlung. Typische Prozesse sind
     Schweißen und Löten mit und ohne zusätzliche Materialien. Für eine zuverlässige
15   Verbindung bewirken Diffusionsprozesse die Vermischung der Metalle und können
     zur Bildung zusätzlicher Phasen führen. Wenn unterschiedliche Metalle durch
     Wärme- oder Laserprozesse verbunden werden, kann es aufgrund der unter-
     schiedlichen Phasenübergangstemperaturen, ungenügender Bildung von Legie-
     rungen oder das Auflösen der dünnen Schichten während der Bearbeitung im
20   flüssigen/geschmolzenen Zustand zu Problemen kommen.


     [0015]    Die gegenwärtig verfügbaren Verfahren zur Verbindung von dünnen
     Schichten mit der Außenverdrahtung haben Nachteile. Sie erfordern zur Herstel-
     lung der Verbindung entweder einen hohen technischen, verfahrenstechnischen
25   oder technologischen Aufwand, besondere Materialien oder spezifische Oberflä-
     chen. lnsbesondere bei flexiblen Trägem gewinnen dies Aspekte besonders an
     Bedeutung.


     [0016]    Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Verfahren zur
30   Verbindung von dünnen Metallschichten auf flexiblen Träger bereitzustellen, das
     mit geringem Aufwand und bei geringem Flächenbedarf eine Verbindung der dün-
     nen Schicht mit der Außenverdrahtung ermöglicht. lnsbesondere wird angestrebt,
     eine zuverlässige Methode zur Verbinduna von mindestens m e i Metallschichten



                                       4
                          ERSATZBLATT (REGEL 26)
zur Verfügung zu stellen, die das mechanische und elektrische Bonden vorzugsweise
     meier unterschiedlicher Materialien ermöglichen.


     [0017]     Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anwendung von gepulster
 5   Laserstrahlung entsprechend den in Anspruch Igenannten Merkmalen gelöst. Die
     aktuelle Erfindung bietet einen Prozess zur Mikrovernietung dünner Schichten und
     Folien, der die mechanische und elektrische Verbindung dünner Metallschichten
     durch geometrische Verzahnung der Materialien und die Bildung von Gemischen
     der beteiligten Materialien ermöglicht. Zusätzlich wird eine Methode zur Herstel-
10   l ~ n derartiger Mikrovernietungen für dünne Schichten und Folien bereitgestellt.
           g


     [0018]     Die aktuelle Erfindung zeigt eine Konfiguration zum Mikrobonden von
     zwei dünnen Schichten oder zwei Dünnschichtstapeln mittels Mikro(hohl)nieten,
     die vorzugsweise aus dem Material einer der beiden beteiligten dünnen Schichten
15   bestehen sowie einen Prozess zur Mikrovernietung derartiger dünner Schichten
     oder Dünnschichtstapel durch Laserbestrahlung.


     [0019]     Die Ziel, Charakteristiken, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfin-
     dung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zu-
20   sammen mit den beigefügten Abbildungen verdeutlicht.


     Beschreibung der Abbildungen
     [0020]
     Abb. 1: Schematische Ansicht des Prinzipaufbaus einer Dünnschichtsolarzelle auf
25   flexiblen Substraten.
     Abb. 2: 3D-Schema des Bereiches des Bondens einer Solarzelle mit dem Kontakt-
     bändchen durch Mikrovernietung.
     Abb. 3: Die wichtigsten Prozessschritte für das Lasernieten bzw. das Laserbonden
     sind schematisch gezeigt.
30   Abb. 4: Beispiele für unterschiedliche Ausführungen von Lasernietverbindungen
     am Beispiel der Verbindung einer Dünnschichtsolarzelle mit einer flexiblen Verbin-
     dungsleitung.
     Abb. 5: Beispiel für die Anwendung von Lasernieten zur Verbindung von Front-
     und Rückkontakt einer Solarzelle mit einer flexiblen Verbindungsleitung.

                                       5
                             ERSATZBLATT (REGEL 26)
Abb. 6: Schematische Ansicht des Stromflusses bei der Verbindung von Vorder-
     und Rückkontakt einer Solarzelle mit einem flexiblen Verbindungsleitungssystem.
     Abb, 7: REM-Darstellung einer Laservernietung zwischen einem flexiblen Kupfer-
     leiterplatte und einer Dünnschichtsolarzelle auf einer Kaptonfolie.


     [0021]     Die Erfindung soll nachstehend anhand von den in der Zeichnung dar-
     gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den Abbildungen
     kennzeichnen identische Bezeichnungen (Nummern, Abkürzungen, Namen usw.)
     identische oder gleichartige Komponenten oder Prozesse.
10   [0022]    In Abb. 3 a) bis g) werden die hauptsächlichen Schritte zum Bonden
     von Dünnschichtstrukturen mittels Lasernietens schematisch in einer bevorzugten
     Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Bonden von Dünnschichtsolarzellen
     mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsleitung dargestellt.


15   Wie in Abb. 3 a) dargestellt ist, werden zunächst die obenliegende Schichten der
     Solarzelle (insbesondere der Frontkontakt und die Absorberschicht) entfernt, um
     den Dünnschichtrückkontakt (21, der in diesem Fall aus Molybdän besteht, freizu-
     legen. Des Weiteren wird die Polymerträgerfolie {I) in einem begrenzten Ge-
     biet (8) bis auf die dünne Metallschicht (2)entfernt, wie in Abb. 3 b) dargestellt
20   wird. Das kann durch Ablation mit einem gepulsten UV-Laser geschehen, dessen
     Pulsdauer geringer als 1 ps ist. Die Laserablationsparameter, z. B. die La-
     serfluenz, werden so ausgewählt, dass die Ablation der Trägerfolie {I) zu reali-
                                                                          so
     sieren, dass der zerstörungsfreieAbtrag des Trägerfolienmaterials von der dünnen
     Metallschicht (2) möglich ist, so dass die Herstellung einer nun freistehenden dün-
25   nen Metallschicht gesichert ist. Analoge Prozesse können für die Präparation des
     Kontaktbereiches der flexiblen Verbindungsleitung angewendet werden. Speziell
     die Deckschichten (6a) etc., beispielsweise eine mögliche Deckschicht des Kon-
     taktmetalls, müssen zumindest in dem Bereich entfernt werden, in dem das La-
     sernieten durchgeführt werden soll.
30
     [0023]     Bei einer speziellen Ausführung des Prozesses, welche in Abb. 3 C)
     gezeigt wird, wird ein Kieines ~ o c h die dünne Merallschicht des Rückkontakts
                                          in
     gebohrt. Dieser Bohrprozess wird vorzugsweise nach der Polymerablation der
     Trägerfolie der Solarzelle entsprechend Abb. 3 b) erfolgen, kann aber auch da-

                                           6
                              ERSATZBLATT (REGEL 26)
nach geschehen. Bei beiden Ausfuhrungsarten ist eine ausreichend exakte Über-
     deckungsgenauigkeit bei den Prozessschritten erforderlich, um zu sichern, dass
     das gebohrte Metallloch (9) innerhalb des ablatierten Bereiches (8)liegt. Das ist
     insbesondere dann garantiert, wenn für beide Prozessschritte dieselbe Anlage o-
 5   der sogar derselbe Laserstrahl benutzt wird. Eine Kombination der Laserablation
     des Trägeriolie {I) der Metallschicht (2) durch Verwendung desselben Laser-
                       und
     strahles, auch wenn erforderlichenfalls unterschiedliche Laserparameter verwen-
     det werden, kann die Herstellung bezüglich Geschwindigkeit und Funktionssicher-
     heit verbessern. Die in Abb. 3 b) bis C) dargestellten Prozessschritte können auch
10   durchgeführt werden, wenn die flexible Verbindungsleitung schon die Solarzellen-
     folie abstützt, wie in Abb. 3 d) dargestellt ist.
     [0024]     Im nächsten Schritt, vergleiche Abb. 3 e),wird der so vorbereitete Be-
     reich der Dünnschichtsolarzelle auf die flexible Verbindungsleitung aufeinander-
     gepresst. In diesem Schritt werden Kräfte {I I an die Dünnschichtsolarzelle
                                                0, I)
15   und die flexible Verbindungsleitung (7)angelegt, um die Entfernung zwischen bei-
     den Metallschichtoberflächen ausreichend zu verringern.


     [0025]      Nun befindet sich der dünne Metallrückkontakt der Dünnschichtsolar-
     zelle in Kontakt mit dem Metall der flexiblen Verbindungsleitung. Beide Metalle (2,
20   6) werden durch Laserbestrahlung { I 2) verbunden, wie in Abb. 3 f) dargestellt ist.
     Dafür wird vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen von größer 1 PS
     verwendet. Die Wellenlänge kann entsprechend der Erfordernisse ausgewählt
     werden. Allerdings wird aus Kostengründen ein Nd:YAG-Laser mit eine Wellen-
     länge von 1.06 vm bevorzugt. Aufgrund der Laserbestrahlung und der dadurch
25   ausgelösten Prozesse wird eine Verbindung, die beide Metallschichten mecha-
     nisch miteinander verbindet und auch einen elektrischen Kontakt bildet, geformt,
     die im Schnitt einer Nietverbindung ähnelt. Nach dem Lösen der Kräfte, die die
     beiden Teile aufeinander gepresst haben, ist eine stabile Laser- Nietverbindung
     r4 91 --A-&--     A- -
     1 I JJ CI iraiar iueri, wie scnemaiiscn in Abb, 3 g dargestellt ist.



