CN201824059U - 太阳能电池板激光刻划*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种太阳能电池板激光刻划***，其包括激光器，激光器的输出光路上设有光束扩散装置，光束扩散装置对应于与激光器相连的另一侧设有激光扫描器，激光扫描器的下方设有载物台；载物台上设有加热装置。本实用新型载物台上对应于设置加热装置的端部放置电池板，通过电加热器对载物台加热，加热后将电池板放置在载物台上，使电池板升高到一定温度；或通过红外加热器对电池板的表面进行加热，从而提高电池板的预加热温度，降低了激光器的功率要求，提高了激光器加工的速度，降低了加工成本，提高了刻线精度；可以最大限度地减少激光在电池板精密划线过程中对与划线区域相邻的未加工区域的破坏，包括极细微的热损伤、热应力和机械应力破坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光刻划***，尤其是一种太阳能电池板激光刻划***，属于激光精密加工的技术领域。
背景技术
光伏技术是一种能直接将太阳能转化为电能的技术，由于受到各种因素的影响和推动，比如能源价格和气候变暖等，它正在全世界范围内以前所未有的速度快速扩张。很多国家都制定了非常严格的再生能源生产和使用的标准，规定了再生能源在公共用电中不断增加的比例。而太阳能电池发电的成本也在不断地稳定下降，使其逐步成为一种和常规发电在成本上相比拟甚至更为低廉的替代产品。
目前硅晶圆太阳能电池占有光伏市场的85％以上份额，是当今最成熟及成本最低的一种，也是批量生产效率最高的一种。在这种硅晶圆电池的表面通常都有精密薄膜结构，构成以硅晶圆为基板的薄膜***。这种以硅晶圆为基板的薄膜***内分布着规则的导电极。有关电极在传统的制作过程中，其结构的形成多数是采用了丝网印刷加化学刻蚀的技术。近几年随着技术的发展引入了激光精密加工手段，不仅简化了生产程序，而且使得硅晶圆太阳能电池的转换效率得到了较大的提高。
在采用激光对硅晶圆太阳能电池薄膜***进行刻线时，激光器的选用对加工的质量及最后的光电转换效率有很大的影响。在很多应用场合对刻线的要求是深度精准，宽度合适，同时希望对刻线周围材料的热破坏尽量小。由于这些原因，激光波长通常选择较短的，比如在紫外波段。紫外激光能量的吸收主要发生在样品表面，从而有可能仅对表面及其相当浅的深度领域内进行精密刻线。
激光加工的机理随激光器的选择而有很大不同。当使用连续激光或较长脉冲宽度的脉冲激光时，被加工材料的刻线机理主要是通过激光能量被材料吸收后所转换的热能使材料挥发。由于以硅晶圆为基板的材料具有很好的热导率和较大的热扩散系数，热能的传播速度很快，这样在使用连续激光或较长长脉冲宽度的脉冲激光时，其作用范围远大于光斑的尺寸，造成被加工的区域过大而难以满足新一代太阳能电池的需求，同时刻线边缘因烧结等热破坏而造成特性不均匀、形状不整齐。
当采用较短、特别是超快脉冲激光器时，由于激光的峰值功率很高，材料的挥发主要是由材料分子直接在激光的强电磁场的作用下而发生。同时因为激光作用时间短，所以热扩散效应基本可以忽略。这样一来，激光作用的范围基本上仅在激光的光斑以内。这样加工的边缘比较平滑，较少发生明显的烧结等宏观热破坏现象。
综上所述，一种非常适用的技术是采用超快短波长激光器作为精密加工的光源；比如说基于锁模技术的绿光或紫外激光器。
由于激光加工过程是用激光的能量将材料去除掉，所需要的激光功率很高，通常对单脉冲峰值功率和平均功率都有很高要求。高功率短波长激光器、特别是紫外光对光学元件及材料的损伤很大，造成高功率短波长激光器特别是紫外激光器在制造技术上有较大困难而且成本很高，其所使用的光学元器件质量要求几乎完美无缺，因为点滴细微的缺陷都有可能造成对激光器本身的破坏。不仅如此，高功率紫外激光器对使用环境还有较高的要求，无形中增加了终端客户的使用成本。
