單脈衝刻線機理本身的特徵對脈衝重複頻率提出了一定的限制。為了防止接觸面半導體層的脫落,加工過程中需要的典型脈衝重複頻率為35~45kHz。常用的刻蝕閾值約為2J/cm2,也就是能將25μJ的雷射能量聚焦到直徑為40μm的面積上,其平均功率非常低。由於綠光雷射器的平均功率均為數瓦量級,因此能夠將光束分光後進行多光束並行加工,從而進一步提高工作效率。
對於P1、P2和P3層的刻線應用而言,用於微加工應用的、輸出波長為1064nm和532nm的結構小巧緊湊的二極體泵浦雷射器,無疑是無疑是一種理想的選擇,並且這種雷射器能夠提供極高的脈衝穩定性。這類雷射器的脈衝持續時間為8~ 40ns,脈衝重複頻率為1~100kHz。
清除保護
為了防止太陽能電池模塊被腐蝕或短路,必須要在其邊緣留出大約1cm寬邊緣,用於接下來整個電池模塊的封裝。目前多使用噴砂的方法來清除這個邊緣。儘管噴砂方法的投資成本較低,但是這個過程卻會帶來磨損、砂的清除以及防塵汙染方面的成本。薄膜太陽能電池模塊的生產需要潔淨的、經濟實惠的解決方案,雷射加工方案無疑是最佳選擇。通過提高雷射的平均功率,能夠獲得卓越的加工質量。雷射加工可以實現大約50cm2/s的去除速度,甚至在30s之內就能加工完成一塊標準尺寸的太陽能電池模塊。
事實上,用同一個脈衝就可以清除所有的邊緣薄膜層,並且清除速率的提高與雷射的平均功率密切相關。具有高平均功率和高脈衝能量的雷射,可以一次性清除特定的區域。最適用這種加工應用的是採用光纖傳輸的雷射器系統,其輸出方形或矩形光斑。雷射經過光纖傳輸後能量分布更加均勻,從而實現清除效果的高度一致性。利用光斑的平行組合,加工效率能比採用傳統光纖提高50%以上,同時還在保證加工安全的前提下降低了脈衝重複頻率。另外,還可以與掃描振鏡結合適用,以減少加工過程中的非生產周期。當然,雷射器也應提供相應的分時輸出選擇,來減少非生產時間。此外,可以採用幾個不同的工作站共享同一臺雷射器的加工方案,這樣就可以做到產品的上下料時間並不影響雷射器的生產效率。
未來的雷射工藝
CI(G)S太陽能電池模塊製造中 特殊材料的使用,對雷射加工技術提出了巨大的挑戰。如果適用的基底材料為玻璃,那麼鉬材料就被沉積到玻璃上。但是由於鉬具有熔點高、熱傳導性好以及高熱容等特性,導致加熱時會出現裂紋和脫落現象。由於這些缺點在用納秒雷射進行加工時是無法避免的,因此雷射器的使用與所獲得的加工質量密不可分。同樣,吸收層材料對熱也具有相當的敏感性,硒(Se)相對於銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)等金屬材料的熔點要低,它會在低溫時就能從粘合的地方分離。這種一來,沒有了硒層的半導體就變成了合金層,導致通過長脈衝雷射產生的熱量使邊緣短路。
皮秒雷射器將為上述問題提供理想的解決方案。用超短脈衝雷射去除薄膜材料,不會產生嚴重的邊緣熱影響區。波長為1030nm、515nm和343nm的高性能皮秒雷射器,可應用於CI(G)S薄膜太陽能電池模塊的結構化。超短脈衝雷射器將會取代機械刻劃工藝,進一步提高加工質量和加工效率。