CN202491018U - 用于薄膜太阳能电池的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于太阳能电池的激光加工装置，属于薄膜太阳能电池激光加工技术领域，解决如何实现一次性刻划电池边缘绝缘沟槽的技术问题。激光加工装置，包括X向运动机构、Y向运动机构和光学装置，该光学装置由支撑架支撑固定在Y向运动机构上，其技术特征是光学装置主要由激光器、扩束机构、可调光阑、反射镜以及聚焦装置构成，激光器为基模成高斯分布的高峰值功率、窄脉宽和低频稳定的绿激光，能够一次性刻划出具有台阶的前电极层沟槽和背电极层沟槽，绝缘性好，而且设备要求低、效率高，可以有效地降低制造成本，提高产品质量。

Description

用于薄膜太阳能电池的激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于太阳能电池的激光加工装置，属于薄膜太阳能电池激光加工技术领域。 

背景技术

薄膜太阳能电池是通过在基片上依次沉积多层薄膜（主要包括前电极层、光电转换层以及背电极层）而形成的发电器件，由于沉积后在电池的边缘处存在前电极层和背电极层搭接短路的问题，因此需要在电池边缘进行绝缘处理，边缘绝缘处理通常采用化学腐蚀法和激光刻划槽法。目前，主要采用激光刻划槽法，以提高电池边缘处理的效率以及可靠性和安全性。激光刻划槽法，是在靠近电池边缘处通过激光对膜层进行刻划去除，形成绝缘沟槽，同时要求绝缘沟槽具有一定的宽度，在500V左右的高压下绝缘沟槽两侧不会放电。采用不同波段的激光刻划工艺分别完成不同膜层的沟槽刻划过程，如采用1064nm红外激光或355nm的紫外激光刻划前电极层沟槽；用532nm绿激光同时刻划光电转化层和背电极层沟槽，通过前后两次刻划沟槽使得内部电池与边缘分割开，实现边缘绝缘。通常边缘沟槽的刻划主要有两种形式，一是前电极层沟槽与背电极层沟槽位置错开，如中国专利ZL200710125207.1公开了一种硅薄膜太阳能电池及其制造方法，先用1064nm红外激光或355nm的紫外激光刻划前电极层沟槽，再用532nm绿激光同时刻划光电转换层和背电极层沟槽，该方法由于不需要两个沟槽对位，因此对激光设备精度要求较低，加工工艺简单，但由于两次刻划的沟槽相互错位，边缘处仍然存在前电极层和光电转换层搭接短路或漏电的问题，特别是如果太阳能电池应用在环境恶劣的地区，漏电问题会更严重。另一种激光刻划方法是前电极层沟槽与背电极层沟槽中心线位于同一位置，而且两沟槽宽度不同，呈台阶状，如美国专利US20060266409A1公开了一种先用532nm绿激光刻划光电转换层和背电极层的沟槽，再用1064nm红外激光在第一次刻槽位置刻划前电极层沟槽，该方法加工出的沟槽完全隔断了内部电池与边缘的接触，绝缘效果好，但沟槽为两次分别加工，效率低，要求两次刻划位置高度一致，如果两次位置不一致，会影响绝缘效果，对设备精度要求高，增加设备成本。 

实用新型内容

针对以上现有技术的不足，本实用新型设计一种用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，解决如何实现一次性刻划电池边缘绝缘沟槽的技术问题。 

为了实现以上任务，本实用新型采用的技术方案：提供一种用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，包括X向运动机构、Y向运动机构和光学装置，该光学装置由支撑架支撑固定在Y向运动机构上，其技术特征是光学装置主要由激光器、扩束机构、可调光阑、反射镜以及聚焦装置构成，激光器为基模成高斯分布的高峰值功率、窄脉宽和低频稳定的绿激光。利用满足高斯分布中的绿激光光斑从中心到外圆能量逐渐减弱的特点，由于前电极层材料和背电极层材料对应的激光刻划能量具有不同的破坏阈值，对应的前电极层需要较高的激光能量去除膜层，光电转换层和背电极层需要较低能量去除膜层，当使用绿激光刻划绝缘沟槽时，前电极层、光电转换层以及背电极层全部被激光光斑中心区域附近的高能量的激光刻划去除，而光电转换层和背电极层被激光靠近外圆位置的较低能量的激光刻划去除，在同一位置形成了阶梯状的绝缘沟槽，实现一次性刻划台阶式绝缘沟槽。 