目前世界上能够生产可靠且适用的高功率紫外激光器公司仅有为数不多的几家，其生产的激光器的价格很高，寿命不长，经常需要维护，在很大程度上提高了设备使用成本，进而增加了终端太阳能电池产品的生产成本。
在具体的刻划技术上，一方面要求激光对材料的处理能够高效、快速、精密、精准，一方面又要求被加工区域与未加工区域之间的热应力、机械应力等尽量小，以最大限度减少甚至避免对未加工区域的破坏，包括极细微的热损伤、热应力和机械应力破坏。
图1是一种晶体硅太阳能电池结构示意图，我们以它为例对有关具体刻划技术问题做一简要描述。虽然不同太阳能电池具体结构不同，但其对刻线要求从物理角度看是类似的。图1中，11是晶体硅基板，一般厚度在百微米量级，如晶体硅基板11的厚度为200微米。12和13是以晶体硅基板11为基板的薄膜结构，其中12表示绝缘氧化层，13表示绝缘氮化物层；一般厚度在几十纳米量级，比如说10纳米到100纳米。14是理想的激光刻线槽，通常宽度在几微米到几十微米。
采用超快短波长激光器作为精密加工的光源可以把激光作用有效控制在被加工材料的微观区域，有利于高效、快速、精密、精准地刻划出接近理想形状的线槽。但超快短波长激光同时也将在被加工微观区域与相邻未加工区域之间产生较大应力，从而对邻近未加工区域产生不必要的破坏，包括细微的热损伤、热应力和机械应力破坏，他们都可以直接或间接地降低太阳能电池的最终光电转化效率。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种太阳能电池板激光刻划***，其结构简单，降低加工设备成本，延长使用寿命，提高加工质量及提高太阳能电池的效率。
按照本实用新型提供的技术方案，所述太阳能电池板激光刻划***，包括激光器，所述激光器的输出光路上设有光束扩散装置，所述光束扩散装置对应于与激光器相连的另一侧设有激光扫描器，所述激光扫描器的下方设有载物台；所述载物台上设有加热装置。
所述加热装置包括电加热器，所述电加热器位于载物台对应于邻近激光扫描器的端部。所述加热装置包括红外加热器，所述红外加热器位于载物台的上方。
所述加热装置还包括温控仪，所述温控仪与电加热器相电连接。所述载物台上设有真空管，载物台对应于邻近激光扫描器的端部设有若干定位槽与定位孔，所述定位槽及定位孔均与真空管相连通。
所述载物台对应于邻近激光扫描器的另一端设有固定连接的移动台。所述激光扫描器与载物台间设有透镜。所述激光器为锁模激光器或调Q激光器。载物台对应于设置加热装置的端部设有隔热层。所述红外加热器为石英灯管或陶瓷加热器。
本实用新型的优点：载物台上对应于设置加热装置的端部放置电池板，通过电加热器对载物台加热，加热后将电池板放置在载物台上，使电池板升高到一定温度；或通过红外加热器对电池板的表面进行加热，从而提高电池板的预加热温度，降低了激光器的功率要求，提高了激光器加工的速度，降低了加工成本，提高了刻线精度。
附图说明
图1有一种晶体管太阳能电池晶圆的结构示意图。
图2为本实用新型实施例1的结构示意图。
图3为本实用新型实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图2所示：本实用新型包括激光器21、激光扫描器22、透镜23、载物台24、真空管25、移动台26、电加热器27、电池板28、加热装置29、温控仪30、激光光束31及光束扩散装置32。
如图2所示：所述激光器21用于产生激光光源，激光器21的输出端产生激光光束31，所述激光光束31通过光束扩散装置32后进入激光扫描器22内；所述激光扫描器22位于光束扩散装置32对应于与激光器21相连的另一侧。激光扫描器22根据设定的图形对载物台24上的电池板28进行扫描，从而在电池板28上得到设定的形状。激光扫描器22的下方设有载物台24，所述载物台24与激光扫描器22间设有透镜23，所述透镜23用于保持激光的焦点一直位于电池板28的表面，同时矫正激光扫描器22的角度和光斑在电池板28表面移动位置之间的线性关系。
