專利名稱：用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于太陽能電池的激光加工裝置，屬于薄膜太陽能電池激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
薄膜太陽能電池是通過在基片上依次沉積多層薄膜(主要包括前電極層、光電轉(zhuǎn)換層以及背電極層)而形成的發(fā)電器件，由于沉積后在電池的邊緣處存在前電極層和背電極層搭接短路的問題，因此需要在電池邊緣進(jìn)行絕緣處理，邊緣絕緣處理通常采用化學(xué)腐蝕法和激光刻劃槽法。目前，主要采用激光刻劃槽法，以提高電池邊緣處理的效率以及可靠性和安全性。激光刻劃槽法，是在靠近電池邊緣處通過激光對(duì)膜層進(jìn)行刻劃去除，形成絕緣溝槽，同時(shí)要求絕緣溝槽具有一定的寬度，在500V左右的高壓下絕緣溝槽兩側(cè)不會(huì)放 電。采用不同波段的激光刻劃工藝分別完成不同膜層的溝槽刻劃過程，如采用1064nm紅外激光或355nm的紫外激光刻劃前電極層溝槽；用532nm綠激光同時(shí)刻劃光電轉(zhuǎn)化層和背電極層溝槽，通過前后兩次刻劃溝槽使得內(nèi)部電池與邊緣分割開，實(shí)現(xiàn)邊緣絕緣。通常邊緣溝槽的刻劃主要有兩種形式，一是前電極層溝槽與背電極層溝槽位置錯(cuò)開，如中國專利ZL200710125207. I公開了一種硅薄膜太陽能電池及其制造方法，先用1064nm紅外激光或355nm的紫外激光刻劃前電極層溝槽,再用532nm綠激光同時(shí)刻劃光電轉(zhuǎn)換層和背電極層溝槽，該方法由于不需要兩個(gè)溝槽對(duì)位，因此對(duì)激光設(shè)備精度要求較低，加工工藝簡(jiǎn)單，但由于兩次刻劃的溝槽相互錯(cuò)位，邊緣處仍然存在前電極層和光電轉(zhuǎn)換層搭接短路或漏電的問題，特別是如果太陽能電池應(yīng)用在環(huán)境惡劣的地區(qū)，漏電問題會(huì)更嚴(yán)重。另一種激光刻劃方法是前電極層溝槽與背電極層溝槽中心線位于同一位置，而且兩溝槽寬度不同，呈臺(tái)階狀，如美國專利US20060266409A1公開了一種先用532nm綠激光刻劃光電轉(zhuǎn)換層和背電極層的溝槽，再用1064nm紅外激光在第一次刻槽位置刻劃前電極層溝槽，該方法加工出的溝槽完全隔斷了內(nèi)部電池與邊緣的接觸，絕緣效果好，但溝槽為兩次分別加工，效率低，要求兩次刻劃位置高度一致，如果兩次位置不一致，會(huì)影響絕緣效果，對(duì)設(shè)備精度要求高，增加設(shè)備成本。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，解決如何實(shí)現(xiàn)一次性刻劃電池邊緣絕緣溝槽的技術(shù)問題。為了實(shí)現(xiàn)以上任務(wù)，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案提供一種用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置由支撐架支撐固定在Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其技術(shù)特征是光學(xué)裝置主要由激光器、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)、可調(diào)光闌、反射鏡以及聚焦裝置構(gòu)成，激光器為基模成高斯分布的高峰值功率、窄脈寬和低頻穩(wěn)定的綠激光。利用滿足高斯分布中的綠激光光斑從中心到外圓能量逐漸減弱的特點(diǎn)，由于前電極層材料和背電極層材料對(duì)應(yīng)的激光刻劃能量具有不同的破壞閾值，對(duì)應(yīng)的前電極層需要較高的激光能量去除膜層，光電轉(zhuǎn)換層和背電極層需要較低能量去除膜層，當(dāng)使用綠激光刻劃絕緣溝槽時(shí)，前電極層、光電轉(zhuǎn)換層以及背電極層全部被激光光斑中心區(qū)域附近的高能量的激光刻劃去除，而光電轉(zhuǎn)換層和背電極層被激光靠近外圓位置的較低能量的激光刻劃去除，在同一位置形成了階梯狀的絕緣溝槽，實(shí)現(xiàn)一次性刻劃臺(tái)階式絕緣溝槽。光電轉(zhuǎn)換層寬度與背電極層寬度一致。前電極層寬度小于背電極層寬度。激光器的峰值功率大于50kW，優(yōu)選為50kW 200kW，脈寬為Ins 15ns，波長(zhǎng)為532nm。激光器的頻率為OkHz IOOkHz，優(yōu)選5kHz 15kHz?？烧{(diào)光闌的透光孔徑大于3mm,優(yōu)選為3mnT6mm。聚焦裝置為焦距大于300mm的長(zhǎng)焦，優(yōu)選焦距為300mnT600mm。聚焦裝置產(chǎn)生的光斑可以是圓形狀光斑，也可以是方形光斑。擴(kuò)束機(jī)構(gòu)為5倍以上的倍率?？烧{(diào)光闌安裝在擴(kuò)束機(jī)構(gòu)的后部或聚焦裝置的前部。X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y向運(yùn)動(dòng)裝置包括沿相應(yīng)方向運(yùn)動(dòng)的托板和直線電機(jī)，托板安裝在直線電機(jī)上。激光加工裝置中的反射鏡至少有兩個(gè)，其中至少一個(gè)反射鏡和聚焦裝置安裝在Y向運(yùn)動(dòng)托板上。Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括光學(xué)裝置支撐架、Y向運(yùn)動(dòng)托板和Y向直線電機(jī)，Y向運(yùn)動(dòng)托板安裝在Y向直線電機(jī)上。本實(shí)用新型的積極效果1.由于采用基模成高斯分布的大功率綠激光加工基片，在電池邊緣一次性形成臺(tái)階式絕緣溝槽，由于是同一個(gè)激光光斑，不需要對(duì)位，降低設(shè)備成本，提高生產(chǎn)效率和保證最佳的絕緣效果，而且可通過調(diào)節(jié)激光功率獲得不同臺(tái)階寬度差的絕緣溝槽，使工藝簡(jiǎn)單靈活。2.采用窄脈寬的綠激光，縮短除膜時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，使得膜層邊緣不會(huì)產(chǎn)生熔渣、毛刺，避免了短路或漏電等問題，保證絕緣質(zhì)量。3.采用低頻穩(wěn)定的綠激光，在相同刻劃速度下，避免了單個(gè)光斑變大而導(dǎo)致的光斑重合度偏高而導(dǎo)致毛刺、熔渣、微裂紋等缺陷，保證了絕緣效果。4.采用了長(zhǎng)焦距的聚焦裝置，拉寬聚焦區(qū)域，使得工作窗口變寬，降低工作要求精度，便于操作。5.采用了大孔徑的可調(diào)光闌，實(shí)現(xiàn)一次性刻劃所需絕緣溝槽寬度，不需多次加工，保證絕緣質(zhì)量。

圖I :本實(shí)用新型的激光設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 :圖I中激光工作原理示意圖。圖3 :本實(shí)用新型中激光器產(chǎn)生的基模呈高斯分布的能量曲線與激光光斑位置對(duì)應(yīng)圖，其中a為前電極層材料的破壞閾值，b為背電極層材料的破壞閾值,c為激光光斑的圓心位置。圖4 :本實(shí)用新型加工的絕緣溝槽的外觀示意圖，圖中7’為圖2中由大于等于能量a所加工的前電極層7-2的絕緣溝槽，7’ ’為圖2中由大于等于能量b所加工的光電轉(zhuǎn)換層7-3和背電極層7-4的絕緣溝槽。圖5 :本實(shí)用新型加工的絕緣溝槽的剖面示意圖，圖中Wl為絕緣溝槽V寬度，W2為絕緣溝槽7’’的寬度。圖6 :對(duì)比文件I的絕緣溝槽的剖面示意圖。圖7 :對(duì)比文件2的絕緣溝槽產(chǎn)生臺(tái)階偏移現(xiàn)象的剖面示意圖。圖中1、激光器，2、光學(xué)裝置支撐架，3、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)，4、可調(diào)光闌，5、反射鏡，6、聚焦裝置，7、基片，7-1、玻璃，7-2、前電極層，7-3、光電轉(zhuǎn)換層，7-4、背電極層，8、Y向運(yùn)動(dòng)托板，
9、Y向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)，10、X向運(yùn)動(dòng)托板，IUX向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)，12、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架，13、支撐柱。
具體實(shí)施方式
用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其激光器發(fā)出綠激光束，經(jīng)擴(kuò)束機(jī)構(gòu)形成準(zhǔn)直激光束，再經(jīng)可調(diào)光闌遮擋后通過多級(jí)反射鏡反射后垂直入射到聚焦裝置，聚焦后的激光束對(duì)基片進(jìn)行加工，激光器的綠激光一次對(duì)基片的前電極層和光電轉(zhuǎn)換層、背電極層同時(shí)刻劃出臺(tái)階式絕緣溝槽。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的激光設(shè)備，采用特殊的高峰值功率、窄脈寬、低頻穩(wěn)定的長(zhǎng)焦光學(xué)裝置，產(chǎn)生的波長(zhǎng)為532nm的基模呈高斯分布的綠激光，能夠一次性刻劃出具有臺(tái)階的前電極層溝槽和背電極層溝槽，不存在需要對(duì)位的問題，絕緣性好，而且設(shè)備要求低、效率高，可以有效地降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本實(shí)用新型采用峰值功率為50kW 200kW，脈寬為Ins 15ns，頻率為5kHz 15kHz，聚焦裝置的焦距為300mnT600mm，可調(diào)光闌的透光孔徑為3mnT6mm，高功率具有了刻劃前電極層的能量，高斯分布產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同激光位置的不同能量分布，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高；而傳統(tǒng)532nm激光器峰值功率為0. 3kW 0. 8kff,脈寬20ns 50ns，工作頻率在40kHz 70kHz之間，聚焦裝置的焦距為150mm以下，可調(diào)光闌的透光孔徑為為f 2mm，需采用多次工藝才能在電池邊緣刻劃出絕緣溝槽。本實(shí)用新型突破了現(xiàn)有技術(shù)的限制，能有效實(shí)現(xiàn)一次性刻劃電池邊緣處的絕緣溝槽。