解決未來(lái)能源問(wèn)題的討論中，光伏能源（太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)20%。晶硅太陽(yáng)能電池制造過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)去幾年中，薄膜太陽(yáng)能電池取得了巨大的發(fā)展，業(yè)界專(zhuān)家們更是希望，未來(lái)其能在光伏市場(chǎng)中占據(jù)大約20%的市場(chǎng)份額。薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池制造過(guò)程中，激光發(fā)揮著決定性的作用。整個(gè)制造過(guò)程中，激光將電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)化并連接成模塊，并對(duì)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(yáng)能電池模塊生產(chǎn)過(guò)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(duì)膜層進(jìn)行刻蝕，并使各個(gè)電池之間自動(dòng)串聯(lián)起來(lái)，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(yáng)能電池模塊的生產(chǎn)線中。通常所說(shuō)的刻線就是單個(gè)激光脈沖刻蝕的連貫過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)。綠激光對(duì)硅的破壞閾值遠(yuǎn)低于其對(duì)TCO的破壞閾值，因此綠激光可以安全透過(guò)TCO膜層后，對(duì)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(guò)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(jí)，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(duì)于P1層、P2層和P3層的刻線應(yīng)用而言，1064nm和532nm輸出波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)小巧緊湊的二極管泵浦激光器，無(wú)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(lèi)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(yáng)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(lái)清除這個(gè)邊緣。盡管?chē)娚胺椒ǖ耐顿Y成本較低，但是整個(gè)過(guò)程卻會(huì)帶來(lái)磨損、砂清除以及防塵污染方面的成本。薄膜太陽(yáng)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(wú)疑是最佳選擇。通過(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)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(lái)的激光工藝

　　太陽(yáng)能電池模塊制造中特殊材料的使用，對(duì)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(wú)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(duì)熱具有相當(dāng)?shù)拿舾行?，?Se)相對(duì)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(wèn)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(yáng)能電池鈍化層的選擇性燒蝕。目前，市場(chǎng)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(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

　　激光技術(shù)在太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。