CN101515610A - 太阳能电池模块刻槽装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的太阳能电池模块刻槽装置包括激光振荡器、均化器以及扫描器，激光振荡器振荡规定波长的激光束；均化器调节从上述激光振荡器振荡的激光束强度分布使其变得均匀；扫描器将从均化器输出并通过具有规定槽的掩模的激光束照射到太阳能电池模块上。

Description

太阳能电池模块刻槽装置
技术领域
本发明涉及太阳能电池模块刻槽装置。
背景技术
太阳能电池是一种直接把太阳能转变为电能的元件，可分为晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池和有机物太阳能电池。
晶硅太阳能电池根据半导体的相(phase)可细分为单晶硅(singlecrystalline)太阳能电池、多晶硅(polycrystalline)太阳能电池和非晶硅(amorphous)太阳能电池。
另外，太阳能电池根据半导体的厚度可分为基板型太阳能电池和薄膜型太阳能电池，薄膜型太阳能电池的半导体厚度为几十μm至几μm。
晶硅太阳能电池中单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池属于基板型，非晶硅太阳能电池属于薄膜型。
另一方面，化合物太阳能电池可分为III-V族的GaAs(Gallium Arsenide)和InP(Indium Phosphide)等基板型太阳能电池和II-VI族的CdTe(CadmiumTelluride)、I-III-VI族的CulnSe2(CIS；Copper Indium Diselenide)等薄膜型太阳能电池。有机物太阳能电池可分为有机分子型太阳能电池和有机-无机复合型太阳能电池。除此之外，还有染料敏化太阳能电池，也属于薄膜型太阳能电池。
在以上所述的各种太阳能电池中，能量转换效率高而且制造费用相对低廉的基板型晶硅太阳能电池主要作为地面电力广泛被应用。
但是，最近随着基板型晶硅太阳能电池需求量的急剧增长而造成的原材料不足导致基板型晶硅太阳能电池价格呈现上升趋势。因此，为了开发低廉而且能大规模生产的太阳能电池技术，迫切需要开发能把硅原料降低原有数百分之一的薄膜型太阳能电池技术。
发明内容
本发明的太阳能电池模块刻槽装置包括发射规定波长激光束的激光振荡器、使从上述激光振荡器振荡的激光束强度均匀分布的均化器、将从上述均化器输出并通过具有规定槽的掩模的激光束照射到太阳能电池模块上的扫描器。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：调节从激光振荡器发射的激光束强度的调节器。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：与上述衰减器连接的光纤耦合器、与光纤耦合器连接的光纤、与光纤以及均化器连接的光纤装配器。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：补正因为通过上述扫描器的激光束路径差而造成像差的成像透镜。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：用于放置太阳能电池模块的板(Stage)，以利用通过上述扫描器的激光束刻槽。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：移动上述板的板移动装置。
上述成像透镜由远心透镜组合而成。
可以在上述扫描器中安装检流计(Galvanometer)，上述激光束通过上述检流计照射到太阳能电池模块上。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：移动上述扫描器的移动装置。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：把通过上述掩模的激光束向规定方向反射的第一全反射镜(Total Reflection mirror)和为了让通过上述全反射镜反射的激光束入射到上述扫描器内部的第二全反射镜。
上述成像透镜可在激光束通过上述扫描器照射到太阳能电池模块时决定像倍率。
在上述掩模上形成有多个槽，利用上述掩模的旋转使激光束通过掩模上多个槽中的一个。
上述激光束的波长为1054nm至1074nm之间或者是522nm至542nm之间。
本发明的太阳能电池模块刻槽装置包括，发射规定波长激光束的激光振荡器、调节从上述激光振荡器中振荡的激光束强度的衰减器、把通过上述衰减器的激光束变成平行光的光束扩展器、调节通过上述光速扩展器的激光束强度分布变得均匀的均化器、补正由于激光束通过上述扫描器时的路径差而造成像差的成像透镜以及为了利用通过上述成像透镜的激光束刻槽而用于放置太阳能电池模块的板(Stage)。
