激光技术提升薄膜太阳能电池制造效率

　　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 激光技术
   　　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沉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。
   
   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
   　　透明导电氧化物（TCO，如ZnO和SnO2）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。
   
   表1 不同材料的刻蚀阈值
   　　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P1、P2和P3层的刻线应用而言，用于微加工应用的、输出波长为1064nm和532nm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。
   
   图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
   
   图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1030nm、515nm和343nm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，能显着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。