近年來，隨著對全球變暖和能源依賴的關(guān)注日益增加，人們對可替代能源如風(fēng)力和太陽能產(chǎn)生了極大的興趣。相對石化燃料，人們更接受可再生能源，關(guān)鍵原因是其較低的平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）。
晶體硅平板光伏（PV）塊首先進(jìn)入市場，并已在全球部署。薄膜光伏（TFPV）太陽能電池板一直在促進(jìn)太陽能的廣泛應(yīng)用方面做出重大的貢獻(xiàn)。薄膜太陽能電池生產(chǎn)從2002年的17MW增長到2008年的966MW，同時期的市場份額由3%增長到14%。雖然2009年對大多數(shù)薄膜光伏制造商來說，確實(shí)是最困難的一年，但此項(xiàng)技術(shù)未來前景廣闊。新的市場參與者如GE公司，看到了薄膜太陽能技術(shù)的光明未來，并在全球重金投資薄膜光伏的研究和開發(fā)。GREENTECH媒體最近的一項(xiàng)分析預(yù)測，薄膜光伏制造產(chǎn)能在2012年年底將超過10GW。
薄膜光伏電池僅用少量的半導(dǎo)體材料——只有1-2微米厚，與之相比晶體硅電池需要用到數(shù)百微米厚的材料。另外，薄膜光伏電池利用直接帶隙半導(dǎo)體，具有較強(qiáng)的吸收帶，促使它們能達(dá)到相同的效率。薄膜光伏制造適合自動化加工，并有更好的可伸縮性。例如，在薄膜光伏板的制造中，調(diào)Q二極管泵浦固體（DPSS）激光器經(jīng)常用于清除薄膜層（“激光劃片”），以便實(shí)現(xiàn)單片集成串行連接太陽能電池上獨(dú)立節(jié)段的電氣隔離。
薄膜光伏太陽能電池通常包含了三層，沉積在一個大的玻璃基底上：透明導(dǎo)電氧化物（TCO）層，中間半導(dǎo)體光伏層和薄薄的金屬層（見圖1）。用于薄膜光伏太陽能電池的半導(dǎo)體材料通常包括硫化鎘/碲化鎘（CdS/CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）、無定形硅（a-Si）或是無定形硅和微晶硅（c-Si）的組合層。透明導(dǎo)電氧化物的通用材料是銦錫氧化物（ITO）、錫氧化物（SnO2）和氧化鋅（ZnO）；典型的金屬層材料是鋁（Al）、金（Au）、鉬（Mo）。
在薄膜光伏設(shè)備的生產(chǎn)中，通常有三個劃片加工程序（俗稱的P1、P2和P3劃片），在相互之間產(chǎn)生不同的薄膜沉積。P1劃片從玻璃基底上去除第一個電接觸膜；P2劃片去除在第一個電接觸膜上的太陽能吸收膜；P3劃片同時去除太陽能吸收膜和在第一次接觸膜之后產(chǎn)生的第二次電接觸膜。激光劃片使米級尺寸的太陽能板分成若干窄小的光伏電池，通電串聯(lián)運(yùn)行。
在薄膜光伏加工中，大多數(shù)的劃片都是由目標(biāo)膜上基底面的激光入射完成的。因此，基底上的任何異常都會影響到激光被聚焦的緊密程度，接著影響加工現(xiàn)場的激光能量密度，最后影響到劃片的整個質(zhì)量。由于薄膜光伏板采用越來越大的基底，制造商為了追求更少的成本，導(dǎo)致玻璃質(zhì)量和平整度下降。為了確保強(qiáng)勁高產(chǎn)的劃片加工，劃片加工深度的公差將會變得越來越重要，因?yàn)樗鼘ΣＡЩ椎钠秸?、厚度變化和其他表面缺陷有更大的寬容度。劃片加工的聚焦深度是指沿著激光束軸的距離，在此區(qū)間內(nèi)可通過高電氣隔離實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的劃片。通常，在劃片過程中必須容納1至3毫米深度的變化。更大的聚焦加工深度將產(chǎn)生一個更大寬容度的強(qiáng)勁TFPV劃片過程，特別是當(dāng)TFPV板尺寸繼續(xù)加大時。
