TW201414561A

TW201414561A - 雷射劃線系統

Info

Publication number: TW201414561A
Application number: TW102121965A
Authority: TW
Inventors: Sergej Ristau; Dennis Kiefer; Thomas Witte; Andre Gahler
Original assignee: Tel Solar Ag
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-04-16
Also published as: WO2013189605A3; WO2013189605A2

Abstract

本發明提供一種用以移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統。該系統包含雷射源，用以從雷射源提供的雷射光束產生一或更多光學劃線光束的繞射光學元件、阻擋元件、散射元件、或其組合物，該阻擋元件和散射元件放置於繞射光學元件和大面積基板之間，並用以阻擋不需要的繞射光束之一或更多部分、光學劃線光束中之一或更多者、或其組合物、用以集中光學劃線光束的聚焦光學件、以及控制系統，用以將該光學劃線光束相對於該基板動態定位以及控制該雷射源、繞射光學元件之對齊及間隔、阻擋元件、掃描元件、或其組合物、以及聚焦光學件。

Description

雷射劃線系統

本發明關於雷射劃線系統，且尤其關於用以製造大規模薄膜太陽能電池之雷射劃線系統。再者，本發明關於用以將光伏打裝置分割成複數分段之雷射劃線系統的用法。

雷射系統已被用於劃刻各種材料並用於將半導體晶圓切割成獨立的構件。現存的雷射劃線系統一般在小規模裝置上操作且不需要穿過大面積之基板。

然而，在薄膜光伏打電池之領域中，必須處理非常大的基板(為至少約0.75平方公尺之等級)。此等大型基板對基板和雷射定位、校準以及有效地形成劃刻線上造成許多後勤方面的困難。通常情況下，數個雷射光束係用於形成劃刻線。

此外，雷射劃線系統中所有元件之間的協調，從雷射源到光學系統，到基板之移動和任何雷射頭之移動皆須精確且迅速地控制，以促進高效率的處理產量。

此外，當使用多光束雷射劃線系統時，後續之劃線必須與先前的劃線精確地對齊，以產生能分割裝置之期望的膜切割。

劃線位置的主動控制已在文獻中往往以用語「動態劃線對齊(DSA)」加以描述。相對於以靜態的方式預先定義的劃線佈局，DSA的概念測量先前的劃刻線，以判定相鄰線之確實的目標位置，從而補償先前的劃刻線的目標佈局之任何偏差，因此可減少劃線偏離。此類型的動態劃線對齊對雷射劃線系統構成許多挑戰。劃線系統必須滿足量產中之嚴格的節拍時間(takt time)目標(大致為完成兩個連續的光伏打單元所必須經過之時間量，以滿足需求)。因此DSA必須發生在不增加劃線處理時間以及不增加劃線工具至雷射劃線系統的情況下實施。此外，必須增加產量至接近100%，同時降低劃線寬度和間距以減少死區。

根據檢測到先前劃刻線的位置之時機，可做出已知的劃線對齊提案之間的分別。DSA之概念為首先掃描一個模組的完整佈局，如所有P1劃線，然後計算包含必要校正之下一個佈局，例如，在P1旁邊的P2，並在下一步驟中劃刻相鄰之佈局，DSA概念可達成死區之減少，但無法滿足先進薄膜光伏打加工中必要之節拍時間和成本的要求。

過去已建議，在劃刻鄰接線，例如在P1旁邊的P2，之前以及期間，掃描先前之劃刻線，例如P1線。劃線單元緊跟隨掃描單元，藉此，位置係根據先前所劃之鄰近劃線的實際位置而加以校正，對於兩種選擇而言操作範圍是相同的。然而，若先前的劃線之掃描、加工頭的動態校正、以及在剛掃描之線隔壁劃相鄰的線是在劃該相鄰的線之期間於單一順序完成，則由於可用於數據處理和劃線頭位置校正之時間有限，造成準確度和解析度上的困難。

為了避免在定位時準確度過低，測量先前之劃線以及劃刻新的相鄰線之間所允許的時間很短，此導致可用於分析數據和使軸移動平滑所允許的數學運算數量相對少。這導致回復上的困難、可能的振盪問題、並限制最大劃線速度或使不準確度提高。例如以2m/s之劃線速度，為了獲得良好的準確度，可能僅有2ms可用於後續的位置校正之間的掃描期間計算，這使得在典型的PLC控制器上的數學運算數目有限。因此，此等建議之解決方案並不實際，因為它們會導致動態校正以及劃線速度上的限制，此兩者從薄膜製造系統之要求的角度而言都是無法接受的。

任何動態劃線對齊系統必須處理的第二個挑戰是先前之劃線的離群值。離群值可來自玻璃/基板上之刮痕、其他玻璃/基板缺陷、遺漏的劃線點、及其相似物。任何掃描模式必須能夠識別和處理此等離群值，否則此等離群值在校正後會導致相鄰劃線之錯誤的新劃線位置。例如，若第一點為離群值且需要連續的劃線速度以達到最高的處理品質時，所劃線之平行性在快速(例如1-3m/s)劃線期間在相對長的距離上係受負面影響，直到控制系統開始校正有效的數據點。再者，如果線被中斷同樣的現象將更為明顯。其他範例包含相鄰之佈局不具有相同起始點和結束點，但仍藉由DSA彼此對齊，例如P3對齊P2。DSA運算法必需能夠處理此情況。

第三個挑戰是使DSA對劃線之校正程度小。如果預期的劃線位置和實際劃線位置之間的幾何誤差大，將導致在每次劃線開始時，垂直於劃線方向之移動的大幅偏移。取決於該移動之動態，劃線之平行性係受負面影響。這些挑戰在文獻中普遍受到低估或高估，但在接近100%的產量之量產中，這些所有的實際問題都必須在任何動態對齊解決方案中獲得解決。

