CN101211993A - 大幅面激光标刻太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅面激光振镜扫描系统，用激光标刻太阳能电池，属于非晶硅薄膜太阳能电池制造技术领域。本发明是以提高非晶硅薄膜太阳能电池产品的标刻速度和精度为目的。技术特征是：电脑程序控制，幅面为400mm－600mm激光振镜扫描系统，激光标刻、定位坐标点，采用多幅面或单幅面标刻方式生产非晶硅薄膜太阳能电池，启动激光振镜扫描系统时，X－Y交联平台处于暂停状态。X或Y轴丝杆单向位移推进m或n等分标刻区域。其效果，高速标刻大幅面非晶硅薄膜太阳能电池的最大线速度400m/min，能标刻复杂图形。机械平台重量及运行速度不影响微小标刻路径的精度，生产效率高，成本低。

Description

大幅面激光标刻太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种大幅面激光标刻系统在非晶硅薄膜太阳能电池制造中的应用，确切的说属于非晶硅薄膜太阳能电池制造技术领域。

背景技术

目前，激光标刻技术现已广泛的应用在非晶硅薄膜太阳能电池生产中，激光标刻系统所采用的加工技术大概分为以下类型：一类是固定激光输出标刻头，把待加工的非晶硅太阳能电池片(以下简称基片)放置在X-Y交连丝杆系统载物工作平台上，通过X-Y交连丝杆系统的移动，完成在基片上的图形标刻。第二种类型，是将激光输出标刻头固定在分开的X-Y丝杆系统的X丝杆上，载物工作平台固定在分开的X-Y丝杆系统的Y丝杆上，通过X、Y丝杆系统的联动，完成在基片上的图形标刻。以上所说的两种激光加工类型，其中传统的技术存在的不足表现在以下方面：一是只能刻直线和简单的曲线图形，无法完成复杂图形的标刻；再则标刻速度慢，线速度一般在30m/min以内。中国专利号ZL88109264《一种导电图形的制备方法》公开的是采用激光划线在钠钙玻璃基底上产生图形，可运用于液晶装置。使玻璃基底上形成的一层ITO膜的一些部分通过激光脉冲照射而被除去。专利号ZL 200420057810.2《激光自动切割机的运行装置》涉及一种于满足在船舶制造流程中放样用的激光切割机。专利号ZL 200420121870.6《激光自动切割机的运行装置》所涉及的是激光自动切割机，为了克服在高速度运动时所造成的结构振动较小，使激光束输出稳定，在大行程激光切割的环境下进行高速、精密加工，分别使用了不同的两个工作台，就整体结构而言，相对来说较复杂。

与此不同的是，本发明激光标刻的非晶硅薄膜太阳能电池(以下可以简称薄膜电池或电池)属于太阳能电池第二代产品。目前，由于制造出来的薄膜电池幅面越来越大，而先前激光标刻的薄膜电池产品，基本是由直线构成的简单图形，用现有技术还不能解决大幅面薄膜电池及特殊图形的标刻。

发明内容

本发明目的之一，是克服上述现有技术的中所存在的问题，利用激光振镜扫描技术和专用标刻软件，大幅面标刻非晶硅薄膜电池，以提高规模化生产中激光标刻的速度和精度，提高生产效率，降低成本。

另一个目的是，激光标刻内部结构复杂的异形非晶硅太阳能电池，满足对薄膜电池的特殊图形以及外形结构的需要。

还有一个目的是利用大幅面激光标刻系统，实现在基片内的任一位置打标，标刻文字和图案。

本发明以下所说的待刻基片是非晶硅薄膜太阳能电池或简称基片。

本发明的任务是通过以下技术解决方案来实现的：由电脑控制激光发生器和载物工作台，包括工作电源，冷却系统，用激光标刻电池基片的方法，其特征在于电脑程序控制幅面为400mm-600mm激光振镜扫描系统，X-Y轴载物平台，将待刻的基片分别以X、Y轴向等分成n×m相邻的(400mm×600mm)×(400mm×600mm)标刻区域或称单元；由激光振镜扫描系统，依次对各标刻区域导入图形进行激光标刻，使各相邻标刻区域的交界处有良好衔接，使基片成有机总体，当n＝m等于1时(n和m是自然数)，载物平台停止工作。

