12月6日-7日，德國LPKF樂普科成功亮相蘇州鈣鈦礦太陽能電池學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)化論壇。李愛國先生就如何減小鈣鈦礦薄膜太陽能電池激光劃線死區(qū)作了精彩演講。鈣鈦礦薄膜太陽能電池作為薄膜電池的一種，其制程與其他薄膜電池技術(shù)如銅銦鎵硒，碲化鎘有很多相同之處，都有三道激光劃線工藝P1、P2、P3；并且，這三道劃線工藝要實(shí)現(xiàn)的功能也是一樣的，因此樂普科在碲化鎘和銅銦鎵硒薄膜太陽能領(lǐng)域積累的激光劃線技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)完全可應(yīng)用到鈣鈦礦薄膜電池上。

德國樂普科太陽能設(shè)備有限公司，位于德國圖林根州蘇爾市，自2006年成立以來，一直專注于為薄膜太陽能電池行業(yè)研制激光劃線系統(tǒng)，是全球薄膜太陽能激光劃線領(lǐng)域的技術(shù)與市場領(lǐng)導(dǎo)者。目前市場占有率超過90%，已為全球薄膜光伏客戶提供了250余臺(tái)激光劃線系統(tǒng)，當(dāng)前在運(yùn)行設(shè)備總產(chǎn)能超過12GW。

激光劃線工藝是將薄膜模組分割成一個(gè)個(gè)相互串聯(lián)的寬約4mm-12mm的子電池。每節(jié)子電池中都有一條P1線，一條P2線和一條P3線。P1線最外側(cè)到P3線最外側(cè)這個(gè)區(qū)域是不能發(fā)電的，俗稱死區(qū)。死區(qū)越大，子電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率就越低。因此，衡量薄膜太陽能激光劃線工藝最重要的技術(shù)指標(biāo)就是如何將死區(qū)做到最小。子電池寬度是設(shè)定好的，死區(qū)越小，有效發(fā)電面積就越大，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的效率就越高。

以1.0米x 2.0米，子電池寬度為5毫米的薄膜太陽能模組為例，當(dāng)死區(qū)由250微米降到130微米時(shí)，假設(shè)有效面積轉(zhuǎn)化效率為18%，每塊模組輸出功率可增加8.47瓦，等于每塊模組多賣17塊人民幣。以GW級(jí)產(chǎn)線計(jì)算，因降低死區(qū)而帶來的額外收益是非常巨大的。

基于死區(qū)對(duì)薄膜太陽能模組性能的重大影響，德國LPKF樂普科研發(fā)團(tuán)隊(duì)從多個(gè)方面出發(fā)，研發(fā)了一系列獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)，一步一步的降低了死區(qū)。

德國LPKF樂普科激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念非常特別。劃線時(shí)，玻璃基板是靜止不動(dòng)的，結(jié)構(gòu)緊湊的激光工作模塊在龍門架上來回高速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)劃線。激光工作模塊是劃線設(shè)備的心臟，安裝了12套光路系統(tǒng)，通過樂普科特有的分光技術(shù)，將一個(gè)激光源分成12路光束，每個(gè)光束之間距離就是電池寬度。開始劃線時(shí)，激光工作頭從左端運(yùn)動(dòng)到右端，就刻劃出12條電池線，然后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)夾持玻璃基板往前步進(jìn)12個(gè)電池寬度，然后激光工作模塊再由右端運(yùn)動(dòng)到左端，又刻劃出12條電池線，如此往返運(yùn)動(dòng)，直至完成整個(gè)基板的刻劃。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為五軸結(jié)構(gòu)。一個(gè)劃線軸，驅(qū)動(dòng)激光工作模塊沿X方向運(yùn)動(dòng)；一個(gè)吸塵軸，驅(qū)動(dòng)吸塵裝置也沿X軸運(yùn)動(dòng)，并與激光工作模塊同步運(yùn)動(dòng)，吸走刻劃時(shí)產(chǎn)生的粉塵。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)玻璃沿Y方向運(yùn)動(dòng)；一個(gè)聚焦軸，驅(qū)動(dòng)激光聚焦裝置沿Z軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。

劃線時(shí)，激光工作模塊沿X軸由左測運(yùn)動(dòng)至右側(cè)，劃出12條電池線，激光工作模塊停止不動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸夾持玻璃基板向前步進(jìn)12個(gè)電池寬度，然后玻璃基板停止不動(dòng)，激光工作模組再由右側(cè)運(yùn)動(dòng)到左側(cè)，又劃出12條電池線。如此反復(fù)，激光工作模塊只需往返運(yùn)動(dòng)16次便可劃出192條電池線。

樂普科這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念使得劃線精度非常高，小于+/-10um，直線度誤差小于+/-3um/m。劃線精度與直線度尤其對(duì)P1工藝至關(guān)重要，因?yàn)镻1線是主線，后面的P2線與P3線都是參照P1線來刻劃的。P1線定位精度不高，或者直線度偏差過大，P2和P3就會(huì)跟著走偏，直接導(dǎo)致了死區(qū)偏大。

目前業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念或與樂普科有所不同。比如，其激光頭直接安裝在龍門架上（X軸），劃線時(shí)，激光頭不動(dòng)，兩個(gè)Y軸夾持玻璃基板往返高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)劃線。該種設(shè)計(jì)理念可能存在如下不足：

