1、激光划线设备工作原理

2、结构组成

3、制备钙钛矿电池中的作用

4、激光工艺要求与配置

5、关键技术指标

6、技术挑战

1、激光器：

作用：是激光划线设备的核心部件，产生高能量的激光束，为划线提供能量来源。不同类型的激光器，如二氧化碳激光器、光纤激光器、半导体激光器等，在功率、波长、光束质量等方面有所差异，可根据具体的划线需求进行选择。例如，在对一些高硬度材料进行划线时，可能需要高功率的激光器；对于精细划线作业，就需要光束质量好的激光器。

组成部分：包括激光二极管、发光晶体等元件，有的激光器还配备有高温保护装置等辅助部件，以确保激光器在工作过程中的稳定性和可靠性。

2、光学系统：

透镜组合：用于对激光器发出的激光进行聚焦、准直等处理，使激光束能够以合适的形状、尺寸和能量分布作用于待划线材料表面。例如，通过透镜组合可以将激光束聚焦成一个微小的光点，以实现高精度的划线；或者将激光束扩束，使其覆盖更大的划线区域。

反射镜：可以改变激光的传播方向，使激光能够按照设计的光路传输到划线位置。反射镜通常具有高反射率和良好的光学性能，能够保证激光在传输过程中的能量损失最小化。在一些复杂的激光划线设备中，可能会使用多个反射镜来实现激光的多次反射和转向，以满足不同的划线需求。

振镜：一种可以快速改变激光束传播方向的光学元件，通常由两个相互垂直的反射镜和驱动电机组成。通过控制驱动电机的转动，可以使振镜反射镜快速旋转，从而使激光束在二维平面内快速扫描，实现复杂的划线图案或对大面积的材料进行快速划线。

扩束镜：位于激光器和后续光学元件之间，用于扩大激光束的直径，减小激光束的发散角，提高激光的能量密度和稳定性。扩束镜的扩束比例可以根据实际需要进行选择，常见的扩束比例有 2X、5X、10X 等。

3、控制系统：

控制器：是激光划线设备的大脑，负责对整个设备的运行进行控制和管理。控制器可以接收来自各种传感器和输入设备的信号，如位置传感器、速度传感器、操作面板等，并根据预设的程序和参数，发出控制指令，控制激光器的开关、功率调节、光学系统的动作、工作台的移动等。常见的控制器有 PLC（可编程逻辑控制器）、工业计算机等。

驱动系统：根据控制器的指令，驱动各个运动部件，如工作台的移动、振镜的转动等。驱动系统通常由电机、驱动器、传动装置等组成。电机可以是步进电机、伺服电机等，具有高精度、高速度、高可靠性等特点；驱动器用于控制电机的转速、转向和位置；传动装置可以是丝杆、皮带、链条等，将电机的旋转运动转化为工作台或其他部件的直线运动或旋转运动。

4、工作台：

作用：用于承载和固定待划线的材料，使其在划线过程中保持稳定。工作台的精度和稳定性对划线的质量和精度有着重要的影响。

结构形式：工作台的结构形式多种多样，常见的有平面工作台、旋转工作台等。平面工作台适用于对平面材料进行划线；旋转工作台则适用于对圆形或圆柱形材料进行划线，通过旋转工作台的转动，可以实现对材料的圆周划线。

5、辅助系统：

冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，如果不及时冷却，会影响激光器的性能和寿命。冷却系统通常采用水冷或风冷的方式，对激光器进行冷却。水冷系统具有冷却效果好、稳定性高的优点，但需要配备专门的水冷设备和管道；风冷系统则结构简单、维护方便，但冷却效果相对较差。

吸尘系统：激光划线过程中会产生一些烟尘和碎屑，如果不及时清除，会影响划线的质量和设备的正常运行。吸尘系统通常由吸尘器、吸尘管道、吸尘罩等组成，可以将划线过程中产生的烟尘和碎屑吸入吸尘器中，保持工作环境的清洁。

传感器系统：包括位置传感器、速度传感器、温度传感器等，用于实时监测设备的运行状态和工作参数，如工作台的位置、激光束的功率、设备的温度等，并将监测到的信息反馈给控制器，以便控制器及时调整设备的运行状态，保证划线的质量和精度。

1、图案化电极和功能层

P1 划线（前电极划分）：在钙钛矿太阳能电池制备中，首先需要对前电极进行图案化处理。激光划线设备能够精准地在前电极层（如透明导电氧化物电极）上进行 P1 划线，将大面积的前电极划分成多个独立的子电极。这一步骤对于后续串联多个子电池形成具有更高电压输出的电池模块至关重要。例如，通过精确控制激光的能量和扫描路径，可以将前电极划分成宽度均匀的子电极区域，宽度通常在几毫米左右，这种精细的划分有助于提高电池模块的电学性能。

