[实用新型]太阳能电池板激光刻划系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种激光刻划系统，尤其是一种太阳能电池板激光刻划系统，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系统。这种以硅晶圆为基板的薄膜系统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系统进行刻线时，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