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激光技术提升薄膜太阳能电池制造效率
材料来源:激光世界           录入时间:2011-12-7 11:25:35

注:本文版权为《激光世界》所有,未经许可,请勿转载!

 

Jan Wieduwilt,德国通快公司

 

激光制造

激光器是生产薄膜太阳能电池模块的重要工具,特别是高性能超短脉冲激光器,其能提供持续时间仅几个皮秒的超短脉冲,这不但能帮助制造商提高产量,而且还能优化加工工艺。

 

目前,在针对解决未来能源问题的讨论中,光伏能源作为一种可再生能源扮演着重要角色。技术进步是实现电能平价消费的一个至关重要的前提条件,比如通过技术进步将光伏发电的成本降低到接近传统能源的成本。

 

目前,晶硅太阳能电池是光伏市场中的主导产品,其转换效率最高达20%。在晶硅太阳能电池的制造过程中,激光器主要用于晶圆切割和边缘绝缘。

 

在激光边缘绝缘过程中,激光辅助掺杂(doping)工艺用于防止电池正面与背面之间的短路而引起的功率损失。越来越多的激光器被用于激光辅助掺杂工艺中,以改善载流子的迁移率,特别是对于电极的接触指而言尤为如此。在过去的几年中,薄膜太阳能电池取得了巨大的发展,业界专家们更是希望其未来能在光伏市场中占据大约20%的市场份额。

 

薄膜太阳能电池中所采用的膜层只有几微米厚,因此其在生产中便能节约大量材料。在薄膜太阳能电池的制造过程中,激光发挥着决定性的作用。在整个制造过程中,激光将电池结构化并连接成模块,并对模块进行相应的刻蚀处理,进而保证所需要的绝缘性能。

 

 

图1

 

图2:激光通过玻璃刻蚀不同层的薄膜,从而使薄膜电池互相隔离并形成串联结构。

 

 

1:不同材料的刻蚀阈值

材料

TCO

Si

CdTe

近红外激光

(1064nm)

4-7J/cm2

6.8 J/cm2

1.05 J/cm2

绿激光(532nm)

6-10 J/cm2

1.6 J/cm2 

0.07 J/cm2

 

 

 

成熟的激光刻线工艺

在非晶硅或碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池模块的生产过程中,导电薄膜和光伏薄膜被积在大面积玻璃基板上。每层薄膜被沉积后,均利用激光对膜层进行刻蚀,并使各个电池之间自动串联起来。这样,就能够根据电池宽度设定电池和模块的电流。精确的选择性非接触式激光加工,能够可靠地集成到薄膜太阳能电池模块的生产线中。人们通常所说的刻线(见图2)就是单个激光脉冲刻蚀的一个连贯过程,该脉冲聚焦后光斑大小为30~80μm,因此在P1层刻线中,要采用脉宽为几十纳秒(10~80ns)的脉冲光对玻璃基底进行刻蚀。

 

透明导电氧化物(TCO,如ZnOSnO2)通常使用近红外激光和相对较高的脉冲重复频率进行加工。通常需要的脉冲重复频率要超过100kHz。较高的脉冲重复频率能够确保切口处的彻底清洁。

 

根据材料对激光的吸收系数的不同,需要为特定的加工工艺选择合适的激光波长。绿激光对于硅的破坏阈值远低于其对TCO的破坏阈值,因此绿激光可以安全透过TCO膜层后,对吸收层进行刻线(见表1)。P2层和P3层的刻线机理与P1层相同。P2层、P3层相对于P1层的工艺参数已经在上面列出。

 

单脉冲刻线机理本身的特征对脉冲重复频率提出了一定的限制。为了防止接触面半导体层的脱落,加工过程中需要的典型脉冲重复频率为35~45kHz。常用的刻蚀阈值约为2J/cm2,也就是能将25μJ的激光能量聚焦到直径为40μm的面积上,其平均功率非常低。由于绿光激光器的平均功率均为数瓦量级,因此能够将光束分光后进行多光束并行加工,从而进一步提高工作效率。

 