實(shí)施例一單節(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的絕緣溝槽加工。本實(shí)施例激光加工設(shè)備主要由X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和光學(xué)裝置組成，X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架12、X向運(yùn)動(dòng)托板10、X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11和支撐柱13，X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11安裝在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架12上，X向運(yùn)動(dòng)托板10安裝在X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11的導(dǎo)軌上，支撐柱13安裝在X向運(yùn)動(dòng)托板10上；Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括光學(xué)裝置支撐架2、Y向運(yùn)動(dòng)托板8和Y向直線電機(jī)9，Y向直線電機(jī)9安裝在光學(xué)裝置支撐架2上，Y向運(yùn)動(dòng)托板8安裝在Y向直線電機(jī)9上,光學(xué)裝置包括激光器I、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)3、可調(diào)光闌4、反射鏡5和聚焦裝置6，光學(xué)裝置安裝在Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，激光器I、反射鏡5、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)3和可調(diào)光闌4安裝在光學(xué)裝置支撐架2上，反射鏡5和聚焦裝置6安裝在Y向運(yùn)動(dòng)托板8上，基片7放置在支撐柱13上，膜面朝下。激光器I為IOW聲光調(diào)Q單模半導(dǎo)體泵浦的固體激光器，光束質(zhì)量因子小于I. 2,在IOkHz時(shí)脈寬為10ns，經(jīng)過5倍倍率的激光光束擴(kuò)束機(jī)構(gòu)3后，變成光束直徑5mm的準(zhǔn)直光束，先經(jīng)45°綠光全反射鏡5變向后再經(jīng)過圓形可變光闌4遮擋后，變成光束直徑4_的準(zhǔn)直光束，然后經(jīng)45°綠光全反射鏡5入射到聚焦裝置6中進(jìn)行聚焦，聚焦裝置6采用焦距為500mm的三片組合靜態(tài)532nm綠光聚焦鏡，采用上述光學(xué)裝置與外光路配置，可以得到理論上聚焦光斑直徑200 u m、焦深大于5mm的基膜呈高斯分布的532nm綠激光，當(dāng)待加工的基片7為單節(jié)非晶硅薄膜太陽能電池，且基片7為3. 5mm厚的玻璃7_1、前電極層7_2為600nm厚的FTO、光電轉(zhuǎn)換層7-3為800nm厚的非晶硅、背電極層7-4為80nm厚的金屬鋁時(shí)，將激光器I的能量調(diào)至5W，頻率調(diào)至lOKHz，激光束的焦點(diǎn)調(diào)至基片7的膜層上。開始刻劃基片7長(zhǎng)邊的絕緣溝槽的時(shí)候，整個(gè)光學(xué)裝置不動(dòng)，基片7在X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11帶動(dòng)下做lm/s高速運(yùn)動(dòng)；刻劃短邊的絕緣溝槽的時(shí)候，基片7不動(dòng)，聚焦裝置6在Y向直線電機(jī)9的帶動(dòng)下做lm/s高速運(yùn)動(dòng)，最終在基片7上得到了臺(tái)階式的絕緣溝道，
完成加工。該絕緣溝道的7”寬度W2為0. 18mm,外沿光斑重合度55. 6%，該絕緣溝道的7’寬度Wl為0. Ilmm,內(nèi)沿光斑重合度為27. 3%。使用搖表測(cè)試絕緣溝道兩側(cè)電阻，加壓500伏，電阻大于200兆歐姆。實(shí)施例二 雙節(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的絕緣溝槽的加工。激光加工設(shè)備同實(shí)施例一相同，待加工的基片7為雙節(jié)非晶硅薄膜太陽能電池，且基片7為3. 2mm厚的玻璃7-1、前電極層7-2為700nm厚的AZ0、光電轉(zhuǎn)換層7-3為1300nm厚的非晶硅雙節(jié)結(jié)構(gòu)、背電極層7-4為120nm厚的金屬鋁鎳合金時(shí)，將激光器I的能量調(diào)至6W，頻率調(diào)至12KHz，激光束的焦點(diǎn)調(diào)至待加工基片7的膜層上。開始刻劃基片7長(zhǎng)邊的絕緣溝槽的時(shí)候，整個(gè)光學(xué)裝置不動(dòng)，基片7在X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11的帶動(dòng)下做lm/s高速運(yùn)動(dòng)；刻劃短邊的絕緣溝槽的時(shí)候，基片7不動(dòng)，聚焦裝置6在Y向直線電機(jī)9的帶動(dòng)下做lm/s高速運(yùn)動(dòng)，最終在基片7上得到了臺(tái)階式的絕緣溝道，完成加工。該絕緣溝道的7’ ’寬度為0. 2mm,外沿光斑重合度58. 3%,該絕緣溝道的7’寬度為
