一種cigs太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)(9)、激光器(1)、光束準(zhǔn)直器(2)、激光頭和二維平移臺(tái)(7)，激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)光束準(zhǔn)直器(2)由激光頭聚焦在二維平移臺(tái)上，所述激光器(1)連接控制所述二維平移臺(tái)(7)，其特征在于：在光束準(zhǔn)直器(2)和激光頭之間設(shè)置有將激光束整形為在聚焦平面上構(gòu)成平頂光束的光束整形器(3)、所述激光器(1)為輸出光波長(zhǎng)在1.4μm～3μm之間的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器，所述計(jì)算機(jī)(9)連接控制激光器(1)的脈沖控制裝置。本實(shí)用新型能夠取代現(xiàn)有的機(jī)械劃線方法，改善激光完成P2、P3劃線的質(zhì)量，提高由激光劃線的CIGS薄膜光伏電池組件的性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，在新能源領(lǐng)域內(nèi)，作為第二代太陽(yáng)能電池的薄膜電池，是太陽(yáng)能光伏電池家族里的一個(gè)十分引人注目的成員，同時(shí)它也是發(fā)展更高效的第三代太陽(yáng)能電池的重要出發(fā)點(diǎn)。預(yù)計(jì)，不僅現(xiàn)有晶體硅片太陽(yáng)電池(即一代電池)的許多應(yīng)用將逐步被高效薄膜太陽(yáng)電池所取代，而且由于薄膜電池的整個(gè)電池結(jié)構(gòu)非常薄，通常只有微米量級(jí)，可以制作在金屬、塑料等柔性基板上，實(shí)現(xiàn)成卷(roll-to-roll)的規(guī)?；a(chǎn),大幅降低制造成本，薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)于整個(gè)光伏太陽(yáng)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的影響。
[0003]在薄膜太陽(yáng)能電池中，由Cu、In、Ga、Se四種元素構(gòu)成的四元金屬半導(dǎo)體化合物CIGS薄膜電池占有重要的地位。與硅基薄膜電池相比，CIGS薄膜電池具有直接帶隙結(jié)構(gòu)，對(duì)太陽(yáng)光的吸收率極高，且吸收光譜平坦，同時(shí)抗老化性能好，能量回饋周期短。CIGS是目前太陽(yáng)能薄膜電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到20.6%，而大面積組件研制產(chǎn)品的最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到15.7%。在各類(lèi)薄膜電池中，制作在超薄柔性襯底上的CIGS光伏電池具有最高的單位質(zhì)量電池材料下的發(fā)電量。
[0004]在規(guī)模化CIGS薄膜太陽(yáng)電池的制造過(guò)程中，除了大面積成膜的各道工序外，最終完成電池組件的制備需要經(jīng)過(guò)三個(gè)重要的劃線工序，通常稱(chēng)之為P1，P2，P3。其中，Pl是對(duì)背電極Mo膜層的劃線，要求剛好劃到電池基板上表面。(Mo膜電極既可以鍍?cè)诓ＡЩ迳匣蚱渌操|(zhì)材料上，也可以鍍?cè)诤鼙〉慕饘倩蛩芰先嵝曰迳?。P2是對(duì)CIGS及其緩沖層CdS和高阻1-ZnO層進(jìn)行劃線，劃線深度要求剛好到Mo電極層。P3則是對(duì)CIGS及其緩沖層和高阻ZnO層加上Al:ZnO透明導(dǎo)電層劃線，線的深度同樣是只到Mo電極層。劃線的目的是將具有光伏特性的CIGS薄膜，包括其相應(yīng)的緩沖層、η型材料層和電極層各層功能薄膜，直接在大面積膜上制成太陽(yáng)能薄膜電池單元和組件，并保證由此產(chǎn)生的光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)換性能。薄膜太陽(yáng)能電池的劃線工藝要求精準(zhǔn)的層狀加工能力，對(duì)劃線寬度和劃線深度的控制有嚴(yán)格要求，對(duì)劃線邊緣的齊整性和干凈程度亦有很高的要求。
[0005]到目前為止，除了背電極金屬鉬膜層的劃線，即Pl劃線，由激光來(lái)實(shí)現(xiàn)外，CIGS膜層及其緩沖層、η型材料層的劃線(Ρ2劃線)，以及CIGS與其上方的透明電極層的同時(shí)劃線(Ρ3劃線)均由機(jī)械方式來(lái)完成。而機(jī)械劃線的線寬難以做到很窄，容易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象，存在刀具磨損問(wèn)題，生產(chǎn)效率不夠高。同時(shí)由于單元電池連接區(qū)(即所謂死區(qū))的面積難以再進(jìn)一步減小，限制了 CIGS薄膜的整體利用率。因此，業(yè)界也在努力嘗試用激光來(lái)完成Ρ2、Ρ3劃線，以期克服機(jī)械劃線的不足。
