激光作為工業(yè)化工具在光伏行業(yè)是一種關(guān)鍵的技術(shù),它能確保低成本的制造工藝,生產(chǎn)出高效的太陽能電池。激光器就是實現(xiàn)此目標(biāo)的理想選擇,并且比起其它的工藝來說,它更加高效。因為一方面它提高了生產(chǎn)流程中的工藝可靠性,另一方面降低了生產(chǎn)成本。這些優(yōu)勢在生產(chǎn)晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池中得到了充分的體現(xiàn)。 大規(guī)模生產(chǎn)的趨勢正推動著“光刀”的發(fā)展。這是因為在激光技術(shù)上的投資能快速得到回報,特別是當(dāng)今已經(jīng)安裝的那些每年產(chǎn)能在60MW~100MW的生產(chǎn)線,通常來說,激光器都能發(fā)揮其潛在的優(yōu)勢。 其優(yōu)勢概括如下: ● 激光作為工具被使用,因為在光伏行業(yè)中針對不同材料(硅、金屬、電介質(zhì))的吸收,可以選擇正確波長。 ● 短波或脈沖激光能保證較低的光熱效度。 ● 對于易碎材料的加工,通過非接觸式的方法減小機械沖擊是建立可靠的工藝生產(chǎn)線的基礎(chǔ)。 ● 在更換工具后,昂貴的工藝調(diào)整過程就不必要了,因此減少了生產(chǎn)過程中的停機時間。 “光刀”和晶硅太陽能電池的生產(chǎn) 在仍占主導(dǎo)地位的晶硅太陽能電池生產(chǎn)中,激光器一直被用于切割硅片和邊緣絕緣。電池邊緣的摻雜是為了防止前電極和背電極的短路。在這一應(yīng)用上,激光已勝過其它傳統(tǒng)的工藝。等離子刻蝕未能滿足自動化要求,破損率很高。 經(jīng)驗證的工藝:晶硅電池的選擇性摻雜 激光器越來越多地用于摻雜工藝,因為它能在太陽能電池上提高局部摻雜濃度的分布,從而改善載流子的移動性,特別是接觸柵極。至少六個不同的工藝在市場上互相競爭,幾乎所有的工藝都是基于激光技術(shù)。例如,經(jīng)過特殊設(shè)計的激光裝量可以毫無損傷地在磷硅玻璃上將磷擴散到硅片的表面,從而提高晶圓和接觸電極之間的導(dǎo)電率。通過一系列的測試表明,不同的擴散濃度,最高可提升5%的光電轉(zhuǎn)換效率。 用數(shù)字舉例:激光器降低每瓦成本 激光器未來的另一個應(yīng)用包括在晶硅太陽能電池上選擇性燒蝕鈍化層。超短脈沖和高脈沖能量的激光器特別合適,因為它們具有絕佳的光束質(zhì)量,這些條件都只能通過碟片激光技術(shù)才能實現(xiàn)。由于激光輸出功率的可擴展性,從而達到更高的生產(chǎn)能力,超短脈沖中的高光束質(zhì)量,顯著提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,這樣就可以大大減少未來太陽能電池每瓦特的成本。 未來的市場:用于薄膜太陽能電池加工的激光器 薄膜太陽能電池在過去幾年里得到了快速的發(fā)展,專家們希望能在中期內(nèi)得到20%的市場份額。在薄膜太陽能電池的生產(chǎn)中,激光器在結(jié)構(gòu)化和電池單元互連上起著決定性的作用,以確保太陽能模塊能達到所要求的絕緣強度。 已確立的工藝:激光刻線 根據(jù)不同的膜層,激光刻劃由碲化鎘或非晶硅薄膜制成的導(dǎo)電和光敏涂層。通過這種工藝,涂在玻璃基板上的涂層被分割成互相串聯(lián)的電池。這樣,電池的寬度決定了電池和模塊的電壓。準(zhǔn)確地講,有選擇地和非接觸的激光加工工藝可以可靠地集成到生產(chǎn)線上。