0.Imm,內(nèi)沿光斑重合度為16. 7%。使用搖表測(cè)試絕緣溝道兩側(cè)電阻，加壓500伏，電阻大于200兆歐姆。實(shí)施例三非晶/微晶疊層薄膜太陽能電池的絕緣溝槽的加工。激光加工設(shè)備同實(shí)施例一相同，待加工的基片7為非晶/微晶疊層薄膜太陽能電池，且基片7為4mm厚的玻璃7_1、前電極層7_2為1500nm厚的BZ0、光電轉(zhuǎn)換層7-3為1700nm厚的非晶/微晶雙節(jié)結(jié)構(gòu)、背電極層7_4為1200nm厚的BZO時(shí)，將激光器I的能量調(diào)至9W，頻率調(diào)至8KHz，激光束的焦點(diǎn)調(diào)至待加工基片7的膜層上。開始刻劃基片7長(zhǎng)邊的絕緣溝槽的時(shí)候，整個(gè)光學(xué)裝置不動(dòng)，基片7在X向運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)11的帶動(dòng)下做0. 6m/s高速運(yùn)動(dòng)；刻劃短邊的絕緣溝槽的時(shí)候，基片7不動(dòng),聚焦裝置6在Y向直線電機(jī)9的帶動(dòng)下做0. 6m/s高速運(yùn)動(dòng)，最終在基片7上得到了臺(tái)階式的絕緣溝道，完成加工。該絕緣溝道的7’ ’寬度為0. 22mm,外沿光斑重合度65. 9%，該絕緣溝道的7’寬度為0. 09mm,內(nèi)沿光斑重合度為16. 7%。使用搖表測(cè)試絕緣溝道兩側(cè)電阻，加壓500伏，電阻大于200兆歐姆。
權(quán)利要求1.一種用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置由支撐架支撐固定在Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其特征在于所述光學(xué)裝置主要由激光器、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)、可調(diào)光闌、反射鏡以及聚焦裝置構(gòu)成，激光器為基模成高斯分布的高峰值功率、窄脈寬和低頻穩(wěn)定的綠激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述激光器的峰值功率大于50kW，脈寬為Ins 15ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述激光器的波長(zhǎng)為532nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述激光器的頻率為OkHz IOOkHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述擴(kuò)束機(jī)構(gòu)為5倍以上的倍率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述聚焦裝置為焦距大于300mm的長(zhǎng)焦。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述可調(diào)光闌的透光孔徑大于3mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述可調(diào)光闌安裝在擴(kuò)束裝置的后部或聚焦裝置的前部。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y向運(yùn)動(dòng)裝置包括沿相應(yīng)方向運(yùn)動(dòng)的托板和直線電機(jī)，托板安裝在直線電機(jī)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于薄膜太陽能電池的激光加工裝置，其特征在于所述反射鏡至少有兩個(gè)，其中至少一個(gè)反射鏡和聚焦裝置安裝在Y向運(yùn)動(dòng)托板上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于太陽能電池的激光加工裝置，屬于薄膜太陽能電池激光加工技術(shù)領(lǐng)域，解決如何實(shí)現(xiàn)一次性刻劃電池邊緣絕緣溝槽的技術(shù)問題。激光加工裝置，包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置由支撐架支撐固定在Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其技術(shù)特征是光學(xué)裝置主要由激光器、擴(kuò)束機(jī)構(gòu)、可調(diào)光闌、反射鏡以及聚焦裝置構(gòu)成，激光器為基模成高斯分布的高峰值功率、窄脈寬和低頻穩(wěn)定的綠激光，能夠一次性刻劃出具有臺(tái)階的前電極層溝槽和背電極層溝槽，絕緣性好，而且設(shè)備要求低、效率高，可以有效地降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23K26/08GK202491018SQ201220091338
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者于明珠, 李毅 申請(qǐng)人:深圳市創(chuàng)益科技發(fā)展有限公司