[0006]采用近紅外(如1064 nm)、可見(jiàn)(如532 nm)和紫外(如355 nm或266 nm)激光進(jìn)行P2、P3劃線時(shí)，由于CIGS對(duì)這些短波長(zhǎng)激光的吸收較大，劃線中的熱效應(yīng)累積作用嚴(yán)重，對(duì)鄰近劃線邊緣處的CIGS會(huì)產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)上的變化，導(dǎo)致p-n結(jié)受損，與上下電極層之間的歐姆接觸遭到破壞，同時(shí)對(duì)需要保留的背電極金屬鉬膜層亦可能產(chǎn)生損傷。雖然，業(yè)界人士認(rèn)為采用脈沖寬度在皮秒量級(jí)甚至更短的脈沖激光應(yīng)該有可能滿(mǎn)足P2、P3劃線要求，但是，用于這一用途的皮秒激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性存在隱患，并且由于制造成本較高而將難以普及。針對(duì)上述CIGS薄膜電池制造過(guò)程中，P2、P3劃線工序的現(xiàn)有機(jī)械劃線方法和已知正在嘗試中的其它可能的近紅外、可見(jiàn)和紫外激光劃線技術(shù)的不足，有必要尋求一種能夠滿(mǎn)足CIGS薄膜電池組件規(guī)?；a(chǎn)和制造要求的新的激光劃線系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的是提供一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，克服現(xiàn)有技術(shù)中劃線的線寬難以做到很窄，容易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象，存在刀具磨損，生產(chǎn)效率不高等問(wèn)題。
[0008]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、激光器、光束準(zhǔn)直器、激光頭和二維平移臺(tái)，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光束準(zhǔn)直器由激光頭聚焦在二維平移臺(tái)上，所述激光器連接控制所述二維平移臺(tái)，在光束準(zhǔn)直器和激光頭之間設(shè)置有將激光束整形為在聚焦平面上構(gòu)成平頂光束的光束整形器、所述激光器為輸出光波長(zhǎng)在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器，所述計(jì)算機(jī)連接控制激光器的脈沖控制裝置。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述激光頭內(nèi)設(shè)有F-theta透鏡和二維光束掃描頭，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭、二維光束掃描頭控制單元和掃描頭電源，F(xiàn)-theta透鏡的焦距長(zhǎng)度為80mm?300mm之間。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述激光頭內(nèi)設(shè)有裝載匯聚透鏡的導(dǎo)光鏡，并設(shè)有接入氣體的密封頭并接入氣體的密封頭。所述匯聚透鏡可以選用Best-form匯聚透鏡。所述密封頭的氣體出射方向與激光束照射方向一致。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器為摻銩光纖激光器，所述短波紅外脈沖激光器的脈沖寬度為幾百皮秒到幾百納秒，所述短波紅外脈沖激光器輸出的激光能量為I?1000微焦,所述短波紅外脈沖激光器輸出激光的的脈沖頻率為I千赫茲到I兆赫茲。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有二維掃描頭和二維平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)軟件。
[0013]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0014]1.本實(shí)用新型采用波長(zhǎng)在1.4?3μπι之間、光子能量相對(duì)較小、CIGS膜層對(duì)其吸收較低的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)太陽(yáng)能電池薄膜進(jìn)行Ρ2、Ρ3劃線，可以有效的降低劃線過(guò)程中由于激光燒蝕所弓I起的破壞性光致熱效應(yīng)。
[0015]2.本實(shí)用新型采用的入射激光脈沖可以有較多的部分到達(dá)CIGS與其背電極Mo的界面處，并從此界面發(fā)生反射，反射光與入射光相干疊加，導(dǎo)致光場(chǎng)在界面臨界處發(fā)生有效增強(qiáng)，致使此處的材料快速升溫，優(yōu)先于上表面發(fā)生和電離，進(jìn)而產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，從而使CIGS膜層在于Mo膜層的界面處發(fā)生剝落。
[0016]3.本實(shí)用新型能夠取代現(xiàn)有的機(jī)械劃線方法，改善激光完成Ρ2、Ρ3劃線的質(zhì)量，提高由激光劃線的CIGS薄膜光伏電池組件的性能。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是實(shí)施例一提出的利用短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是采用圖1所示的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線后CIGS薄膜太陽(yáng)能電池組件的膜層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是對(duì)沉積在玻璃基板上的CIGS光伏電池薄膜進(jìn)行機(jī)械法P3劃線(豎線)與采用本發(fā)明提出的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光P3劃線(右側(cè)三道橫線)的效果比較；