光电转换层宽度与背电极层宽度一致。前电极层宽度小于背电极层宽度。 

激光器的峰值功率大于50kW，优选为50kW~200kW，脉宽为1ns~15ns，波长为532nm。 

激光器的频率为0kHz~100kHz，优选5kHz~15kHz。 

可调光阑的透光孔径大于3mm，优选为3mm~6mm。 

聚焦装置为焦距大于300mm的长焦，优选焦距为300mm~600mm。 

聚焦装置产生的光斑可以是圆形状光斑，也可以是方形光斑。 

扩束机构为5倍以上的倍率。 

可调光阑安装在扩束机构的后部或聚焦装置的前部。 

X向运动机构和Y向运动装置包括沿相应方向运动的托板和直线电机，托板安装在直线电机上。 

激光加工装置中的反射镜至少有两个，其中至少一个反射镜和聚焦装置安装在Y向运动托板上。 

Y向运动机构包括光学装置支撑架、Y向运动托板和Y向直线电机，Y向运动托板安装在Y向直线电机上。 

本实用新型的积极效果：1.由于采用基模成高斯分布的大功率绿激光加工基片，在电池边缘一次性形成台阶式绝缘沟槽，由于是同一个激光光斑，不需要对位，降低设备成本，提高生产效率和保证最佳的绝缘效果，而且可通过调节激光功率获得不同台阶宽度差的绝缘沟槽，使工艺简单灵活。 

2.采用窄脉宽的绿激光，缩短除膜时间，提高生产效率，使得膜层边缘不会产生熔渣、毛刺，避免了短路或漏电等问题，保证绝缘质量。 

3.采用低频稳定的绿激光，在相同刻划速度下，避免了单个光斑变大而导致的光斑重合度偏高而导致毛刺、熔渣、微裂纹等缺陷，保证了绝缘效果。 

4.采用了长焦距的聚焦装置，拉宽聚焦区域，使得工作窗口变宽，降低工作要求精度，便于操作。 

5.采用了大孔径的可调光阑，实现一次性刻划所需绝缘沟槽宽度，不需多次加工，保证绝缘质量。 

附图说明

图1：本实用新型的激光设备结构示意图。 

图2：图1中激光工作原理示意图。 

图3：本实用新型中激光器产生的基模呈高斯分布的能量曲线与激光光斑位置对应图，其中a为前电极层材料的破坏阈值，b为背电极层材料的破坏阈值，c为激光光斑的圆心位置。 

图4：本实用新型加工的绝缘沟槽的外观示意图，图中：7’为图2中由大于等于能量a所加工的前电极层7-2的绝缘沟槽，7’’为图2中由大于等于能量b所加工的光电转换层7-3和背电极层7-4的绝缘沟槽。 

图5：本实用新型加工的绝缘沟槽的剖面示意图，图中W1为绝缘沟槽7’宽度，W2为绝缘沟槽7’’的宽度。 

图6：对比文件1的绝缘沟槽的剖面示意图。 

图7：对比文件2的绝缘沟槽产生台阶偏移现象的剖面示意图。 

图中：1、激光器，2、光学装置支撑架，3、扩束机构，4、可调光阑，5、反射镜，6、聚焦装置， 7、基片，7-1、玻璃，7-2、前电极层，7-3、光电转换层，7-4、背电极层，8、Y向运动托板，9、Y向运动直线电机，10、X向运动托板，11、X向运动直线电机，12、X向运动机构支撑架，13、支撑柱。 