     [0026]      Für ein stabiles und reproduzierbares Bonden einer Dünnschichtsolar-
     zelle mit einer flexiblen Verbindungsleitung sind üblicherweise mehrere Mikroniete
     wünschenswert, wie in Abb. 4 dargestellt ist. In der Abbildung sind verschiedene
     Möglichkeiten der Konfiguration von Mikronieten und dem geöffneten Rückseiten-

                                            7
                                ERSATZBLATT (REGEL 26)
kontakt bezüglich Form, Gestaltung und Größe zu sehen. Andere Formen, Konfi-
     gurationen und Größen sind ebenfalls möglich. Die Niete können ebenfalls schlitz-
     förmig sein. Einzelne Lasernietungen können in Reihen angeordnet sein oder eine
     dichte Anordnung bilden.
 5
     [0027]     Um qualitative hochwertige Nietverbindungen zu erreichen, müssen
     beide Metalloberflächen während des Lasernietens so eng wie möglich beieinan-
     der sein. Um dies zu erreichen, können die folgenden Methoden angewendet oder
     miteinander kombiniert werden: Vakuumsaugtische, Druck eines Gasstroms oder
10   der Nutzung des Drucks der Ablationswolke. Des Weitern können die Folien über
     gekrümmte Werkstückträger, z. B. Rollen, geführt werden. Andere technische
     Hilfsmittel sind ebenfalls möglich.
     [0028]     Speziell zum Lasernieten verschiedener Materialien unterstützt ein in
     die obere Metallschicht gebohrtes Loch die Bildung der Mikronieten. Dieses Loch
15   kann in verschiedenen Stadien des Produktionsprozesses eingebracht werden.
     Vorzugsweise wird aber ein Laser venrvendet, wobei unterschiedliche Lasertypen
     nutzbar sind. Zweifellos kann der zum Nieten venvendete Laser auch zum Bohren
     benutzt werden. Die hierfür optimale zeitliche Energiezuführung kann durch Steue-
     rung der Ausgangsleistung oder der Pulsdauer des Laserstrahl erfolgen. Eine ele-
20   gante Methode ist die Modifizierung der Pulsdauer durch geeignete Mittel, z. B. e-
     lektrooptische Elemente. Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsart ist die elektri-
     sche Kontrolle der Laserausgangsleistung. Unter Einbeziehung derartiger Kon-
     trollverfahren kann der Bohr- und Lasernietprozess mit einem Laser durchgeführt
     werden. Auch eine Variation der Pulsdauer kann zweckmäßig sein, um mit ein und
25   demselben Laser sowohl zu bohren als auch zu schweißen. Ebenso ist eien ge-
     eignete Steuerung der Pulsform des Lasers möglich, um mit dem gleichen Laser
     zu bohren und zu schweißen.


     [0029]     Um eine Serie von Mikronieten simultan zu erzeugen, kann aer iaser-
30   strahl aufgespaltet werden und so gleichzeitig mehrfach für den Lasernietprozess
     zum Einsatz kommen. Folglich kann eine Reihe von Nietverbindungen simultan
     erzeugt werden.




                                           8
                            ERSATZBLATT (REGEL 26)
[0030]      Die Anwendung der Lasernietmethode zur Kontaktierung von Dünn-
     schichtsolarzellen ist in Abb. 5 schematisch dargestellt. Das Schema zeigt die
     Draufsicht auf den gebondeten Bereich, wobei der Frontkontakt obenauf liegt. Als
     ein Beispiel für die praktische Anwendung wurden beide, der Rückseiten- und der
 5   Frontkontakt, simultan mit dem Kontaktbändchen verbunden. Deshalb mussten
     zusätzliche Prozessschritte vor dem Lasernieten in verschiedenen Stadien der
     Herstellung der Solarzelle {A) und der flexiblen elektrischen Verbindungslei-
     tung {B) eingefügt werden. Zunächst muss der Rückkontakt der Solarzelle (2) zur
     sicheren elektrischen Isolation von den Teilen des Rückkontaktes, die für das
10   Bonden mit dem Frontkontakt vorgesehen sind, angeritzt werden Zusätzlich muss
     die Metallschicht (6) der flexiblen elektrischen Verbindungsleitung {B) so geritzt
     werden, dass zwei Leitungen {6a) und (6b) entstehen. Die Ritze sind mit (14) be-
     zeichnet. Um den Frontkontakt mit dem isolierten Rückseitenbereich zu verbinden,
     wurde beispielsweise eine zusätzliche Metallschicht { I 5) aufgebracht. Diese elekt-
15   rische Verbindung kann auch alternativ, z. B. durch Leitkleber, hergestellt werden.
     Die Metallschicht {I 5) kann auch auf der Oberfläche der Rückkontaktschicht (2)
     positioniert werden, womit der Lasernietprozess verbessert werden kann. Demzu-
     folge ist eine sorgfältige Auswahl der Metallschicht {I erforderlich. Die Quer-
                                                           5)
     schnitte des zum Bonden vorbereiteten Front- und Rückkontakts der Solarzelle
20   sind in Abb. 5 b) schematisch dargestellt. Nun kann der Lasernietprozess in der
     zuvor geschilderten Art und Weise erfolgen. Um die Festigkeit der Bondstelle zu
     erhöhen, können mehrere Niete angebracht werden.


     [0031]     In Abb. 6 wird der Stromfluss von einer ersten dünnen Metallschicht,
25   z. B. einer Solarzelle, zu einer zweiten Metallschicht, z. B. einer flexiblen elektri-
     schen Verbindungsleitung, schematisch dargestellt. Die Lasernietprozesse werden
     ähnlich den beschriebenen ausgeführt. Bezüglich der elektrischen Kontaktierung
     ermöglichen Laserniete den Stromfluss zwischen zwei mit verschiedenen Metallen
     beschichteten dünnen flexiblen Trägern. Außerdem erzielen die Laserniete auch
30   ein mechanische Verbindung und kann auch nur für diesen Zweck eingesetzt wer-
     den.


     [0032]     Die REM-Abbildung in Abb. 7 zeigt eine Lasernietverbindung zwischen
     dem Rückkontakt einer Dünnschichtsolarzelle und der Kupferbeschichtung einer
flexiblen Leiterplatte. Das Metall des Rückkontaktes ist Molybdän, welches sich
     weder gut löten noch schweißen lässt. Auf der linken und der unteren Seite der
     Abbildung sind die Kanten der geöffneten Trägerfolie sichtbar. In der Nähe des
     Zentrums ist um das gesamte Loch herum ausgeworfenes Material sichtbar, wel-
 5   ches während des Lasernietprozesses entsteht und nach dem Wiedererstarren
     aus dem flüssigen Zustand den Niet bildet.


     Anwendungsbeispiele
     Die aktuelle Erfindung wird nun anhand unterschiedlicher Beispiele detaillierter
10   beschrieben.


     Erstes Beispiel
     [0033]     Die aktuelle Erfindung wird nun anhand des Vernietens einer dünnen
     Molybdänfolie mit einem flexiblen Kupferkontaktbändchen konkreter beschrieben.
15   Derartig dünne Molybdänschichten werden als Rückkontakte für Solarzellen, z. B.
     CIGS-Solarzellen wie in Abb. 1, verwendet. Für den Vernietungsprozess können
     die obersten Schichten der Solarzelle, als Frontkontakt, Absorber usw., bis zum
     Rückkoniakt mechanisch oder mjiiels Lasers entfernt werden, um die Molybdän-
     schicht freizulegen, wie in Abb. 3 a) zu sehen ist.
20
     [0034]     Von der so vorbereiteten Solarzelle wird die Polymerträgerfolie mittels
     Laser ablation entfernt. Um dies durchzuführen, ist die Solarzellenvorderseite im
     Bereich der rückseitigen Ablation der Polymerträgerfolie eng mit einer stabilen
     Halterung verbunden und wird mit einem Laser ausreichender Pulsenergie be-
25   strahlt. Um die Polymerfolie (UPILEX ??? Alex(S0LARION) Dicke ca. 25 pm)
     schonend zu ablatieren, wird ein UV-Laserstrahl mit einer Wellenlänge < 300 nm
     verwendet. Die Energiedichte des abjatierenden Laserstrahles wird während der
     anhaltenden Ablation mit zunehmender Abtragtiefe und reduzierter Folienrestdicke
     zum Rückkontakt reduziert, um eine selektive Ablation des Polymerträgers zum
30   metallischen Rückkontaktes zu gewährleisten. Bei diesem Beispiel wird ein Exci-
     merlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Laserfluenz von 200 bis 600
     mJ/cm2verwendet. Zum selektiven, lokalen Entfernen der Polymerschicht können
     alternative Prozesse wie Plasmaätzen angewendet werden.
[0035]     Es wird darauf verwiesen, dass ein kleines Loch in der hochschmelzen-
     den Molybdänschicht den Lasernietprozess unterstützen und verbessern kann. Zu
     diesem Zweck wird nach der Ablation der die Solarzelle stützenden Polymerfolie
     ein kleines Loch in die Molybdänschicht gebohrt, wie in Abb. 3 C) dargestellt ist.
5    Das Loch unterstützt später die Bildung des Laserniets. Bei diesem Beispiel wurde
     das Loch in den 5 pm dünnen Molybdän-Rückkontakt innerhalb O l l s mit einer Ult-
     rakurzpulslaserbestrahlung bei einer Wellenlänge von 775 nm und einer Fluenz
     von 3 J/cm2gebohrt. Aufgrund des ultrakurzen Laserpulses findet fast kein
     Schmelzen der dünnen Metallschicht außerhalb des Loches statt, sodass eine
10   Randwulst vermieden werden kann. Die Lochgröße wurde etwas geringer als die
     Größe des für das Lasernieten verwendeten Laserstrahles gewählt. In diesem
     Beispiel wurde ein Laserspot von Ca. 15 Pm verwendet. Die passende Bohrloch-
     größe kann durch kreisförmige Bewegungen des Laserspots auf der zu bohrenden
     Metallschicht eingestellt werden. Allerdings kann das Loch, obwohl es in diesem
15   Beispiel nach der Ablation der Polymerträgerfolie gebohrt wurde, auch vorher er-
     zeugt werden.