盡管高斯光束和平頂光束都能產(chǎn)生良好質(zhì)量的劃片，但是一些研究指出平頂光束相比基礎(chǔ)高斯光束的形狀更為理想（見圖2）。對于高斯光束，在加工中心發(fā)生強(qiáng)烈的燒蝕，導(dǎo)致這里的強(qiáng)度要明顯高于燒蝕閾值。這可能會導(dǎo)致對物質(zhì)基礎(chǔ)層不必要的損害。此外，如果高斯光束邊緣的能量密度僅低于材料的燒蝕閾值，將會導(dǎo)致更差的劃片質(zhì)量。然而一個平頂?shù)墓馐螤睿幸粋€統(tǒng)一的電子束分布，所以同樣數(shù)量的材料在整個指定的平頂區(qū)域?qū)⒈怀?。此外，光束邊緣的能量密度驟然銳減會導(dǎo)致激光加工區(qū)邊緣最小的熱影響區(qū)。使用平頂光束輪廓的好處已經(jīng)很明顯了，使用高斯光束輪廓的好處還不太清楚。為了探究出每種劃片過程的益處，我們對比了用高斯與平頂光束在不同的光學(xué)焦平面上進(jìn)行的 P1劃片加工。
如圖3，使用Newport-Spectra Physics公司DPSS調(diào)Q型Pulseo 532 nm激光器發(fā)射的高斯光束，在1毫米的玻璃基底上300 nm厚鉬膜上的P1劃片。鉬膜劃片是通過對樣本的膜面進(jìn)行激光入射完成的。良好的品質(zhì)——約70m寬劃片，可完全去除薄膜，而對玻璃基底無任何損傷，這些都通過在焦平面劃片加工獲得。
圖4顯示了在不同離焦位置遠(yuǎn)離焦平面的劃片?？梢杂^察到劃片的質(zhì)量，薄膜清除干凈，保持與焦平面周圍的距離為±17毫米，劃片寬度沒有發(fā)生重大變化。經(jīng)觀察，在±17毫米以外的離焦位置，由于劃片邊緣的剝落導(dǎo)致質(zhì)量下降和不規(guī)則的劃片寬度。
圖6、在不同離焦位置（ΔZ），平頂光束劃片的顯微鏡照片，對應(yīng)于不同的焦點(diǎn)位置。
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相比之下，圖5顯示了一個在平頂平面加工68微米劃片的顯微鏡照片，平頂光束輪廓由同一激光器產(chǎn)生。劃片質(zhì)量大體上是優(yōu)良的，邊緣光滑。由于在平頂平面上的強(qiáng)度分布略有變化，殘留了一些物質(zhì)。圖6顯示了平頂圖象平面上不同離焦位置的劃片顯微鏡照片。據(jù)觀察，平頂光束的形狀和尺寸即使在1毫米之內(nèi)的距離也會極大地改變，有更多的殘留物質(zhì)遺落。
最后，對不同離焦位置的劃片電阻進(jìn)行測量和比較，如圖7所示。高斯光束產(chǎn)生高品質(zhì)的電氣隔離劃片，在±17毫米之內(nèi)，可在焦平面的兩側(cè)加工，在焦點(diǎn)范圍之內(nèi)加工出約34毫米劃片深度。平頂光束輪廓情況下，加工深度的焦點(diǎn)范圍約為1.5mm。雖然高斯光束和平頂光束都產(chǎn)生同樣高質(zhì)量的劃片，但高斯光束輪廓對聚焦深度的范圍更大，從而提供了更強(qiáng)大的劃片加工，這對處理大型太陽能電池板非常有利。
盡管在2009年走過了不平坦的道路，但薄膜光伏的未來是光明的。薄膜太陽能電池板在推動替代能源的情況下，正隨時準(zhǔn)備著，以期贏得更多的市場份額。激光系統(tǒng)將在TFPV制造中構(gòu)成重要的組成部分，因?yàn)樗鼈兪怯糜趯Ρ∧舆M(jìn)行劃片，基本上是“雕刻”導(dǎo)電層和半導(dǎo)電層的設(shè)備。選擇具有良好光束質(zhì)量和光束形狀的激光器是實(shí)現(xiàn)高收益、穩(wěn)健加工的重要環(huán)節(jié)。正如我們已經(jīng)在上文中闡述的，高斯光束和平頂光束都可以產(chǎn)生良好質(zhì)量的劃片，在加工70m寬的劃片時平頂光束加工允許小于±1mm（最多）的離焦范圍，而高斯光束的離焦范圍可達(dá)到±17mm。顯然，高斯光束加工具有顯著的優(yōu)勢，能提供一個寬廣強(qiáng)大的處理窗口——能接受1至3mm的玻璃平整度和大型太陽能電池板的其它相關(guān)變量。這是一個很大的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)低成本大型玻璃面板加工的高產(chǎn)劃片，最終生產(chǎn)出成本較低的薄膜太陽能電池板。
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