解決未來能源問題的討論中，光伏能源（太陽能電池）作為一種可再生能源扮演著重要角色。激光器和激光加工技術(shù)在太陽能電池制造中具有重要的作用，特別是高性能超短脈沖的皮秒激光器及系統(tǒng)，不但能幫助制造商提高效率，而且還能優(yōu)化加工工藝。

　　目前，晶硅太陽能電池是光伏市場中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)20%。晶硅太陽能電池制造過程中，激光器主要用于晶圓切割和邊緣絕緣。其中激光邊緣絕緣過程中，激光輔助摻雜工藝(doping)用于防止電池正面與背面之間短路而引起功率損失。越來越多的激光器被用于激光輔助摻雜工藝中，以改善載流子的遷移率。

　　在過去幾年中，薄膜太陽能電池取得了巨大的發(fā)展，業(yè)界專家們更是希望，未來其能在光伏市場中占據(jù)大約20%的市場份額。薄膜太陽能電池中所采用的膜層厚度只有幾微米，因此其在生產(chǎn)中能節(jié)約大量材料。薄膜太陽能電池制造過程中，激光發(fā)揮著決定性的作用。整個(gè)制造過程中，激光將電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)化并連接成模塊，并對模塊進(jìn)行相應(yīng)的刻蝕處理，進(jìn)而保證其所需要的絕緣性能。

　　激光刻線工藝

　　非晶硅或碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池模塊生產(chǎn)過程中，導(dǎo)電薄膜和光伏薄膜被沉積在玻璃基板上。每層薄膜被沉積后，均利用激光對膜層進(jìn)行刻蝕，并使各個(gè)電池之間自動(dòng)串聯(lián)起來，從而能夠根據(jù)電池寬度設(shè)定電池和模塊的電流。精確選擇非接觸式激光加工，能夠可靠地集成到薄膜太陽能電池模塊的生產(chǎn)線中。通常所說的刻線就是單個(gè)激光脈沖刻蝕的連貫過程，該脈沖聚焦后光斑大小30~80μm，因此在P1層刻線中要采用脈寬幾十納秒（10~80ns）的脈沖激光對玻璃基底進(jìn)行刻蝕。透明導(dǎo)電氧化物（TCO,ZnO,SnO2）通常使用近紅外激光和脈沖重復(fù)頻率較高的激光進(jìn)行加工，通常需要的脈沖重復(fù)頻率要超過100kHz。較高的脈沖重復(fù)頻率能夠確保切口徹底清潔。

       根據(jù)材料對激光吸收系數(shù)的不同，需要為特定的加工工藝選擇合適的激光波長。綠激光對硅的破壞閾值遠(yuǎn)低于其對TCO的破壞閾值，因此綠激光可以安全透過TCO膜層后，對吸收層進(jìn)行刻線。P2層和P3層的刻線機(jī)理與P1層相同。

　　為了防止接觸面半導(dǎo)體層的脫落，加工過程中需要的典型脈沖重復(fù)頻率為35~45kHz。常用的刻蝕閾值約2J/cm2，即能將25μJ激光能量聚焦到直徑40μm面積上，其平均功率非常低。由于綠光激光器平均功率均為數(shù)瓦量級，因此能夠?qū)⒐馐止夂筮M(jìn)行多光束加工，從而進(jìn)一步提高工作效率。

　　對于P1層、P2層和P3層的刻線應(yīng)用而言，1064nm和532nm輸出波長的結(jié)構(gòu)小巧緊湊的二極管泵浦激光器，無疑是一種理想的選擇，并且這種激光器具有很高的脈沖穩(wěn)定性。這類激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間8~ 40ns，脈沖重復(fù)頻率為1~100kHz。

       清除保護(hù)

　　為了防止太陽能電池模塊被腐蝕或短路，必須要在其邊緣留出大約1cm邊緣，用于整個(gè)電池模塊的封裝。目前大多使用噴砂方法來清除這個(gè)邊緣。盡管噴砂方法的投資成本較低，但是整個(gè)過程卻會(huì)帶來磨損、砂清除以及防塵污染方面的成本。薄膜太陽能電池模塊的生產(chǎn)需要潔凈、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案，因此激光加工方案無疑是最佳選擇。通過提高激光的平均功率，能夠獲得卓越的加工質(zhì)量。激光加工可以實(shí)現(xiàn)大約50cm2/s去除速度，甚至在30s之內(nèi)就能加工完成一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的太陽能電池模塊。

　　事實(shí)上，采用同一個(gè)脈沖就可以清除所有邊緣的薄膜層，并且清除的速率與激光的平均功率密切相關(guān)。具有高平均功率和高脈沖能量的激光，可以一次性清除特定的區(qū)域。最適合這種加工應(yīng)用的是光纖耦合傳輸?shù)募す馄飨到y(tǒng)，輸出方形或矩形光斑。激光經(jīng)過光纖傳輸后能量分布更加均勻，從而實(shí)現(xiàn)清除效果的高度一致性。利用光斑的平行組合，加工效率能提高50%以上，同時(shí)在保證加工安全的前提下降低了脈沖重復(fù)頻率。另外，可以與掃描振鏡結(jié)合使用，以減少加工過程中的非生產(chǎn)周期。當(dāng)然，激光器應(yīng)具有相應(yīng)的分時(shí)輸出選擇，以減少非生產(chǎn)時(shí)間。此外，幾個(gè)不同的工作站可以共享同一套激光器加工系統(tǒng)，從而做到在產(chǎn)品的上下料時(shí)間不影響激光器的使用效率。

       未來的激光工藝

　　太陽能電池模塊制造中特殊材料的使用，對激光加工技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。如果使用的基底材料為玻璃，那么鉬材料就被沉積到玻璃上。但是由于鉬具有熔點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)性好以及高熱容等特性，導(dǎo)致加熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋和脫落現(xiàn)象。由于這些缺點(diǎn)在用納秒激光進(jìn)行加工時(shí)是無法避免的，因此激光器的使用與所獲得的加工質(zhì)量密不可分。同樣，吸收層材料對熱具有相當(dāng)?shù)拿舾行?，?Se)相對于銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)等金屬材料的熔點(diǎn)要低，會(huì)在低溫時(shí)就能從粘合處分離。

　　皮秒激光器將為上述問題提供理想的解決方案。用超短脈沖激光去除薄膜材料，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的邊緣熱影響區(qū)。1030nm、515nm、343nm的高性能超短脈沖皮秒激光器將會(huì)取代機(jī)械刻劃工藝，進(jìn)一步提高加工質(zhì)量和加工效率。

　　激光的應(yīng)用前景

　　激光技術(shù)有望在光伏制造中獲得更多應(yīng)用空間，具有高光束質(zhì)量、超短脈沖和高脈沖能量的激光器特別適合于晶硅太陽能電池鈍化層的選擇性燒蝕。目前，市場上只有碟片式激光技術(shù)能夠滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。碟片激光器的輸出功率可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，而且其輸出的超短脈沖擁有卓越的光束質(zhì)量，能顯著提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

　　激光技術(shù)在太陽能電池生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，并且其選擇性、非接觸式的加工工藝優(yōu)于其他工藝。隨著太陽能電池生產(chǎn)所面臨的成本壓力日趨增大，將會(huì)促使高功率、高性能的激光器在大規(guī)模生產(chǎn)中被采用。超短脈沖激光技術(shù)的廣泛采用，必將大幅降低太陽能電池的生產(chǎn)成本。