     [0036]    Eine flexible Verbindungsleitung, bestehend aus einer 25 pm starken
     Kupferschicht auf einer ~apton@-~rä~erfolie pm) wurde für die Laserniet-
                                           (d -50
20   versuche verwendet. Die flexible Verbindungsleitung wurde im Bereich der Laser-
     vernietung durch Waschen mit iosungsmittein und Entfernen ioser Kontaminatio-
     nen gereinigt. Das gewährleistet einen guten Kontakt der Kupferoberfläche der
     flexible Verbindungsleitung mit dem MolybdänRückkontakt.


25   [0037]    Nun werden die flexible Verbindungsleitung und die Solarzelle entspre-
     chend der Abb. 3 d) verbunden. Zusätzlich wird eine Vakuumspannvorrichtung
     genutzt, um beide Metallobefflächen zusammenzupressen. Nachdem das Molyb-
     dän und die Kupferschicht der flexiblen Verbindungsleitung miteinander, entspre-
     chelid Abb.   3 dj, iierbünden silid, wird ein i~ili~e1iiei
                                                             Laseipü1s vcn :G   KC   Dauer.
30   und einer Energie von 0,15 J sowie einer Wellenlänge von 1064 nm appliziert. Der
     Laserstrahl mit einem Durchmesser von Ca. 30 pm wkd auf das gebohrte Loch
     fokussiert. Aufgrund der Energie des Laserstrahls werden sowohl die Molybdän-
     als auch die Kupferschicht bis zum Schmelz- bzw. bis zum Verdampfungspunkt
     erhitzt. Teile der Laserstrahlung sind auch durch das Loch hindurch bis auf die


                                             11

                                ERSATZBLATT (REGEL 26)
Oberfläche der Kupferschicht gelangt. Wegen seiner niedrigeren Schmelz- und
     Verdampfungstemperatur schmilzt und verdampft das Kupfer daraufhin. Teile des
     geschmolzenen Kupfers gelangen infolge des Kupferdampfdruckes durch das Loch
     hindurch und lagern sich um das laserbestrahlte Gebiet herum ab. Weil der Laser-
     spot zum Nieten größer als das in der Molybdänschicht gebohrte Loch ist, wird die
     Molybdänschicht bis zum Schmelzpunkt oder gar darüber hinaus erhitzt. Daraufhin
     kommt es unter Beteiligung beider geschmolzener Metalle zur Herausbildung einer
     stabilen Verbindung infolge metallurgischer Prozesse und einer Verzahnung der
     Metalle nach dem Wiedererstarren. Der Transport des geschmolzenen Kupfers des
     Kontaktbändchens kann auch durch die Ablation oder Verdampfung des Leiter-
     plattenträgers, 2.B. einer Polyimidfolie, unterstützt werden. Aufgrund der Druck-
     erzeugung während der Ablation eben dieses Kaptons wird das gesamte geschmol-
     zene Kupfer durch das Loch geschleudert und kann so den Niet bilden.

15
     [0038]     Generell gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Materialien
     des Dünnschichtträgers, der Dünnschicht b m . des Dünnschichtsystems, des ver-
     wendeten Lasers sowie der Art, Größe, Form und Abstand der Öffnungen je nach
     Anwendung unter den Gesichtspunkten der elektrischen Kontaktierung, der elekt-
20   rischen Leitfähigkeit, der Stabilität, der Zuverlässigkeit oder Herstellungssicherheit
     und -aufwand ausgewanit werden. Die quantitativen Angaben insbesondere zu
     Materialien, dem generellen Verfahrensschritten sowie der bevorzugten Abmes-
     sungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung oder den ein-
     zelnen Ausführungsbeispielen aufgeführt werden, sind nicht auf diese beschränkt,
25   sondern lassen sich auf die anderen, ggfs. für den Fachmann erkennbar, sinnge-
     mäß übertragen. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt.
     Dem Fachmann erschließen sich Abwandlungen und Kombinationen.




                                         12
                            ERSATZBLATT (REGEL 26)
Liste der Bezeichner

1   Träger der Metallschicht #I ; Trägerfolie der Solarzelle
2   Metallschicht # I ; Rückkontakt der Solarzelle
3   Halbleiter Typ 1; Absorberschicht der Solarzelle; CIGS-Schicht
4   Halbleiter Typ 2; CdS-Schicht
5   Vorderseitenkontakt der Solarzelle
6   Metallschicht #2; Kupferbeschichtung der flexiblen elektrischen Verbindungs-
leitung
a) Vorderseitenbeschichtung
b) Rückseitenbeschichtung
7   Träger der Metallschicht #2; Trägerfolie der flexiblen elektrischen Verbin-
dungsleitung
8   Öffnen der Trägerschicht zur Freilegung der Metallschicht # I
9   Bohrung in der Metallschicht #I
10 Andruckkrafi
11 Andruckkraft
12 Laserstrahl
13 Laserniet
14 Ritzen der Metallschicht zur elektrischen Isolierung
15 zusätzlich aufgebrachte Metallschicht; zur Kontaktierung der Vorderseite mit
dem isolierten Metall
16 Stromfluss
Patentansprüche


     1. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten, insbesondere der Kontaktflä-
 5   chen von Dünnschichtsolarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass
     unter Anwendung eines Laserstrahles in die Trägerfolie einer flexiblen Dünn-
     schicht-solarzelle eine Öffnung eingebracht wird, wobei Teile des Frontkontaktes
     und der Absorberschicht entfernt und der Dünnschichtrückkontakt freigelegt wird,
     in die Rückseite einer Dünnschichtsolarzelle durch Ablation mit einem gepulsten
10   UV-Laser eine Öffnung eingebracht wird,
     wobei durch Wahl einer geringen Laserpulsdauer eine Zerstörung der Metall-
     schicht ausgeschlossen wird,
     die Metallschichten der Dünnschichtsolarzelle und eines Kontaktbändchens ein-
     ander zugewandt positioniert werden,
15   die Öffnung auf das Kontaktbändchen aufgepresst wird,
     das aus einer Trägerfolie einer flexiblen elektrischen Verbindungsleitung mit Kup-
     ferbeschichtung besteht,
     die aneinander gepressten Metalle durch Lasereinwirkung miteinander verbunden
     werden,
20   wozu Laserstrahlen mit einer Pulslänge > 1 ps verwendet werden,
     die entstandenen Dünnschichtsolarzellen mit Kontaktbändchen beliebig parallel
     oder in Reihe geschaltet werden können.


     2. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
25   gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl aus gleicher Quelle mit unterschiedlicher
     Energie eingesetzt wird.


     3. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass
30   zum Verbinden der beiden Metallfolien ein Nd:YAG-Laser eingesetzt wird, de reine
     Wellenlänge von 1,06 pm sichert.


     4. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass
mehrere Nietenverbindungen eingebracht werden.


     5. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass die Laservernietung eines Kontaktbändchens und der
 5   Dünnschichtsolarzelle mehrmals wiederholt wird, um die Festigkeit der Verbindung
     nachträglich zu erhöhen.


     6. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass die Entfernung der oberen Schichten durch Laserbearbei-
10   tung, mechanisches Ritzen oder Maskieren während der Dünnfilmbeschichtung
     nach der Positionierung des Rückkontakts erfolgt.


     7. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass die gepulste Laserbestrahlung des Trägermaterials der So-
15   larzelle mit dem Ziel erfolgt, sie bis auf den Rückkontakt zu entfernen, von einer
     Laser- quelle mit einer Wellenlänge im Bereich von 600 bis 190 nm, einer Puls-
     dauer von < 10 ps und einer Spotgröße im Bereich von 5 bis 500 pm
     durchlausgeführt wird.


20   8. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch I,
                                                                      dadurch
     gekennzeichnet, dass der Laserpuls zum Vernieten eine Pulsdauer > 10 ps und
     eine Wellenlänge im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich hat.


     9. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
25   gekennzeichnet, dass das Bohren des Loches in den Rückkontakt der Solarzelle
     von einem gepulsten Laser mit einer Pulsdauer      1 ps durchlausgeführt wird.


     10. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen zur simultanen La-
30   serbearbeitung aufgesplittet wird.


     11.Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch
     gekennzeichnet, dass zum Bohren des Loches in den Rückkontakt derselbe Laser
     verwendet wird wie zum Vernieten.
12. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch I , dadurch
     gekennzeichnet, dass die temporäre Leistung des Laserpulses durch mechani-
     sche, elektrooptische oder optische Mittel eingestellt wird.


     13. Kontaktbändchen, bestehend aus einer Metallschicht auf einem flexiblen Trä-
     ger
     geeignet zur Mikrovernietung mit einer flexiblen Dünnschichtsolarzelle.


