一種cigs太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計算機(9)、激光器(1)、光束準直器(2)、激光頭和二維平移臺(7)，激光器(1)發(fā)出的激光束經光束準直器(2)由激光頭聚焦在二維平移臺上，所述激光器(1)連接控制所述二維平移臺(7)，其特征在于：在光束準直器(2)和激光頭之間設置有將激光束整形為在聚焦平面上構成平頂光束的光束整形器(3)、所述激光器(1)為輸出光波長在1.4μm～3μm之間的短波長紅外脈沖激光器，所述計算機(9)連接控制激光器(1)的脈沖控制裝置。本實用新型能夠取代現(xiàn)有的機械劃線方法，改善激光完成P2、P3劃線的質量，提高由激光劃線的CIGS薄膜光伏電池組件的性能。
【專利說明】一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于銅銦鎵硒薄膜太陽能電池【技術領域】，具體涉及一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術中，在新能源領域內，作為第二代太陽能電池的薄膜電池，是太陽能光伏電池家族里的一個十分引人注目的成員，同時它也是發(fā)展更高效的第三代太陽能電池的重要出發(fā)點。預計，不僅現(xiàn)有晶體硅片太陽電池(即一代電池)的許多應用將逐步被高效薄膜太陽電池所取代，而且由于薄膜電池的整個電池結構非常薄，通常只有微米量級，可以制作在金屬、塑料等柔性基板上，實現(xiàn)成卷(roll-to-roll)的規(guī)?；a,大幅降低制造成本，薄膜太陽能電池對于整個光伏太陽能技術的推廣和應用有著深遠的影響。
[0003]在薄膜太陽能電池中，由Cu、In、Ga、Se四種元素構成的四元金屬半導體化合物CIGS薄膜電池占有重要的地位。與硅基薄膜電池相比，CIGS薄膜電池具有直接帶隙結構，對太陽光的吸收率極高，且吸收光譜平坦，同時抗老化性能好，能量回饋周期短。CIGS是目前太陽能薄膜電池中光電轉換效率最高的一種薄膜電池，其實驗室實現(xiàn)的最高光電轉換效率已經達到20.6%，而大面積組件研制產品的最高轉換效率已達到15.7%。在各類薄膜電池中，制作在超薄柔性襯底上的CIGS光伏電池具有最高的單位質量電池材料下的發(fā)電量。
[0004]在規(guī)?；疌IGS薄膜太陽電池的制造過程中，除了大面積成膜的各道工序外，最終完成電池組件的制備需要經過三個重要的劃線工序，通常稱之為P1，P2，P3。其中，Pl是對背電極Mo膜層的劃線，要求剛好劃到電池基板上表面。(Mo膜電極既可以鍍在玻璃基板上或其它硬質材料上，也可以鍍在很薄的金屬或塑料柔性基板上)。P2是對CIGS及其緩沖層CdS和高阻1-ZnO層進行劃線，劃線深度要求剛好到Mo電極層。P3則是對CIGS及其緩沖層和高阻ZnO層加上Al:ZnO透明導電層劃線，線的深度同樣是只到Mo電極層。劃線的目的是將具有光伏特性的CIGS薄膜，包括其相應的緩沖層、η型材料層和電極層各層功能薄膜，直接在大面積膜上制成太陽能薄膜電池單元和組件，并保證由此產生的光伏電池器件的光電轉換性能。薄膜太陽能電池的劃線工藝要求精準的層狀加工能力，對劃線寬度和劃線深度的控制有嚴格要求，對劃線邊緣的齊整性和干凈程度亦有很高的要求。
[0005]到目前為止，除了背電極金屬鉬膜層的劃線，即Pl劃線，由激光來實現(xiàn)外，CIGS膜層及其緩沖層、η型材料層的劃線(Ρ2劃線)，以及CIGS與其上方的透明電極層的同時劃線(Ρ3劃線)均由機械方式來完成。而機械劃線的線寬難以做到很窄，容易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象，存在刀具磨損問題，生產效率不夠高。同時由于單元電池連接區(qū)(即所謂死區(qū))的面積難以再進一步減小，限制了 CIGS薄膜的整體利用率。因此，業(yè)界也在努力嘗試用激光來完成Ρ2、Ρ3劃線，以期克服機械劃線的不足。
