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太陽(yáng)能工藝

激光 – 也許能使太陽(yáng)能電池市場(chǎng)大放異彩

來(lái)源:理波公司2016-08-24 我要評(píng)論(0 )   

日常生活中,很多消息例如油價(jià)升高,能源危機(jī),全球氣候變化都會(huì)引起我們對(duì)未來(lái)的恐慌。當(dāng)前的共識(shí)就是我們必須減少對(duì)石油的依賴

 日常生活中,很多消息例如油價(jià)升高,能源危機(jī),全球氣候變化都會(huì)引起我們對(duì)未來(lái)的恐慌。當(dāng)前的共識(shí)就是我們必須減少對(duì)石油的依賴而轉(zhuǎn)向清潔能源,避免傷害我們的地球。這種觀點(diǎn)被全世界的人民和政府廣泛支持,即使是在美國(guó)。全世界各個(gè)國(guó)家的科學(xué)家正在尋找替代能源,例如再生能源像風(fēng)力,生物燃料,太陽(yáng)能等。

在上世紀(jì)中期,貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明“貝爾太陽(yáng)能電池”,但是其昂貴的成本限制了太陽(yáng)能電池行業(yè)的發(fā)展,即使此后經(jīng)過(guò)55年,光伏太陽(yáng)能電池的發(fā)電量在全球電網(wǎng)中也只占大約0.04%。然而,形勢(shì)在近幾年發(fā)生了變化,從平板顯示和半導(dǎo)體行業(yè)衍生出來(lái)的激光加工技術(shù)使太陽(yáng)能行業(yè)出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。

 


目前商業(yè)化應(yīng)用有三種常見的太陽(yáng)能電池技術(shù):多結(jié)電池,晶硅電池和薄膜電池。多結(jié)電池通過(guò)在單晶基片上應(yīng)用化學(xué)氣相沉積技術(shù)而制備,擁有最高的電子轉(zhuǎn)換效率(一般28-29%,甚至可達(dá)40%)。由于生產(chǎn)成本非常昂貴,它們通常用于不計(jì)成本或者有效面積較小的應(yīng)用,如衛(wèi)星或太陽(yáng)能集中器。晶硅電池的應(yīng)用最為廣泛,單晶或者多晶硅的效率大致是13%22%范圍。薄膜電池是一種新技術(shù),具有相對(duì)較低的效率(8-18%)和較低的生產(chǎn)成本。


晶硅電池占據(jù)著大約93%的光伏市場(chǎng)。在2006年,太陽(yáng)能應(yīng)用超過(guò)半導(dǎo)體行業(yè),成為硅片最主要的應(yīng)用方向(55%),這使得硅片的需求大量增加,并造成了硅片價(jià)格地飛速升高。因此人們開始尋找替代方案,例如薄膜電池。薄膜電池通常由多層不同材料附著在玻璃或者金屬基底上,常見的結(jié)構(gòu)如下圖所示。大部分吸收材料使用的是非晶硅,碲化鎘(CdTe),銅銦鎵硒化物(CIGS)。電池的外電極通常由氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)導(dǎo)電玻璃(TCO),以及鋁、鉬等金屬組成。二極管泵浦激光器常用于在不同的層次上的連接和絕緣部分劃線。

 

薄膜電池的刨面圖, P1, P2P3通過(guò)劃線來(lái)實(shí)現(xiàn)電路連接,TCO=Transparent Conductive Oxide

 

激光劃線
制造薄膜電池的第一步是在玻璃基底上鍍上電極,此鍍膜一般是ITOIndium Tin Oxide,一種透光材料)。然后P1過(guò)程劃線電子線路,通常使用調(diào)Q激光器1064 nm波長(zhǎng)和12-15 W平均功率。為提高產(chǎn)量,激光必須以100 KHz以上的高重頻進(jìn)行快速掃描,脈寬應(yīng)該很窄(15-40 ns)使得峰值功率高于材料的消融閾值。

實(shí)現(xiàn)這種加工過(guò)程的理想激光器包括光譜物理(Spectra-Physics)的Navigator,Hippo或者Talon系列,目前全世界已經(jīng)有數(shù)百套這種激光安裝到光伏劃線設(shè)備中。光斑質(zhì)量和脈沖穩(wěn)定性也非常重要,它們是確保劃線品質(zhì)、重復(fù)性和可靠性的關(guān)鍵。一旦ITO層完成,電池板重新回到化學(xué)氣相沉積設(shè)備中,進(jìn)行半導(dǎo)體鍍膜(一層非晶硅)。

 

P1層激光劃線:玻璃基底上的ITO 

 

之后是P2激光加工過(guò)程,利用532 nm激光器從玻璃的背面進(jìn)行劃線。同樣,高重頻和短脈沖寬度(15-30 ns)是最理想的,而該過(guò)程對(duì)功率的要求并不高(通常小于1W)。因此可以使用一臺(tái)低功率綠光激光器,或者一臺(tái)4-6 W的激光器分成多束同時(shí)進(jìn)行多次加工。當(dāng)P2過(guò)程完成后,電池板進(jìn)行背電極鍍膜(一般是鋁),最后進(jìn)行P3激光劃線過(guò)程,這也是從背面通過(guò)玻璃基底,并使用和P2過(guò)程一樣的激光器。好的光斑質(zhì)量和脈沖穩(wěn)定性尤為重要,避免傷害其他層的材料。適用于P2P3加工過(guò)程的激光器有光譜物理的Navigator, Hippo以及Talon綠光系列(532 nm)。

 

薄膜電池相對(duì)傳統(tǒng)硅電池最大的優(yōu)點(diǎn)是可以全程自動(dòng)在線生產(chǎn),平板顯示設(shè)備的鍍膜設(shè)備制造商Applied Materials, Oerlikon, UlvacLeybold已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)機(jī)遇,開始研發(fā)全自動(dòng)生產(chǎn)線。它和平板顯示市場(chǎng)的原理一樣,通過(guò)增大加工面積來(lái)減少成本。

激光系統(tǒng)是這種全自動(dòng)在線生產(chǎn)線的重要組成部分。就像在半導(dǎo)體和平板顯示中的應(yīng)用一樣,激光也能使太陽(yáng)能電池市場(chǎng)大放異彩。

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