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CN104134721A - 一种cigs太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法 - Google Patents

一种cigs太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法 Download PDF

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CN104134721A CN201410402379.9A CN201410402379A CN104134721A CN 104134721 A CN104134721 A CN 104134721A CN 201410402379 A CN201410402379 A CN 201410402379A CN 104134721 A CN104134721 A CN 104134721A
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Abstract

本发明公开了一种CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，步骤如下：(1)、采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，并进行准直处理；(2)、使所述激光束照射到放在二维平移台上的薄膜电池基板上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在薄膜电池基板上按设定路径移动，进行划线。本发明能够取代现有的机械划线方法，改善激光完成P2、P3划线的质量，提高由激光划线的CIGS薄膜光伏电池组件的性能。

Description

一种CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能薄膜电池的制备方法，具体涉及一种对CIGS太阳能薄膜电池的膜层进行激光划线的方法。
背景技术
在新能源领域内，作为第二代太阳能电池的薄膜电池，是太阳能光伏电池家族里的一个十分引人注目的成员，同时它也是发展更高效的第三代太阳能电池的重要出发点。预计，不仅现有晶体硅片太阳电池（即一代电池）的许多应用将逐步被高效薄膜太阳电池所取代，而且由于薄膜电池的整个电池结构非常薄，通常只有微米量级，可以制作在金属、塑料等柔性基板上，实现成卷（roll-to-roll）的规模化生产，大幅降低制造成本，薄膜太阳能电池对于整个光伏太阳能技术的推广和应用有着深远的影响。
在薄膜太阳能电池中，由Cu、In、Ga、Se四种元素构成的四元金属半导体化合物CIGS薄膜电池占有重要的地位。与硅基薄膜电池相比， CIGS薄膜电池具有直接带隙结构，对太阳光的吸收率极高，且吸收光谱平坦，同时抗老化性能好，能量回馈周期短。CIGS是目前太阳能薄膜电池中光电转换效率最高的一种薄膜电池，其实验室实现的最高光电转换效率已经达到20.6%，而大面积组件研制产品的最高转换效率已达到15.7%。在各类薄膜电池中，制作在超薄柔性衬底上的CIGS光伏电池具有最高的单位质量电池材料下的发电量。
在规模化CIGS薄膜太阳电池的制造过程中，除了大面积成膜的各道工序外，最终完成电池组件的制备需要经过三个重要的划线工序，通常称之为P1，P2，P3。其中，P1是对背电极Mo膜层的划线，要求刚好划到电池基板上表面。（Mo膜电极既可以镀在玻璃基板上或其它硬质材料上，也可以镀在很薄的金属或塑料柔性基板上）。P2是对CIGS及其缓冲层CdS和高阻i-ZnO层进行划线，划线深度要求刚好到Mo电极层。P3则是对CIGS及其缓冲层和高阻ZnO层加上Al：ZnO透明导电层划线，线的深度同样是只到Mo电极层。划线的目的是将具有光伏特性的CIGS薄膜，包括其相应的缓冲层、n型材料层和电极层各层功能薄膜，直接在大面积膜上制成太阳能薄膜电池单元和组件，并保证由此产生的光伏电池器件的光电转换性能。薄膜太阳能电池的划线工艺要求精准的层状加工能力，对划线宽度和划线深度的控制有严格要求，对划线边缘的齐整性和干净程度亦有很高的要求。
现有技术中，对于背电极金属鉬膜层的划线，即P1划线，可以采用激光实现，例如，中国发明专利申请CN103681966A公开了一种CIGS薄膜太阳能电池组件Mo背电极的激光划线方法，使用激光器对制备在玻璃衬底上的作为背电极的Mo膜进行切割，激光器发出的激光的入射方向为先通过所述玻璃衬底再照射在Mo膜的表面上，激光的波长为1064nm、532nm、355nm或266nm。这种方法可以实现P1划线，但是，由于其为了提高划线的平整度，采用从背面入射的方法，只能适用于透明的玻璃衬底。同时，也不能用于P2划线或P3划线。
而对于CIGS膜层及其缓冲层、n型材料层的划线（P2划线），以及CIGS与其上方的透明电极层的同时划线（P3划线），现有技术中均由机械方式来完成。而机械划线的线宽难以做到很窄，容易出现较大的崩边现象，存在刀具磨损问题，生产效率不够高。同时由于单元电池连接区（即所谓死区）的面积难以再进一步减小，限制了CIGS薄膜的整体利用率。因此,业界也在努力尝试用激光来完成P2、P3划线，以期克服机械划线的不足。
采用近红外（如1064 nm）、可见（如532 nm）和紫外（如355 nm或266 nm）激光进行P2、P3划线时，由于CIGS对这些短波长激光的吸收较大，划线中的热效应累积作用严重，对邻近划线边缘处的CIGS会产生微观结构上的变化，导致p-n结受损，与上下电极层之间的欧姆接触遭到破坏，同时对需要保留的背电极金属鉬膜层亦可能产生损伤。虽然，业界人士认为采用脉冲宽度在皮秒量级甚至更短的脉冲激光应该有可能满足P2、P3划线要求，但是，用于这一用途的皮秒激光器的内部结构相对复杂，长期运转可靠性存在隐患，并且由于制造成本较高而将难以普及。针对上述CIGS薄膜电池制造过程中，P2、P3划线工序的现有机械划线方法和已知正在尝试中的其它可能的近红外、可见和紫外激光划线技术的不足，有必要寻求一种能够满足CIGS薄膜电池组件规模化生产和制造要求的新的激光划线技术。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，克服现有技术中划线的线宽难以做到很窄，容易出现较大的崩边现象，存在刀具磨损，生产效率不高等问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，包括如下步骤：