10   14.Kontaktbändchen nach Anspruch 13, bestehend aus einer Kupferschicht auf
     einem Polymersubstrat.


     15. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass
     es eine flexible Leiterplatte zur Kontaktierung einer CIGS-Solarzelle auf einer fle-
15   xiblen Polymerfolie ist.


     16. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
     die Schichtdicke des Metallfilms des Kontaktbändchens 2 pm übersteigt.


20   17. Kontaktbändchen nach Ansprüchen13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass
     die Größe der Mikroniete im Bereich von 5 bis 500 pm liegt.


     18. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
     die Mikroniete in einer definierten Art und Weise angeordnet sind und der Abstand
25   zwischen den Zentren der Mikroniete im Bereich von Ibis 10 mal der Größe der
     Mikroniete liegt.


     19. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
     die Mikronieten dicht in einer Reihe angeordnet sind und ein SchlitdSpalULangniet
30   bilden.


     20. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
     es auf eine Dünnschichtsolarzelle mit einer Rückkontaktschichtendicke < 5 pm be-
     festigt wird.
21. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
     es an die Dünnschichtsolarzelle durch Druckluft angepresst wird.
     22. Dünnschichtsolarzelle mit einem durch Lasernieten stabil verbundenem Kon-
 5   taktbändchen.


     23. Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet dass ent-
     sprechend Abbildung 6 b, in der die Bezugszeichen die folgende Bedeutung ha-
     ben:
10   1        Trägerfolie der DünnschichtsolarzeIle
     2        Rückkontakt der Dünnschichtsolarzelle
     3        Absorberschicht der Dünnschichtsolarzelle
     4        entfällt
     5        Vorderseitenkontakt der Dünnschichtsolarzelle
15   6        Kupferbeschichtung des Kontaktbändchens
     7        Trägerfolie des Kontaktbändchens
     8        Zugang zur Metallschicht der Dünnschichtsolarzelle
     13        Laserniet
     16        Stromfluss
20   eine Vielzahl in Reihe oder parallel geschaltet werden können.


     24. Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass
     entsprechend Abbildung 2, in der die Bezugszeichen die folgende Bedeutung ha-
     ben:
25   1        Trägerfolie der Dünnschichtsolarzelle
     2        Rückkontakt der Dünnschichtsolarzelle
     3        Absorberschicht der Dünnschichtsolarzelle
     4        CdS-Schicht
     5        Vorderseitenkontakt der Dünnschichtsolarzelle
30   6        Kupferbeschichtung des Kontaktbändchens
     7        Trägerfolie des Kontaktbändchens
     8        Zugang zur Metallschicht der Dünnschichtsolarzelle
         13   Laserniet
     eine zuverlässige Durchkontaktierung gesichert ist.
Abb. 1




Abb. 2
2 A Dünnschichtsolarzelle                  2 B Kontaktbändchen




                            ERSATZBLATT (REGEL 26)
Abb. 3




Abb. 4




         ERSATZBLATT (REGEL 26)
Frontkontakt-
                      Leitungsverbindung




                         Rückkontakt-
                      Leitungsverbindung




               für Frontkontakt




         ' 5
               für Rückseitenkontakt




Abb. 5
Abb. 6
b)

Abb. 7: REM-Abbildung eines Laserniets zwischen einem Kupferbasierenden Kon-
taktbändchen und einer Dünnschichtsolarzelle

