激光制造

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(見圖2)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。P2層、P3層相對于P1層的工藝參數已經在上面列出。

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。