解决方案是：激光振镜扫描系统装在固定架Z轴悬臂上，由程序控制X、Y轴载物平台，沿X或Y丝杆轴向移动一个标刻区域宽度，激光振镜扫描系统启动，激光在基片的标刻区域内标刻；直至标刻完成n×m个标刻区域。以下所说的大幅面激光标刻，均指激光振镜扫描系统。

由本发明大幅面激光标刻方法所得到的电池产品，对大幅面基片标刻激光标刻的技术解决方案是：激光振镜扫描系统的标刻范围设定为500mm×500mm，待标刻基片幅面为1000mm×2000mmm，面积为500mm×500mm，n＝4，m＝2的8个等分标刻区域，将基片放置在X-Y轴交联平台上，启动激光振镜扫描系统，进行多幅面标刻。

小幅面及特殊形状的基片激光标刻解决方案是：激光振镜扫描系统的标刻范围设定为360mm×410mm，待标刻的基片幅面为355.6mm×406.4mm，n＝m＝1，只有一个标刻区域，基片放置在X或Y轴交联载物平台上，采用单幅面标刻。

前电极图形：基片复合透明导膜面朝上，导入电池前电极标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，进行标刻，除去复合透明导电膜，复合膜可以是ZnO或SnO₂，前电极相邻区域图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ；

非晶硅图形：基片非晶硅层膜面朝下，导入非晶硅标刻图形，启动大幅面绿激光标刻系统，非晶硅图形和前电极图形隔离线边缘间距是0.1～0.3mm；

透明视窗制作：可焊电极的基片膜面朝上，导入电池透明视窗标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，激光波长1064nm，功率30-50瓦，声光频率15-35KHz。

本发明产生的积极效果是，激光标刻电池，采用幅面为400mm-600mm激光振镜扫描系统，高速标刻大幅面薄膜电池，最大线速度达400m/min，能标刻复杂图形；采用激光标刻定位坐点时，X-Y交联平台处于暂停状态。X或Y轴丝只是推进m或n标刻区域的单向位移，机械平台重量及运行速度不影响微小标刻路径的精度。

附图

图1、是本发明工作原理示意图。

图1-1、是本发明大幅面薄膜电池基片分区示意图。

图2、是本发明的单元电池背面示意图。

图3、是图2中A-A剖面图。

图4、是本发明前电极7平而示意图。

图5、是本发明非晶硅层8平面示意图。

图6、是本发明背电极9平面示意图。

图7、是本发明幅面为1000mm×2000mm×3mm单元电池间距为10mm的非晶硅太阳能电池板激光标刻线示意图。

见图2、3、4、5、6是用本发明标刻的电池产品，玻璃基片1、引出电极点2、字符3、切割线4、背漆5、透明视窗6、前电极7、非晶硅8、背电极9。

图7，其中前电极标刻隔离线1’、前电极标刻区域2’、非晶硅标刻线3’，铝背电极标刻隔离线4’。

图1，方框示出本发明大幅面激光标刻系统由激光发生器、激光振镜扫描工作系统、X-Y轴交联载物平台(或X-Y丝杆交联及伺服电极系统)、电脑控制系统。其中虚线表示非接触式激光标刻。