所謂的刻線是將30~80μm大小的單個光脈沖串聯(lián)起來,而在P1中采用幾十納秒脈寬(10~80ns)的脈沖來刻蝕。當(dāng)加工到膜層的邊緣時,材料的一部分被升華,蒸汽壓力可以吹走被刻蝕的材料。因此,加工的能量小了,底部材料的熱影響也會減少。 前景展望: 新型TCO衍生物 目前,專家們正在觀察太陽能電池制造商試驗新導(dǎo)電透明氧化物—TCO衍生物以實現(xiàn)更高效率,提高生產(chǎn)率。通常TCO是通過紅外激光相對高脈沖重疊率進行加工的。但在某些情況下,需要尋找新的激光參數(shù)來加工新的混合物。 皮秒激光器的挑戰(zhàn):CI(G)S、電池 眾所周知,由Cu(In、Ga) (S、Se)組成的薄膜電池也被稱為CIGS,對激光加工提出了特別大的挑戰(zhàn),其所使用的材料是最大的挑戰(zhàn)。如果基板是玻璃,那么鉬薄膜在一開始刻線的階段就要加工。然而鉬沸點高,導(dǎo)熱性好,熱容量高。如果熱被應(yīng)用到鉬層上,就會導(dǎo)致裂縫和剝落。如用納秒激光脈沖加工,這些缺點將無法避免,從而導(dǎo)致質(zhì)量的降低。光敏材料也會對導(dǎo)入的高熱容易受到影響。硒比其他材料,例如銅、銦、鎵的沸點低,因此,在低溫時,可以從混合物中脫離。通過“長”激光脈沖加工,會導(dǎo)致邊緣區(qū)短路,因為沒有硒的半導(dǎo)體會轉(zhuǎn)換成合金。 邊緣清除:激光器將取代噴砂法 為了保護薄膜太陽能電池免于不利環(huán)境的影響,特別是防潮,在電池模塊的四周需要清除大約1厘米寬度的膜層,進而通過層壓保護。這樣能保護太陽能電池免于腐蝕,并長期防止短路。噴砂法是目前被廣泛使用的方法,盡管噴砂設(shè)備投資成本低,但在加工過程中,會由于磨損、清除沙子,以及相關(guān)檢測而產(chǎn)生高昂的后續(xù)費用,這是噴砂法的劣勢。因此,激光器是再適合不過的了,通過提高激光功率可以提升工藝的特性。清除速率可以達到50cm2/s以上,或者在30s內(nèi)加工完一片標(biāo)準(zhǔn)的電池模塊。以下數(shù)據(jù)充分表明激光器的投入是值得的:相對于傳統(tǒng)的噴砂,通過激光加工每個模塊的成本從0.45歐元下降到0.16歐元;在一個 60MW的工廠,每年的生產(chǎn)成本將節(jié)省大約175,000歐元。 總結(jié) 因此,從上文中我們得出結(jié)論,激光器是未來光伏行業(yè)的主要工具。隨著材料越來越薄,以及更高的生產(chǎn)率,非接觸的“光刀”發(fā)揮出它的優(yōu)勢。當(dāng)決策者不僅僅只是考慮初始投資,而是考慮整體擁有成本時,這一點尤其重要。激光器不需要修整時間,也不需要昂貴的工藝評估時間,因為激光器不會磨損。此外,內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)前的激光系統(tǒng)中是標(biāo)準(zhǔn)的,因此在24/7的工作制中,也不必調(diào)整工藝參數(shù)。 通過高穩(wěn)定性和巨大的輸出儲備所獲得的最佳可重復(fù)性,為達到最高生產(chǎn)效率提供了基礎(chǔ)。激光器為減少非生產(chǎn)性時間提供了更多選擇。例如,通過時間共享,一臺激光器可以為多個工作站服務(wù),因此上下料不影響激光器總的生產(chǎn)效率。 |
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