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  • 1. (12) NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT) V E R ~ F F E N T L I C H TINTERNATIONALE ANMELDUNG E (19) Weltorganisation für geistiges Eigentum Internationales Büro 111111111111111 111111111111111111111 111 1 11111111111111111111111111 1111111111111 1111 (43) Internationales Veröffentlichungsdatum (10) Internationale Veröffentlichungsnummer 14. Mai 2009 (14.05.2009) PCT WO 20091059752 A2 (51) Internationale Patentklassifikation: (72) Erfinder; und HOlL 31/02 (2006.01) B23K26/32 (2006.01) (75) ErfinderIAnmelder (nur für US): ZIMMER, Klaus H05K 3/32 (2006.01) [DEDE]; Amselweg 36a, 04668 ParthensteinIOT Klinga (DE). BRAUN, Alexander [DEDE]; Stephanstrasse 20, (21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP2008/009316 04103 Leipzig (DE). OTTE, Karsten [DEDE]; Dölitzer (22) Internationales Anmeldedatum: Strasse 18, 04277 Leipzig (DE). GERLACH, Lothar 5. November 2008 (05.11.2008) [DE/NL]; Hazenboslaan 25, NI-2341 SE Oegstgeest (NI). (74) Anwalt: RECHTSANWALTSGESELLSCHAFT MBH (25) Einreichungssprache: Deutsch DR. JUR. PETER NENNING; Riesaer Strasse 164, (26) Veröffentlichungssprache: Deutsch 04319 Leipzig (DE). (30) Angaben zur Priorität: (81) Bestimmungsstaaten (soweit nicht anders angegeben,für 10 2007 052 972.6 jede iieifügbare nationale Schutzrechtsart): AE, AG, AL, 7. November 2007 (07.11.2007) DE AM, AO, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BH, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DO, (71) Anmelder (für alle Bestimmungsstaaten mit Ausnahme von DZ, EC, EE, EG, ES, FI,GB, GD, GE, GH, GM, GT, HN, - = P = P US):SOLARION AG [DEDE]; Ostende 5,04288 Leipzig (DEI. HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LA, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LY, MA, MD, ME, MG, MK, P [Fortsetzung auf der nächsten Seite] = E - = (54) Title: METHOD AND MEANS FOR CONNECTING THIN METAL LAYERS P = P - - P E (54) Bezeichnung: - P P E VERFAHREN UND MITTEL ZUM VERBINDEN DÜNNER METALLSCHICHTEN P - P E E 8 13 - P = P P P P P P - P E E - 61~ P P P = P 7 - P E P E P = P - = - P = Fig. 2 = (57) Abstract: Disclosed are a configuration for bonding a thin metal layer to two workpieces {B}and {A},e.g. solar cells and film- 4 backedlreinforced small contact strips as well as a method for the stable production of such a connection, comprising the following steps: (i) the backing film is removed from the solar cell; (ii) the two filmsllayers are pressed together; and (iii) the two parts are 5 irradiated from the side of the rear contact { } of the thin-film solar cell. According to the invention, preferably two or three laser treatment steps are used for removing the backing film of the thin-film solar cell in an ablation process by means of a short-pulse laser and nveting the first metal layer, e.g. the rear contact of the solar cell, to the second metal layer, e.g. the small contact strip, by irradiating the same by means of a long-pulse laser. The energy density, pulse duration and temporary pulse form, pulse frequency, and wavelength for the ablation process and the weldinglnveting process are selected according to the specific matenals used. Such a laser riveting process can be used for electncally contacting thin-film solar cells with small flexible contact strips. 0 2.(57) . Zusammenfassung: Eine Konfiguration zum Bonden von einer dünnen Metallschicht auf zwei Werkstücken {B}und {A},z. B. Solarzellen und foliengestützenlverstärkten Kontaktbändchen, und eine Methode zur stabilen Herstellung einer solchen Verbin- 0 dung einschließlich der Schritte (i) zur Entfernung der Trägerfolie von der Solarzelle, (ii) 3 [Fortsetzung auf der nächsten Seite]
  • 2. MN, MW, MX, MY, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, TJ, TM), europäisches (AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, PH, PL, PT, RO, RS, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, EE, ES, FI,FR, GB, GR, HR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, ST, SV, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, MC, MT, NL, NO, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR), OAPI (BF, VC, VN, ZA, ZM, ZW. BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG). (84) Bestimmungsstaaten (soweit nicht anders angegeben, für jede verfügbare regionale Schutzrechtsart): ARIPO (BW, Veröffentlicht: - GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ohne internationalen Recherchenbericht und erneut zu ver- ZM, ZW), eurasisches (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, öffentlichen nach Erhalt des Berichts dem Zusammenpressen der beiden FolienISchichten gegeneinander und (iii) der Bestrahlung der beiden Teile von der Seite des Rück- kontaktes { } der Dünnschichtsolarzelle wird vorgestellt. Entsprechend der Erfindung werden vorzugsweise zwei oder drei Laser- bearbeitungsschntte angewendet, um die Trägerfolie der Dünnschichtsolarzelledurch Ablation mit einem Kurzpulslaserzu entfernen und die erste Metallschicht, z. B. den Rückkontakt der Solarzelle, mit der zweiten Metallschicht, z. B. dem Kontaktbändchen,durch Bestrahlung mit einem Langzeitpulslaser zu vernieten. Die Energiedichte, Pulsdauer und temporäre Pulsform, die Pulsfrequenz und die Wellenlänge werden bezüglich der Ablation und des SchweißNernietungsprozesses entsprechend der spezifischen verwendeten Materialien gewählt. Eine derartige Laservernietung kann zum elektrischen Kontaktieren von Dünnschichtsolarzellen mit flexiblen Kontaktbändchen angewendet werden.
  • 3. Verfahren und Mittel zum Verbinden dünner Metallschichten [0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bon- den von zwei Metallfilmen, die auf flexible Träger aufgebracht sind, und ein Ver- 5 fahren zur Realisierung dieser Verbindung. Insbesondere bezieht sich die Erfin- dung auf die elektrische Verbindung von Dünnschichtsolarzellen mit flexiblen Lei- terplatten und ein Verfahren zur Herstellung derselben. [0002] Gegenwärtig werden verschiedene Typen von Dünnschichtsolarzellen, 10 die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, entwickelt. Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer solchen Zelle, die im Wesentlichen aus einem Front- kontakt (51, einem Rückkontakt (2) und einer halbleitenden Absorberschicht (3) besteht. Der Frontkontakt ist dem ankommende Licht zugewandt und besteht aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TOC - transparent conductive oxide), der 15 Rückkontakt besteht aus einer Metallschicht. Die Licht umwandelnde Halbleiter- schicht (Absorber) (3) kann aus verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus amorphem sowie mikro- oder polykristallinem Silizium, Kupfer-lndium-Gallium- Diselenid (CIGS) und anderen halbleitenden Materialien. Ein zusätzlicher dünner halbleitender Film (4) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit ist erforderlich, um den 20 pn-Übergang mit der halbleitenden Absorberschicht (3) herzustellen. Für CIGS- Solarzellen wird der pn-Übergang durch einen Heteroübergang der CIGS-Schicht und einer dünnen CdS-Schicht gebildet. [0003] Die Herstellung von dünnen Solarzellen auf flexiblen Substraten wurde schon gezeigt bzw. vorgestellt. Polymere bieten exquisite Eigenschaften wie zum Beispiel Festigkeit, Dichte, Oberfiächenqualität usw. bei geringem Gewicht. - -- Allerdings ist die maximale Gebrauchstemperatur aufgrund der Stabilität des Po- lymer-materials begrenzt. Für eine qualitativ hochwertige Halbleiterschichtab- scheidung ist dennoch ein zusätzlicher Energieeintrag in Form von Vliärmeenergie 30 oder Strahlung notwendig. Aus diesem Grund werden für den industriellen Pro- zess der Abscheidung dünner Halbleiterschichten für flexible Solarzellen oft Hoch- leistungspolymerfolien wie z. B. ~apton@ verwendet.
  • 4. WO 20091059752 PCTlEP20081009316 [0004] Diese Materialien werden mit oder ohne textile Verstärkung auch für starre und flexible Leiterplatten verwendet. Die Technologie der Herstellung so- wohl des Basismaterials als auch verschiedener Produkte ist bekannt. 5 [0005] Die in der Solarzelle produzierte elektrische Energie muss zum Verbraucher weitergeleitet werden. Zu diesem Zweck müssen die dünnen Schich- ten elektrisch kontaktiert und mit einem Leitbahnsystem verbunden werden. Bei Dünnschichtsolarzellen und besonders bei flexiblen Solarzellen muss dieser Kon- takt ebenfalls flexibel sein, sodass auch dünne Schichten, dünne Folien oder ähn- 10 liche dünne metallische Leiter verwendet werden sollten. [0007] Ein Standardprozess zur Verbindung der Kontaktpads massiver Solar- 15 zellen, wie beispielsweise Siliziumwafer-Solarzellen, ist das Anlöten von Kontakt- streifen an Lötpunkte von Vorder- und Rückkontakt, z. B. durch Bestrahlung mit Hochleistungslampen. Das Löten dünner Schichten ist aufgrund der geringen Schichtdicke von etwa 1 Pm und darunter komplizierter. Die Legierungsprozesse, die während des Lötens auftreten, können bekanntermaßen Schädigungen der 20 dünnen Schichten oder Kontaktstellen verursachen. [0008] Ein weiteres Verfahren, Dünnschichtsolarzellen mit den externen Kon- takten zu verbinden, besteht in der Verwendung von Kontaktklebern. Dieser weit- verbreitete Prozess setzt allerdings die Verwendung eines zusätzlichen Materials 25 voraus. Die Kontaktfläche sollte wegen der spezifischen Widerstandswerte des Kontaktklebers und der üblichen Applikationstechniken der Pasten, beispielsweise Siebdruck oder ähnlicher Verfahren, von mittlerer Größe sein. [0009] Ferner sind Verbindungstechnologien bekannt, die ohne zusätzliche 30 Materialien wie Leitkleber oder Lötzinn auskommen. Der Anschluss dünner Drähte an Halbleiterchips ist aus der Halbleiterindustrie bekannt und wird durch einen so- genannten Bondprozess realisiert. Allerdings setzt dieser Prozess spezielle Ober- flächen und Materialien voraus und kann nur mit speziellen Metallen wie Gold und Aluminium ausgeführt werden. Außerdem wirken beim Bonden hohe Drücke auf