因此，在本技藝中，在雷射劃線系統中需要改良之動態對齊。

雷射劃線系統的另一個問題係關於多光束生成及其應用於基板的問題。雖然許多光學元件可用以從單一雷射源產生數個光束，這些元件的一部份，例如，繞射光學元件(diffractive optical elements,DOE)產生除了期望之數個用於劃線之光束外之更高數級的繞射光束。雖然較高數級的繞射光束不具有足夠用於劃線之能量，但在某些情況下它們可帶有劃線光束之光學能量的50%。此能量可足以在相鄰於劃線之區域中造成目標膜之非意欲的不整齊現象(缺陷、結構上的局部變化)，例如，在處理非常敏感的薄膜之情況。

因此，在本技藝中產生一種需要，以使到達由雷射劃線系統處理之膜之非意欲光量減少。

此外，有時候要用於特定的劃線處理或處理步驟之光束少於所產生之數個光束的全部。因此，本技藝中需要精確控制的光閘系統，以控制期望之光束的通過。

大型基板的移動所產生的實質性問題係關於基板握持/夾持和定位，而不造成基板破壞和基板定位不準確度。因此，在本技藝中，在雷射劃線系統中需要改良的基板握持系統。

最後，必須有效地移除在雷射劃線處理中產生的碎片，而不在膜上的其他地方再沉積，或以其他方式留下會影響未來之處理及/或損及元件品質的製品。

上述結果造成本領域需要改良的雷射劃線系統，以處理大面積基板，如大面積光伏打元件/元件列。

定義

太陽能電池或光伏打電池 (PV電池)為一電子構件，能夠藉由光電效應直接將光(實質上為太陽光)轉化為電能。

在一般意義上的 薄膜太陽能電池 包含：在一支撐基板上，由半導體化合物的薄膜沉積所建立的至少一p-i-n接面，夾設在兩個電極或電極層之間。p-i-n接面或薄膜光電轉換單元包含本質半導體化合物層，夾設於一p摻雜和一n摻雜的半導體化合物層之間。用語薄膜指示所提及之層係藉由例如PECVD、LPCVD、PVD或其相似物之處理沉積成薄層或薄膜。薄層實質上意味著具有約10μm或更小之厚度的層，以及特別是小於約2μm的層。

圖案化 為具有某些佈局和某些參數的層之特定雷射結構化製程，其隔離或互連電池。

用語層、塗層、 沉積物 、和膜在本揭露中係可互換使用，意指在真空處理設備中沉積的膜，可為CVD、LPCVD、電漿增強CVD(PECVD)、或PVD(物理氣相沉積)。

條帶(band) 由若干線(例如，1到7)所組成，該等線同時由一特殊多光束劃線頭設計處理，其中線的距離代表例如電池或接觸窗之分段的寬度。

有效值 係為在容許帶範圍內之數值。

光閘在本發明之意義上包含任何機械元件，或其它元件或方法，以阻擋一或更多雷射光束。

DOE 在本發明之意義上為繞射光學元件，將入射光束分成若干光束，此等光束可分為需要的和不需要的光束等級。

輻照意 味著光束功率至光束面積的關係，此係以沿著光束路徑(通常在或接近光束聚焦區域內)之一特定位置計算。

在一整體實施態樣中，使用動態劃線對齊的雷射劃線方法可包含：決定已考量熱膨脹和收縮之預期劃線位置、制定第一容許帶和第二容許帶，其中第一容許帶和第二容許帶具有圍繞該決定的預期劃線位置之各自的預定條帶位置、使用掃描單元測量劃線位置、決定劃線位置是否在第一容許帶內，若測量之劃線位置在第一容許帶內，決定劃線位置是否在第二容許帶內，若測量之劃線位置在第二容許帶內，則接受測量之劃線位置並使用測量之劃線位置進行劃線對齊，若測量之劃線位置不在第一容許帶內，則將劃線位置設定在決定之預期劃線位置，若測量之劃線位置不在第二容許帶內，則決定測量之劃線位置是否為新的掃描中之第一劃線位置，若測量之劃線位置為第一劃線位置，則將測量之劃線位置設定在根據僅沿著一掃描之以下劃線位置所計算出的位置，且若測量之劃線位置不是第一劃線位置，將測量之劃線位置設定至一位置，該位置係根據沿著掃描之先前或後來的劃線位置或其組合而計算。

在另一整體實施態樣中，用以移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統可包含雷射源、一繞射光學元件，用以從由雷射源提供的雷射光束產生一或更多光學劃線光束、一阻擋元件、一散射元件、或其組合物，該阻擋元件和該散射元件放置於該繞射光學元件和該大面積基板之間，並用以阻擋不需要的繞射光束之一或更多部分、光學劃線光束之一或更多者、或其組合物、一聚焦光學件，用以集中光學劃線光束、以及一控制系統，用以將該光學劃線光束相對於該基板動態定位，並控制雷射源、該繞射光學元件之對齊及間隔、該阻擋元件、該掃描元件、或其組合物、以及該聚焦光學件。

阻擋元件可包含光學光閘系統，該光學光閘系統包含一或更多光閘元件，用以減少所使用的光學劃線光束數目。

阻擋元件可包含光學光閘系統，該光學光閘系統包含一或更多光閘元件，用以阻擋不需要的繞射光束通過。

光閘元件可包含複數指部，用以阻擋不需要的繞射光束通過。

光學光間系統可包含一梳形濾波器。

光閘元件可包含複數指部，用以減少所使用的光學劃線光束數目。

散射元件可包含該等光學劃線光束通過之透明區域，以及不需要的繞射光束通過之散射區域。

散射區域可包含散射粒子，以造成不需要的繞射光束之散射。

散射區域可包含一表面，具有用以造成不需要的繞射光束散射的紋理。

在另一整體實施態樣中，用以移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統可包含一平台，該平台中心部具有一分離區，該分離區用以使雷射劃線頭可從平台之下方在基板上操作、一氣墊，形成於該平台之表面的上方，該氣墊用以將基板從該平台之表面升起，其中該平台包含複數通道，一氣體係流動於該等通道中以形成在該平台之表面的上方之氣墊、以及一夾持系統，用以定位待由劃線頭所操作之基板，該夾持系統包含一移動系統，用以藉由一或更多第一夾具在與該劃線頭之移動方向正交的方向移動基板，該一或更多第一夾具係放置在平台之一側，該等第一夾具之每一者包含可調式上夾爪和固定式下夾爪，該下夾爪係設置在與該表面的上方之氣墊等高的高度上，該下夾爪用以使該基板可平放於下夾爪上。