[0020]圖4是實(shí)施例二提出的利用短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:1、短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器2.光束準(zhǔn)直器；3.光束整形器；4.二維光束掃描頭；5.F-theta透鏡；6.CIGS電池組件；7.裝載CIGS光伏電池組件的二維電動(dòng)平移臺(tái)；8.二維光束掃描頭控制單元；9.計(jì)算機(jī)；10.激光器電源；11.掃描頭電源；12.二維平移臺(tái)電源；13.背電極-Mo膜層；14.CIGS膜層；15.CdS緩沖層；16.η型i_ZnO層；17.透明電極Al-ZnO膜層；18.Best-form匯聚透鏡；19.裝載Best-form匯聚透鏡和導(dǎo)光鏡(后者在圖示中未畫(huà)出)并可以接入氣體的密封頭。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述:
[0023]實(shí)施例一:參見(jiàn)圖1所示，是本實(shí)施例利用短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括計(jì)算機(jī)9、激光器1、激光器電源10、光束準(zhǔn)直器2、光束整形器3、激光頭和二維平移臺(tái)7，激光器I發(fā)出的激光束經(jīng)光束準(zhǔn)直器2、光束整形器3到達(dá)激光頭，聚焦到二維平移臺(tái)表面的薄膜上。所述二維平移臺(tái)7由所述計(jì)算機(jī)9連接控制，所述激光器I為輸出光波長(zhǎng)在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器。
[0024]本實(shí)施例中，所述激光頭內(nèi)設(shè)有F-theta透鏡5和二維光束掃描裝置，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭4、二維光束掃描頭控制單兀8和掃描頭電源11，所述F-theta透鏡5的焦距長(zhǎng)度為80_?300_之間。
[0025]操作步驟如下:(I )、短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器輸出波長(zhǎng)在1.4 μ m?3.0 μ m之間的脈沖激光；
[0026]( 2 )、激光通過(guò)光束準(zhǔn)直器2 ；
[0027](3)、然后激光通過(guò)光束整形器3，對(duì)短波長(zhǎng)進(jìn)行光束整形，使其在匯聚焦點(diǎn)處的光束空間分布接近于平頂分布；
[0028](4)、輸出的激光通過(guò)由計(jì)算機(jī)9控制的激光頭照射放在二維平移臺(tái)7上的薄膜電池基板，激光頭與二維平移臺(tái)7相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)行劃線。
[0029]本實(shí)施例中，短波長(zhǎng)的脈沖寬度可以通過(guò)調(diào)Q技術(shù)或鎖模技術(shù)控制在幾百納秒到幾百皮秒之間，在脈沖寬度確定的情況下，選擇單脈沖能量為I?1000微焦之間，選擇脈沖的重復(fù)頻率在I千到I兆赫茲之間，輸出的激光通過(guò)焦距長(zhǎng)度為80mm?300mm之間的F-theta透鏡聚焦到待進(jìn)行劃線加工的薄膜電池表面，這將使得劃線溝槽的寬度控制在5 μ m?300 μ m，特別是控制在更常用的10 μ m?100 μ m范圍內(nèi)；光束掃描裝置或二維平移臺(tái)移動(dòng)的速度選為50mm/s?3000mm/s,這樣可以保證劃線中光斑重疊度在10%?90%之間可調(diào)。
[0030]圖2所示是短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線后CIGS薄膜太陽(yáng)能電池組件的膜層結(jié)構(gòu)示意圖，P2劃線要將CIGS膜層14聯(lián)同其上方的CdS緩沖層15以及η型1-ZnO層16 —起劃掉，而同時(shí)保留作為背電極-Mo膜層13完好無(wú)損；P3劃線則是在P2劃線完成后鍍上了表面透明電極Al-ZnO膜層17時(shí)再進(jìn)行，同樣要?jiǎng)澲帘畴姌O-Mo膜層13，即與P2劃線相比，P3劃線多劃了上表面的透明電極Al-ZnO膜層17。透明電極Al-ZnO膜層17的厚度一般在0.3微米左右，因此，P3與P2劃刻參數(shù)的設(shè)置差別應(yīng)該不是很大。
[0031]本實(shí)施例中，視具體CIGS膜層參數(shù)和界面處聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的不同，例如膜層相對(duì)較厚，膜與膜間的結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，同樣關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是使短波長(zhǎng)紅外激光光束經(jīng)過(guò)光束整形器，該光束整形器的作用是使得在CIGS平面上光束的空間分布要比通常的高斯分布均勻，即更接近平頂分布，這樣將有助于提高劃線邊緣處的溫度梯度，有效減少或避免在劃線溝槽邊緣處可能出現(xiàn)的熔融現(xiàn)象。
