CN101222001A - 太阳能电池激光标刻设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用激光标刻太阳能电池的设备，属于非晶硅薄膜太阳能电池加工领域。本发明以提高太阳能电池的标刻速度和精度为目的。技术特征在于由计算机程序控制X－Y轴精密电控平移工作台和激光振镜扫描系统分时工作。当X－Y平移时，固定在Z轴轨道上的激光振镜扫描停止。激光振镜扫描系统的反射镜由振镜电机控制其偏转角度，而振镜电机的偏转是由计算机通过D/A卡来控制，使聚光斑按照计算机设定的图性、文字、及直线轨迹运行。其效果，高速大幅面标刻非晶硅薄膜太阳能电池，最大线速度400m/min，复杂图形。机械平台重量及运行速度不会影响微小标刻路径的精度，生产效率高，成本低。

Description

太阳能电池激光标刻设备

技术领域

本发明涉及一种专用于非晶硅薄膜太阳能电池生产的激光标刻设备，属于激光标刻、定位技术领域。

背景技术

目前，激光标刻技术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，简称基片放置在X-Y交联丝杆系统载物工作平台上，通过X-Y交联丝杆系统的移动，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ZL 88109264《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 2004200578 10.2《激光自动切割机的运行装置》涉及一种满足在船舶制造流程中放样用的激光切割机。专利号ZL 200420 121870.6《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薄膜电池产品。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，现有技术不能标刻大幅面薄膜电池和特殊图形。

发明内容

本发明目的之一，克服上述现有技术中所存在不足，使机械平台移动时不会影响激光扫描。由程序控制，使载物平台移动与激光标刻分时工作，能高速加工，规模化生产，降低生产成本。

另一个目的，使设备加工更为灵活，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，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：由计算机控制的机械工作台和激光发生器，其特征还包括计算机程序分时控制：

基片工作台，沿X或Y轴向平移，工作台悬臂上的激光振镜扫描系统静止不动；到达标刻区域后

启动激光振镜扫描系统，导入标刻图形，在标刻区域内标刻基片。

激光振镜扫描系统中振镜聚焦透镜焦距75cm可调，基片工作台是X-Y轴精密电控平移工作台。

技术解决方案在于机械工作台上的激光振镜扫描系统在Z轴导轨上的高度可调，可以更换激光头与激光发生器相匹配。

按照本发明的技术解决方案：由激光器输出激光进入激光振镜扫描系统，经一对反射镜反射后，再反射到聚焦透镜，通过光路激光束聚焦到标刻区域标刻基片。

激光振镜扫描系统的反射镜由振镜电机控制其偏转角度，而振镜电机的偏转是由计算机通过D/A卡来控制，使聚光斑按照计算机设定的图案、文字、及直线轨迹运行。

按照本发明的技术解决方案是：所说的基片工作台，根据基片幅面大小，可以是多幅面标刻的X-Y交联平台或是单幅面标刻的单向平台。

按照本发明的实施方案：所说旋臂激光振镜扫描系统，可以是红外光激光振镜标刻系统或激光振镜绿激光标刻系统。激光振镜头可以串联也可以并联。激光振镜扫描系统中，可以匹配光纤激光器或泵浦绿激光器。

本发明的积极效果表现在，用计算机控制，激光振镜扫面与加工平台分时工作，通过D/A卡控制，激光标刻图案、文字及直线。通过激光定位，减少了机械平台工作时间，使激光功率输出稳定、可靠，工作效率高。标刻最大线速度400m/min，是传统激光标刻速度的5-15倍。

附图说明

图1、是本发明的一个实施例图。

图1-1、是本发明大幅面薄膜电池基片分区示意图。

图2、是本发明标刻的单元电池背面示意图。

图3、是图1中A-A剖面图。

图3-1、是3中激光振镜扫描系统工作原理图。

图4、是本发明标刻的前电极7平面示意图。

图5、是本发明标刻的非晶硅层8平面示意图。

图6、是本发明标刻的背电极9平面示意图。

图7、是使用本发明设备标刻的电池基片图。

见图7、是基片的幅面为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1，本发明设备的载物工作台，X-Y交联工作台示意图。X轴轨道1，X轴工作台2，Y轴轨道3，Y轴工作台4，激光振镜扫描镜装置5，Z轴轨道6。(Y轴单向工作平台未画出)以下所说的待加工件7是指基片，是非晶硅薄膜太阳能电池。

见图3和3-1，激光导入光束5-6，通过Y1轴向反射镜5-2折射到X1轴反射镜5-5，再由反射镜5-5折射到聚焦镜5-1上，经过激光输出光路5-7到标刻区域的被加工件7上。整个加工步骤，均由计算机通过D/A卡控制高精度振镜电极5-3和5-4，分别驱动Y1轴向反射镜5-2和X1轴向反射镜5-5，调整两轴之间反射镜的相对偏转角度，以实现激光束在振镜标刻区域内的正确加工轨迹，使激光束始终沿输出光路5-7准确地投射到标刻区域内的加工件上。在其X-Y交联工作平台任意位置点上进行单点或连续标刻。根据待加工件的厚度和材料特性，调整激光振镜扫描装置在Z轴的位置，达到调整焦距的目的。

见图2、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。

见图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交联平台(或X-Y丝杆交联)、计算机控制系统。

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号标刻区送到振镜扫描标刻系统标刻区域内，由标刻程序控制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)号标刻区送到振镜扫描标刻系统标刻区域内，由标刻程序控制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，应用大幅面振镜扫描标刻系统，具有标刻速度快，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，在尺寸为355.6mm×406.4mm×0.7mm基片上，激光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单幅面标刻(工作台未画，原理同图1)

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，刻除非晶硅膜层，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1，m＝2，n＝4，同上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交联工作平台上，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10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2M Ω；

例3、见实施例图1，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，按设计图形要求刻除非晶硅层，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，刻除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，按设计图形要求刻除铝层，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，如图7中4’所示的部分，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.太阳能电池激光标刻设备，包括由计算机控制的机械工作台和激光发生器，其特征还包括计算机程序分时控制：

基片工作台，沿X或Y轴向平移，工作台悬臂上的激光振镜扫描系统静止不动；到达标刻区域后

启动激光振镜扫描系统，导入标刻图形，在标刻区域内标刻基片。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说激光振镜扫描系统中振镜聚焦透镜焦距75cm可调，基片工作台是X-Y轴精密电控平移工作台。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说机械工作台上的激光振镜扫描系统在Z轴导轨上的高度可调，激光振镜扫描系统中可以更换激光头与激光发生器相匹配。

4.根据权利要求1所述激的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说的激光振镜扫描系统标刻工作时，由激光器输出激光进入激光振镜扫描系统，经一对反射镜反射后，再反射到聚焦透镜，通过光路激光束聚焦到标刻区域标刻基片。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说的激光振镜扫描系统的反射镜由振镜电机控制其偏转角度，而振镜电机的偏转是由计算机通过D/A卡来控制，使聚光斑按照计算机设定的图案、文字、及直线轨迹运行。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说的基片工作台，根据基片幅面大小，可以是多幅面标刻的X-Y交联平台或是单幅面标刻的单向平台。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征在于所说的激光振镜扫描系统，可以是红外光激光振镜标刻系统或激光振镜绿激光标刻系统。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征是所说的激光振镜扫描系统的激光振镜头可以串联或并联在悬臂上。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征是所说待刻的基片是非晶硅薄膜太阳能电池。

10.根据权利要求1所述的太阳能电池激光标刻设备，其特征是所说的激光振镜扫描系统中，匹配的是光纤激光器或泵浦绿激光器。

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