上夾爪和下夾爪可包含玻璃強化塑料。

夾持系統的移動系統係更用以藉由該等第一夾具及放置於該平台之相對側上的一或更多第二夾具將基板移動遠離該等第一夾具，該等第一夾具在劃線頭之移動方向為固定，該等第二夾具在劃線頭之移動方向為可彎曲，以使基板可熱膨脹。

第二夾具之每一者可包含可調式上夾爪和固定式下夾爪，該下夾爪設置在與該表面的上方之氣墊等高的高度上，該下夾爪用以使該基板可平放於下夾爪上。

在另一整體實施態樣中，用以移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統可包含一雷射源、一劃線頭，用以從該雷射源接收雷射光束並從該處發出一或更多光學劃線光束，該劃線頭包含一繞射光學元件和聚焦光學件，該繞射光學元件係用以從所接收之雷射光束產生一或更多光學劃線光束，該聚焦光學件係用以集中所產生之光學劃線光束、一或更多光閘設置在該劃線頭之外部部分上，該等光閘係用以繞實質上平行於該聚焦光學劃線光束之軸旋轉，並選擇性地阻擋該等聚焦光學劃線光束之一或更多者，以及一控制系統，用以將該光學劃線光束相對於該基板動態定位，及控制該雷射源、該繞射光學元件之對齊及間隔、該等光閘、以及該聚焦光學件。

在另一整體實施態樣中，提供用以操作移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統之方法，該系統包含一雷射源、一劃線頭，用以從該雷射源接收雷射光束並從該處發出一或更多光學劃線光束，該劃線頭包含一繞射光學元件和聚焦光學件，該繞射光學元件係用以從所接收之雷射光束產生一或更多光學劃線光束，該聚焦光學件係用以集中所產生之光學劃線光束、一或更多光閘設置在該劃線頭之外部部分上，該等光閘係用以繞實質上平行於該聚焦光學劃線光束之軸旋轉，並選擇性地阻擋該等聚焦光學劃線光束之一或更多者，以及一控制系統，用以將該光學劃線光束相對於該基板動態定位，及控制該雷射源、該繞射光學元件之對齊及間隔、該等光閘、以及該聚焦光學件，本方法包含識別不期望由該等聚焦光學劃線光束所劃刻之區域、以及以同步的方式旋轉光閘之一或更多者，俾使該等聚焦光學劃線光束係阻擋於在不期望由聚焦光學劃線光束所劃線之區域中劃線，當光閘通過不期望由聚焦光學劃線光束所劃線之區域時，該等光閘繼續旋轉，俾使當劃線頭已離開不期望由聚焦光學劃線光束所劃線之區域時，聚焦光學劃線光束沒有被阻擋。

在另一整體實施態樣中，用以移除放置於大面積基板上的薄膜層之部分的雷射劃線系統可包含一平台，該平台中心部具有一分離區，該分離區用以使劃線頭可從平台之下方在基板上操作、以及一排氣系統，用以從該基板的處理區域移除剝離的材料，該排氣系統包含一噴嘴，位於該剝離的材料受移除的處理區域上方且靠近該處理區域，該噴嘴用以在該劃線頭前方，在同於劃線頭之移動方向之方向移動，並當由劃線頭在基板上執行劃線而產生剝離的材料時，從該處理區域移除該剝離的材料。