1. 現(xiàn)在的薄膜模組結(jié)構(gòu)在往大而薄發(fā)展，如第一太陽能最早的S4模組尺寸為1.2米x 0.6米，最新的S7模組尺寸為1.2米x 2.3米。玻璃雖然是剛體，但是如此大面積，高速往返運(yùn)動(dòng)，肯定要顫動(dòng)，一顫動(dòng)就會(huì)影響刻劃精度與直線度，電池線走偏，可能會(huì)導(dǎo)致死區(qū)偏大。

2. 激光頭均勻排布在龍門架上，如8個(gè)激光頭，就將要刻劃的模組分成8個(gè)區(qū)，每個(gè)激光工作模塊負(fù)責(zé)一個(gè)區(qū)，填空般將八個(gè)區(qū)一一填滿。玻璃基板每高速運(yùn)動(dòng)一次，劃出8條線，但這8條電池線是孤立的，相互沒有關(guān)聯(lián)的。而在樂普科的設(shè)計(jì)理念中，12路光束整合在一個(gè)激光工作模塊內(nèi)，一次劃出12條電池線，就直接構(gòu)成了12個(gè)相鄰的子電池，劃線精度更可控，死區(qū)控制也更直接高效。

通過以上描述，我們可以得知樂普科這種劃線時(shí)玻璃靜止不動(dòng)，激光工作模塊移動(dòng)的設(shè)計(jì)理念能夠最大程度提高劃線精度與直線度，減少死區(qū)面積。

P1線是基準(zhǔn)線，后續(xù)P2和P3刻劃都是以P1線為基準(zhǔn)，P1線的定位精度與直線度直接決定了后續(xù)P2/P3線的定位精度與直線度。樂普科P1采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，定位精度與直線度都有保障。但是，刻完P(guān)1線以后，需要經(jīng)過退火烘干工藝后，才進(jìn)入P2/P3工藝環(huán)節(jié)，大幅面的玻璃基板受熱然后冷卻，基板變形，P1線就會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。（劃線精度都是以微米計(jì)算的，如P1線的定位精度+/-10um，而一張紙的厚度就有70微米，所以微觀下的P1線扭曲，肉眼是無法看出來的）。

常規(guī)情況下，P1線扭曲了，為避免P2線與P1線交叉，就需要把P2線與P1線的距離拉大，確保安全，但這樣做就增大了死區(qū)面積。為此，樂普科研發(fā)工程師開發(fā)了在線實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)追蹤P1線的走向，根據(jù)P1線的走勢刻劃P2，從而在確保安全（P1線與P2線不會(huì)交叉）的條件下，P1線與P2線間距最小，從而減少死區(qū)。該功能是通過一套視覺檢測與高速運(yùn)算系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的?？虅漃2/P3時(shí)隔一段時(shí)間探測P1線的實(shí)際位置，反饋給系統(tǒng)，經(jīng)高速運(yùn)算后，決定P2/P3線的刻劃走向（光斑的落點(diǎn)坐標(biāo)）。

我們知道，死區(qū)的計(jì)算公式如下：

P1線寬+P2線寬+P3線寬+P1線邊緣到P2線邊緣距離+P2線邊緣到P3線邊緣距離

在實(shí)際生產(chǎn)中，如果工藝穩(wěn)定了，線寬也就固定了，一般不會(huì)變動(dòng)，這個(gè)時(shí)候死區(qū)大小就取決了兩個(gè)線間距了。在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)系也是為了最大程度上降低P1與P2以及P2與P3之間的線間距，從而使死區(qū)最小。但是，鈣鈦礦薄膜太陽能制程眾多，很多因素都會(huì)影響到劃線工藝，一些突發(fā)因素可能會(huì)破壞劃線工藝的穩(wěn)定性，在線間距較小的情況下，P1線與P2線以及P2線與P3線可能會(huì)交叉，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。為防止這種情形的發(fā)生，樂普科又開發(fā)了在線死區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，刻劃P2時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控P1到P2的距離，刻劃P3時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控P2到P3的距離。

用戶在生產(chǎn)時(shí)，先在系統(tǒng)中給P1-P2線間距以及P2-P3的線間距設(shè)定一個(gè)想要達(dá)到的值，然后給該值設(shè)定一個(gè)上限和一個(gè)下限?？虅潟r(shí)，在線死區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)檢測所有P1-P2以及P2-P3的間距。當(dāng)實(shí)際值低于設(shè)定下限時(shí)，有交叉的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)報(bào)警；當(dāng)實(shí)際值高于設(shè)定上限時(shí)，死區(qū)會(huì)變大，系統(tǒng)也報(bào)警。當(dāng)報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，工藝人員就需要分析何種情況導(dǎo)致線間距偏小或偏大，然后調(diào)整相關(guān)工藝，使得線間距穩(wěn)定，從而在避免交叉的情況下，死區(qū)最小化。

德國LPKF樂普科，作為全球薄膜太陽能劃線領(lǐng)域的技術(shù)和市場領(lǐng)先者，將全力服務(wù)中國鈣鈦礦客戶，向中國鈣鈦礦客戶提供最新的劃線技術(shù)，為中國鈣鈦礦太陽能的蓬勃發(fā)展助一臂之力！