[0006]采用近紅外(如1064 nm)、可見(如532 nm)和紫外(如355 nm或266 nm)激光進行P2、P3劃線時，由于CIGS對這些短波長激光的吸收較大，劃線中的熱效應累積作用嚴重，對鄰近劃線邊緣處的CIGS會產生微觀結構上的變化，導致p-n結受損，與上下電極層之間的歐姆接觸遭到破壞，同時對需要保留的背電極金屬鉬膜層亦可能產生損傷。雖然，業(yè)界人士認為采用脈沖寬度在皮秒量級甚至更短的脈沖激光應該有可能滿足P2、P3劃線要求，但是，用于這一用途的皮秒激光器的內部結構相對復雜，長期運轉可靠性存在隱患，并且由于制造成本較高而將難以普及。針對上述CIGS薄膜電池制造過程中，P2、P3劃線工序的現(xiàn)有機械劃線方法和已知正在嘗試中的其它可能的近紅外、可見和紫外激光劃線技術的不足，有必要尋求一種能夠滿足CIGS薄膜電池組件規(guī)模化生產和制造要求的新的激光劃線系統(tǒng)。
【發(fā)明內容】
[0007]本實用新型的是提供一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，克服現(xiàn)有技術中劃線的線寬難以做到很窄，容易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象，存在刀具磨損，生產效率不高等問題。
[0008]為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術方案是:一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計算機、激光器、光束準直器、激光頭和二維平移臺，激光器發(fā)出的激光束經光束準直器由激光頭聚焦在二維平移臺上，所述激光器連接控制所述二維平移臺，在光束準直器和激光頭之間設置有將激光束整形為在聚焦平面上構成平頂光束的光束整形器、所述激光器為輸出光波長在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長紅外脈沖激光器，所述計算機連接控制激光器的脈沖控制裝置。
[0009]上述技術方案中，所述激光頭內設有F-theta透鏡和二維光束掃描頭，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭、二維光束掃描頭控制單元和掃描頭電源，F(xiàn)-theta透鏡的焦距長度為80mm?300mm之間。
[0010]上述技術方案中，所述激光頭內設有裝載匯聚透鏡的導光鏡，并設有接入氣體的密封頭并接入氣體的密封頭。所述匯聚透鏡可以選用Best-form匯聚透鏡。所述密封頭的氣體出射方向與激光束照射方向一致。
[0011]上述技術方案中，所述短波長紅外脈沖激光器為摻銩光纖激光器，所述短波紅外脈沖激光器的脈沖寬度為幾百皮秒到幾百納秒，所述短波紅外脈沖激光器輸出的激光能量為I?1000微焦,所述短波紅外脈沖激光器輸出激光的的脈沖頻率為I千赫茲到I兆赫茲。
[0012]上述技術方案中，所述計算機內裝有二維掃描頭和二維平移臺驅動軟件。
[0013]由于上述技術方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
[0014]1.本實用新型采用波長在1.4?3μπι之間、光子能量相對較小、CIGS膜層對其吸收較低的短波長紅外脈沖激光對太陽能電池薄膜進行Ρ2、Ρ3劃線，可以有效的降低劃線過程中由于激光燒蝕所弓I起的破壞性光致熱效應。
[0015]2.本實用新型采用的入射激光脈沖可以有較多的部分到達CIGS與其背電極Mo的界面處，并從此界面發(fā)生反射，反射光與入射光相干疊加，導致光場在界面臨界處發(fā)生有效增強，致使此處的材料快速升溫，優(yōu)先于上表面發(fā)生和電離，進而產生極大的內應力，從而使CIGS膜層在于Mo膜層的界面處發(fā)生剝落。
[0016]3.本實用新型能夠取代現(xiàn)有的機械劃線方法，改善激光完成Ρ2、Ρ3劃線的質量，提高由激光劃線的CIGS薄膜光伏電池組件的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是實施例一提出的利用短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線的系統(tǒng)結構示意圖；
[0018]圖2是采用圖1所示的短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線后CIGS薄膜太陽能電池組件的膜層結構示意圖；