一流線型夾套可圍繞該噴嘴，該流線型夾套係用以減少由該噴嘴之移動所造成之擾動。

1‧‧‧光伏打結構

2‧‧‧透明絕緣基板

3‧‧‧透明電極層

4‧‧‧光電轉換半導體層

5‧‧‧背面電極層

6‧‧‧第一隔離溝槽

7‧‧‧槽

8‧‧‧第二隔離槽

100‧‧‧雷射劃線系統

110‧‧‧雷射源

112‧‧‧雷射光束

115‧‧‧分光器

120‧‧‧繞射光學元件

122‧‧‧光學劃線光束

124‧‧‧不需要的繞射光束

130‧‧‧散射元件

132‧‧‧透明區域

134‧‧‧散射區域

136‧‧‧散射光

140‧‧‧聚焦光學件

150‧‧‧控制系統

160‧‧‧光學光閘

162‧‧‧隔離劃線

164‧‧‧光學光閘

170‧‧‧劃線頭

180‧‧‧工件支撐件

181‧‧‧基板

182‧‧‧工件側面夾持機構

184‧‧‧平台

186‧‧‧夾具

187‧‧‧下夾爪

188‧‧‧氣墊

189‧‧‧上夾爪

190‧‧‧排氣系統

192‧‧‧噴嘴

194‧‧‧氣動力殼體

196‧‧‧移動系統

282‧‧‧夾持機構

286‧‧‧夾具

287‧‧‧下夾爪

289‧‧‧上夾爪

300‧‧‧真空單元

圖1A示意性地描繪根據本發明之實施態樣的雷射劃線系統之概要。

圖1B繪示根據本發明之實施態樣的雷射劃線系統之劃線頭的範例。

圖2示意性地描繪由圖1之雷射劃線系統所產生之受劃線的基板。

圖3A和圖3B描繪用以從繞射光學元件散射不需要的繞射光之光學元件。

圖4描繪可選擇地用於本發明之雷射劃線系統的光學光閘系統。

圖5顯示由雷射劃線系統之控制系統進行之用於動態對齊之離群值移除的概要。

圖6A和圖6B分別繪示了根據本發明之實施態樣的雷射劃線系統之工件支撐件的立體和側面範例。

圖7A為一側視圖，顯示根據本發明之實施態樣的雷射劃線系統之排氣系統的範例。

圖7B為一剖視圖，顯示根據相關範例的雷射劃線系統的排氣系統之噴嘴的範例。

圖7C為一剖視圖，顯示根據本發明之實施態樣的雷射劃線系統的排氣系統之流線型噴嘴的範例。

現參照圖1A和圖1B，該等圖描繪雷射劃線系統100之概要。提供雷射源110。可使用各種雷射作為雷射源110。示例性的雷射源可包含脈衝雷射和連續波雷射。雷射源110可在紅外線、可見光、或紫外線光譜區發射雷射光束112。在一實施例中，紅外線雷射在紅外線光譜區域以1064nm的基本波長操作。可產生此波長的諧波，以用於使用適當定位的倍頻或混頻晶體(未示出)之電射處理。例如，可產生第二諧波波長(532nm，在綠光譜區)及/或第三諧波波長(355nm，在紫外線光譜區)。在一實施例中，此等數個所產生之諧波波長可使用適當放置的兩向色鏡分開，可選擇地放置在分光器115中，以用在例如數個劃線頭中。為求簡單，圖1A和圖1B僅顯示單一劃線頭170，其他使用由雷射源110所提供之不同波長者可平行於該劃線頭170而增加。藉由選擇數個劃線頭之其中一者，可將最佳波長用於每個薄膜及/或處理步驟。雷射源110可用範圍介於1微微秒至50毫微秒的脈衝長度進行脈衝，並在範圍介於10kHz到10MHz之脈衝重複頻率操作。

繞射光學元件(DOE)120係放置於劃線頭170內之雷射源110的下游處。需注意各種光學元件，包含分光器115、擴束器、聚焦元件、準直器、反射鏡、兩向色鏡、光纖、光束衰減器等(未示出)可定位在雷射源110和DOE 120之間，取決於雷射源110和DOE 120之間的間距，以及期望之雷射光點大小及輻照。另外，應注意本系統之元件不需要如所描繪般沿著單一軸放置。使用鏡或其它反射元件、以及光纖，可根據雷射劃線系統100的整體配置和空間要求構建各種光學軸。

DOE 120產生數個光學劃線光束122以及不需要的繞射光束124。不需要的繞射光束124包含無助於劃線，但可損壞膜之未劃線區域的高階繞射光。在一實施例中，所有的光學劃線光束122具有大致相同的強度。雖然描繪了四道光束，但DOE 120可用以產生更多或更少光學劃線光束122。光學劃線光束122係以α恆定角度間距彼此定向，並集中於DOE 120之光軸。

雖然不需要(即高階)的繞射光束124係藉由DOE 120之設計最小化，但不需要的繞射光束124仍可攜帶光學劃線光束122的總光學功率之40%以下。為了防止此光損壞待處理之膜，散射元件130可置於在劃線頭170中之DOE 120的下游處。散射元件130包含：透明區域132(參照圖3A)，該區域使光學劃線光束122不受影響地穿過。然而，不需要的繞射光束124穿過散射區域134。在一實施例中，散射元件130可由熔融二氧化矽、光學級玻璃所製成，以允許例如紫外線波長之傳輸。其他適當的材料可用於其它波長範圍，包含各種聚合物材料。散射區域134可包含粗糙表面紋理，以散射不需要的繞射光束124。合適的表面紋理可由以下方式產生：a)機械處理(如：噴砂、雕刻)，b)光學處理(如：雷射處理，例如雷射劃線)，或c)化學處理(如：具有或不具有圖案之蝕刻)。

需注意上述用以提供粗糙表面紋理之處理僅為示例性的技術，且任何散射不需要的繞射光束124之結構可用於散射元件130。例如，散射粒子可嵌入在材料內部或附著至散射區域134，以造成散射。在另一實施例中，不同於用於透明區域132之低傳輸材料可用於散射區域134。

如圖3B所示，透明區域132和散射區域134可配置為同心的圓形圖案。當DOE 120係用被繞系統之光軸旋轉，以使光束圖案方向變化，而不需要旋轉散射元件130時，這是非常有用的。圖3B之示例性實施例係為產生四道光束之DOE，但取決於DOE產生的光束數量，可使用更小或更大數量的同心區域。

散射元件130可為單獨之光學元件或可設置在聚焦透鏡、聚焦透鏡之蓋玻璃，或是放置在聚焦透鏡前或後的玻璃中。

藉由使用散射元件130，不需要的輻照係降低到低於影響用於產生薄膜太陽能模組之處理以及材料之閾值。雖然散射光136之一部分仍可擴散至處理區域，並能干擾其他散射光，它將不會變更薄膜。

來自DOE 120之光學劃線光束122係入射於包含在劃線頭170內之聚焦光學件140上。聚焦光學件140可包含一或更多物鏡、準直透鏡、和其他用以淨化處理區域前之光學劃線光束122的光學元件。需注意聚焦光學件140、DOE 120、和散射元件130之相對位置可相對於彼此改變，以及相對於正在使用控制系統150進行處理的基板而改變。此外，控制系統150可用以藉由控制光學劃線系統100的其他部分，如雷射源110之輸出功率、任何使用之衰減器的設定等等，提供期望之輻照及光束強度分布。控制系統150更可用於相對於光軸，選擇光學劃線光束122的圖案方向。