(1)、采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，并进行准直处理；
(2)、使所述激光束照射到放在二维平移台上的薄膜电池基板上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在薄膜电池基板上按设定路径移动，进行划线。
优选地，所述短波长红外脉冲激光器的输出波长为1.5μm～2.5μm。
更优选地，所述短波红外脉冲激光器为掺铥光纤激光器，所述掺铥光纤激光器的中心波长在1.95μm左右，采用上述波长的的光纤激光器激光可以实现CIGS光伏电池薄膜的P2、P3划线而不影响周边CIGS的光伏性能并且不损伤Mo电极层。
进一步的技术方案，在步骤(1)和步骤(2)之间，采用光束整形装置对准直后的脉冲激光束进行整形，使其在汇聚焦点处的光束空间分布构成平顶分布。
上述技术方案中，所述短波长红外脉冲激光器为掺铥光纤激光器，脉冲宽度为100皮秒到800纳秒，可以有效减少划刻中出现材料熔融现象。
短波长红外脉冲激光器输出的单脉冲激光能量为1～2000微焦，可以针对不同的线和深度的要求，使CIGS太阳能薄膜电池的P2、P3划线进入剥落型材料去除状态。
脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹，采用脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹的短波长红外激光，可以获得不同光斑重叠度和不同划线速度的CIGS太阳能薄膜电池的P2、P3划线，并且确保划线的连续性和平滑程度。
上述技术方案中，所述激光束与二维平移台相对运动的优选方案有下列两种，其一是，在控制激光束出射的激光头上设置F-theta透镜和二维光束扫描装置，通过计算机经所述二维光束扫描装置控制F-theta透镜，实现激光束的偏转扫描。根据需要，可以控制二维平移台同时运动进行配合，以扩展扫描范围。所述二维光束扫描装置包括二维光束扫描头、二维光束扫描头控制单元和扫描头电源，二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～3000mm/s，所述F-theta透镜焦距长度为80mm～300mm，采用上述F-theta透镜将短波长红外脉冲激光器的输出激光聚焦到CIGS薄膜表面可以获得线宽为10～100μm之间的平滑P2、P3划线。
其二是，在控制激光束出射的激光头内设有装载汇聚透镜的导光镜以及接入气体的密封头，激光束通过汇聚透镜聚焦在二维平移台上，通过控制二维平移台的运动实现激光束与薄膜电池基板的相对移动，所述二维平移台的移动速度为50mm/s～3000mm/s；将气体引入密封头，沿激光光束出口的方向向下吹气，将划线过程中产生的碎片吹走。其中的汇聚透镜采用Best-form汇聚透镜。
进一步的技术方案，在进行P2、P3划线时，光斑交叠程度为10～90%，从而可以得到深度适当的平滑沟槽。
本发明中，采用接近于平顶分布的短波红外脉冲激光可以完成P2、P3划线而不产生边缘熔融和凸起以及严重的崩边现象。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明采用波长在1.4～3μm之间、光子能量相对较小、CIGS膜层对其吸收较低的短波长红外脉冲激光对太阳能电池薄膜进行划线，可以有效的降低划线过程中由于激光烧蚀所引起的破坏性光致热效应，从正面实现P1、P2、P3划线，采用接近于平顶分布的短波红外脉冲激光，可以完成P2、P3划线而不产生边缘熔融和凸起以及严重的崩边现象。
2.本发明采用的入射激光脉冲可以有较多的部分到达CIGS与其背电极Mo的界面处，并从此界面发生反射，反射光与入射光相干叠加，导致光场在界面临界处发生有效增强，致使此处的材料快速升温，优先于上表面发生和电离，进而产生极大的内应力，从而使CIGS膜层在于Mo膜层的界面处发生剥落。
3.本发明能够取代现有的机械划线方法，改善激光完成P2、P3划线的质量，提高由激光划线的CIGS薄膜光伏电池组件的性能。
附图说明
图1是实施例一提出的利用短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线处理方法的实施系统示意图；
图2 是采用图1所示的短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线后CIGS薄膜太阳能电池组件的膜层结构示意图；
图3是对沉积在玻璃基板上的CIGS光伏电池薄膜进行机械法P3划线（竖线）与采用本发明提出的短波长红外脉冲激光P3划线（右侧三道横线）的效果比较；
图4是实施例二提出的利用短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线处理方法的实施系统示意图。
其中：1、短波长红外脉冲激光器；2.光束准直器；3.光束整形器；4. 二维光束扫描头；5. F-theta透镜；6. CIGS电池组件；7.二维电动平移台；8. 二维光束扫描头控制单元；9. 计算机；10. 激光器电源；11. 扫描头电源；12. 二维平移台电源；13. CIGS电池的背电极-Mo膜层；14. CIGS膜层；15. CdS缓冲层；16. n型i-ZnO层；17. 透明电极Al-ZnO膜层；18. Best-form 汇聚透镜；19.装载Best-form 汇聚透镜和导光镜（后者在图示中未画出）并可以接入气体的密封头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，是本实施例利用短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线处理方法的实施系统示意图，短波长红外脉冲激光器1发出的激光束经光束准直器2准直、光束整形器3整形后进入二维光束扫描头4，然后通过F-theta透镜5照射到设在二维电动平移台7上的CIGS电池组件6上。二维光束扫描头4连接有扫描头电源11，并由二维光束扫描头控制单元8控制，计算机9分别连接控制二维光束扫描头控制单元8、激光器电源10和二维平移台电源12。