载物台24对应于邻近激光扫描器22的端部设有若干定位孔及定位槽，电池板28通过定位孔及定位槽放置在载物台24的表面上。载物台24上设有真空管25，所述真空管25与载物台24上的定位孔及定位槽相连通；所述真空管25对应于与定位孔或定位槽相连的另一端与负压设备相连；所述负压设备产生的负压能够将电池板28与载物台24保持固定。载物台24对应于放置电池板28的另一端设有固定连接的移动台26，所述移动台26能够带动载物台24移动，移动方便。所述载物台24对应于放置电池板28的端部设有加热装置29，所述加热装置29包括电加热器27，所述电加热器27位于载物台24对应于放置电池板28的端部；电加热器27上设有温控仪30，能够对载物台24的表面实现精确加热。
在利用激光器21的加工过程中，电池板28的刻蚀源于其分子动能达到或超过了一定阈值。所述电池板28的分子刻蚀阈值和刻蚀速率都和电池板28的材料温度有关。所述刻蚀阈值的实现以及局部材料温度的提高主要是通过电池板28对光子能量的吸收。目前，激光器21对电池板28的加工通常都是在室温下运行。这样一来，必须使用高功率激光器才能使电池板28对光子能量的吸收达到或超过一定阈值，从而实现有效刻划。
如果在激光刻蚀之前电池板28能被预先加热到一定温度后，电池板28刻蚀在固定的刻蚀速率下对激光功率的要求将显著下降。这一方面是源于电池板28的材料在高温下对光子吸收效率得到提高，另一方面是电池板28的材料在高温下其分子动能本来就更接近于有关刻蚀速率。这样一来，就可以采用相对较低功率激光器来获得同样加工速度，或者使用同样激光器而较大幅度提高有关加工速度，从而大大降低有关加工成本。
因此，在通过激光器21对电池板28刻线前，先通过电加热器27对载物台24的表面加热，将载物台24的表面加热到一定温度后，同时将电池板28放置在载物台24上，电池板28通过真空管25的负压与载物台24相固定；由于电池板28的厚度很薄，且热容量很小，当电池板28放置在加热后的载物台24上后，电池板28能够很快升高到一定温度；然后在通过激光器21与激光扫描器22相配合，在电池板28上按照设定的形状刻线；采用本技术方案除了降低激光刻线的成本及刻线效率外，在被整体预先加热的电池板28上，进行激光划线可以大大减少局部被加工区域与相邻未被加工区域之间的温度差异和应力差异，从而大大减少局部微观损伤和破坏，有利于提高太阳能电池的效率。
所述电加热器27可以为电阻丝，激光器21为锁模激光器或调Q激光器；激光器21输出的脉冲宽度小于数十纳秒，以有利于对电池板28的精密加工。由于载物台24加热过程中是一个高温过程，载物台24可以通过移动台26移动到加热环境中加热，加热完成后，再通过移动台26将载物台24放置在激光扫描器22的下方。所述电池板28与载物台24间设置隔热层，以避免高温对周边部件的影响。
实施例2
如图3所示：本实用新型包括激光器21、激光扫描器22、透镜23、载物台24、真空管25、移动台26、电池板28、激光光束31、光束扩散装置32及红外加热器33。
如图3所示：所述激光器21产生的激光光束31通过光束扩散装置32输入到激光扫描器22，所述激光扫描器22的下方设有透镜23及载物台24。所述载物台24上设有若干定位孔及定位槽，所述定位孔及定位槽均与载物台24上的真空管25相连通。载物台24对应于邻近激光器22的另一端设有固定连接的移动台26。载物台24的上方设有红外加热器33，所述红外加热器33为石英灯管或陶瓷加热器。所述电池板28放置在载物台24对应于邻近红外加热器33的端部，电池板28与载物台24间设有隔热层；所述隔热层具有较好的热绝缘；当红外加热器33对电池板28加热时，能够防止热能的损失。由于采用晶体硅太阳能电池晶圆的电池板28表面经过特殊处理，具有很强的光吸收能力，所以红外加热器33也可以选在某些特定的波长范围以提高加热效率；红外加热器33对电池板28的表面进行加热；在电池板28装载于载物台24上后开始加热，激光器21及激光扫描器22在电池板28上刻线完毕后停止加热，以达到节省能源的目的。
