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光學工程
利用激光技術提高薄膜太陽能電池制造效率

激光器是生產薄膜太陽能電池模塊的重要工具,特別是高性能超短脈沖激光器,其能提供持續時間僅幾個皮秒的超短脈沖,這不但能幫助制造商提高產量,而且還能優化加工工藝。 

目前,在針對解決未來能源問題的討論中,光伏能源作為一種可再生能源扮演著重要角色。技術進步是實現電能平價消費的一個至關重要的前提條件,比如通過技術進步將光伏發電的成本降低到接近傳統能源的成本。 

目前,晶硅太陽能電池是光伏市場中的主導產品,其轉換效率最高達20%。在晶硅太陽能電池的制造過程中,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,特別是對于電極的接觸指而言尤為如此。在過去的幾年中,薄膜太陽能電池取得了巨大的發展,業界專家們更是希望其未來能在光伏市場中占據大約20%的市場份額。 

薄膜太陽能電池中所采用的膜層只有幾微米厚,因此其在生產中便能節約大量材料。在薄膜太陽能電池的制造過程中,激光發揮著決定性的作用。在整個制造過程中,激光將電池結構化并連接成模塊,并對模塊進行相應的刻蝕處理,進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)薄膜太陽能電池模塊的生產過程中,導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,均利用激光對膜層進行刻蝕,并使各個電池之間自動串聯起來。這樣,就能夠根據電池寬度設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能電池模塊的生產線中。人們通常所說的刻線就是單個激光脈沖刻蝕的一個連貫過程,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)的脈沖光對玻璃基底進行刻蝕。

透明導電氧化物(TCO,如ZnO和SnO2)通常使用近紅外激光和相對較高的脈沖重復頻率進行加工。通常需要的脈沖重復頻率要超過100kHz。較高的脈沖重復頻率能夠確保切口處的徹底清潔。 

根據材料對激光的吸收系數的不同,需要為特定的加工工藝選擇合適的激光波長。綠激光對于硅的破壞閾值遠低于其對TCO的破壞閾值,因此綠激光可以安全透過TCO膜層后,對吸收層進行刻線。P2層和P3層的刻線機理與P1層相同。 

單脈沖刻線機理本身的特征對脈沖重復頻率提出了一定的限制。為了防止接觸面半導體層的脫落,加工過程中需要的典型脈沖重復頻率為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瓦量級,因此能夠將光束分光后進行多光束并行加工,從而進一步提高工作效率。 

對于P1、P2和P3層的刻線應用而言,用于微加工應用的、輸出波長為1064nm和532nm的結構小巧緊湊的二極管泵浦激光器,無疑是無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定性。這類激光器的脈沖持續時間為8~ 40ns,脈沖重復頻率為1~100kHz。 

      清除保護 
      為了防止太陽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,用于接下來整個電池模塊的封裝。目前多使用噴砂的方法來清除這個邊緣。盡管噴砂方法的投資成本較低,但是這個過程卻會帶來磨損、砂的清除以及防塵污染方面的成本。薄膜太陽能電池模塊的生產需要潔凈的、經濟實惠的解決方案,激光加工方案無疑是最佳選擇。通過提高激光的平均功率,能夠獲得卓越的加工質量。激光加工可以實現大約50cm2/s的去除速度,甚至在30s之內就能加工完成一塊標準尺寸的太陽能電池模塊。 
      事實上,用同一個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。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域。最適用這種加工應用的是采用光纖傳輸的激光器系統,其輸出方形或矩形光斑。激光經過光纖傳輸后能量分布更加均勻,從而實現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光纖提高50%以上,同時還在保證加工安全的前提下降低了脈沖重復頻率。另外,還可以與掃描振鏡結合適用,以減少加工過程中的非生產周期。當然,激光器也應提供相應的分時輸出選擇,來減少非生產時間。此外,可以采用幾個不同的工作站共享同一臺激光器的加工方案,這樣就可以做到產品的上下料時間并不影響激光器的生產效率。 
      未來的激光工藝 
      CI(G)S太陽能電池模塊制造中 特殊材料的使用,對激光加工技術提出了巨大的挑戰。如果適用的基底材料為玻璃,那么鉬材料就被沉積到玻璃上。但是由于鉬具有熔點高、熱傳導性好以及高熱容等特性,導致加熱時會出現裂紋和脫落現象。由于這些缺點在用納秒激光進行加工時是無法避免的,因此激光器的使用與所獲得的加工質量密不可分。同樣,吸收層材料對熱也具有相當的敏感性,硒(Se)相對于銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)等金屬材料的熔點要低,它會在低溫時就能從粘合的地方分離。這種一來,沒有了硒層的半導體就變成了合金層,導致通過長脈沖激光產生的熱量使邊緣短路。 
      皮秒激光器將為上述問題提供理想的解決方案。用超短脈沖激光去除薄膜材料,不會產生嚴重的邊緣熱影響區。波長為1030nm、515nm和343nm的高性能皮秒激光器,可應用于CI(G)S薄膜太陽能電池模塊的結構化。超短脈沖激光器將會取代機械刻劃工藝,進一步提高加工質量和加工效率。 
      激光應用前景 
      未來激光技術有望在光伏制造過程中獲得更多應用空間,如晶硅太陽能電池鈍化層的選擇性燒蝕,具有高光束質量的超短脈沖和高脈沖能量的激光特別適合這類應用。目前,市場上只有碟片式激光技術能夠滿足這個標準。碟片激光器的輸出功率可調,能實現更高的生產量,而且其輸出的超短脈沖所擁有的卓越的光束質量,能顯著提高太陽能電池的轉換效率。 
       激光技術已經在太陽能電池生產中贏得了一席天地,并且其選擇性、非接觸式的加工工藝也已經超越了其他工藝。隨著太陽能電池生產所面臨的成本壓力日趨增大,將會促使高功率、高性能激光器在大規模生產中被廣泛采用。而且,具有超短脈沖的新激光技術也將帶來新的生產工藝。未來,激光技術的進步與廣泛采用,必將大幅太陽能電池生產的每瓦成本。

 


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