李軼 武漢華工激光工程有限責(zé)任公司技術(shù)中心

太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理將太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏特效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”。在過去的5年里，太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化；太陽能電池已經(jīng)在我國和一些國家大批量生產(chǎn)和應(yīng)用；同時(shí)科研人員正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率更高、成本更低的太陽能電池?？梢灶A(yù)見，太陽能電池在人們的生產(chǎn)、生活中很可能成為替代煤和石油的重要能源之一。

圖1：非晶硅薄膜太陽能電池 圖2：非晶硅薄膜太陽能電池的層疊結(jié)構(gòu)

圖3：非晶硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)的主要設(shè)備和工藝流程

圖4：將連續(xù)的膜層細(xì)分為單個(gè)電池

圖5：在單個(gè)電池之間建立串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)

非晶硅薄膜太陽能電池a非晶硅薄膜太陽能電池簡目前可生產(chǎn)的太陽能電池主要有多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池。多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池受上游晶體硅材料供應(yīng)的短缺，導(dǎo)致越來越多的晶硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)量不足，不斷上漲的晶硅價(jià)格也限制了晶硅太陽能電池的發(fā)展。僅以硅原材料的消耗計(jì)算，生產(chǎn)1兆瓦晶體硅太陽電池，需要10～12噸高純硅，但是如果消耗同樣的硅材料用以生產(chǎn)非晶硅薄膜太陽能電池，則產(chǎn)出可以超過200兆瓦。盡管非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率（6％左右）不如晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率（15％～16％）高，但是其厚度（700nm）卻要比晶硅太陽能電池（厚度為180μm）薄很多。換句話說，非晶硅薄膜太陽能電池的總效能要比晶硅太陽能電池高很多。對于同樣功率的太陽電池陣列，非晶硅太陽電池比單晶硅、多晶硅電池發(fā)電要多約10%，而且非晶硅太陽電池的能源回收期僅1-1.5年。非晶硅的原料是晶硅太陽能電池生產(chǎn)中西門子法生產(chǎn)多晶硅之前的硅烷氣體，通過在硅烷（SiH4）中摻雜乙硼烷（B2H6）和磷化氫（PH3）等氣體，在低成本基板上（玻璃、不銹鋼）低溫成膜，避開了成本最高和技術(shù)難度最大的西門子法工藝，直接將硅烷氣體進(jìn)行玻璃鍍膜，然后制作電極和封裝。太陽能電池組件的成本在整個(gè)光伏系統(tǒng)成本中占有很高的比例，組件價(jià)格直接影響系統(tǒng)成本，進(jìn)而影響光伏發(fā)電的成本。按目前的組件售價(jià)計(jì)算，等量的資金，購買非晶硅產(chǎn)品可以比晶硅產(chǎn)品多獲得接近30%的組件功率。非晶硅太陽能電池工藝已趨于成熟、制造成本低，且不受晶硅原料瓶頸的制約，已成為太陽能電池中最成熟的產(chǎn)品，對潔凈可再生能源的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。非晶硅薄膜太陽能電池（見圖1）采用普通浮法玻璃作為載體。在玻璃上涂有透明導(dǎo)電膜TCO，主要成分是SnO2。光穿過透明的TCO被電池吸收，要求有較高的透過率；另一方面，TCO是導(dǎo)電的，可作為電池的一個(gè)電極。太陽能電池就是以TCO薄膜為襯底生長的，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）生長的太陽能電池層也稱為有效層。有效層包括兩個(gè)pin串聯(lián)的雙結(jié)結(jié)構(gòu)。與TCO薄膜連接的第一結(jié)稱為頂層非晶硅層a- Si:H，能吸收短波長光子，與非晶硅層連接的第二結(jié)稱為底層微晶硅層ucSi:H，能吸收長波長光子。陽光首先透過頂層玻璃和透明導(dǎo)電薄膜到達(dá)頂層非晶硅層，陽光中的短波長光子被頂層非晶硅層吸收，而長波長光子透過頂層非晶硅層到達(dá)底層微晶硅層、并被底層微晶硅層吸收，這種結(jié)構(gòu)有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。通過磁控濺射制作的Al/Ag電極連接著有效層的背電極。最后，用防護(hù)玻璃罩密封EVA(乙烯醋酸乙烯)箔進(jìn)行疊層組件，這種結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽能電池也被稱為層疊電池，如圖2所示。 非晶硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)的主要工藝流程：生產(chǎn)非晶硅薄膜太陽能電池的主要設(shè)備和工藝流程如圖3所示。其中pin膜的沉積是利用PECVD技術(shù)在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法。該薄膜是一種p-i-n結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是在p層和n層之間有一層較厚的多晶硅的本征層（i層）。其制備溫度很低（100～200℃）。日本科尼卡公司在 1994年提出這一方法，目前用這種方法制備的電池，試驗(yàn)室最高效率已達(dá)10.7％。薄膜沉積后，采用激光設(shè)備對沉積膜進(jìn)行高速、精確地劃刻。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光作為一個(gè)功能強(qiáng)大的生產(chǎn)性工具，已廣泛應(yīng)用于制造、表面處理和材料加工領(lǐng)域。在非晶硅薄膜太陽能組件生產(chǎn)里，激光設(shè)備在“劃刻”過程中發(fā)揮兩大作用：第一，它把連續(xù)的膜層細(xì)分為單個(gè)電池（見圖4）；第二，在單個(gè)電池之間建立串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)（見圖5）。這需要由兩個(gè)不同的系統(tǒng)來完成：第一步用紅外激光，用于第一層TCO層的劃刻，因?yàn)橥该鞯腡CO層不吸收可見光；第二步用綠激光來劃刻非晶硅層；第三步用綠激光，同時(shí)處理非晶硅層和背電極。這些線條非常緊密并且精確地間隔開，之間只有幾十微米的距離（<50μm），這樣最大限度地減少了發(fā)電層面積的損失。在激光劃線工藝中，通過調(diào)整劃刻的線條數(shù)，將電池串聯(lián)起來形成最佳的電壓和電流。劃切技術(shù)難點(diǎn)是要在達(dá)到1m/s的劃刻速度下，劃切線在超過1.3m的距離里保持筆直和均勻，并且三次劃刻總寬度不超過250μm（見圖6），三次劃切線不能相交。