P2 划线（中间层处理）：激光用于 P2 划线主要是对电池的中间层进行操作。它能够在不损坏下层前电极和上层其他功能层的情况下，精确地对中间层进行局部去除或改性。这有助于减少中间层与其他层之间可能出现的短路问题，并且可以优化中间层与前后电极之间的电荷传输路径，提高电池的光电转换效率。

P3 划线（后电极划分）：在电池的后电极层也需要进行 P3 划线。激光划线设备能够有效地去除后电极层的特定区域，从而划分出独立的电池单元，同时保证后电极与中间层和前电极之间的良好电学连接，使每个子电池能够正常工作并且实现串联连接，提高整个电池模块的输出电压。

2、提高电池模块集成度

串联电池单元：通过激光划线设备进行的多次划线（P1 - P3），可以将多个钙钛矿太阳能电池单元有效地串联起来。这种串联方式能够增加电池模块的输出电压，使得钙钛矿太阳能电池能够更好地满足实际应用中的电压需求。例如，在光伏建筑一体化（BIPV）等应用场景中，需要电池模块提供较高的电压来适配建筑电气系统，激光划线实现的串联结构就能够很好地满足这一需求。

优化电池布局：激光划线还可以用于优化电池模块内电池单元的布局。根据实际应用的需求，如不同的形状、尺寸和功率要求，利用激光划线设备可以灵活地调整电池单元的大小和排列方式。这有助于在有限的空间内集成更多的电池单元，提高电池模块的功率密度，从而在相同的面积上获取更多的电能。

3、提升电池性能和稳定性

减少载流子复合：精确的激光划线能够优化电池各层之间的界面。在划线过程中，通过控制激光能量和划线精度，可以使各层之间的接触更加紧密和纯净，减少界面处的缺陷和杂质。这有助于减少载流子在界面处的复合，使得更多的光生载流子能够有效地传输到电极，从而提高电池的短路电流和光电转换效率。

边缘绝缘处理（P4 清边）：在钙钛矿太阳能电池制备过程中，激光划线设备还用于 P4 清边操作。将靠近玻璃边缘约 10mm 宽度的膜层清除，形成绝缘区域。这一操作可以有效防止电池边缘部分出现漏电现象，提高电池的稳定性和安全性。尤其是在长期户外使用的情况下，能够避免因边缘漏电导致的电池性能下降和安全隐患。

激光工艺要求与配置

1、划线精度：

线宽精度：要求能够精确控制划线的宽度，线宽的误差需要尽可能小。一般来说，线宽精度应达到微米级别，例如在 10 微米左右甚至更高精度，这样才能保证钙钛矿电池各功能层的准确划分和子电池的良好性能。如果线宽精度不够，可能会导致电池内部的短路或断路等问题，影响电池的效率和稳定性。

位置精度：确保划线的位置准确无误，这对于钙钛矿电池中各子电池的串联以及电流的导通非常重要。位置精度通常也需要达到微米级别，例如重复定位精度可控制在 ±10 微米以内，以保证每次划线的位置与设计要求高度一致。

2、划线速度：

较高的划线速度可以提高生产效率，降低生产成本。对于大规模生产的钙钛矿太阳能电池生产线，激光划线设备的划线速度是一个关键指标。一般来说，划线速度应达到每秒数米甚至更高，比如有的设备可以实现 2.5 米 / 秒的高速加工效果。

3、死区宽度：

在钙钛矿太阳能电池中，激光划线后的死区是指从 p1 线最外侧到 p3 线最外侧的不能发电的区域。死区宽度越小，电池的有效发电面积越大，电池组件的发电效率越高。因此，死区宽度是衡量激光划线设备性能的重要指标之一，一般需要将死区宽度控制在尽可能小的范围内，如有的设备能够将死区宽度稳定控制在 150 微米以内。

4、热影响区：

由于钙钛矿材料对温度比较敏感，激光划线过程中产生的热量可能会对钙钛矿层的性能产生影响。因此，需要控制激光划线的热影响区，使其尽可能小。通常要求热影响区在 2 微米以内，甚至有的设备可以将热影响区控制在 1 微米以内，以保证钙钛矿电池的性能不受激光划线过程的影响。

5、激光器性能：

激光功率：激光功率需要根据钙钛矿电池的材料特性和划线要求进行精确调节。功率过高可能会损坏电池材料，功率过低则可能无法实现有效的划线。例如，对于不同厚度的钙钛矿薄膜，需要选择合适的激光功率来保证划线的质量和深度。

激光脉冲宽度：激光的脉冲宽度也会影响划线的效果。较短的脉冲宽度可以减少对材料的热影响，提高划线的精度和质量。常见的有纳秒、皮秒、飞秒等不同脉冲宽度的激光器，在钙钛矿太阳能电池激光划线设备中，可能会根据具体需求选择合适的脉冲宽度。