如图2和图3所示：工作时，需要对电池板28进行预热，使电池板28的温度达到500℃左右。对电池板28加热时，可以采用图2的加热方式或图3的加热方式。当采用图2的加热方式时，先利用电加热器27与温控仪30间的相互配合，使载物台24的表面温度加热到设定的温度，然后再将电池板28装载在载物台24上；由于电池板28的特性，使电池板28能够迅速升高到设定的温度；然后通过移动台26将载物台24及电池板28定位到加工位，并在通过激光器21及激光扫描器22将设定的形状在电池板28上刻线。当采用图3所示的加热方式时，需要先将电池板28装载在载物台24上，并通过真空管25内的负压使电池板28与载物台24保持固定。电池板28与载物台24定位到加工位置后，利用红外加热器33对电池板28的表面加热。随着红外加热器33不断对电池板28的加热，降低了激光器21的功率要求。
本实用新型载物台24上对应于设置加热装置的端部放置电池板28，通过电加热器27对载物台24加热，加热后将电池板28放置在载物台24上，使电池板28升高到一定温度；或通过红外加热器33对电池板28的表面进行加热，从而提高电池板28的预加热温度，降低了激光器21的功率要求，提高了激光器21加工的速度，降低了加工成本，提高了刻线精度。本实用新型可以最大限度地减少激光在电池板28精密划线过程中对与划线区域相邻的未加工区域的破坏，包括极细微的热损伤、热应力和机械应力破坏。
Claims (10)
1.一种太阳能电池板激光刻划***，包括激光器(21)，所述激光器(21)的输出光路上设有光束扩散装置(32)，所述光束扩散装置(32)对应于与激光器(21)相连的另一侧设有激光扫描器(22)，所述激光扫描器(22)的下方设有载物台(24)；其特征是：所述载物台(24)上设有加热装置(29)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述加热装置(29)包括电加热器(27)，所述电加热器(27)位于载物台(24)对应于邻近激光扫描器(22)的端部。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述加热装置(29)包括红外加热器(33)，所述红外加热器(33)位于载物台(24)的上方。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述加热装置(29)还包括温控仪(30)，所述温控仪(30)与电加热器(27)相电连接。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述载物台(24)上设有真空管(25)，载物台(24)对应于邻近激光扫描器(21)的端部设有若干定位槽与定位孔，所述定位槽及定位孔均与真空管(25)相连通。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述载物台(24)对应于邻近激光扫描器(22)的另一端设有固定连接的移动台(26)。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述激光扫描器(22)与载物台(24)间设有透镜(23)。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述激光器(21)为锁模激光器或调Q激光器。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：载物台(24)对应于设置加热装置(29)的端部设有隔热层。
10.根据权利要求3所述的太阳能电池板激光刻划***，其特征是：所述红外加热器(33)为石英灯管或陶瓷加热器。
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