见图1-1，是基片标刻分区域图，按X、Y轴向等分成n×m个相邻的(400mm×600mm)×(400mm×600mm)标刻区域简称区域。工作原理，由400mm～600mm幅面的激光振镜扫描标刻系统从图1-1中的第1号标刻区开始标刻，第1号标刻区标刻完后，由标刻程序控制X-Y丝杆及伺服电机系统把基片沿X丝杆轴向移动一个标刻区域宽度，把基片上第2号标刻区送到激光振镜扫描标刻系统标刻区域内，由标刻程序控制激光振镜扫描系统开始对图中第2号标刻区进行标刻，并控制第2号标刻区所标刻的图形和第1号标刻区所标刻的图形在X丝杆轴向相邻区域交界处，形成良好的衔接，以此类推，当图1中第n号标刻区标刻完成后，由标刻程序控制X-Y交联丝杆及伺服电机系统把基片沿Y丝杆轴向移动一个标刻区域宽度，把基片上第(n+1)号标刻区送到激光振镜扫描标刻系统标刻区域内，由标刻程序控制激光振镜扫描标刻系统开始对图1-1中第(n+1)号标刻区进行标刻，并由标刻程序控制，第(n+1)号标刻区所标刻的图形和第n号标刻区所标刻的图形在Y丝杆轴向相邻区域交界处，形成良好的衔接。以此类推，当图1-1中第m或n号标刻区域标刻完成后，各标刻区域的标刻图形在相邻区域交界处都形成良好的衔接，这样一来，标刻好的基片就形成了一个总体。

在非晶硅薄膜太阳能电池生产中，应用大幅面激光振镜扫描标刻系统，具有标划速度快，最大线速度400m/min，是传统激光标刻速度的5-15倍。生产效率高，设备结构简单、体积小，精度高等特点。有效地提高了非晶硅薄膜太阳能电池受光面的有效面积，提高了非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。此外，还可利用大幅面激光振镜扫描标刻系统，在基片上标刻复杂图形，在基片上可文字打标。可实现内部结构复杂的异形非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产，满足如太阳能手表行业对非晶硅薄膜太阳能电池外形和内部结构的特殊要求，拓广了非晶硅薄膜太阳能电池的应用领域。

具体实施

例1，实施例图2-3，在尺寸为355.6mm×406.4mm×0.7mm基片上，激光振镜扫描系统标刻外形为正八边形中间带有圆形透明视窗的环形非晶硅薄膜太阳能电池

前电极图形制作：将尺寸为355.6mm×406.4mm×0.7mm的ITO、ZnO或SnO₂透明导电膜玻璃膜面朝上放置到图1-1中第1号标刻区域内，启动大幅面红外光激光标刻系统，导入电池前电极标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为360mm×410mm，采用单幅面标刻的方式，把衬底上的连续导电膜刻蚀成要求形状和尺寸的独立小块，如图4中所示前电极图形7。红外光激光波长为1064nm，激光功率为30～50瓦，激光声光频率为15～35KHz，前电极相邻图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ；

激光标刻非晶硅：将已镀好非晶硅光电转换层的基片膜面朝下放置到图1中第1号标刻区域内，启动大幅面绿激光标刻系统，导入电池非晶硅标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为360mm×410mm，采用单幅面标刻的方式，在已沉积非晶硅的衬底上前电极图形区域内相应位置，按设计图形要求，标刻非晶硅膜层，露出前电极引出图形。使非晶硅图形和前电极图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm。设备采用大幅面绿光激光标刻系统，激光波长为532nm，激光功率为10～30瓦，激光声光频率为5～25KHz；

透明视窗制作：将已制作好可焊电极的基片膜面朝上放置到图1中第1号标刻区域内，启动大幅面红外光激光标刻系统，导入电池透明视窗标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为360mm×410mm，采用单幅面标刻的方式，把电池内部按设计需要做成透明视窗区域的棕色非晶硅层刻除，制作出透明视窗，见图2中6所示的白色部分。大幅面红外光激光标刻系统，波长为1064nm，功率为30～50瓦，激光声光频率为15～35KHz；