对于P1P2P3层的刻线应用而言,用于微加工应用的、输出波长为1064nm532nm的结构小巧紧凑的二极管泵浦激光器,无疑是无疑是一种理想的选择,并且这种激光器能够提供极高的脉冲稳定性。这类激光器的脉冲持续时间为8~ 40ns,脉冲重复频率为1~100kHz

 

    

3:用纳秒激光器刻蚀钼层产生的清晰可见的边缘断裂和脱落。

 

 

4:激光在薄膜太阳能电池的制造过程中发挥着至关重要的作用。

 

 

清除保护

为了防止太阳能电池模块被腐蚀或短路,必须要在其边缘留出大约1cm宽边缘,用于接下来整个电池模块的封装。目前多使用喷砂的方法来清除这个边缘。尽管喷砂方法的投资成本较低,但是这个过程却会带来磨损、砂的清除以及防尘污染方面的成本。薄膜太阳能电池模块的生产需要洁净的、经济实惠的解决方案,激光加工方案无疑是最佳选择。通过提高激光的平均功率,能够获得卓越的加工质量。激光加工可以实现大约50cm2/s的去除速度,甚至在30s之内就能加工完成一块标准尺寸的太阳能电池模块。

事实上,用同一个脉冲就可以清除所有的边缘薄膜层,并且清除速率的提高与激光的平均功率密切相关。具有高平均功率和高脉冲能量的激光,可以一次性清除特定的区域。最适用这种加工应用的是采用光纤传输的激光器系统,其输出方形或矩形光斑。激光经过光纤传输后能量分布更加均匀,从而实现清除效果的高度一致性。利用光斑的平行组合,加工效率能比采用传统光纤提高50%以上,同时还在保证加工安全的前提下降低了脉冲重复频率。另外,还可以与扫描振镜结合适用,以减少加工过程中的非生产周期。当然,激光器也应提供相应的分时输出选择,来减少非生产时间。此外,可以采用几个不同的工作站共享同一台激光器的加工方案,这样就可以做到产品的上下料时间并不影响激光器的生产效率。

 

 

未来的激光工艺

CI(G)S太阳能电池模块制造中特殊材料的使用,对激光加工技术提出了巨大的挑战。如果适用的基底材料为玻璃,那么钼材料就被沉积到玻璃上。但是由于钼具有熔点高、热传导性好以及高热容等特性,导致加热时会出现裂纹和脱落现象。由于这些缺点在用纳秒激光进行加工时是无法避免的,因此激光器的使用与所获得的加工质量密不可分。同样,吸收层材料对热也具有相当的敏感性,硒(Se)相对于铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)等金属材料的熔点要低,它会在低温时就能从粘合的地方分离。这种一来,没有了硒层的半导体就变成了合金层,导致通过长脉冲激光产生的热量使边缘短路。

 

皮秒激光器将为上述问题提供理想的解决方案。用超短脉冲激光去除薄膜材料,不会产生严重的边缘热影响区。波长为1030nm515nm343nm的高性能皮秒激光器,可应用于CI(G)S薄膜太阳能电池模块的结构化。超短脉冲激光器将会取代机械刻划工艺,进一步提高加工质量和加工效率。

 

激光应用前景

未来激光技术有望在光伏制造过程中获得更多应用空间,如晶硅太阳能电池钝化层的选择性烧蚀,具有高光束质量的超短脉冲和高脉冲能量的激光特别适合这类应用。目前,市场上只有碟片式激光技术能够满足这个标准。碟片激光器的输出功率可调,能实现更高的生产量,而且其输出的超短脉冲所拥有的卓越的光束质量,能显著提高太阳能电池的转换效率。

 

激光技术已经在太阳能电池生产中赢得了一席天地,并且其选择性、非接触式的加工工艺也已经超越了其他工艺。随着太阳能电池生产所面临的成本压力日趋增大,将会促使高功率、高性能激光器在大规模生产中被广泛采用。而且,具有超短脉冲的新激光技术也将带来新的生产工艺。未来,激光技术的进步与广泛采用,必将大幅太阳能电池生产的每瓦成本。

 


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