[0019]圖3是對沉積在玻璃基板上的CIGS光伏電池薄膜進行機械法P3劃線(豎線)與采用本發(fā)明提出的短波長紅外脈沖激光P3劃線(右側三道橫線)的效果比較；
[0020]圖4是實施例二提出的利用短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線的系統(tǒng)結構示意圖。
[0021]其中:1、短波長紅外脈沖激光器2.光束準直器；3.光束整形器；4.二維光束掃描頭；5.F-theta透鏡；6.CIGS電池組件；7.裝載CIGS光伏電池組件的二維電動平移臺；8.二維光束掃描頭控制單元；9.計算機；10.激光器電源；11.掃描頭電源；12.二維平移臺電源；13.背電極-Mo膜層；14.CIGS膜層；15.CdS緩沖層；16.η型i_ZnO層；17.透明電極Al-ZnO膜層；18.Best-form匯聚透鏡；19.裝載Best-form匯聚透鏡和導光鏡(后者在圖示中未畫出)并可以接入氣體的密封頭。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述:
[0023]實施例一:參見圖1所示，是本實施例利用短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線的系統(tǒng)結構示意圖，包括計算機9、激光器1、激光器電源10、光束準直器2、光束整形器3、激光頭和二維平移臺7，激光器I發(fā)出的激光束經光束準直器2、光束整形器3到達激光頭，聚焦到二維平移臺表面的薄膜上。所述二維平移臺7由所述計算機9連接控制，所述激光器I為輸出光波長在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長紅外脈沖激光器。
[0024]本實施例中，所述激光頭內設有F-theta透鏡5和二維光束掃描裝置，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭4、二維光束掃描頭控制單兀8和掃描頭電源11，所述F-theta透鏡5的焦距長度為80_?300_之間。
[0025]操作步驟如下:(I )、短波長紅外脈沖激光器輸出波長在1.4 μ m?3.0 μ m之間的脈沖激光；
[0026]( 2 )、激光通過光束準直器2 ；
[0027](3)、然后激光通過光束整形器3，對短波長進行光束整形，使其在匯聚焦點處的光束空間分布接近于平頂分布；
[0028](4)、輸出的激光通過由計算機9控制的激光頭照射放在二維平移臺7上的薄膜電池基板，激光頭與二維平移臺7相對移動，進行劃線。
[0029]本實施例中，短波長的脈沖寬度可以通過調Q技術或鎖模技術控制在幾百納秒到幾百皮秒之間，在脈沖寬度確定的情況下，選擇單脈沖能量為I?1000微焦之間，選擇脈沖的重復頻率在I千到I兆赫茲之間，輸出的激光通過焦距長度為80mm?300mm之間的F-theta透鏡聚焦到待進行劃線加工的薄膜電池表面，這將使得劃線溝槽的寬度控制在5 μ m?300 μ m，特別是控制在更常用的10 μ m?100 μ m范圍內；光束掃描裝置或二維平移臺移動的速度選為50mm/s?3000mm/s,這樣可以保證劃線中光斑重疊度在10%?90%之間可調。
[0030]圖2所示是短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線后CIGS薄膜太陽能電池組件的膜層結構示意圖，P2劃線要將CIGS膜層14聯(lián)同其上方的CdS緩沖層15以及η型1-ZnO層16 —起劃掉，而同時保留作為背電極-Mo膜層13完好無損；P3劃線則是在P2劃線完成后鍍上了表面透明電極Al-ZnO膜層17時再進行，同樣要劃至背電極-Mo膜層13，即與P2劃線相比，P3劃線多劃了上表面的透明電極Al-ZnO膜層17。透明電極Al-ZnO膜層17的厚度一般在0.3微米左右，因此，P3與P2劃刻參數(shù)的設置差別應該不是很大。