激光划线方法步骤如下：（1）、短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光；
（2）、激光通过光束准直器；
（3）、然后激光通过光束整形装置，对短波长进行光束整形，使其在汇聚焦点处的光束空间分布接近于平顶分布；
（4）、输出的激光通过由计算机控制的激光头照射放在二维平移台上的薄膜电池基板，激光头与二维平移台相对移动，进行划线。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器为掺铥光纤激光器。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器的脉冲宽度为几百皮秒到几百纳秒，脉冲宽度可以通过调Q技术或锁模技术控制。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器输出的激光能量为10微焦～500微焦。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器输出激光的的脉冲频率为5千赫兹到0.5兆赫兹。
本实施例中，所述激光头内设有F-theta透镜和二维光束扫描头，所述F-theta透镜焦距的长度为80mm～300mm，基于上述激光器参数的选取外，输出的激光通过焦距的长度为80mm～300mm的F-theta透镜到待进行划线加工的薄膜电池表面，这将使得划线沟槽的宽度控制在5μm～300μm之间，特别是控制在更常用的10μm～100μm范围内；所述二维平移台的移动速度为50mm/s～3000mm/s,所述二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～3000mm/s，这样可以保证划线中光斑重叠度在10%～90%之间可调。
图2所示是短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线后CIGS薄膜太阳能电池组件的膜层结构示意图，P2划线要将CIGS膜层14联同其上方的CdS缓冲层15以及n型i-ZnO层16一起划掉，而同时保留作为背电极-Mo膜层13完好无损；P3划线则是在P2划线完成后镀上了表面透明电极Al-ZnO膜层17时再进行，同样要划至背电极-Mo膜层13，即与P2划线相比，P3划线多划了上表面的透明电极Al-ZnO膜层17。透明电极Al-ZnO膜层的厚度一般在0.3微米左右，因此，P3与P2划刻参数的设置差别应该不是很大。
本实施例中，视具体CIGS膜层参数和界面处联结强度的不同，例如膜层相对较厚，膜与膜间的结合较强时，同样关键的环节是使短波长红外激光光束经过光束整形器，该光束整形器的作用是使得在CIGS平面上光束的空间分布要比通常的高斯分布均匀，即更接近平顶分布，这样将有助于提高划线边缘处的温度梯度，有效减少或避免在划线沟槽边缘处可能出现的熔融现象。
基于P2，P3划线对划刻中不能伤及CIGS及其与相邻膜层间的肖特基联结和欧姆联结的要求，现有技术使用机械划刻的方法来完成P2、P3划线。但是如图3所示，机械划线（图中竖线）线宽难以做到很窄，易出现较大的崩边现象。此外，机械划线存在刀具磨损问题，生产效率难以提高。由于采用机械划线的单元电池连接区（即所谓死区）的面积难以再进一步减小，限制了CIGS电池组件制造中薄膜的整体利用率的提高。在图3中，同时示出的是采用本发明提出的利用短波长红外激光光束进行的P3划线（图中右侧三条横线；划刻此三条线时采用了不同的激光参数）。根据具体激光控制参数的不同，划线的效果将不同。由图3中给出的机械划线和2微米激光划线的对比可以看出，机械划线的线宽宽，崩边严重，而2微米激光的划线不仅要窄很多，而且除去（中间第二条线外）相对整齐。（注:图3中，划线的白色来自Mo膜的反射）。
实施例二：
参见图4所示，是本实施例利用短波长红外脉冲激光对CIGS薄膜太阳能电池膜层进行P2、P3划线处理方法的实施系统示意图，与实施例一的系统相比，本实施例中的激光头为装载有Best-form 汇聚透镜18和导光镜（后者在图示中未画出）并可以接入气体的密封头19。
激光划线方法步骤如下：（1）、短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光；
（2）、激光通过光束准直器；
（3）、然后激光通过光束整形装置，对短波长进行光束整形，使其在汇聚焦点处的光束空间分布接近于平顶分布；
（4）、输出的激光通过由计算机控制的激光头照射放在二维平移台上的薄膜电池基板，激光头与二维平移台相对移动，进行划线。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器为掺铥光纤激光器。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器的脉冲宽度为500皮秒到3百纳秒，脉冲宽度可以通过调Q技术或锁模技术控制。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器输出的激光能量为10微焦～500微焦。
本实施例中，所述短波红外脉冲激光器输出激光的脉冲频率为5千赫兹到0.5兆赫兹。
本实施例中，所述激光头内设有装载Best-form汇聚透镜的导光镜并接入气体的密封头。
本实施例中，所述步骤（4）中的激光头是不动的，激光通过Best-form汇聚透镜，与运动的二维移动平台实现相对移动，同时密闭头沿激光光束出口的方向向下吹气，将划线过程中的碎片吹走，辅助提高划线质量。