6、设备稳定性和可靠性：

在大规模生产过程中，激光划线设备需要长时间稳定运行，因此设备的稳定性和可靠性非常重要。这包括设备的机械结构稳定性、光学系统的稳定性、控制系统的稳定性等方面。设备应能够在长时间运行过程中保持划线精度和速度的稳定性，同时具有较低的故障率和较长的使用寿命。

7、加工幅面：

根据钙钛矿太阳能电池的生产需求，激光划线设备需要具备足够大的加工幅面，以满足不同尺寸电池组件的划线要求。例如，有的设备可以加工 1.2 米 ×2.4 米的超大尺寸钙钛矿太阳能电池组件。

1、划线精度控制：

微米级精度要求：钙钛矿太阳能电池结构精细，对划线精度要求极高，通常需要达到微米级别。例如，线宽精度要控制在几微米甚至更高的精度范围内，以保证各功能层的准确划分和子电池的良好性能。如果线宽偏差过大，可能会导致电池内部短路或断路，影响电池的光电转换效率和稳定性。

位置精度挑战：在大面积的钙钛矿电池组件上，确保划线的位置精度准确无误也是一个难点。各道划线（如 P1、P2、P3 划线）的位置需要严格按照设计要求进行，否则会影响子电池的串联效果和电池模块的整体性能。并且，在高速划线过程中保持位置精度的稳定性也是一大挑战。

2、热影响控制：

材料热损伤：钙钛矿材料对温度敏感，激光划线过程中产生的热量可能会导致钙钛矿层的性能受损1。过高的温度会使钙钛矿材料发生分解、相变或产生缺陷，从而降低电池的光电转换效率。因此，需要精确控制激光的能量和作用时间，以减小热影响区的范围和程度2。

热应力问题：激光划线产生的局部高温会在钙钛矿薄膜中产生热应力，可能导致薄膜出现裂纹、变形等问题，影响电池的结构完整性和性能。如何在划线过程中有效地释放热应力，是需要解决的技术难题。

3、死区宽度减小：

死区是指激光划线后的从 P1 线最外侧到 P3 线最外侧的不能发电的区域。死区宽度越大，电池中发电无效区占比越大，子电池的效率也就越低。在钙钛矿生产中，需要尽可能减小死区宽度，以提高电池的有效发电面积和整体效率。这就要求激光划线设备具有高精度的控制能力和稳定的加工性能，同时还需要优化电池的设计和划线工艺。

4、大尺寸组件加工：

大面积均匀性：随着钙钛矿太阳能电池技术的发展，对大尺寸组件的需求日益增加。在大尺寸组件上进行激光划线，要保证划线的均匀性和一致性是非常困难的。例如，在平米级的组件上，激光能量的分布、扫描速度的均匀性等因素都会影响划线的质量，需要开发先进的激光扫描技术和能量控制系统。

对焦难度增加：大尺寸组件的表面平整度往往较低，这使得激光对焦变得更加困难。激光焦点的稳定性和准确性对于划线质量至关重要，需要采用高精度的焦点控制系统来适应大尺寸组件的加工需求，确保在整个加工过程中激光能够始终聚焦在正确的位置。

5、设备稳定性和可靠性：

长时间连续运行：钙钛矿太阳能电池的生产通常是大规模、连续化的过程，激光划线设备需要长时间稳定运行。这就对设备的机械结构、光学系统、控制系统等各个部件的稳定性和可靠性提出了很高的要求。例如，激光器的寿命、光学元件的抗磨损性、控制系统的抗干扰能力等都需要经过严格的测试和验证。

工艺兼容性：激光划线设备需要与钙钛矿电池的其他生产工艺（如镀膜、封装等）相兼容，确保整个生产流程的顺畅进行。这就要求设备的设计和参数设置能够与前后道工艺的要求相匹配，避免因工艺不兼容而导致的生产效率降低或产品质量问题。

6、激光参数优化：

激光功率选择：激光功率的选择需要根据钙钛矿材料的特性、薄膜厚度、划线速度等因素进行精确调整。功率过高会导致材料过度损伤，功率过低则无法实现有效的划线。因此，需要建立准确的激光功率与材料加工效果之间的关系模型，以便快速、准确地选择合适的激光功率参数2。

脉冲宽度和频率：激光的脉冲宽度和频率也会影响划线的质量和效果。不同的钙钛矿材料和结构可能需要不同的脉冲宽度和频率参数，以实现最佳的划线效果。因此，需要对激光的脉冲参数进行深入研究和优化，以满足钙钛矿生产的需求。

文章来源：“钙钛矿学习与交流”公众号

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