[0031]本實施例中，視具體CIGS膜層參數(shù)和界面處聯(lián)結強度的不同，例如膜層相對較厚，膜與膜間的結合較強時，同樣關鍵的環(huán)節(jié)是使短波長紅外激光光束經過光束整形器，該光束整形器的作用是使得在CIGS平面上光束的空間分布要比通常的高斯分布均勻，即更接近平頂分布，這樣將有助于提高劃線邊緣處的溫度梯度，有效減少或避免在劃線溝槽邊緣處可能出現(xiàn)的熔融現(xiàn)象。
[0032]基于P2，P3劃線對劃刻中不能傷及CIGS及其與相鄰膜層間的肖特基聯(lián)結和歐姆聯(lián)結的要求，現(xiàn)有技術使用機械劃刻的方法來完成P2、P3劃線。但是如圖3所示，機械劃線(圖中豎線)線寬難以做到很窄，易出現(xiàn)較大的崩邊現(xiàn)象。此外，機械劃線存在刀具磨損問題，生產效率難以提高。由于采用機械劃線的單元電池連接區(qū)(即所謂死區(qū))的面積難以再進一步減小，限制了 CIGS電池組件制造中薄膜的整體利用率的提高。在圖3中，同時示出的是采用本發(fā)明提出的利用短波長紅外激光光束進行的P3劃線(圖中右側三條橫線；劃刻此三條線時采用了不同的激光參數(shù))。根據(jù)具體激光控制參數(shù)的不同，劃線的效果將不同。由圖3中給出的機械劃線和2微米激光劃線的對比可以看出，機械劃線的線寬寬，崩邊嚴重，而2微米激光的劃線不僅要窄很多，而且除去(中間第二條線外)相對整齊。(注:圖3中，劃線的白色來自Mo膜的反射。)
[0033]實施例二:
[0034]參見圖4所示，是本實施例利用短波長紅外脈沖激光對CIGS薄膜太陽能電池膜層進行P2、P3劃線的系統(tǒng)結構示意圖，包括計算機9、激光器1、光束準直器2、光束整形器3、激光頭和二維平移臺7，所述二維平移臺7由所述計算機9連接控制，所述激光器I為輸出光波長在1.4 μ m?3 μ m之間的短波長紅外脈沖激光器。
[0035]本實施例中，所述激光頭內設有裝載Best-form匯聚透鏡18的導光鏡并接入氣體的密封頭19。
[0036]操作步驟如下:(I)、短波長紅外脈沖激光器輸出波長在1.4μπι?3.Ομ--之間的脈沖激光；
[0037]( 2 )、激光通過光束準直器；
[0038](3)、然后激光通過光束整形裝置，對短波長進行光束整形，使其在匯聚焦點處的光束空間分布接近于平頂分布；
[0039]( 4)、輸出的激光通過由計算機控制的激光頭照射放在二維平移臺上的薄膜電池基板，激光頭與二維平移臺相對移動，進行劃線。
[0040]本實施例中，所述激光頭是不動的，激光通過Best-form匯聚透鏡，與運動的二維移動平臺實現(xiàn)相對移動，同時密閉頭沿激光光束出口的方向向下吹氣，將劃線過程中的碎片吹走，輔助提高劃線質量。
【權利要求】
1.一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，包括計算機(9)、激光器(I)、光束準直器(2)、激光頭和二維平移臺(7)，激光器(I)發(fā)出的激光束經光束準直器(2)由激光頭聚焦在二維平移臺上，所述激光器(I)連接控制所述二維平移臺(7)，其特征在于:在光束準直器(2)和激光頭之間設置有將激光束整形為在聚焦平面上構成平頂光束的光束整形器(3)、所述激光器(I)為輸出光波長在1.4μπι?3μπι之間的短波長紅外脈沖激光器，所述計算機(9)連接控制激光器(I)的脈沖控制裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述激光頭內設有F-theta透鏡(5)和二維光束掃描裝置，所述二維光束掃描裝置包括二維光束掃描頭(4)、二維光束掃描頭控制單元(8)和掃描頭電源(U)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述激光頭內設有裝載匯聚透鏡(18)的導光鏡，并設有接入氣體的密封頭(19)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種CIGS太陽能薄膜的激光劃線系統(tǒng)，其特征在于:所述密封頭(19)的氣體出射方向與激光束照射方向一致。
【文檔編號】H01L31/18GK204118102SQ201420461763
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】蔣仕彬, 朱曉農 申請人:蘇州圖森激光有限公司