激光加工在非晶硅薄膜太阳能电池制造中的应用

太阳能电池是利用光电转换原理将太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。在过去的5年里，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化和产业化；太阳能电池已经在我国和一些国家大批量生产和应用；同时科研人员正在开发光电转换率更高、成本更低的太阳能电池。可以预见，太阳能电池在人们的生产、生活中很可能成为替代煤和石油的重要能源之一。

图1：非晶硅薄膜太阳能电池 图2：非晶硅薄膜太阳能电池的层叠结构

图3：非晶硅薄膜太阳能电池生产的主要设备和工艺流程

图4：将连续的膜层细分为单个电池

图5：在单个电池之间建立串联连接结构

非晶硅薄膜太阳能电池简目前可生产的太阳能电池主要有多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池受上游晶体硅材料供应的短缺，导致越来越多的晶硅太阳能电池生产设备产量不足，不断上涨的晶硅价格也限制了晶硅太阳能电池的发展。仅以硅原材料的消耗计算，生产1兆瓦晶体硅太阳电池，需要10～12吨高纯硅，但是如果消耗同样的硅材料用以生产非晶硅薄膜太阳能电池，则产出可以超过200兆瓦。尽管非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率（6％左右）不如晶硅太阳能电池的转换效率（15％～16％）高，但是其厚度（700nm）却要比晶硅太阳能电池（厚度为180μm）薄很多。换句话说，非晶硅薄膜太阳能电池的总效能要比晶硅太阳能电池高很多。对于同样功率的太阳电池阵列，非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池发电要多约10%，而且非晶硅太阳电池的能源回收期仅1-1.5年。非晶硅的原料是晶硅太阳能电池生产中西门子法生产多晶硅之前的硅烷气体，通过在硅烷（SiH4）中掺杂乙硼烷（B2H6）和磷化氢（PH3）等气体，在低成本基板上（玻璃、不锈钢）低温成膜，避开了成本最高和技术难度最大的西门子法工艺，直接将硅烷气体进行玻璃镀膜，然后制作电极和封装。太阳能电池组件的成本在整个光伏系统成本中占有很高的比例，组件价格直接影响系统成本，进而影响光伏发电的成本。按目前的组件售价计算，等量的资金，购买非晶硅产品可以比晶硅产品多获得接近30%的组件功率。非晶硅太阳能电池工艺已趋于成熟、制造成本低，且不受晶硅原料瓶颈的制约，已成为太阳能电池中最成熟的产品，对洁净可再生能源的发展起到了巨大的推动作用。非晶硅薄膜太阳能电池（见图1）采用普通浮法玻璃作为载体。在玻璃上涂有透明导电膜TCO，主要成分是SnO2。光穿过透明的TCO被电池吸收，要求有较高的透过率；另一方面，TCO是导电的，可作为电池的一个电极。太阳能电池就是以TCO薄膜为衬底生长的，用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长的太阳能电池层也称为有效层。有效层包括两个pin串联的双结结构。与TCO薄膜连接的第一结称为顶层非晶硅层a- Si:H，能吸收短波长光子，与非晶硅层连接的第二结称为底层微晶硅层ucSi:H，能吸收长波长光子。阳光首先透过顶层玻璃和透明导电薄膜到达顶层非晶硅层，阳光中的短波长光子被顶层非晶硅层吸收，而长波长光子透过顶层非晶硅层到达底层微晶硅层、并被底层微晶硅层吸收，这种结构有较高的光电转换效率。通过磁控溅射制作的Al/Ag电极连接着有效层的背电极。最后，用防护玻璃罩密封EVA(乙烯醋酸乙烯)箔进行叠层组件，这种结构的非晶硅薄膜太阳能电池也被称为层叠电池，如图2所示。 非晶硅薄膜太阳能电池生产的主要工艺流程：生产非晶硅薄膜太阳能电池的主要设备和工艺流程如图3所示。其中pin膜的沉积是利用PECVD技术在非硅衬底上制备晶粒较小的多晶硅薄膜的一种方法。该薄膜是一种p-i-n结构，主要特点是在p层和n层之间有一层较厚的多晶硅的本征层（i层）。其制备温度很低（100～200℃）。日本科尼卡公司在 1994年提出这一方法，目前用这种方法制备的电池，试验室最高效率已达10.7％。薄膜沉积后，采用激光设备对沉积膜进行高速、精确地划刻。随着技术的发展，激光作为一个功能强大的生产性工具，已广泛应用于制造、表面处理和材料加工领域。在非晶硅薄膜太阳能组件生产里，激光设备在“划刻”过程中发挥两大作用：第一，它把连续的膜层细分为单个电池（见图4）；第二，在单个电池之间建立串联连接结构（见图5）。这需要由两个不同的系统来完成：第一步用红外激光，用于第一层TCO层的划刻，因为透明的TCO层不吸收可见光；第二步用绿激光来划刻非晶硅层；第三步用绿激光，同时处理非晶硅层和背电极。这些线条非常紧密并且精确地间隔开，之间只有几十微米的距离（<50μm），这样最大限度地减少了发电层面积的损失。在激光划线工艺中，通过调整划刻的线条数，将电池串联起来形成最佳的电压和电流。划切技术难点是要在达到1m/s的划刻速度下，划切线在超过1.3m的距离里保持笔直和均匀，并且三次划刻总宽度不超过250μm（见图6），三次划切线不能相交。

图6：划刻总宽度不超过250μm

激光划线完成之后，之前连续的膜层被细分为单个太阳能电池并组成了串联结构，此时，太阳能电池已经能将太阳光能转化成电能了。在后面的工序里，划切完的太样能电池要经过退火、汇流、层压和测试进行封装，最终完成非晶硅薄膜太阳能的生产。在薄膜太阳能组件生产里，激光划线设备是必不可少的重要生产设备之一。华工激光新推出的激光刻膜机LDY1040 / LDG540采用先进的激光刻蚀技术，对太阳能非晶硅薄膜电池板的电极层和发电层进行刻蚀。整机采用龙门式结构，由工作台带动电池板与激光头作相对运动。 X-Y工作台采用进口直线电机与高分辨率光栅尺组成全闭环控制系统，确保运动精度。四路精密分光系统将激光能量均分成四路输出，可同时刻蚀四路电极（见图 7、图8）。

图7：华工激光的激光刻膜机可同时刻蚀四路电极

图8：刻蚀后的效果

本项目产品可替代美国和德国在销售的同类设备。在薄膜太阳能电池制造行业中有广泛应用，如：玻璃基底上薄膜处理、非晶硅电池、铜铟镓二硒电池以及镉碲薄膜电池等领域。此设备已于2009年4月通过了科技成果鉴定。和国外设备相比较，以华工激光为代表的国产薄膜太阳能电池激光精密切割系统具有成本优势、品种优势和服务优势。通常，国产设备价格将是进口设备价格的一半左右，如果今后在核心激光器方面能进一步降低成本，客户购买成本将会降到进口设备的1/3，用户将受益更多。