太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：移动上述板的板移动装置。
上述成像透镜可以由远心透镜组合而成。
可以在上述扫描器中安装检流计，上述激光束通过上述检流计照射到太阳能电池模块上。
还可以包括：移动上述扫描器的移动装置。
太阳能电池模块刻槽装置还可以包括：把通过上述掩模的激光束向规定方向反射的第一全反射镜和为了让通过上述全反射镜反射的激光束入射到上述扫描器内部的第二全反射镜。
上述成像透镜可以在激光束通过上述扫描器照射到太阳能电池模块时决定像倍率。
上述光束扩展器可以扩大或者缩小激光束横截面。
在上述掩模上形成有多个槽，利用上述掩模的旋转让激光束通过掩模上多个槽中的一个。
上述激光束的波长为1054nm至1074nm之间或者是522nm至542nm之间。
附图说明
图1是根据实施例一的太阳能电池模块刻槽装置的构成图；
图2a和图2b是用于说明均化器作用的照片；
图3是根据相关技术的薄膜型太阳能电池的层压结构剖面图；
图4a至图4c是显示由具有高斯分布的激光束在太阳能电池层上形成的槽；
图5是根据本发明的掩模上的槽；
图6a是激光束通过检流计和成像透镜照射到太阳能电池模块基板上的激光束模式图；
图6b是照射到太阳能电池模块基板上的激光束路径的模式图；
图7至图10是用于说明由本发明的太阳能电池模块刻槽装置形成的刻槽的方向以及刻槽图案的俯视图；
图11是根据本发明另一实施例的太阳能电池模块刻槽装置的概略构成图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明实施例。
[实施例1]
图1是实施例1的太阳能电池模块刻槽装置的构成图。如图1所示，本发明所述的太阳能电池模块刻槽装置100包括激光振荡器110、衰减器120、光纤130、光纤耦合器131、光纤装配器132、均化器140、掩模150、全反射镜191，192、扫描器160、成像透镜170以及板180。
激光振荡器110将具有规定波长和能量的脉冲(Pulse)的激光束向规定方向振荡。这样的激光振荡器110可使用中性原子、电离原子或者分子的气体激光器，如红宝石或者Nd-YAG的固体激光器，将罗丹明等色素分子溶解在有机溶剂的液体激光器，如砷化镓(GaAs)、三元素合金(GaALAs)或者四元素合金(InGaAsP)的半导体激光器。本发明对激光器的类型没做限定。
衰减器(Attenuator)120安装在激光振荡器110的一侧。衰减器120以光学角度对从激光振荡器110振荡的激光束进行激光束功率和能量的调节。通过衰减器调节振荡激光束的透射率，可以将激光束的强度(Intensity)微调到指定值。
光纤(Optical fiber)130将通过衰减器120的激光束向均化器(Homogenizer)140传送。传送激光束的光纤130通过光纤耦合器(Fibercoupler)131与衰减器120连接。光纤耦合器131将通过衰减器120的激光束集中到光纤的芯(Core)中。另外，光纤130通过光纤装配器(Mount)132与均化器140连接。
均化器140调节通过光纤130传送的激光束使其强度分布均匀。均化器140由球面透镜(Spherical lens)组合而成。利用图2a和图2b说明通过均化器140变得均匀的激光束的强度分布。
图2a所示的具有高斯分布的激光束通过图1所示的均化器140时，其激光束的形态被调节成如图2b所示的强度分布均匀的激光束。因此，被激光束强度分布均匀调节的激光束蚀刻的太阳能电池模块的太阳能电池层等的轮廓(Profile)变均匀。图2a和图3b所示的激光束的形状是由光速轮廓仪测量得到的。
根据本发明，将强度分布均匀的激光束照射到层压在太阳能电池模块基板上的太阳能电池层等上。因此，可以防止制造光伏建筑一体化(BIPV)用模块时可能发生的刻槽的不均匀。
图3是薄膜型太阳能电池的层压结构的剖面图。图3中的a是透明电极层302(Transparent Conductive Oxide，TCO)层压在透明绝缘基板301上，一个太阳能电池层310层压在透明电极层302上。
另外，图3中的b是层压在透明绝缘基板301上的透明电极层302上面形成凹凸，透明电极层302上层压一个晶硅太阳能电池层310。
图3中的太阳能电池层310由p型311、i型312以及n型313构成。有时p型311和i型312之间形成中间层，在太阳能电池层310上面又分别层压透明传导层304和由金属物质形成的内电极层303。
另外，也可以制造出具有由两个太阳能电池层构成的双结叠层以上的结构的太阳能电池。