具体实施方式

用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其激光器发出绿激光束，经扩束机构形成准直激光束，再经可调光阑遮挡后通过多级反射镜反射后垂直入射到聚焦装置，聚焦后的激光束对基片进行加工，激光器的绿激光一次对基片的前电极层和光电转换层、背电极层同时刻划出台阶式绝缘沟槽。 

本实用新型设计的激光设备，采用特殊的高峰值功率、窄脉宽、低频稳定的长焦光学装置，产生的波长为532nm的基模呈高斯分布的绿激光，能够一次性刻划出具有台阶的前电极层沟槽和背电极层沟槽，不存在需要对位的问题，绝缘性好，而且设备要求低、效率高，可以有效地降低制造成本，提高产品质量。 

本实用新型采用峰值功率为50kW~200kW，脉宽为1ns~15ns，频率为5kHz~15kHz，聚焦装置的焦距为300mm~600mm，可调光阑的透光孔径为3mm~6mm，高功率具有了刻划前电极层的能量，高斯分布产生对应不同激光位置的不同能量分布，工艺简单，生产效率高；而传统532nm激光器峰值功率为0.3kW~0.8kW，脉宽20ns~50ns，工作频率在40kHz~70kHz之间，聚焦装置的焦距为150mm以下，可调光阑的透光孔径为为1~2mm，需采用多次工艺才能在电池边缘刻划出绝缘沟槽。本实用新型突破了现有技术的限制，能有效实现一次性刻划电池边缘处的绝缘沟槽。

实施例一：单节非晶硅薄膜太阳能电池的绝缘沟槽加工。 

本实施例激光加工设备主要由X向运动机构、Y向运动机构和光学装置组成，X向运动机构包括X向运动机构支撑架12、X向运动托板10、 X向运动直线电机11和支撑柱13，X向运动直线电机11安装在X向运动机构支撑架12上，X向运动托板10安装在X向运动直线电机11的导轨上，支撑柱13安装在X向运动托板10上；Y向运动机构包括光学装置支撑架2、Y向运动托板8和Y向直线电机9，Y向直线电机9安装在光学装置支撑架2上，Y向运动托板8安装在Y向直线电机9上，光学装置包括激光器1、扩束机构3、可调光阑4、反射镜5和聚焦装置6，光学装置安装在Y向运动机构上，激光器1、反射镜5、扩束机构3和可调光阑4安装在光学装置支撑架2上，反射镜5和聚焦装置6安装在Y向运动托板8上，基片7放置在支撑柱13上，膜面朝下。 

激光器1为10W声光调Q单模半导体泵浦的固体激光器，光束质量因子小于1.2，在10kHz时脉宽为10ns，经过5倍倍率的激光光束扩束机构3后，变成光束直径5mm的准直光束，先经45°绿光全反射镜5变向后再经过圆形可变光阑4遮挡后，变成光束直径4mm的准直光束，然后经45°绿光全反射镜5入射到聚焦装置6中进行聚焦，聚焦装置6采用焦距为500mm的三片组合静态532nm绿光聚焦镜，采用上述光学装置与外光路配置，可以得到理论上聚焦光斑直径200μm、焦深大于5mm的基膜呈高斯分布的532nm绿激光，当待加工的基片7为单节非晶硅薄膜太阳能电池，且基片7为3.5mm厚的玻璃7-1、前电极层7-2为600nm厚的FTO、光电转换层7-3为800nm厚的非晶硅、背电极层7-4为80nm厚的金属铝时，将激光器1的能量调至5W，频率调至10KHz，激光束的焦点调至基片7的膜层上。 

开始刻划基片7长边的绝缘沟槽的时候，整个光学装置不动，基片7在X向运动直线电机11带动下做1m/s高速运动；刻划短边的绝缘沟槽的时候，基片7不动，聚焦装置6在Y向直线电机9的带动下做1m/s高速运动，最终在基片7上得到了台阶式的绝缘沟道，完成加工。 