在一實施例中，一或更多光學光閘160、164可提供於雷射劃線系統100中並且安裝至劃線頭170的外部。光閘164可繞實質上平行於光學劃線光束122之軸線旋轉。光閘可被旋轉並固定於選擇性地阻斷一或更多光學劃線光束122之位置。可使用此等光閘之一組(圖中未示出)，以選擇性地阻擋來自光學劃線光束122之線性圖案的每一側之光束。此外，光閘164可用於引起「跳過」基板上現存之不該由目前的劃線操作所影響之特徵部或結構。

在圖4中，元件162係為，例如，圍繞整個模組之周圍行進的隔離劃線。用來分割電池的縱向劃線在圖案P1、P2、P3中的至少一部份不得越過此隔離劃線。如圖4所示，光閘164可用於輕鬆地完成「跳過」垂直於當前的電池分離劃線之隔離線，此係藉由以和掃描動作(使用控制系統150)同步的方式旋轉光閘164，俾使當劃線頭170穿過隔離劃線162時，可能撞擊隔離線的光學劃線光束122被光閘164所遮蔽。其好處為放寬短隔離劃線162之高速長縱向掃瞄之精確結束、及因此要求劃線頭170的「緊急減速」之要求。可理解地，當隔離劃線162係設置於靠近縱向掃描之開頭附近時，可採取相同作法。在此情況下，光閘164使劃線頭170在由隔離劃線162所圍成的空間外開始掃描(即穩定速度、取得現存圖案之動態鎖等)，然後跳過隔離劃線162並繼續掃描以分割電池。

光閘164亦可用於更平凡的任務，例如減少在基板邊緣附近之平行間隔開的劃線數，其中剩餘的劃線數小於在劃線頭170中之光學劃線光束122的數量。另外，在光學劃線光束圖案係以使所有光束皆用以產生單一劃線(通常為寬的劃線，此係藉由使光束圖案僅非常輕微地非平行於劃線本身，以使做出比單一劃線光束可產生之更寬的劃線)而座向之操作中，可使用光閘164以選擇性地阻擋，例如，1或2光束以將輻照減少至最適合某些可能不需要4個光束以完成劃線之膜的程度。此亦可與設定雷射及/或任何光束衰減器的功率一起完成。

進一步參照圖1B，該圖顯示安裝在實質上平行於光學劃線光束122之其他可移動/可旋轉軸之臂上的第二光閘160。該第二光閘160 具有梳狀，其中該梳狀圖案，即「指部」，係用於阻擋不需要的繞射光束124，使光學劃線光束122可穿過梳狀「指部」之間。該第二光閘160可用於代替散射元件130或與散射元件130一起使用。例如，若散射元件130不充分地散射不需要的繞射光束124，或正在處理非常敏感的膜時，第二光閘160可代替散射元件130使用或與散射元件130一起使用。

第二光閘160之替代性實施例可用於控制光學劃線光束122，如同光閘164。例如，當光閘164無法選擇性地阻擋在線性圖案中之中間光束的一部份時，第二光閘160可用以使其指部之一或更多者選擇性地阻擋在圖案中之中間光束的一或更多者，同時使外光束可擴散及處理。在此情況下，其上安裝第二光閘160的軸/馬達可圍繞光學劃線光束圖案之軸線周圍旋轉，以當光束圖案旋轉時，不限制第二光閘160之使用。

所有光閘可任選地設置冷卻系統，以防止其發熱和翹曲，或其它機械失準。此外，光閘之冷卻可抑制因為在升高的溫度下圍繞元件之大的熱梯度，而形成於圍繞處理區域之空氣中的熱電流。這些電流可干擾從處理區域之碎片擷取。可替代地，光閘可包含用於將不需要的光束引導至光束傾卸部的鏡面表面部。

圖1A所繪示之雷射劃線系統100的工件支撐件180之範例，係示意性地顯示於圖6A和圖6B中。支撐件180包含分開的平台184，其中劃線頭170位於分開平台之兩個部分的槽中，支撐件180亦包含工件側面夾持機構182沿平台184的一個長邊設置。在夾持機構182中，夾持元件係為可交換式。換句話說，具有不同的可能尺寸，以不論隔離線及/或玻璃邊緣的距離，在其主動區域以外夾持各種模組之夾持元件，可用以配合不同的基板配置。夾持元件的表面紋理係以平行(或垂直)於基板181邊緣之移動方向加以建構，以確保更佳之玻璃夾持效果。在一實施例中，可選擇具有用於雷射劃線處理之高剛性和摩擦之特殊夾持材料。例如，夾持機構可為玻璃增強塑料。夾持單元的數目，係根據待處理基板之大小和形狀為可變化的。

在一實施例中，沿著平台184之長邊，夾持機構182可包含安裝至移動系統上之兩個夾具186。這些夾具186在Y方向驅動基板181。劃線頭170在X方向移動。在一實施例中，雷射劃線系統100具有一或更多位於平台184下之劃線頭170，該等劃線頭處理穿過其上具有膜之玻璃(遠離平台184的表面)。平台184能夠以一面朝下的方式處理基板膜，因為透過在平台184內之通道(未示出)提供之氣墊188使空氣可通過其中，因此沒有接觸。氣墊188在處理期間支撐基板，以使基板之輸送平順。氣墊188將基板181維持在固定的高度，並防止玻璃彎曲。氣墊與上述之側面夾持機構182一起運作，以快速地將玻璃沿Y軸方向移動，而沿X方向之移動係由劃線頭170所執行。基板上之對齊標記係與影像系統一起使用，以確保基板定位之準確度高。此外，在另一替代性實施例中，劃線頭170可安裝至平台184上方的支架上，從而從上方，即不透過玻璃進行膜之劃線。