[0032]基于P2，P3劃線對(duì)劃刻中不能傷及CIGS及其與相鄰膜層間的肖特基聯(lián)結(jié)和歐姆聯(lián)結(jié)的要求，現(xiàn)有技術(shù)使用機(jī)械劃刻的方法來(lái)完成P2、P3劃線。但是如圖3所示，機(jī)械劃線(圖中豎線)線寬難以做到很窄，易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象。此外，機(jī)械劃線存在刀具磨損問(wèn)題，生產(chǎn)效率難以提高。由于采用機(jī)械劃線的單元電池連接區(qū)(即所謂死區(qū))的面積難以再進(jìn)一步減小，限制了 CIGS電池組件制造中薄膜的整體利用率的提高。在圖3中，同時(shí)示出的是采用本發(fā)明提出的利用短波長(zhǎng)紅外激光光束進(jìn)行的P3劃線(圖中右側(cè)三條橫線；劃刻此三條線時(shí)采用了不同的激光參數(shù))。根據(jù)具體激光控制參數(shù)的不同，劃線的效果將不同。由圖3中給出的機(jī)械劃線和2微米激光劃線的對(duì)比可以看出，機(jī)械劃線的線寬寬，崩邊嚴(yán)重，而2微米激光的劃線不僅要窄很多，而且除去(中間第二條線外)相對(duì)整齊。(注:圖3中，劃線的白色來(lái)自Mo膜的反射。)
[0033]實(shí)施例二:
[0034]參見(jiàn)圖4所示，是本實(shí)施例利用短波長(zhǎng)紅外脈沖激光對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池膜層進(jìn)行P2、P3劃線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括計(jì)算機(jī)9、激光器1、光束準(zhǔn)直器2、光束整形器3、激光頭和二維平移臺(tái)7，所述二維平移臺(tái)7由所述計(jì)算機(jī)9連接控制，所述激光器I為輸出光波長(zhǎng)在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器。
[0035]本實(shí)施例中，所述激光頭內(nèi)設(shè)有裝載Best-form匯聚透鏡18的導(dǎo)光鏡并接入氣體的密封頭19。
[0036]操作步驟如下:(I)、短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器輸出波長(zhǎng)在1.4μπι?3.Ομ--之間的脈沖激光；
[0037]( 2 )、激光通過(guò)光束準(zhǔn)直器；
[0038](3)、然后激光通過(guò)光束整形裝置，對(duì)短波長(zhǎng)進(jìn)行光束整形，使其在匯聚焦點(diǎn)處的光束空間分布接近于平頂分布；
[0039]( 4)、輸出的激光通過(guò)由計(jì)算機(jī)控制的激光頭照射放在二維平移臺(tái)上的薄膜電池基板，激光頭與二維平移臺(tái)相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)行劃線。
[0040]本實(shí)施例中，所述激光頭是不動(dòng)的，激光通過(guò)Best-form匯聚透鏡，與運(yùn)動(dòng)的二維移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)密閉頭沿激光光束出口的方向向下吹氣，將劃線過(guò)程中的碎片吹走，輔助提高劃線質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)(9)、激光器(I)、光束準(zhǔn)直器(2)、激光頭和二維平移臺(tái)(7)，激光器(I)發(fā)出的激光束經(jīng)光束準(zhǔn)直器(2)由激光頭聚焦在二維平移臺(tái)上，所述激光器(I)連接控制所述二維平移臺(tái)(7)，其特征在于:在光束準(zhǔn)直器(2)和激光頭之間設(shè)置有將激光束整形為在聚焦平面上構(gòu)成平頂光束的光束整形器(3)、所述激光器(I)為輸出光波長(zhǎng)在1.4μπι?3μπι之間的短波長(zhǎng)紅外脈沖激光器，所述計(jì)算機(jī)(9)連接控制激光器(I)的脈沖控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述激光頭內(nèi)設(shè)有F-theta透鏡(5)和二維光束掃描裝置，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭(4)、二維光束掃描頭控制單元(8)和掃描頭電源(U)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述激光頭內(nèi)設(shè)有裝載匯聚透鏡(18)的導(dǎo)光鏡，并設(shè)有接入氣體的密封頭(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種CIGS太陽(yáng)能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述密封頭(19)的氣體出射方向與激光束照射方向一致。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK204118102SQ201420461763
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】蔣仕彬, 朱曉農(nóng) 申請(qǐng)人:蘇州圖森激光有限公司