一方面，图3的太阳能电池制作面积很大，因此调节透光性有困难。制作太阳能电池模块时，在形成有太阳能电池的透明绝缘基板301上照射激光束，蚀刻透明电极层302、太阳能电池层310、透明传导层304以及由金属物质组成的内电极层303等，形成透射光束的槽。
特别是，图3的与层压结构一起形成槽的太阳能电池模块叫光伏建筑一体化(BIPV；Building Integrated PhotoVotaic，以下简称“BIPV”)模块。
制作BIPV模块时，为了在太阳能电池模块上蚀刻透明电极层302、太阳能电池层310、透明传导层304以及由金属物质组成的内电极层303(以下简称太阳能电池层等)来形成使光束透射的槽，这时可使用本发明的太阳能电池模块刻槽装置。
即，如图2a所示，在制作BIPV模块时使用的激光束的强度呈高斯分布时，只是在集中有刻槽所需强度的激光束中心部分形成槽。另外，在相邻于强度弱的激光束外廓部分的太阳能电池层等上由于刻槽的面不明显，因此入射光透射时会发生偏离等问题。
即，如图4a和图4b所示，用具有高斯分布的激光束在太阳能电池层310上形成槽时，激光束周边的太阳能电池层310领域残留硅素或者发生粗刻纹(burr)或者薄片(flake)。
如果为了让相邻于激光束周边的太阳能电池层上刻槽而提高激光束的强度，不仅位于激光束中心部分的太阳能电池层310被蚀刻，连透明电极也被蚀刻，使得通过基板透射的光束产生偏离。另外，如果激光束的强度提高，诱发非晶硅(amorphous Si)变成微晶硅(microcrystalline Si)的相变异现象，有可能降低太阳能电池的输出功率。
但是，具有高斯分布的激光束通过均化器140后激光束强度变得均匀。因此，如图4c所示，能够形成减少甚至消除粗刻纹或者薄片的槽。
通过均化器140其强度变得均匀的激光束通过掩模150。掩模150表面上形成有让激光束有选择地通过的槽。
如果从激光振荡器110振荡的激光束通过掩模150，就决定照射到太阳能电池模块上的激光束的形状。图5所示决定激光束形状的掩模的槽。
图5中，如果激光束通过在掩模150上形成的多角形或者圆形等槽，照射到太阳能电池模块上的激光束的横截面形状，由激光束通过的掩模150上形成的多角形或者圆形等槽决定。本发明中，掩模上的槽的形状不局限于图5所示的掩模150上形成的槽。
比如，掩模150上形成的槽，至少是图5所示的多角形或者圆形槽中的一个。
为了在太阳能电池模块上刻槽而决定激光束的形状时，要考虑避免发生因透射基板的光而产生偏离问题。
为了让在太阳能电池模块上形成的槽的形状多种多样，可以旋转具有多个槽的掩模。比如，假设如图5所示在掩模150上形成三角形和椭圆形槽，这时要在太阳能电池模块的太阳能电池层等上的一定领域形成三角形槽，就让激光束通过在掩模150上形成的槽中的三角形槽。另，要在太阳能电池模块的太阳能电池层等上的另外领域形成椭圆形槽，旋转掩模150让激光束通过掩模150上形成的槽中的椭圆形槽。
如果在掩模150上形成的槽有三个以上时，可以采用上述方法旋转掩模150，根据需要在太阳能电池模块的太阳能电池层等上形成多个槽。
图1中全反射镜191把通过掩模150的激光束向规定方向反射。另外，还可以增加为了让通过全反射镜反射的激光束入射到扫描器160内部的全反射镜192。
扫描器160通过安装在其内部的检流计161，把激光束照射到太阳能电池模块的透光性绝缘基板上。为了在太阳能电池模块上刻槽，扫描器160相对于板180可以向X轴、Y轴或者Z轴移动。为了让扫描器160移动，安装扫描器移动装置(图中未示出)。在扫描器160相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动时，安装在扫描器160内部的检流计161也相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动。随着扫描器160相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动，检流计161也相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动，把激光束照射到放置于板180上的太阳能电池模块的透光性绝缘基板上的一定领域。
成像透镜(F-θ lens)170决定由通过扫描器160的激光束在太阳能电池模块基板上刻槽的像倍数。另外，补正因通过检流计161照射到基板上的激光束的路径差而发生的像差。由此，以一定大小维持形成在太阳能电池模块基板上的多个槽。
如图6a所示，激光束通过检流计510和成像透镜520照射到太阳能电池模块基板上。
参照图6b，①是从成像透镜520沿垂直方向照射到太阳能电池模块基板上的激光束的路径。②是从成像透镜520没有沿垂直方向照射到太阳能电池模块基板上的激光束的路径。这时，路径①和②发生路径差，因此照射到太阳能电池模块基板上的激光束的领域(Y及Z)也发生差异。