  • 5. WO 20091059752 PCTlEP20081009316 die Oberfläche der dünnen Schichten ein. Die mechanische Starrheit der Polymer- folien entspricht nicht den Erfordernissen des Bondprozesses, wie er in der Halb- leiterindustrie angewendet wird. Die moderne Lasertechnologie stellt leistungsfähige Laserquellen mit Leistungen 5 im kW-Bereich zur Verfügung. Maschinenbau-Anwendungenerfordern solche Leis-tungen, allerdings sind für Mikroprozesse in der Regel einige Watt ausrei- chend. Des Weiteren kann der Laserstrahl auf sehr kleine Flächen fokussiert und kontrolliert zu beliebigen Punkten auf der Oberfläche geführt werden. Das Aufspal- ten leistungsstarker Laserstrahlen in Teilstrahlen wird oft benutzt, um die Leistung, 10 die Geschwindigkeit bzw. die Bearbeitungsqualitätzu erhöhen. [OOIO] In JP2005191584 wird eine integrierte Solarbatterie vorgestellt, bei der Anschlusspads die Spannung der Solarzelle abgreifen. Um die Solarbatterie mit einer verzinnten Kupferfolie zu verbinden, wurde zusätzlich Lötzinn auf die Bond- 15 stellen aufgetragen. Hierdurch kann die Kontaktierung durch Löten realisiert wer- den. 1001I] Laserstrahlbearbeitung kommt bei der Solarzellenherstellung regelmä- ßig zur Anwendung. Speziell bei der Dünnschichtsolarzellenherstellung wird das 20 Laserritzen eingesetzt, um die verschiedenen Teile der Solarzelle voneinander zu isolieren. Derartige Ritzverfahren werden auch bei der seriellen Verschaltung von Solarzellen angewendet, wie in EP1727211 dargestellt ist. [0012] Ein anderes Konzept der Verbindung von Dünnschichtsolarzellen mit 25 einem externen Kontakt wird in von E.J. Simburger et al. in “Development of a thin film solar cell interconnect for the PowerSphere concept", Materials Science and Engineering B 116 (2005) 321-325 vorgeschlagen und in ähnlicher Weise in US20050011551 dargestellt. Das Konzept beruht auf der Verwendung eines um- greifenden Randkontaktes, der an der Kante einer Dünnschichtsolarzelle ange- 30 ordnet ist, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten einer Dünn- schichtsolarzelle und den Kontaktpads, die auf der Rückseite der Solarzelle ange- ordnet sind, herzustellen. Ein Laserstrahl wird für die Verschweißung der Kupferfo- lie mit flexiblen Kontaktbändchen benutzt. Bei dieser Ausführungsform muss der umgreifende Randkontakt durch eine komplizierte Folge von Dünnschicht-
  • 6. Beschichtungsprozessen hergestellt werden. Außerdem wird die Verbindung des Umgriffkontaktes mit dem externen Kontaktbändchen durch Laserschweißen her- gestellt. Aufgrund der verwendeten Metalle bildet sich ein Metallübergangskontakt, der typisch für die Bildung von Legierungen ist, die während der Vermischung der 5 flüssigen Phasen beim Schweißen auftritt. [0013] In US6114185 wird vorgeschlagen, das Laserschweißen zur Verbin- dung von Halbleiterbauelementen mit Metallteilen anzuwenden. Allerdings ist ein Kontakt zu den Elektroden der Solarzelle nicht vorgesehen. Weiterhin wird betont, dass die Halbleiterbauelemente den Temperaturen während des Schweißvorgan- 10 ges standhalten müssen. [0014] Die gegenwärtig verfügbaren Lasertechnologien ermöglichen die Ver- bindung metallischer Teile durch Laserbestrahlung. Typische Prozesse sind Schweißen und Löten mit und ohne zusätzliche Materialien. Für eine zuverlässige 15 Verbindung bewirken Diffusionsprozesse die Vermischung der Metalle und können zur Bildung zusätzlicher Phasen führen. Wenn unterschiedliche Metalle durch Wärme- oder Laserprozesse verbunden werden, kann es aufgrund der unter- schiedlichen Phasenübergangstemperaturen, ungenügender Bildung von Legie- rungen oder das Auflösen der dünnen Schichten während der Bearbeitung im 20 flüssigen/geschmolzenen Zustand zu Problemen kommen. [0015] Die gegenwärtig verfügbaren Verfahren zur Verbindung von dünnen Schichten mit der Außenverdrahtung haben Nachteile. Sie erfordern zur Herstel- lung der Verbindung entweder einen hohen technischen, verfahrenstechnischen 25 oder technologischen Aufwand, besondere Materialien oder spezifische Oberflä- chen. lnsbesondere bei flexiblen Trägem gewinnen dies Aspekte besonders an Bedeutung. [0016] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Verfahren zur 30 Verbindung von dünnen Metallschichten auf flexiblen Träger bereitzustellen, das mit geringem Aufwand und bei geringem Flächenbedarf eine Verbindung der dün- nen Schicht mit der Außenverdrahtung ermöglicht. lnsbesondere wird angestrebt, eine zuverlässige Methode zur Verbinduna von mindestens m e i Metallschichten 4 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 7. zur Verfügung zu stellen, die das mechanische und elektrische Bonden vorzugsweise meier unterschiedlicher Materialien ermöglichen. [0017] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anwendung von gepulster 5 Laserstrahlung entsprechend den in Anspruch Igenannten Merkmalen gelöst. Die aktuelle Erfindung bietet einen Prozess zur Mikrovernietung dünner Schichten und Folien, der die mechanische und elektrische Verbindung dünner Metallschichten durch geometrische Verzahnung der Materialien und die Bildung von Gemischen der beteiligten Materialien ermöglicht. Zusätzlich wird eine Methode zur Herstel- 10 l ~ n derartiger Mikrovernietungen für dünne Schichten und Folien bereitgestellt. g [0018] Die aktuelle Erfindung zeigt eine Konfiguration zum Mikrobonden von zwei dünnen Schichten oder zwei Dünnschichtstapeln mittels Mikro(hohl)nieten, die vorzugsweise aus dem Material einer der beiden beteiligten dünnen Schichten 15 bestehen sowie einen Prozess zur Mikrovernietung derartiger dünner Schichten oder Dünnschichtstapel durch Laserbestrahlung. [0019] Die Ziel, Charakteristiken, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfin- dung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zu- 20 sammen mit den beigefügten Abbildungen verdeutlicht. Beschreibung der Abbildungen [0020] Abb. 1: Schematische Ansicht des Prinzipaufbaus einer Dünnschichtsolarzelle auf 25 flexiblen Substraten. Abb. 2: 3D-Schema des Bereiches des Bondens einer Solarzelle mit dem Kontakt- bändchen durch Mikrovernietung. Abb. 3: Die wichtigsten Prozessschritte für das Lasernieten bzw. das Laserbonden sind schematisch gezeigt. 30 Abb. 4: Beispiele für unterschiedliche Ausführungen von Lasernietverbindungen am Beispiel der Verbindung einer Dünnschichtsolarzelle mit einer flexiblen Verbin- dungsleitung. Abb. 5: Beispiel für die Anwendung von Lasernieten zur Verbindung von Front- und Rückkontakt einer Solarzelle mit einer flexiblen Verbindungsleitung. 5 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 8. Abb. 6: Schematische Ansicht des Stromflusses bei der Verbindung von Vorder- und Rückkontakt einer Solarzelle mit einem flexiblen Verbindungsleitungssystem. Abb, 7: REM-Darstellung einer Laservernietung zwischen einem flexiblen Kupfer- leiterplatte und einer Dünnschichtsolarzelle auf einer Kaptonfolie. [0021] Die Erfindung soll nachstehend anhand von den in der Zeichnung dar- gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den Abbildungen kennzeichnen identische Bezeichnungen (Nummern, Abkürzungen, Namen usw.) identische oder gleichartige Komponenten oder Prozesse. 10 [0022] In Abb. 3 a) bis g) werden die hauptsächlichen Schritte zum Bonden von Dünnschichtstrukturen mittels Lasernietens schematisch in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Bonden von Dünnschichtsolarzellen mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsleitung dargestellt. 15 Wie in Abb. 3 a) dargestellt ist, werden zunächst die obenliegende Schichten der Solarzelle (insbesondere der Frontkontakt und die Absorberschicht) entfernt, um den Dünnschichtrückkontakt (21, der in diesem Fall aus Molybdän besteht, freizu- legen. Des Weiteren wird die Polymerträgerfolie {I) in einem begrenzten Ge- biet (8) bis auf die dünne Metallschicht (2)entfernt, wie in Abb. 3 b) dargestellt 20 wird. Das kann durch Ablation mit einem gepulsten UV-Laser geschehen, dessen Pulsdauer geringer als 1 ps ist. Die Laserablationsparameter, z. B. die La- serfluenz, werden so ausgewählt, dass die Ablation der Trägerfolie {I) zu reali- so sieren, dass der zerstörungsfreieAbtrag des Trägerfolienmaterials von der dünnen Metallschicht (2) möglich ist, so dass die Herstellung einer nun freistehenden dün- 25 nen Metallschicht gesichert ist. Analoge Prozesse können für die Präparation des Kontaktbereiches der flexiblen Verbindungsleitung angewendet werden. Speziell die Deckschichten (6a) etc., beispielsweise eine mögliche Deckschicht des Kon- taktmetalls, müssen zumindest in dem Bereich entfernt werden, in dem das La- sernieten durchgeführt werden soll. 30 [0023] Bei einer speziellen Ausführung des Prozesses, welche in Abb. 3 C) gezeigt wird, wird ein Kieines ~ o c h die dünne Merallschicht des Rückkontakts in gebohrt. Dieser Bohrprozess wird vorzugsweise nach der Polymerablation der Trägerfolie der Solarzelle entsprechend Abb. 3 b) erfolgen, kann aber auch da- 6 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 9. nach geschehen. Bei beiden Ausfuhrungsarten ist eine ausreichend exakte Über- deckungsgenauigkeit bei den Prozessschritten erforderlich, um zu sichern, dass das gebohrte Metallloch (9) innerhalb des ablatierten Bereiches (8)liegt. Das ist insbesondere dann garantiert, wenn für beide Prozessschritte dieselbe Anlage o- 5 der sogar derselbe Laserstrahl benutzt wird. Eine Kombination der Laserablation des Trägeriolie {I) der Metallschicht (2) durch Verwendung desselben Laser- und strahles, auch wenn erforderlichenfalls unterschiedliche Laserparameter verwen- det werden, kann die Herstellung bezüglich Geschwindigkeit und Funktionssicher- heit verbessern. Die in Abb. 3 b) bis C) dargestellten Prozessschritte können auch 10 durchgeführt werden, wenn die flexible Verbindungsleitung schon die Solarzellen- folie abstützt, wie in Abb. 3 d) dargestellt ist. [0024] Im nächsten Schritt, vergleiche Abb. 3 e),wird der so vorbereitete Be- reich der Dünnschichtsolarzelle auf die flexible Verbindungsleitung