该绝缘沟道的7’’宽度W2为0.18mm，外沿光斑重合度55.6%，该绝缘沟道的7’宽度W1为0.11mm，内沿光斑重合度为27.3%。使用摇表测试绝缘沟道两侧电阻，加压500伏，电阻大于200兆欧姆。 

    实施例二：双节非晶硅薄膜太阳能电池的绝缘沟槽的加工。 

激光加工设备同实施例一相同，待加工的基片7为双节非晶硅薄膜太阳能电池，且基片7为3.2mm厚的玻璃7-1、前电极层7-2为700nm厚的AZO、光电转换层7-3为1300nm厚的非晶硅双节结构、背电极层7-4为120nm厚的金属铝镍合金时，将激光器1的能量调至6W，频率调至12KHz，激光束的焦点调至待加工基片7的膜层上。 

开始刻划基片7长边的绝缘沟槽的时候，整个光学装置不动，基片7在X向运动直线电机11的带动下做1m/s高速运动；刻划短边的绝缘沟槽的时候，基片7不动，聚焦装置6在Y向直线电机9的带动下做1m/s高速运动，最终在基片7上得到了台阶式的绝缘沟道，完成加工。 

该绝缘沟道的7’’宽度为0.2mm，外沿光斑重合度58.3%，该绝缘沟道的7’宽度为0.1mm，内沿光斑重合度为16.7%。使用摇表测试绝缘沟道两侧电阻，加压500伏，电阻大于200兆欧姆。 

实施例三：非晶/微晶叠层薄膜太阳能电池的绝缘沟槽的加工。 

激光加工设备同实施例一相同，待加工的基片7为非晶/微晶叠层薄膜太阳能电池，且基片7为4mm厚的玻璃7-1、前电极层7-2为1500nm厚的BZO、光电转换层7-3为1700nm厚的非晶/微晶双节结构、背电极层7-4为1200nm厚的BZO时，将激光器1的能量调至9W，频率调至8KHz，激光束的焦点调至待加工基片7的膜层上。 

开始刻划基片7长边的绝缘沟槽的时候，整个光学装置不动，基片7在X向运动直线电机11的带动下做0.6m/s高速运动；刻划短边的绝缘沟槽的时候，基片7不动，聚焦装置6在Y向直线电机9的带动下做0.6m/s高速运动，最终在基片7上得到了台阶式的绝缘沟道，完成加工。 

该绝缘沟道的7’’宽度为0.22mm，外沿光斑重合度65.9%，该绝缘沟道的7’宽度为0.09mm，内沿光斑重合度为16.7%。使用摇表测试绝缘沟道两侧电阻，加压500伏，电阻大于200兆欧姆。 

Claims (10)

1.一种用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，包括X向运动机构、Y向运动机构和光学装置，该光学装置由支撑架支撑固定在Y向运动机构上，其特征在于所述光学装置主要由激光器、扩束机构、可调光阑、反射镜以及聚焦装置构成，激光器为基模成高斯分布的高峰值功率、窄脉宽和低频稳定的绿激光。

2.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述激光器的峰值功率大于50kW，脉宽为1ns~15ns。

3.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述激光器的波长为532nm。

4.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述激光器的频率为0kHz~100kHz。

5.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述扩束机构为5倍以上的倍率。

6.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述聚焦装置为焦距大于300mm的长焦。

7.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述可调光阑的透光孔径大于3mm。

8.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述可调光阑安装在扩束装置的后部或聚焦装置的前部。

9.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述X向运动机构和Y向运动装置包括沿相应方向运动的托板和直线电机，托板安装在直线电机上。

10.根据权利要求9所述的用于薄膜太阳能电池的激光加工装置，其特征在于所述反射镜至少有两个，其中至少一个反射镜和聚焦装置安装在Y向运动托板上。

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