如果照射到太阳能电池模块基板上的激光束的领域(Y及Z)发生差异，在太阳能电池模块基板上形成的多个槽的大小也变得不均匀。这可以对光伏建筑一体化(BIPV)模块的光透射率和太阳能电池整体效率产生不良影响。成像透镜520补正因激光束的路径差而造成的像差，由此来以一定大小维持在太阳能电池模块基板上形成的多个槽。
这种成像透镜520由远心透镜(Telecentric lens)组合而成。
板180(Stage)是为了让通过成像透镜的激光束在太阳能电池模块上刻槽，用于放置该太阳能电池模块的装置。放置太阳能电池模块的板180被移动装置向X轴、Y轴或者Z轴移动，以使太阳能电池模块刻槽。
比如，板移动装置(图中未示出)如下。把板180固定于由X轴导轨、Y轴导轨以及Z轴导轨构成的板移动装置上。然后，利用电动机等驱动装置移动X轴导轨、Y轴导轨或者Z轴导轨来实现板180的移动。
根据本发明的一个实施例的太阳能电池模块刻槽装置100在太阳能电池模块上刻槽以制造BIPV用模块的过程如下。
将被均化器140强度分布均匀调节的激光束通过掩模150上形成的槽来决定其激光束的横截面，使在太阳能电池层上刻出作业人员所需的槽。
安装在扫描器160内部的检流计161在扫描器160相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动时也相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动。这时，随着扫描器160相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动，检流计161也相对于板180向X轴、Y轴或者Z轴移动，将通过均化器140以及掩模150的激光束照射到太阳能电池模块基板上的太阳能电池层等的一定领域来进行刻槽。
另外，激光束照射到基板上的太阳能电池层等时，放置太阳能电池模块的板180被驱动装置向X轴、Y轴或者Z轴移动，激光束对太阳能电池模块的太阳能电池层等进行刻槽。
这时使用的激光束波长可以为1054nm至1074nm之间或者是522nm至542nm之间。波长为1054nm至1074nm之间的激光束被均化器140变得均匀，可用于图3所示的透明电极层302上形成槽。另外，波长为522nm至542nm之间的激光束也同样被均化器140变得均匀，可以在图3的太阳能电池层310上刻槽，也可同时对太阳能电池层310、透明传导层304以及内电极层303刻槽。
图7至图10示出用通过均化器140和掩模150的激光束并通过扫描器和板180的移动来实现对太阳能电池模块的太阳能电池层等进行刻槽的例子。
参照图7，在太阳能电池模块600上存在单位太阳能电池601和对单位太阳能电池进行绝缘的绝缘领域603。在太阳能电池模块600的各单位太阳能电池601上有通过本发明所述的装置形成的对太阳能电池层等进行刻槽的图案602。通过将扫描器160和板180沿图7所示的箭头方向移动来实现刻槽。
另外，图8至图10与图7相同地示出通过本发明所述的装置对太阳能电池层等进行刻槽的图案。
这种刻槽的方向和图案虽然在图7至图10示出，但其刻槽的方向和图案不局限于以上的图所示。
[实施例2]
图11所示的是根据本发明的太阳能电池模块刻槽装置200的另一个实施例的概略构成图。
如图所示，根据本发明的太阳能电池模块刻槽装置200包括：激光振荡器210、衰减器220、光束扩展器230、均化器240、掩模250、全反射镜291，292、扫描器260、成像透镜270以及板280。
实施例2所述的本发明的太阳能电池模块刻槽装置200，其装置的构成要素以及工作原理与实施例1所述的太阳能电池模块刻槽装置100相同。下面只对与实施例1不同之处进行详细介绍。
在实施例1中，通过衰减器120的激光束通过光纤130传送到均化器140。在实施例2中，通过衰减器220的激光束传送到均化器240时不使用光纤。
从激光振荡器210振荡的激光束通过衰减器220发散。
光束扩展器230(Beam expander)将通过衰减器220发射的激光束变成平行光。另外，可扩大或缩小激光束的横截面。
通过光束扩展器230的激光束向均化器240传送，之后的阶段与实施例1相同，可参照实施例1中的相关内容。

Claims (23)

1、一种太阳能电池模块刻槽装置，包括：激光振荡器，振荡规定波长的激光束；均化器，将从上述激光振荡器振荡的激光束强度分布变得均匀；扫描器，将从上述均化器输出并通过具有规定槽的掩模的激光束照射到太阳能电池模块上。
2、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括调节从上述激光振荡器振荡的激光束强度的衰减器。