aufeinander- gepresst. In diesem Schritt werden Kräfte {I I an die Dünnschichtsolarzelle 0, I) 15 und die flexible Verbindungsleitung (7)angelegt, um die Entfernung zwischen bei- den Metallschichtoberflächen ausreichend zu verringern. [0025] Nun befindet sich der dünne Metallrückkontakt der Dünnschichtsolar- zelle in Kontakt mit dem Metall der flexiblen Verbindungsleitung. Beide Metalle (2, 20 6) werden durch Laserbestrahlung { I 2) verbunden, wie in Abb. 3 f) dargestellt ist. Dafür wird vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen von größer 1 PS verwendet. Die Wellenlänge kann entsprechend der Erfordernisse ausgewählt werden. Allerdings wird aus Kostengründen ein Nd:YAG-Laser mit eine Wellen- länge von 1.06 vm bevorzugt. Aufgrund der Laserbestrahlung und der dadurch 25 ausgelösten Prozesse wird eine Verbindung, die beide Metallschichten mecha- nisch miteinander verbindet und auch einen elektrischen Kontakt bildet, geformt, die im Schnitt einer Nietverbindung ähnelt. Nach dem Lösen der Kräfte, die die beiden Teile aufeinander gepresst haben, ist eine stabile Laser- Nietverbindung r4 91 --A-&-- A- - 1 I JJ CI iraiar iueri, wie scnemaiiscn in Abb, 3 g dargestellt ist. [0026] Für ein stabiles und reproduzierbares Bonden einer Dünnschichtsolar- zelle mit einer flexiblen Verbindungsleitung sind üblicherweise mehrere Mikroniete wünschenswert, wie in Abb. 4 dargestellt ist. In der Abbildung sind verschiedene Möglichkeiten der Konfiguration von Mikronieten und dem geöffneten Rückseiten- 7 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 10. kontakt bezüglich Form, Gestaltung und Größe zu sehen. Andere Formen, Konfi- gurationen und Größen sind ebenfalls möglich. Die Niete können ebenfalls schlitz- förmig sein. Einzelne Lasernietungen können in Reihen angeordnet sein oder eine dichte Anordnung bilden. 5 [0027] Um qualitative hochwertige Nietverbindungen zu erreichen, müssen beide Metalloberflächen während des Lasernietens so eng wie möglich beieinan- der sein. Um dies zu erreichen, können die folgenden Methoden angewendet oder miteinander kombiniert werden: Vakuumsaugtische, Druck eines Gasstroms oder 10 der Nutzung des Drucks der Ablationswolke. Des Weitern können die Folien über gekrümmte Werkstückträger, z. B. Rollen, geführt werden. Andere technische Hilfsmittel sind ebenfalls möglich. [0028] Speziell zum Lasernieten verschiedener Materialien unterstützt ein in die obere Metallschicht gebohrtes Loch die Bildung der Mikronieten. Dieses Loch 15 kann in verschiedenen Stadien des Produktionsprozesses eingebracht werden. Vorzugsweise wird aber ein Laser venrvendet, wobei unterschiedliche Lasertypen nutzbar sind. Zweifellos kann der zum Nieten venvendete Laser auch zum Bohren benutzt werden. Die hierfür optimale zeitliche Energiezuführung kann durch Steue- rung der Ausgangsleistung oder der Pulsdauer des Laserstrahl erfolgen. Eine ele- 20 gante Methode ist die Modifizierung der Pulsdauer durch geeignete Mittel, z. B. e- lektrooptische Elemente. Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsart ist die elektri- sche Kontrolle der Laserausgangsleistung. Unter Einbeziehung derartiger Kon- trollverfahren kann der Bohr- und Lasernietprozess mit einem Laser durchgeführt werden. Auch eine Variation der Pulsdauer kann zweckmäßig sein, um mit ein und 25 demselben Laser sowohl zu bohren als auch zu schweißen. Ebenso ist eien ge- eignete Steuerung der Pulsform des Lasers möglich, um mit dem gleichen Laser zu bohren und zu schweißen. [0029] Um eine Serie von Mikronieten simultan zu erzeugen, kann aer iaser- 30 strahl aufgespaltet werden und so gleichzeitig mehrfach für den Lasernietprozess zum Einsatz kommen. Folglich kann eine Reihe von Nietverbindungen simultan erzeugt werden. 8 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 11. [0030] Die Anwendung der Lasernietmethode zur Kontaktierung von Dünn- schichtsolarzellen ist in Abb. 5 schematisch dargestellt. Das Schema zeigt die Draufsicht auf den gebondeten Bereich, wobei der Frontkontakt obenauf liegt. Als ein Beispiel für die praktische Anwendung wurden beide, der Rückseiten- und der 5 Frontkontakt, simultan mit dem Kontaktbändchen verbunden. Deshalb mussten zusätzliche Prozessschritte vor dem Lasernieten in verschiedenen Stadien der Herstellung der Solarzelle {A) und der flexiblen elektrischen Verbindungslei- tung {B) eingefügt werden. Zunächst muss der Rückkontakt der Solarzelle (2) zur sicheren elektrischen Isolation von den Teilen des Rückkontaktes, die für das 10 Bonden mit dem Frontkontakt vorgesehen sind, angeritzt werden Zusätzlich muss die Metallschicht (6) der flexiblen elektrischen Verbindungsleitung {B) so geritzt werden, dass zwei Leitungen {6a) und (6b) entstehen. Die Ritze sind mit (14) be- zeichnet. Um den Frontkontakt mit dem isolierten Rückseitenbereich zu verbinden, wurde beispielsweise eine zusätzliche Metallschicht { I 5) aufgebracht. Diese elekt- 15 rische Verbindung kann auch alternativ, z. B. durch Leitkleber, hergestellt werden. Die Metallschicht {I 5) kann auch auf der Oberfläche der Rückkontaktschicht (2) positioniert werden, womit der Lasernietprozess verbessert werden kann. Demzu- folge ist eine sorgfältige Auswahl der Metallschicht {I erforderlich. Die Quer- 5) schnitte des zum Bonden vorbereiteten Front- und Rückkontakts der Solarzelle 20 sind in Abb. 5 b) schematisch dargestellt. Nun kann der Lasernietprozess in der zuvor geschilderten Art und Weise erfolgen. Um die Festigkeit der Bondstelle zu erhöhen, können mehrere Niete angebracht werden. [0031] In Abb. 6 wird der Stromfluss von einer ersten dünnen Metallschicht, 25 z. B. einer Solarzelle, zu einer zweiten Metallschicht, z. B. einer flexiblen elektri- schen Verbindungsleitung, schematisch dargestellt. Die Lasernietprozesse werden ähnlich den beschriebenen ausgeführt. Bezüglich der elektrischen Kontaktierung ermöglichen Laserniete den Stromfluss zwischen zwei mit verschiedenen Metallen beschichteten dünnen flexiblen Trägern. Außerdem erzielen die Laserniete auch 30 ein mechanische Verbindung und kann auch nur für diesen Zweck eingesetzt wer- den. [0032] Die REM-Abbildung in Abb. 7 zeigt eine Lasernietverbindung zwischen dem Rückkontakt einer Dünnschichtsolarzelle und der Kupferbeschichtung einer
  • 12. flexiblen Leiterplatte. Das Metall des Rückkontaktes ist Molybdän, welches sich weder gut löten noch schweißen lässt. Auf der linken und der unteren Seite der Abbildung sind die Kanten der geöffneten Trägerfolie sichtbar. In der Nähe des Zentrums ist um das gesamte Loch herum ausgeworfenes Material sichtbar, wel- 5 ches während des Lasernietprozesses entsteht und nach dem Wiedererstarren aus dem flüssigen Zustand den Niet bildet. Anwendungsbeispiele Die aktuelle Erfindung wird nun anhand unterschiedlicher Beispiele detaillierter 10 beschrieben. Erstes Beispiel [0033] Die aktuelle Erfindung wird nun anhand des Vernietens einer dünnen Molybdänfolie mit einem flexiblen Kupferkontaktbändchen konkreter beschrieben. 15 Derartig dünne Molybdänschichten werden als Rückkontakte für Solarzellen, z. B. CIGS-Solarzellen wie in Abb. 1, verwendet. Für den Vernietungsprozess können die obersten Schichten der Solarzelle, als Frontkontakt, Absorber usw., bis zum Rückkoniakt mechanisch oder mjiiels Lasers entfernt werden, um die Molybdän- schicht freizulegen, wie in Abb. 3 a) zu sehen ist. 20 [0034] Von der so vorbereiteten Solarzelle wird die Polymerträgerfolie mittels Laser ablation entfernt. Um dies durchzuführen, ist die Solarzellenvorderseite im Bereich der rückseitigen Ablation der Polymerträgerfolie eng mit einer stabilen Halterung verbunden und wird mit einem Laser ausreichender Pulsenergie be- 25 strahlt. Um die Polymerfolie (UPILEX ??? Alex(S0LARION) Dicke ca. 25 pm) schonend zu ablatieren, wird ein UV-Laserstrahl mit einer Wellenlänge < 300 nm verwendet. Die Energiedichte des abjatierenden Laserstrahles wird während der anhaltenden Ablation mit zunehmender Abtragtiefe und reduzierter Folienrestdicke zum Rückkontakt reduziert, um eine selektive Ablation des Polymerträgers zum 30 metallischen Rückkontaktes zu gewährleisten. Bei diesem Beispiel wird ein Exci- merlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Laserfluenz von 200 bis 600 mJ/cm2verwendet. Zum selektiven, lokalen Entfernen der Polymerschicht können alternative Prozesse wie Plasmaätzen angewendet werden.
  • 13. [0035] Es wird darauf verwiesen, dass ein kleines Loch in der hochschmelzen- den Molybdänschicht den Lasernietprozess unterstützen und verbessern kann. Zu diesem Zweck wird nach der Ablation der die Solarzelle stützenden Polymerfolie ein kleines Loch in die Molybdänschicht gebohrt, wie in Abb. 3 C) dargestellt ist. 5 Das Loch unterstützt später die Bildung des Laserniets. Bei diesem Beispiel wurde das Loch in den 5 pm dünnen Molybdän-Rückkontakt innerhalb O l l s mit einer Ult- rakurzpulslaserbestrahlung bei einer Wellenlänge von 775 nm und einer Fluenz von 3 J/cm2gebohrt. Aufgrund des ultrakurzen Laserpulses findet fast kein Schmelzen der dünnen Metallschicht außerhalb des Loches statt, sodass eine 10 Randwulst vermieden werden kann. Die Lochgröße wurde etwas geringer als die Größe des für das Lasernieten verwendeten Laserstrahles gewählt. In diesem Beispiel wurde ein Laserspot von Ca. 15 Pm verwendet. Die passende Bohrloch- größe kann durch kreisförmige Bewegungen des Laserspots auf der zu bohrenden Metallschicht eingestellt werden. Allerdings kann das Loch, obwohl es in diesem 15 Beispiel nach der Ablation der Polymerträgerfolie gebohrt wurde, auch vorher er- zeugt werden. [0036] Eine flexible Verbindungsleitung, bestehend aus einer 25 pm starken Kupferschicht auf einer ~apton@-~rä~erfolie pm) wurde für die Laserniet- (d -50 20 versuche verwendet. Die flexible Verbindungsleitung wurde im Bereich der Laser- vernietung durch Waschen mit iosungsmittein und Entfernen ioser Kontaminatio- nen gereinigt. Das gewährleistet einen guten Kontakt der Kupferoberfläche der flexible Verbindungsleitung mit dem MolybdänRückkontakt. 