外形为正八边形中间带有圆形透明视窗的环形非晶硅薄膜太阳能电池制作完成。

实例2，实施例图，见图1和图7同上，m＝4，n＝2，生产单元电池间距为10mm外形尺寸为1000mm×2000mm×3.0mm的非晶硅薄膜太阳能电池板。

前电极图形制作：将尺寸为1000mm×2000mm×3.0mm的复合透明导电膜玻璃膜面朝上，放置到X-Y轴载物工作平台上，启动大幅面红外光激光标刻系统，导入电池前电极标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为500mm×500mm，将1000mm×2000mm×3.0mm的待标刻基片等分为8个500mm×500mm的标刻区域，采用多幅面标刻的方式，在基片衬底连续导电膜上标刻出100条平行于长边的间距为10mm的绝缘隔离线，参见图7中1’所示部分。这样一来，衬底上的连续导电膜就被刻蚀分割成100条平行于长边的间距为10mm的矩形独立块，如图7中2’所示的部分，即前电极图形。用大幅面红外光激光标刻系统，激光波长为1064nm，激光功率为30～50瓦，激光声光频率为15～35KHz，前电极相邻图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ；激光标刻非晶硅：将已镀好非晶硅光电转换层的基片膜面朝下放置到X-Y轴交联载物平台上，启动大幅面绿激光标刻系统，导入电池非晶硅标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为500mm×500mm，将1000mm×2000mm×3.0mm的待标刻基片等分为8个500mm×500mm的标刻区域，采用多幅面标刻的方式，在已沉积非晶硅的衬底上前电极图形区域内相应位置，按设计要求图形刻除非晶硅层，把衬底上的连续非晶硅膜刻蚀出100条平行于长边的间距为10mm的标刻线，露出前电极引出图形，如图7中3所示的阴影部分，标刻非晶硅的标刻线和前电极图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm。设备采用大幅面绿光激光标刻系统，激光波长为532nm，激光功率为10～30瓦，激光声光频率为5～25KHz；

铝背电极制作：采用真空蒸发镀铝或磁控溅射镀铝技术，在非晶硅层表面均匀地镀上一层铝膜背电极。将已镀好铝层的基片膜面朝下放置到X-Y轴交联载物平台上，启动大幅面绿激光标刻系统，导入电池铝背电极标刻图形，并把激光振镜扫描系统标刻范围设定为500mm×500mm，将1000mm×2000mm×3.0mm的待标刻基片等分为8个500mm×500mm的标刻区域，采用多幅面标刻的方式，在衬底上前电极图形区域内相应位置，按设计要求图形刻除铝层，把衬底上的连续铝膜刻蚀出100条平行于长边的间距为10mm的标刻线，形成铝背电极的隔离线4’，如图7中所示的4’部分，刻除铝膜的标刻线和非晶硅标刻线边缘间距为0.1～0.3mm。设备采用大幅面绿光激光标刻系统，激光波长为532nm，激光功率为10～30瓦，激光声光频率为5～25KHz。

Claims (10)

1.一种大幅面激光标刻太阳能电池的方法，由电脑控制激光发生器和载物工作台，包括工作电源，冷却系统，其特征还包括电脑程序控制，幅面为400mm-600mm激光振镜扫描系统；X-Y轴丝杆及伺服电机系统，将待刻基片按程序分别以X、Y轴向等分n×m相邻的(400mm×600mm)×(400mm×600mm)标刻区域；由激光振镜扫描系统，依次对各标刻区域导入的图形标刻，各标刻区域图形衔接，形成基片总体，当n＝m等于1时(n和m是自然数)，X-Y轴工作台停止工作。

2.根据权利要求1所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征是所说激光振镜扫描系统装在固定架Z轴悬臂上，由电脑控制X～Y丝杆及伺服电机系统，待刻基片沿X或Y丝杆轴向移动一个标刻区域的宽度，激光振镜扫描系统启动，在标刻区域内标刻；直至标刻完成n×m等份标刻区域。

