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皮秒激光器在柔性太阳能薄膜电池中的应用

本文摘要:一、太阳能电池发展现状 传统晶硅太阳电池主要是由硅构成,电池主要部分坚硬、不易产生隐形裂纹,大多有一层钢化玻璃作为防水,导致重量大、装载不便、抗震能力劣。另外,由于在硅料制备、制作过程中的能源消耗,导致其发电成本远高于其他能源形式。非晶硅薄膜电池,具备性能平稳、抗辐射能力强劲等优势,且光电切换效率高,已相似于晶体硅太阳能电池的切换效率,但是成本只有其1/3,具备辽阔的市场前景。

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一、太阳能电池发展现状  传统晶硅太阳电池主要是由硅构成,电池主要部分坚硬、不易产生隐形裂纹,大多有一层钢化玻璃作为防水,导致重量大、装载不便、抗震能力劣。另外,由于在硅料制备、制作过程中的能源消耗,导致其发电成本远高于其他能源形式。非晶硅薄膜电池,具备性能平稳、抗辐射能力强劲等优势,且光电切换效率高,已相似于晶体硅太阳能电池的切换效率,但是成本只有其1/3,具备辽阔的市场前景。

  在所有太阳能薄膜电池材料中,CIGS(铜铟镓硒)电池对红外线的吸收系数最低,而且原材料的消耗却远高于传统晶体硅太阳电池。与高效率低成本的晶体硅太阳电池和低效率低成本的非晶硅太阳电池比起,CIGS太阳电池具备高效率、低成本、长寿命的多重优势,是最有期望减少光伏发电成本的高效薄膜太阳电池,并且它可以充分利用我国非常丰富的铟资源,是确实符合国家法规希望条款的合适中国国情的可再生能源技术,具备辽阔的发展前景。

  根据基板材料的有所不同,太阳能薄膜电池可分成软衬底和柔性衬底两大类。柔性太阳能薄膜电池是所指在柔性材料(如不锈钢、聚酰亚胺等)上制作的薄膜太阳能电池,与软衬底(如玻璃)薄膜太阳能电池比起,柔性薄膜太阳能电池具备可倾斜、不坚硬、质量重等优点,应用于普遍。本文侧重讲解以聚酰亚胺(PI)为衬底的柔性太阳能薄膜电池。

  二、柔性太阳能薄膜电池制程概述  CIGS太阳能薄膜电池制作时因衬底必须覆有Mo层,一般使用直流磁控溅射法沉积Mo钼作为反对层。而CIGS薄膜的生长则使用三步共蒸发。

再行使用水浴法沉积CdS薄膜,接着喷发物双层的ZnO薄膜,再行用电子束冷却制取Ni/Al电极,最后上面再行覆盖面积一层增透膜MgF2。详细结构如图2.1右图:图2.1CIGS结构闻图  在每层薄膜被沉积后,均需利用激光对膜层展开光刻,使各个电池之间串联一起,即我们经常说道的P1/P2/P3制程,这样,就需要根据电池宽度原作电池和模块的电流。

同时,利用激光或其他方式对登录方位展开展开阴边绝缘操作者,拒绝切割成的边缘平滑且具备一定的宽度,确保电池间的绝缘性。制程示意图如图2.2右图。图2.2P1、P2、P3切割成效果及电流南北转身  各制程详细解释如下:  P1:在基板上制取好腹电极Mo(一般使用磁控溅射的方法)之后,对其展开划线,将要基板上面的Mo电极展开拆分,拒绝光刻丢弃Mo层,但不损毁衬底PI,使其先前作为子电池,便于串联。

  P2:制取好吸取层CIGS及缓冲器层CdS后,对该部分薄膜展开划线,拒绝将非晶硅膜层(即CIGS吸取层)几乎光刻掉,但不损毁腹电极Mo和衬底,便于构建先前的串联。  P3:制取前电极、窗口层,并对该层薄膜展开划线,拒绝将前电极层和吸取层全部除去,但不损毁腹电极Mo和衬底,以构建电池的分离出来。  使用PI柔性衬底,可利用一维技术(Roll-to-Roll生产工艺),将材料拉链成卷,可大规模生产质量重、可倾斜的电池,相对于传统的刚性衬底(玻璃等)薄膜电池,可大大提高生产效率,流水线生产过程如图2.3右图右图:图2.3一维技术流水线概述  三、多通道皮秒激光在柔性太阳能薄膜电池中的应用于  皮秒激光的脉长很短,只有几个皮秒,具备很高的峰值功率。它与材料相互作用时,光刻部分热影响较小,产生冷加工的效果,防止不必要的热效应,无热影响区,且边缘平滑,因此可利用皮秒激光展开高精密加工。

皮秒激光器波长涵括红外到紫外,可处置的材料范围很广,限于于很多场合的加工应用于。  在薄膜太阳能电池的加工过程中,最先使用的是机械划刻的方式,操作者简单、边缘坚硬,且死区(DeadArea)宽度过大,大约为300m,若使用皮秒激光展开光刻,杀区宽度仅有为140m,且各边缘平滑、边界显著、操作者非常简单。目前太阳能薄膜电池加工过程中激光光刻使用的多为纳秒脉冲激光器,与皮秒激光器比起,这些纳秒激光器的脉宽要宽约1000倍,加工时热效应显著,不存在边缘坚硬、表面碎屑、加工速度慢等缺点。

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  皮秒激光器以其出色的加工能力,使其在太阳能薄膜电池加工领域中,享有极高的市场前景。但是,单台皮秒激光器成本高昂,而在薄膜太阳能电池生产过程中,有所不同的制程必须有所不同的光源参数,则必须设施多台皮秒激光器才可已完成整个生产过程,使得生产设备成本过低,一般厂家无法拒绝接受。

针对这一现状拒绝,莱泽光电在全国首家发售四地下通道皮秒液体激光器(如图3.1右图),波长分别为1064nm、532nm(1路1064nm,3路532nm),脉冲宽度<15ps,功率稳定性<1%,脉冲稳定性<3%。四路激光的参数可分开掌控,极致解决问题了生产成本过低的这一问题。

利用涉及光学器件,将有所不同光束引领到有所不同的方位,在CIGS展开一维加工时,可同时展开激光在线工作。图3.1多通道皮秒液体激光器  四、实际案例  实验数据:  P1制程时,波长532nm,激光能量50J,反复频率50kHz,振镜扫瞄速度20mm/s,探讨镜焦距250mm;  P2制程时,波长532nm,激光能量5J,反复频率500kHz,振镜扫瞄速度250mm/s,探讨镜焦距250mm;  P3制程时,波长532nm,激光能量1J,反复频率50kHz,扫瞄速度500mm/s,探讨镜焦距250mm。

最后加工效果,如图4.1右图。  阴边工艺使用1064nm激光,工作频率50kHz,脉冲能量小于30J,扫瞄速度20mm/s,取得几乎绝缘的边缘隔绝。图4.1实际加工效果  五、结论  在PI衬底的太阳能薄膜电池加工过程中,莱泽光电发售的四地下通道皮秒液体激光器,激光参数出色、性能平稳,四路激光可同时独立国家掌控,一台激光器替换了传统的多台激光器,不仅加工效果出色,而且节约了生产成本,因应柔性薄膜电池的一维加工技术展开在线加工,可大大提高产品的质量及生产效率,获得了合作单位的完全一致赞誉。


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