Claims (10)

1. 一种CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，并进行准直处理；
(2)、使所述激光束照射到放在二维平移台上的薄膜电池基板上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在薄膜电池基板上按设定路径移动，进行划线。
2. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：采用光束整形装置对脉冲激光束进行整形，使其在汇聚焦点处的光束空间分布构成平顶分布。
3. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：所述短波长红外脉冲激光器为掺铥光纤激光器，脉冲宽度为100皮秒到800纳秒。
4. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：所述短波长红外脉冲激光器输出的单脉冲激光能量为1～2000微焦。
5. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：所述短波长红外脉冲激光器输出激光的脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹。
6. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：在控制激光束出射的激光头上设置F-theta透镜和二维光束扫描装置，通过计算机经所述二维光束扫描装置控制F-theta透镜，实现激光束的偏转扫描。
7. 根据权利要求5所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：所述二维光束扫描装置包括二维光束扫描头、二维光束扫描头控制单元和扫描头电源，所述二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～3000mm/s，所述F-theta透镜焦距长度为80mm～300mm。
8. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：在控制激光束出射的激光头内设有装载汇聚透镜的导光镜以及接入气体的密封头，激光束通过汇聚透镜聚焦在二维平移台上，通过控制二维平移台的运动实现激光束与薄膜电池基板的相对移动，将气体引入密封头，沿激光光束出口的方向向下吹气，将划线过程中产生的碎片吹走，所述二维平移台的移动速度为50mm/s～3000mm/s。
9. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：进行P2、P3划线时，光斑交叠程度为10～90%。
10. 根据权利要求1所述的CIGS太阳能薄膜电池膜层的激光划线方法，其特征在于：所述短波长红外脉冲激光器的输出波长为1.5μm～2.5μm。
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