圖6：劃刻總寬度不超過250μm

激光劃線完成之后，之前連續(xù)的膜層被細(xì)分為單個(gè)太陽能電池并組成了串聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時(shí)，太陽能電池已經(jīng)能將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能了。在后面的工序里，劃切完的太樣能電池要經(jīng)過退火、匯流、層壓和測試進(jìn)行封裝，最終完成非晶硅薄膜太陽能的生產(chǎn)。在薄膜太陽能組件生產(chǎn)里，激光劃線設(shè)備是必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)備之一。華工激光新推出的激光刻膜機(jī)LDY1040 / LDG540采用先進(jìn)的激光刻蝕技術(shù)，對太陽能非晶硅薄膜電池板的電極層和發(fā)電層進(jìn)行刻蝕。整機(jī)采用龍門式結(jié)構(gòu)，由工作臺(tái)帶動(dòng)電池板與激光頭作相對運(yùn)動(dòng)。 X-Y工作臺(tái)采用進(jìn)口直線電機(jī)與高分辨率光柵尺組成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保運(yùn)動(dòng)精度。四路精密分光系統(tǒng)將激光能量均分成四路輸出，可同時(shí)刻蝕四路電極（見圖 7、圖8）。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖7：華工激光的激光刻膜機(jī)可同時(shí)刻蝕四路電極

圖8：刻蝕后的效果

本項(xiàng)目產(chǎn)品可替代美國和德國在銷售的同類設(shè)備。在薄膜太陽能電池制造行業(yè)中有廣泛應(yīng)用，如：玻璃基底上薄膜處理、非晶硅電池、銅銦鎵二硒電池以及鎘碲薄膜電池等領(lǐng)域。此設(shè)備已于2009年4月通過了科技成果鑒定。和國外設(shè)備相比較，以華工激光為代表的國產(chǎn)薄膜太陽能電池激光精密切割系統(tǒng)具有成本優(yōu)勢、品種優(yōu)勢和服務(wù)優(yōu)勢。通常，國產(chǎn)設(shè)備價(jià)格將是進(jìn)口設(shè)備價(jià)格的一半左右，如果今后在核心激光器方面能進(jìn)一步降低成本，客戶購買成本將會(huì)降到進(jìn)口設(shè)備的1/3，用戶將受益更多。