3.根据权利要求1或2所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征在于所说激光振镜扫描系统，标刻范围设定为500mm×500mm，所说基片幅面为1000mm×2000mmm，将基片放置在X-Y轴丝杆交联平台上，启动激光振镜扫描系统，可多幅面标刻，其中n＝4，m＝2，为8等份标刻区域。

4.根据权利要求3所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征是所说待标刻的基片是非晶硅薄膜太阳能电池，标刻区域内基片透明导电膜面朝上，启动激光振镜大幅面红外光激光标刻系统，导入前电极图形，进行标刻，得到前电极相邻图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ。

5.根据权利要求3所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征是所说待刻基片是非晶硅薄膜太阳能电池，在标刻区域内，基片膜面朝下，导入电池非晶硅标刻图形，启动激光振镜大幅面红外光激光标刻系统，标刻非晶硅除去薄膜层，非晶硅图形和前电极图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm。

6.根据权利要求3所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征是所说待刻基片是非晶硅薄膜太阳能电池，在标刻区域内，基片铝层膜面朝下，启动激光振镜大幅面绿激光标刻系统，标刻铝背电极图形。

7.根据权利要求3所述的大幅面激光标刻太阳能电池的方法，其特征是所说待刻的基片是非晶硅薄膜太阳能电池，将已制作好可焊电极的基片膜面朝上放置到标刻区域内，启动激光振镜大幅面红外光激光标刻系统，导入非晶硅薄膜太阳能电池视窗标刻图形，标刻非晶硅层，制作出透明视窗。

8.一种大幅面激光标刻的太阳能电池，包括电脑控制激光扫描工作系统、激光发生器，载物工作平台，工作电源，冷却系统，其特征在于电脑控制幅面为400mm-600mm的激光振镜扫描系统；激光振镜扫描系统装在固定架Z轴悬臂上，程序控制

X、Y轴丝杆及伺服电机系统，将待刻的基片分别以X、Y轴向等分成n×m相邻的(400mm×600mm)×(400mm×600mm)标刻区域；

激光振镜扫描系统依次对各区域进行标刻，各相邻标刻区域图形的交界处衔接形成基片总体，当n＝m等于1时，X、Y轴丝杆停止工作，n和m是自然数。

9.根据权利要求8所述的大幅面激光标刻的太阳能电池，其特征是所说的待刻的基片是非晶硅薄膜太阳能电池，激光振镜扫描系统的标刻范围设定为500mm×500mm，基片幅面1000mm×2000mmm，n＝4，m＝2，标刻区域为8等分，基片在X-Y轴交联平台上多幅面标刻；

前电极图形：在标刻区域内基片的ITO/ZnO或SnO₂透明导电膜面朝上，导入前电极标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，前电极相邻图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ；

非晶硅图形：在标刻区域内基片非晶硅膜面朝下，导入前电极标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，非晶硅图形和前电极图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm；

铝背电极图形：在标刻区域内基片铝层膜面朝下，导入铝背电极图形，启动大幅面绿激光标刻系统，刻除铝膜，铝背电极图形和非晶硅图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm。

10.根据权利要求8所述的大幅面激光标刻的太阳能电池，其特征是所说的待刻基片是非晶硅薄膜太阳能电池，激光振镜扫描系统的标刻范围设定为360mm×410mm，基片幅面355.6mm×406.4mm，n＝1，m＝1，基片在或Y轴平台上单幅面标刻；

前电极图形：基片透明导膜面朝上，导入电池前电极标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，刻除透明导电膜，前电极相邻图形间绝缘隔离线宽度为0.1～0.4mm，绝缘电阻大于2MΩ；

非晶硅图形：非晶硅层基片膜面朝下，导入电池非晶硅标刻图形，启动大幅面绿激光标刻系统，非晶硅图形和前电极图形隔离线边缘间距为0.1～0.3mm；

透明视窗制作：可焊电极的基片膜面朝上，导入电池透明视窗标刻图形，启动大幅面红外光激光标刻系统，激光波长1064nm，功率30-50瓦，声光频率15-35KHz。

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