夾持機構182之夾具186係作為具有足夠的靈活性，以適應因為可移動之上夾持部分，或上夾爪189，和固定的下表面，或下夾爪187而造成之玻璃厚度的變化。相對於夾具186，夾具186的下夾爪187係固定在一定的高度，俾使基板181為平放並延伸進入夾具186以進行實際的夾持，同時處於在平台184表面上方之氣墊188的高度。夾具186的上夾爪189可做為可調整式，以因應標稱玻璃厚度的變化，並因應在同一個基板181內之厚度變化。

在一實施例中，當從下方穿過玻璃進行處理時，劃線頭170通常放置俾使待劃線之膜位在稍低於雷射光束之焦點下方的高度。由於光學缺陷、光束削波、雷射配置等等，因此光束強度分布並非真正的高斯函數，而僅大約如此。最佳的光束強度分布係於略低於焦點之位置達成，因為光束分布超出焦點後開始惡化。

在由上方進行處理的情況下，可反轉夾具座向。換言之，可固定上夾爪189、289以提供精確的雷射聚焦所用之基準點，而下夾爪187、287可具有彈性以因應厚度變化。氣墊188之整體，即，緩衝氣體的壓力和流動，以及移動系統之控制係藉由控制系統150與移動系統密切配合而完成，移動系統相對於基板控制劃線頭170之升高。

在一實施例中，僅使用沿著平台184的一個長邊設置之兩個夾具186。這需要良好的夾持，因為在橫向(亦即，X方向)滑動可能導致基板相對於X和Y軸傾斜地定位(成一個角度)。在Y方向之夾具滑動通常不是問題，因為移動和影像系統配合，以根據劃入基板181之對齊標記維持基板之適當的Y位置。

在一實施例中，在相對於夾具186之平台184的一側上沒有夾具，此使基板181可在X方向上熱膨脹或收縮。移動和影像系統與動態劃線對齊配合，以因應熱膨脹及收縮。重要的是需注意這並沒有解決夾具中的X滑動和基板傾斜問題。若夾持時，下基板表面係保持固定，如同當射入之光學劃線光束122從下方接近基板181時，上夾爪189係為可移動，以因應基板的厚度改變及/或變更。氣墊188係設置以確保基板係維持在由下夾爪187所設定之高度。當氣墊188在處理期間提供主動區域之無接觸支撐，主動區域以外之基板區被夾持，以避免對太陽能模組造成污染和損壞。基板181可在主動層位於底側上之情形下進行處理，因為雷射劃線系統100不與基板接觸。

在另一實施例中，如圖6B中所繪示之包含兩個額外夾具286之另一種夾持機構282可加至平台184之相對的長邊。這些夾具286將由移動系統在Y方向主動趨動。該等夾具之「夾爪」之配置將與夾具186相同，因為夾具286之下夾爪287係固定以使在氣墊188上之基板「浮動」位置維持固定(從而集中)，且夾具286之上夾爪289將可移動以因應厚度改變。但是這些夾具286將在X方向可彎曲，以允許基板的熱膨脹和收縮。他們將提供足夠的夾持以防止基板181傾斜，但不會在X方向施加過大的偏置力，此可因熱膨脹導致基板彎曲，或因基板收縮相反地導致繃緊。

將剝離的材料由劃線上移除係由排氣系統190所執行。為了使工件的干擾降到最低，並確保有效地移除碎片，排氣系統190試圖避免在處理區中造成擾動。具有倒L形管之形狀的噴嘴192藉由使用真空單元300，或其它在本技藝具有通常知識者所知道的吸入裝置，將空氣從處理區之一側抽出。噴嘴192之L形的短橫向「腳」係打開並放置靠近基板181。噴嘴192之設計使壓力損失降到最低，以避免擾動和沿著排氣壁之粒子沉積。噴嘴區域通常係配置俾使達到至少10m/s至50m/s的空氣流速。噴嘴角度係設計以避免在處理區域中造成擾動，並在其本身和基板之間可具有一可變化之距離。

此外，噴嘴192可用以跟隨光學劃線光束122，例如，藉由安裝至可由控制系統150控制之合適的移動系統196。在一實施例中，當基板181之處理區隨著平台下方之劃線頭的移動而移動時，此移動系統196使噴嘴可在X方向上跟隨劃線頭，且因此能始終維持在靠近基板181的位置。此外，為進一步避免可造成碎片從收集空間噴出以及在基板上之再沉積的靠近基板181之擾動，需特別注意流線化在管路中所有碎片移除之構件，以防止再循環渦流和擾動之發展。

例如，若劃線頭170跟隨排氣系統190，擾動便較少，因為噴嘴192落後於劃線頭，所以處理區域並非「尾隨」移動之管路。但是，若如圖7A中所描繪，排氣系統190以高速跟隨劃線頭170時，即為1~3m/s之速度時，為簡單圓形橫截面之噴嘴192會自己創造足夠的氣體流動模式之擾動，以導致碎片噴出和再沉積。排氣系統190係安裝於劃線頭170之一側上，並跟隨劃線頭170。如圖7B所繪示，當噴嘴192沿X方向在劃線頭170之前移動時，由排氣系統移動所造成之擾動特別明顯。為了減輕這個問題，如圖7C所示，氣動力殼體194係加至噴嘴192的周圍，以減少其路徑中之渦流。

圖2描繪已劃線之光伏打結構1。光伏打結構1可包含非晶及/或微晶矽(或其他光伏打材料)膜，該膜具有排列平行於薄膜表面之PIN或NIP接面結構。PIN/NIP結構可夾設於透明膜電極之間，透明膜電極可在基板，如可透光基板或覆板之一主要表面上之該複數區域之每一者連續地延伸。

