简述太阳能电池的制造效率

激光制造

激光器是生产薄膜太阳能电池模块的重要工具，特别是高性能超短脉冲激光器，其能提供持续时间仅几个皮秒的超短脉冲，这不但能帮助制造商提高产量，而且还能优化加工工艺。目前，在针对解决未来能源问题的讨论中，光伏能源作为一种可再生能源扮演着重要角色。技术进步是实现电能平价消费的一个至关重要的前提条件，比如通过技术进步将光伏发电的成本降低到接近传统能源的成本。

目前，晶硅太阳能电池是光伏市场中的主导产品，其转换效率最高达20%。在晶硅太阳能电池的制造过程中，激光器主要用于晶圆切割和边缘绝缘。在激光边缘绝缘过程中，激光辅助掺杂(doping)工艺用于防止电池正面与背面之间的短路而引起的功率损失。越来越多的激光器被用于激光辅助掺杂工艺中，以改善载流子的迁移率，特别是对于电极的接触指而言尤为如此。在过去的几年中，薄膜太阳能电池取得了巨大的发展，业界专家们更是希望其未来能在光伏市场中占据大约20%的市场份额。

薄膜太阳能电池中所采用的膜层只有几微米厚，因此其在生产中便能节约大量材料。在薄膜太阳能电池的制造过程中，激光发挥着决定性的作用。在整个制造过程中，激光将电池结构化并连接成模块，并对模块进行相应的刻蚀处理，进而保证所需要的绝缘性能。

成熟的激光刻线工艺

在非晶硅或碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池模块的生产过程中，导电薄膜和光伏薄膜被沉积在大面积玻璃基板上。每层薄膜被沉积后，均利用激光对膜层进行刻蚀，并使各个电池之间自动串联起来。这样，就能够根据电池宽度设定电池和模块的电流。精确的选择性非接触式激光加工，能够可靠地集成到薄膜太阳能电池模块的生产线中。人们通常所说的刻线(见图2)就是单个激光脉冲刻蚀的一个连贯过程，该脉冲聚焦后光斑大小为30~80μm，因此在P1层刻线中，要采用脉宽为几十纳秒(10~80ns)的脉冲光对玻璃基底进行刻蚀。

透明导电氧化物(TCO，如ZnO和SnO2)通常使用近红外激光和相对较高的脉冲重复频率进行加工。通常需要的脉冲重复频率要超过100kHz。较高的脉冲重复频率能够确保切口处的彻底清洁。

根据材料对激光的吸收系数的不同，需要为特定的加工工艺选择合适的激光波长。绿激光对于硅的破坏阈值远低于其对TCO的破坏阈值，因此绿激光可以安全透过TCO膜层后，对吸收层进行刻线。P2层和P3层的刻线机理与P1层相同。P2层、P3层相对于P1层的工艺参数已经在上面列出。

单脉冲刻线机理本身的特征对脉冲重复频率提出了一定的限制。为了防止接触面半导体层的脱落，加工过程中需要的典型脉冲重复频率为35~45kHz。常用的刻蚀阈值约为2J/cm2，也就是能将25μJ的激光能量聚焦到直径为40μm的面积上，其平均功率非常低。由于绿光激光器的平均功率均为数瓦量级，因此能够将光束分光后进行多光束并行加工，从而进一步提高工作效率。

对于P1、P2和P3层的刻线应用而言，用于微加工应用的、输出波长为1064nm和532nm的结构小巧紧凑的二极管泵浦激光器，无疑是无疑是一种理想的选择，并且这种激光器能够提供极高的脉冲稳定性。这类激光器的脉冲持续时间为8~40ns，脉冲重复频率为1~100kHz。

清除保护

为了防止太阳能电池模块被腐蚀或短路，必须要在其边缘留出大约1cm宽边缘，用于接下来整个电池模块的封装。目前多使用喷砂的方法来清除这个边缘。尽管喷砂方法的投资成本较低，但是这个过程却会带来磨损、砂的清除以及防尘污染方面的成本。薄膜太阳能电池模块的生产需要洁净的、经济实惠的解决方案，激光加工方案无疑是最佳选择。通过提高激光的平均功率，能够获得卓越的加工质量。激光加工可以实现大约50cm2/s的去除速度，甚至在30s之内就能加工完成一块标准尺寸的太阳能电池模块。

事实上，用同一个脉冲就可以清除所有的边缘薄膜层，并且清除速率的提高与激光的平均功率密切相关。具有高平均功率和高脉冲能量的激光，可以一次性清除特定的区域。最适用这种加工应用的是采用光纤传输的激光器系统，其输出方形或矩形光斑。激光经过光纤传输后能量分布更加均匀，从而实现清除效果的高度一致性。利用光斑的平行组合，加工效率能比采用传统光纤提高50%以上，同时还在保证加工安全的前提下降低了脉冲重复频率。另外，还可以与扫描振镜结合适用，以减少加工过程中的非生产周期。当然，激光器也应提供相应的分时输出选择，来减少非生产时间。此外，可以采用几个不同的工作站共享同一台激光器的加工方案，这样就可以做到产品的上下料时间并不影响激光器的生产效率。

未来的激光工艺

CI(G)S太阳能电池模块制造中特殊材料的使用，对激光加工技术提出了巨大的挑战。如果适用的基底材料为玻璃，那么钼材料就被沉积到玻璃上。但是由于钼具有熔点高、热传导性好以及高热容等特性，导致加热时会出现裂纹和脱落现象。由于这些缺点在用纳秒激光进行加工时是无法避免的，因此激光器的使用与所获得的加工质量密不可分。同样，吸收层材料对热也具有相当的敏感性，硒(Se)相对于铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)等金属材料的熔点要低，它会在低温时就能从粘合的地方分离。这种一来，没有了硒层的半导体就变成了合金层，导致通过长脉冲激光产生的热量使边缘短路。

皮秒激光器将为上述问题提供理想的解决方案。用超短脉冲激光去除薄膜材料，不会产生严重的边缘热影响区。波长为1030nm、515nm和343nm的高性能皮秒激光器，可应用于CI(G)S薄膜太阳能电池模块的结构化。超短脉冲激光器将会取代机械刻划工艺，进一步提高加工质量和加工效率。

激光应用前景未来激光技术有望在光伏制造过程中获得更多应用空间，如晶硅太阳能电池钝化层的选择性烧蚀，具有高光束质量的超短脉冲和高脉冲能量的激光特别适合这类应用。目前，市场上只有碟片式激光技术能够满足这个标准。碟片激光器的输出功率可调，能实现更高的生产量，而且其输出的超短脉冲所拥有的卓越的光束质量，能显着提高太阳能电池的转换效率。

激光技术已经在太阳能电池生产中赢得了一席天地，并且其选择性、非接触式的加工工艺也已经超越了其他工艺。随着太阳能电池生产所面临的成本压力日趋增大，将会促使高功率、高性能激光器在大规模生产中被广泛采用。而且，具有超短脉冲的新激光技术也将带来新的生产工艺。未来，激光技术的进步与广泛采用，必将大幅太阳能电池生产的每瓦成本。