激光器是生產(chǎn)薄膜太陽(yáng)能電池模塊的重要工具,特別是高性能超短脈沖激光器,其能提供持續(xù)時(shí)間僅幾個(gè)皮秒的超短脈沖,這不但能幫助制造商提高產(chǎn)量,而且還能優(yōu)化加工工藝。
目前,在針對(duì)解決未來(lái)能源問(wèn)題的討論中,光伏能源作為一種可再生能源扮演著重要角色。技術(shù)進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)電能平價(jià)消費(fèi)的一個(gè)至關(guān)重要的前提條件,比如通過(guò)技術(shù)進(jìn)步將光伏發(fā)電的成本降低到接近傳統(tǒng)能源的成本。
目前,晶硅太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品,其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)20%。在晶硅太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程中,激光器主要用于晶圓切割和邊緣絕緣。
在激光邊緣絕緣過(guò)程中,激光輔助摻雜(doping)工藝用于防止電池正面與背面之間的短路而引起的功率損失。越來(lái)越多的激光器被用于激光輔助摻雜工藝中,以改善載流子的遷移率,特別是對(duì)于電極的接觸指而言尤為如此。在過(guò)去的幾年中,薄膜太陽(yáng)能電池取得了巨大的發(fā)展,業(yè)界專家們更是希望其未來(lái)能在光伏市場(chǎng)中占據(jù)大約20%的市場(chǎng)份額。
薄膜太陽(yáng)能電池中所采用的膜層只有幾微米厚,因此其在生產(chǎn)中便能節(jié)約大量材料。在薄膜太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程中,激光發(fā)揮著決定性的作用。在整個(gè)制造過(guò)程中,激光將電池結(jié)構(gòu)化并連接成模塊,并對(duì)模塊進(jìn)行相應(yīng)的刻蝕處理,進(jìn)而保證所需要的絕緣性能。
成熟的激光刻線工藝
在非晶硅或碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池模塊的生產(chǎn)過(guò)程中,導(dǎo)電薄膜和光伏薄膜被沉積在大面積玻璃基板上。每層薄膜被沉積后,均利用激光對(duì)膜層進(jìn)行刻蝕,并使各個(gè)電池之間自動(dòng)串聯(lián)起來(lái)。這樣,就能夠根據(jù)電池寬度設(shè)定電池和模塊的電流。精確的選擇性非接觸式激光加工,能夠可靠地集成到薄膜太陽(yáng)能電池模塊的生產(chǎn)線中。人們通常所說(shuō)的刻線就是單個(gè)激光脈沖刻蝕的一個(gè)連貫過(guò)程,該脈沖聚焦后光斑大小為30~80μm,因此在P1層刻線中,要采用脈寬為幾十納秒(10~80ns)的脈沖光對(duì)玻璃基底進(jìn)行刻蝕。
透明導(dǎo)電氧化物(TCO,如ZnO和SnO2)通常使用近紅外激光和相對(duì)較高的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行加工。通常需要的脈沖重復(fù)頻率要超過(guò)100kHz。較高的脈沖重復(fù)頻率能夠確保切口處的徹底清潔。
根據(jù)材料對(duì)激光的吸收系數(shù)的不同,需要為特定的加工工藝選擇合適的激光波長(zhǎng)。綠激光對(duì)于硅的破壞閾值遠(yuǎn)低于其對(duì)TCO的破壞閾值,因此綠激光可以安全透過(guò)TCO膜層后,對(duì)吸收層進(jìn)行刻線。P2層和P3層的刻線機(jī)理與P1層相同。
單脈沖刻線機(jī)理本身的特征對(duì)脈沖重復(fù)頻率提出了一定的限制。為了防止接觸面半導(dǎo)體層的脫落,加工過(guò)程中需要的典型脈沖重復(fù)頻率為35~45kHz。常用的刻蝕閾值約為2J/cm2,也就是能將25μJ的激光能量聚焦到直徑為40μm的面積上,其平均功率非常低。由于綠光激光器的平均功率均為數(shù)瓦量級(jí),因此能夠?qū)⒐馐止夂筮M(jìn)行多光束并行加工,從而進(jìn)一步提高工作效率。
對(duì)于P1、P2和P3層的刻線應(yīng)用而言,用于微加工應(yīng)用的、輸出波長(zhǎng)為1064nm和532nm的結(jié)構(gòu)小巧緊湊的二極管泵浦激光器,無(wú)疑是無(wú)疑是一種理想的選擇,并且這種激光器能夠提供極高的脈沖穩(wěn)定性。這類激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間為8~ 40ns,脈沖重復(fù)頻率為1~100kHz。
清除保護(hù)
為了防止太陽(yáng)能電池模塊被腐蝕或短路,必須要在其邊緣留出大約1cm寬邊緣,用于接下來(lái)整個(gè)電池模塊的封裝。目前多使用噴砂的方法來(lái)清除這個(gè)邊緣。盡管?chē)娚胺椒ǖ耐顿Y成本較低,但是這個(gè)過(guò)程卻會(huì)帶來(lái)磨損、砂的清除以及防塵污染方面的成本。薄膜太陽(yáng)能電池模塊的生產(chǎn)需要潔凈的、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案,激光加工方案無(wú)疑是最佳選擇。通過(guò)提高激光的平均功率,能夠獲得卓越的加工質(zhì)量。激光加工可以實(shí)現(xiàn)大約50cm2/s的去除速度,甚至在30s之內(nèi)就能加工完成一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的太陽(yáng)能電池模塊。
事實(shí)上,用同一個(gè)脈沖就可以清除所有的邊緣薄膜層,并且清除速率的提高與激光的平均功率密切相關(guān)。具有高平均功率和高脈沖能量的激光,可以一次性清除特定的區(qū)域。最適用這種加工應(yīng)用的是采用光纖傳輸?shù)募す馄飨到y(tǒng),其輸出方形或矩形光斑。激光經(jīng)過(guò)光纖傳輸后能量分布更加均勻,從而實(shí)現(xiàn)清除效果的高度一致性。利用光斑的平行組合,加工效率能比采用傳統(tǒng)光纖提高50%以上,同時(shí)還在保證加工安全的前提下降低了脈沖重復(fù)頻率。另外,還可以與掃描振鏡結(jié)合適用,以減少加工過(guò)程中的非生產(chǎn)周期。當(dāng)然,激光器也應(yīng)提供相應(yīng)的分時(shí)輸出選擇,來(lái)減少非生產(chǎn)時(shí)間。此外,可以采用幾個(gè)不同的工作站共享同一臺(tái)激光器的加工方案,這樣就可以做到產(chǎn)品的上下料時(shí)間并不影響激光器的生產(chǎn)效率。
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