圖2顯示槽6、7、和8。此結構之目的為建立由若干個電性串聯之太陽能電池段所組成的單片光伏打模組。透明電極層3係因此由第一隔離溝槽6所切割，此決定電池段之寬度。在製造過程期間，當整體層堆疊係以：層3-槽6-層4-槽7-層5-槽8之順序進行堆疊時，光電轉換半導體層4填充槽6。由來自透明的背面電極層5之材料填充的槽7使得相鄰電池之間可進行電接觸。光伏打結構1的背面電極5接觸相鄰電池之正面電極3。背面電極層5和光電轉換半導體4最後由第二隔離槽8分割。雷射劃線系統100產生一或更多這些槽。

光伏打結構1可以例如以下之方式加工：首先在透明絕緣基板2上沉積透明電極層3，例如，藉由LPCVD之方法，即低壓化學汽相沉積為之。此透明電極層3，亦稱為透明導電氧化物TCO，包含例如ZnO、SnO2、及/或銦錫氧化物ITO，其後係受雷射劃刻以移除該透明電極層3之一部份以形成第一隔離槽6，第一隔離槽6將透明電極層3分割成複數個因此隔離之相鄰的層。

隨後，在此圖案化的透明電極層3上，採用電漿增強CVD沉積光電轉換層堆疊4。層堆疊4包含至少一個p型摻雜層、本質i層，以及例如薄非晶矽之n型摻雜層。可重複此操作以形成多接面非晶矽薄膜太陽能電池1。因此p-i-n接面可從微晶材料或從非晶和微晶材料之混合物形成，以建立該光電轉換層4。光電轉換半導體層4係接著遭受雷射劃刻，以移除光電轉換半導體層4之一部分，以形成槽7，槽7將光電轉換半導體層4分割成複數此等隔離之層4。

隨後，背面電極層5係沉積以填充槽7，且從而產生接觸線並亦覆蓋光伏打轉換半導體層4。此背面電極層5亦可為透明導電氧化物TCO，例如ZnO、SnO2、氧化銦錫ITO、或金屬層，例如鋁，或此等層之組合物。

最後，光電轉換半導體層4和背面電極層5遭受雷射劃刻而形成第二隔離槽8，第二隔離槽8將光電轉換半導體層4分割成複數電串連之光活性層4或段。圖1所示之光伏打結構1係因此加工而成。TCO層3係分成複數電隔離之區域，此係由槽6之雷射劃線，以5-10毫米之間隔的劃過整個光伏打結構1，並延伸其全長而達成。在沉積之後，光電轉換半導體層4係由雷射劃刻。此需要劃於此層之槽7平行於在TCO層3中之初始槽，通常為沿其整個長度之5-30微米，且盡可能以介於10和150um之間距靠近初始槽6。

沉積背面電極層5後，雷射係用於形成第二隔離槽8，第二隔離槽8同時分割背面電極層5和光電轉換半導體層4，以完成複數段之電性串聯互連。槽8係劃刻以平行於在TCO層3中之初始槽6，通常為沿其整個長度之5-30微米，且盡可能以介於10和150um之典型的間距靠近光電轉換半導體層中之槽7。

所產生具有太陽能電池段之串連互連的光伏打結構1，可減少此等光伏打結構1的洩漏電流，且由整個電池板產生的電壓係由形成於每個電池內的電位及電池的數目之乘積所給予。通常情況下，1.4m²之電池板係劃分為50-200個電池，使整體電池板的輸出電壓在30-200V之範圍內。

除了例如在美國專利第4292092號及日本專利第59172274號(美國第1985/4542578號)中描述之那些材料外，許多其他材料可用於製作薄膜太陽能電池1。其他同樣有效的裝置係用基於碲化鎘(CdTe)、銅銦聯硒化物(CIS)、銅銦鎵二硒化物(CIGS)、和結晶矽玻璃(CSG)等等之光電轉換半導體層4所製作。雷射劃線系統，如圖1之雷射劃線系統100，係通常用於在層3、4、5之一部份或全部劃刻槽6、7、8，以產生在此等裝置中具有串連連接之複數光伏打結構1。

用以在各個層的3、4、5中劃刻槽6、7、和8的光學劃線光束122有時係從玻璃板之塗層側施加，但亦可從相反側施加，在此情況下，光束與膜相互作用前穿透玻璃。薄膜太陽能電池亦可製造在如金屬片之非透明基板上。在此情況下，輻照不可能通過基板2，因此所有的劃線處理需要光束從塗層之一側入射。在一些其它的情況下，太陽能電池板係於可彎曲之基板2，如薄金屬或聚合物片材上製作。在前者的情況下，輻照只可能來自塗佈之一側。在後者的情況下，輻照可來自塗佈之一側或穿過基板2。

將槽6放置於光伏打結構1上決定了段之寬度。段寬度之選擇，連同電池之尺寸，係根據光伏打結構1之期望電性，例如，更寬的段造成增加之洩漏電流I_SC(SC=短路)，更窄，即更多的段造成增加之開路電壓Voc。其他可影響分割槽6、7、8之寬度的考量包含：串聯連接、並聯連接或其他電池連接之組合之電池佈局配置、由受前面3和背面5電極層材料片電阻所影響之電池中的電流損耗之最佳化。

雷射劃線系統100任選地可利用使用控制系統150的動態劃線對齊以使第二劃線依循第一劃線定位，以求形成準確之劃線。為進一步針對動態劃線對齊進行說明，美國專利申請公開號第2009/0324903A1係併入於此作為參考。

提供掃描單元(即機器視覺單元，諸如相機)和雷射劃線頭170之空間安排，從而使兩者以機械方式互相耦接。掃描單元能夠掃描先前所劃線之位置，此等位置係用以在當前之雷射劃線操作中，校正雷射劃線頭170之位置，以使劃線能緊密間隔，即便受到例如基板夾持瑕疵、基板熱收縮或擴張等等之影響。由掃描單元測得之數據係就預期的劃線位置進行分析，預期之劃線位置已在劃線前受玻璃的熱膨脹而擴張。這些預期的劃線位置接著用於一特定的離群值考量和趨勢計算內，以造成最終(且小)的動態劃線校正項目。