3、根据权利要求书2所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括与上述衰减器相连接的光纤耦合器、与上述光纤耦合器相连接的光纤、与上述光纤和均化器连接的光纤装配器。
4、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括补正由于通过上述扫描器的激光束的路径差而发生的像差的成像透镜。
5、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括用于放置上述太阳能电池模块的板，以利用通过上述扫描器的激光束进行刻槽。
6、根据权利要求书5所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括移动上述板的板移动装置。
7、根据权利要求书4所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述成像透镜由远心透镜组合而成。
8、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：在上述扫描器中安装有检流计，上述激光束通过上述检流计照射到上述太阳能电池模块上。
9、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括移动上述扫描器的扫描器移动装置。
10、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括将通过上述掩模的激光束向规定方向反射的第一全反射镜和反射激光束以使通过上述全反射镜反射的激光束入射到上述扫描器内部的第二全反射镜。
11、根据权利要求书4所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述成像透镜在激光束通过上述扫描器照射到太阳能电池模块时决定像倍率。
12、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：在上述掩模上形成有多个槽，利用上述掩模的旋转使上述激光束通过上述多个槽中的一个。
13、根据权利要求书1所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述激光束的波长为1054nm至1074nm之间或者是522nm至542nm之间。
14、一种太阳能电池模块刻槽装置，包括：振荡器，振荡规定波长的激光；衰减器，调节从上述激光振荡器振荡的激光束强度；光束扩展器，将通过上述衰减器的激光束变成平行光；均化器，调节通过上述光束扩展器的激光束强度分布使其变得均匀；成像透镜，补正由于通过上述扫描器的激光束的路径差而发生的像差；用于放置太阳能电池模块的板，以利用通过上述扫描器的激光束进行刻槽。
15、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括移动上述板的板移动装置。
16、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述成像透镜由远心透镜组合而成。
17、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：在上述扫描器上安装有检流计，上述激光束通过上述检流计照射到上述太阳能电池模块上。
18、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括移动上述扫描器的扫描器移动装置。
19、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：还包括将通过上述掩模的激光束向规定方向反射的第一全反射镜和反射激光束以使通过上述全反射镜反射的激光束入射到上述扫描器内部的第二全反射镜。
20、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述成像透镜在激光束通过上述扫描器照射到太阳能电池模块时决定像倍率。
21、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述光束扩展器扩大或者缩小激光束横截面。
22、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：在上述掩模上形成有多个槽，利用上述掩模的旋转使上述激光束通过上述多个槽中的一个。
23、根据权利要求书14所述的太阳能电池模块刻槽装置，其特征在于：上述激光束的波长为1054nm至1074nm之间或者是522nm至542nm之间。
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