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激光刻蚀技术在太阳能电池制造中的应用

发布时间:2020-04-22 来源:元禄光电

激光刻蚀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。

 

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,激光刻蚀技术主要用于晶圆切割和边缘绝缘。

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太阳能电池

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。越来越多的激光刻蚀技术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。

 

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ZnO和SnO2)通常使用近红外1064nm光纤激光刻蚀技术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。绿光激光刻蚀机对于硅的破坏阈值远低于其对TCO的破坏阈值,因此绿光激光可以安全透过TCO膜层后,对吸收层进行刻线。P2层和P3层的刻线机理与P1层相同。

 

单脉冲激光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。由于绿光激光刻蚀机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。

 

激光刻蚀清边保护

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,激光刻蚀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。激光刻蚀加工可以实现大约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刻蚀机的加工方案,这样就可以做到产品的上下料时间并不影响激光刻蚀机的生产效率。

 

推荐设备:导电玻璃激光刻蚀机

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