劃線頭170可包含數個劃線頭，每一者支撐數個光學劃線光束122。光學劃線光束122之間的距離係大致等同於太陽能電池模組之段的寬度。因此，一個雷射劃線頭170之通過產生具有若干個分段線之完整條帶於太陽能電池模組上，例如若劃線頭包含四個光束則為四個，例如圖1之雷射劃線系統100。

機械連接之掃描單元和劃線頭之間的中心到中心之距離係大於或等於完整條帶之寬度，較佳地，該距離大於完整條帶之寬度的2~4倍。受劃線條帶之線A的劃線和現存受劃線條帶之線B的檢測係同時進行。在劃線處理的開始，必須在不劃線之情況下執行數個(例如2-4個)檢測通過。劃線和檢測可在兩個劃線方向進行，因為測量數據係適當地排序。

此確保在不失準確度和解析度之情況下，有足夠的時間在控制系統中進行數學運算，例如數據分析、離群值演算法和近似法。理想地，雷射劃線頭170旁僅有一掃描單元。在雷射劃線頭170中，總是針對具有例如四個光學劃線光束122之完整條帶進行校正。由於一條帶內的四個光學劃線光束122之間的距離之變化為可忽略的，此為之吾人欲補償之整體校正的有效解決方案。

掃描單元為先進的機器影像系統，較佳地為直線掃描或2D陣列攝影機，結合遠心鏡和具有使對比程度最大化之最佳化波長的照明系統。直線掃描攝影機可在內部、外部、或與其位置同步觸發。其檢測特定位置上的劃線，並將該劃線之位置發送至機器之控制系統150，此使數據流量最小化並可進行高速影像處理。作為一特殊的實施例，相機配方檢測到沿著劃線之一個以上，例如五個劃線位置，檢測離群值，以及，若未檢測到離群值，則將此等位置之平均值發送到控制系統150。此過程增加劃線檢測之可靠性。由於影像係於掃描單元和劃線頭170移動期間所擷取，因此取決於處理條件，該影像代表了十分之一毫米到幾毫米以上之劃線位置。因此，同樣在影像擷取過程中，發生較佳地為5×2毫米=10毫米之平均化且不影響準確度，此係因為在太陽能電池構件上之雷射劃線具有在短長度尺上之相對良好的平直度。

在一實施例中，動態劃線對齊運算法總是預期已在劃線時估算基板之熱膨脹或收縮校正之劃線位置。藉由掃描從P1劃線之兩個對齊交差，可針對每個基板檢測熱膨脹或收縮，且因此可檢測到在開始劃線前模組目前的膨脹或收縮。所確定的熱膨脹或收縮係接著加至提供給雷射劃線工具之目標劃線佈局。因此，預期和實際之線位置之間的差異(偏移)被最小化，並主要包含先前劃線處理之機器所判讀之不準確度。這通常會導致動態劃線運算法之小幅校正值，且對於相鄰線之快速及平穩的劃線十分關鍵，可避免雷射劃線頭之振盪等等。

在特定條帶之劃線期間，由於掃描和劃線單元係以固定之距離連接，因此配方之佈局訊息必須提供之訊息為掃描單元之攝影機的視線範圍中預期哪一條帶和哪一特定線的位置。

控制系統150分析掃描系統的原始現存劃線位置數據以找出離群值，藉此在第一個實例中離群值係定義為在計算過熱膨脹或收縮後，在既定之第一容許帶以外之劃線位置-較佳地小於0.5毫米-位於預期之現存劃線位置的周圍。離群值可能來自玻璃上的刮痕、其他的玻璃缺陷，遺漏的劃線點、及其相似物等。圖5描繪離群值移除處理。由於劃線位置之預測及熱膨脹或收縮之考量，此可定義之容許帶已非常小，從而得到迅速檢測離群值之有效的方法。控制系統150可包含處理器以計算數據。

在第一實施例中，該運算法分析第一容許帶以外之現存的離群值之原始數據，並將無效，即離群值位置數據點設定至劃線之預測目標坐標，同時考量熱膨脹或收縮。此後，在第二非常小的容許帶中-較佳地小於50μm，將刪除仍存在之離群點位置數據點，此係藉由計算至少最後及下一個有效位置(即有效的非離群值劃線位置)之間的平均值，以及接著將無效的離群值位置取代為計算後之平均位置，此等計算後之平均位置係因此自動位於第二容許帶內。在此第二容許帶內雷射劃線頭之動作依循有效位置數據點之趨勢。可進行有效劃線位置數據點之間之進一步的回歸，以增加雷射劃線頭動作之準確度和平滑性。

特別對於在劃線之開頭或結尾之離群值，重要的是適當地估計有效位置數據點的趨勢。例如，若在一新劃線之第一劃線位置位於第一容許帶之外，則該第一離群值劃線位置可根據後續的數據點之位置的線性或其它回歸所產生之最有可能的位置加以取代(即下一個有效的劃線位置)。這個後向回歸確保第一劃線位置的正確位置以及進一步數據校正步驟的準確度。

更進一步的實施例使用有效數據點的趨勢預測第一劃線位置檢測之數值。該運算法藉由計算直方圖分析趨勢數值之數據組，並將無效數值(離群值)取代為目標位置數值。其後，其進行線性回歸以如前所述地，從有效劃線位置判定最有可能的位置。

藉由這些方法，可處理具有間斷線(例如圖案2之起始和結束，或在橫向或垂直隔離線之圖案2)之複雜佈局，而無需劃線操作停止(即移動軸停止)，此可增加平行性並最佳化節拍時間以進行高速處理。

儘管已針對各種實施例進行前述的發明之描述，吾人應理解此等實施例之本質並非僅為示例性的。各種不脫離由下列請求項所闡述之本發明的實施例皆落於本發明之範圍和精神內。