25 [0037] Nun werden die flexible Verbindungsleitung und die Solarzelle entspre- chend der Abb. 3 d) verbunden. Zusätzlich wird eine Vakuumspannvorrichtung genutzt, um beide Metallobefflächen zusammenzupressen. Nachdem das Molyb- dän und die Kupferschicht der flexiblen Verbindungsleitung miteinander, entspre- chelid Abb. 3 dj, iierbünden silid, wird ein i~ili~e1iiei Laseipü1s vcn :G KC Dauer. 30 und einer Energie von 0,15 J sowie einer Wellenlänge von 1064 nm appliziert. Der Laserstrahl mit einem Durchmesser von Ca. 30 pm wkd auf das gebohrte Loch fokussiert. Aufgrund der Energie des Laserstrahls werden sowohl die Molybdän- als auch die Kupferschicht bis zum Schmelz- bzw. bis zum Verdampfungspunkt erhitzt. Teile der Laserstrahlung sind auch durch das Loch hindurch bis auf die 11 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 14. Oberfläche der Kupferschicht gelangt. Wegen seiner niedrigeren Schmelz- und Verdampfungstemperatur schmilzt und verdampft das Kupfer daraufhin. Teile des geschmolzenen Kupfers gelangen infolge des Kupferdampfdruckes durch das Loch hindurch und lagern sich um das laserbestrahlte Gebiet herum ab. Weil der Laser- spot zum Nieten größer als das in der Molybdänschicht gebohrte Loch ist, wird die Molybdänschicht bis zum Schmelzpunkt oder gar darüber hinaus erhitzt. Daraufhin kommt es unter Beteiligung beider geschmolzener Metalle zur Herausbildung einer stabilen Verbindung infolge metallurgischer Prozesse und einer Verzahnung der Metalle nach dem Wiedererstarren. Der Transport des geschmolzenen Kupfers des Kontaktbändchens kann auch durch die Ablation oder Verdampfung des Leiter- plattenträgers, 2.B. einer Polyimidfolie, unterstützt werden. Aufgrund der Druck- erzeugung während der Ablation eben dieses Kaptons wird das gesamte geschmol- zene Kupfer durch das Loch geschleudert und kann so den Niet bilden. 15 [0038] Generell gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Materialien des Dünnschichtträgers, der Dünnschicht b m . des Dünnschichtsystems, des ver- wendeten Lasers sowie der Art, Größe, Form und Abstand der Öffnungen je nach Anwendung unter den Gesichtspunkten der elektrischen Kontaktierung, der elekt- 20 rischen Leitfähigkeit, der Stabilität, der Zuverlässigkeit oder Herstellungssicherheit und -aufwand ausgewanit werden. Die quantitativen Angaben insbesondere zu Materialien, dem generellen Verfahrensschritten sowie der bevorzugten Abmes- sungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung oder den ein- zelnen Ausführungsbeispielen aufgeführt werden, sind nicht auf diese beschränkt, 25 sondern lassen sich auf die anderen, ggfs. für den Fachmann erkennbar, sinnge- mäß übertragen. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Dem Fachmann erschließen sich Abwandlungen und Kombinationen. 12 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 15. Liste der Bezeichner 1 Träger der Metallschicht #I ; Trägerfolie der Solarzelle 2 Metallschicht # I ; Rückkontakt der Solarzelle 3 Halbleiter Typ 1; Absorberschicht der Solarzelle; CIGS-Schicht 4 Halbleiter Typ 2; CdS-Schicht 5 Vorderseitenkontakt der Solarzelle 6 Metallschicht #2; Kupferbeschichtung der flexiblen elektrischen Verbindungs- leitung a) Vorderseitenbeschichtung b) Rückseitenbeschichtung 7 Träger der Metallschicht #2; Trägerfolie der flexiblen elektrischen Verbin- dungsleitung 8 Öffnen der Trägerschicht zur Freilegung der Metallschicht # I 9 Bohrung in der Metallschicht #I 10 Andruckkrafi 11 Andruckkraft 12 Laserstrahl 13 Laserniet 14 Ritzen der Metallschicht zur elektrischen Isolierung 15 zusätzlich aufgebrachte Metallschicht; zur Kontaktierung der Vorderseite mit dem isolierten Metall 16 Stromfluss
  • 16. Patentansprüche 1. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten, insbesondere der Kontaktflä- 5 chen von Dünnschichtsolarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung eines Laserstrahles in die Trägerfolie einer flexiblen Dünn- schicht-solarzelle eine Öffnung eingebracht wird, wobei Teile des Frontkontaktes und der Absorberschicht entfernt und der Dünnschichtrückkontakt freigelegt wird, in die Rückseite einer Dünnschichtsolarzelle durch Ablation mit einem gepulsten 10 UV-Laser eine Öffnung eingebracht wird, wobei durch Wahl einer geringen Laserpulsdauer eine Zerstörung der Metall- schicht ausgeschlossen wird, die Metallschichten der Dünnschichtsolarzelle und eines Kontaktbändchens ein- ander zugewandt positioniert werden, 15 die Öffnung auf das Kontaktbändchen aufgepresst wird, das aus einer Trägerfolie einer flexiblen elektrischen Verbindungsleitung mit Kup- ferbeschichtung besteht, die aneinander gepressten Metalle durch Lasereinwirkung miteinander verbunden werden, 20 wozu Laserstrahlen mit einer Pulslänge > 1 ps verwendet werden, die entstandenen Dünnschichtsolarzellen mit Kontaktbändchen beliebig parallel oder in Reihe geschaltet werden können. 2. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch 25 gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl aus gleicher Quelle mit unterschiedlicher Energie eingesetzt wird. 3. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 30 zum Verbinden der beiden Metallfolien ein Nd:YAG-Laser eingesetzt wird, de reine Wellenlänge von 1,06 pm sichert. 4. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
  • 17. mehrere Nietenverbindungen eingebracht werden. 5. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservernietung eines Kontaktbändchens und der 5 Dünnschichtsolarzelle mehrmals wiederholt wird, um die Festigkeit der Verbindung nachträglich zu erhöhen. 6. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung der oberen Schichten durch Laserbearbei- 10 tung, mechanisches Ritzen oder Maskieren während der Dünnfilmbeschichtung nach der Positionierung des Rückkontakts erfolgt. 7. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Laserbestrahlung des Trägermaterials der So- 15 larzelle mit dem Ziel erfolgt, sie bis auf den Rückkontakt zu entfernen, von einer Laser- quelle mit einer Wellenlänge im Bereich von 600 bis 190 nm, einer Puls- dauer von < 10 ps und einer Spotgröße im Bereich von 5 bis 500 pm durchlausgeführt wird. 20 8. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls zum Vernieten eine Pulsdauer > 10 ps und eine Wellenlänge im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich hat. 9. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch 25 gekennzeichnet, dass das Bohren des Loches in den Rückkontakt der Solarzelle von einem gepulsten Laser mit einer Pulsdauer 1 ps durchlausgeführt wird. 10. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen zur simultanen La- 30 serbearbeitung aufgesplittet wird. 11.Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bohren des Loches in den Rückkontakt derselbe Laser verwendet wird wie zum Vernieten.
  • 18. 12. Verfahren zum Verbinden dünner Metallschichten nach Anspruch I , dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre Leistung des Laserpulses durch mechani- sche, elektrooptische oder optische Mittel eingestellt wird. 13. Kontaktbändchen, bestehend aus einer Metallschicht auf einem flexiblen Trä- ger geeignet zur Mikrovernietung mit einer flexiblen Dünnschichtsolarzelle. 10 14.Kontaktbändchen nach Anspruch 13, bestehend aus einer Kupferschicht auf einem Polymersubstrat. 15. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine flexible Leiterplatte zur Kontaktierung einer CIGS-Solarzelle auf einer fle- 15 xiblen Polymerfolie ist. 16. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Metallfilms des Kontaktbändchens 2 pm übersteigt. 20 17. Kontaktbändchen nach Ansprüchen13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Mikroniete im Bereich von 5 bis 500 pm liegt. 18. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroniete in einer definierten Art und Weise angeordnet sind und der Abstand 25 zwischen den Zentren der Mikroniete im Bereich von Ibis 10 mal der Größe der Mikroniete liegt. 19. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikronieten dicht in einer Reihe angeordnet sind und ein SchlitdSpalULangniet 30 bilden. 20. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es auf eine Dünnschichtsolarzelle mit einer Rückkontaktschichtendicke < 5 pm be- festigt wird.
  • 19. 21. Kontaktbändchen nach Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es an die Dünnschichtsolarzelle durch Druckluft angepresst wird. 22. Dünnschichtsolarzelle mit einem durch Lasernieten stabil verbundenem Kon- 5 taktbändchen. 23. Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet dass ent- sprechend Abbildung 6 b, in der die Bezugszeichen die folgende Bedeutung ha- ben: 10 1 Trägerfolie der DünnschichtsolarzeIle 2 Rückkontakt der Dünnschichtsolarzelle 3 Absorberschicht der Dünnschichtsolarzelle 4 entfällt 5 Vorderseitenkontakt der Dünnschichtsolarzelle 15 6 Kupferbeschichtung des Kontaktbändchens 7 Trägerfolie des Kontaktbändchens 8 Zugang zur Metallschicht der Dünnschichtsolarzelle 13 Laserniet 16 Stromfluss 20 eine Vielzahl in Reihe oder parallel geschaltet werden können. 24. Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend Abbildung 2, in der die Bezugszeichen die folgende Bedeutung ha- ben: 25 1 Trägerfolie der Dünnschichtsolarzelle 2 Rückkontakt der Dünnschichtsolarzelle 3 Absorberschicht der Dünnschichtsolarzelle 4 CdS-Schicht 5 Vorderseitenkontakt der Dünnschichtsolarzelle 30 6 Kupferbeschichtung des Kontaktbändchens 7 Trägerfolie des Kontaktbändchens 8 Zugang zur Metallschicht der Dünnschichtsolarzelle 13 Laserniet eine zuverlässige Durchkontaktierung gesichert ist.
  • 21. 2 A Dünnschichtsolarzelle 2 B Kontaktbändchen ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 22. Abb. 3 Abb. 4 ERSATZBLATT (REGEL 26)
  • 23. Frontkontakt- Leitungsverbindung Rückkontakt- Leitungsverbindung für Frontkontakt ' 5 für Rückseitenkontakt Abb. 5
  • 25. b) Abb. 7: REM-Abbildung eines Laserniets zwischen einem Kupferbasierenden Kon- taktbändchen und einer Dünnschichtsolarzelle