CN103847031B - 一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀和切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀和切割方法，通过上刀和下刀共同作用完成对薄膜电池的切割。上刀为斜刃横切刀，刃口的横截面为“V”字形，以点接触方式与下刀的刃口形成剪切式切割的上刀刃口；两把下刀围起“||”形的狭缝，狭缝的边缘为下刀刃口，刃口为平直线，狭缝间距施用螺旋测微器精确微调。通过对位置、切割速度等的精确调节，可以实现对柔性薄膜电池功能层的无损伤切割，解决了因切割造成电池短路的问题。

Description

一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀和切割方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池制备领域，具体涉及一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀和切割方法。

背景技术

近年来，随着便携式用品需求增加，对柔性轻质薄膜太阳能电池的需求与日俱增。柔性薄膜太阳能电池通常采用卷对卷工艺生产，在生产过程中需要对成卷的柔性薄膜太阳能电池先进行纵向分切，然后再进行横切。采用刀具直接横切柔性薄膜太阳能电池时，会造成柔性薄膜太阳能电池短路。

在切割时，上刀锋接触柔性薄膜太阳能电池上表面TCO(透明导电氧化物)材料，下刀锋接触衬底下表面(如图2a，图2b和图3所示)。随着刀刃嵌入深度增加，TCO 材料首先发生破碎，半导体基体也随即发生破碎，上刀刃刺穿半导体基体并与衬底发生作用，衬底变形形成塌边区致使上刀刃与之发生相对侧滑。如图3所示，TCO材料和半导体基体受上刀刃与衬底共同挤压出现由破碎到粉碎的过程，粉碎的导电物质被刀刃抹在塌边区表面及其裂缝内，造成上刀刃左侧电池短路。当上下刀刃嵌入衬底若干深度后，衬底材料达到屈服强度撕断，撕断过程导致刀锋左侧断口毛刺向下，刀刃右侧断口毛刺向上，图 3中，刀刃左侧的塌边区、切断区、撕裂区、撕裂角、毛刺高度分别用A1、B1、C1、D1 和H1表示，刀刃右侧则分别用A2、B2、C2、D2和H2表示。

为了阻止切割时出现上述柔性薄膜太阳能电池短路和效率衰退，国际上已经有些切割方法试图解决这一问题。例如，US 5637537提出，在柔性薄膜太阳能电池的TCO表面需要切割位置处覆盖一层保护层，然后进行模切。切割时柔性薄膜太阳能电池背面朝上，刀具从柔性薄膜太阳能电池背面切入，模切成所需尺寸的柔性薄膜电池片。所覆盖的保护层材料可以是纸、聚合物薄膜等，且保护层厚度要大于10微米，才能有效阻止切割时产生的短路。US 4704369提出，在薄膜太阳能电池的TCO层表面需要切割位置处覆盖或镀一层具有粘性的保护层，然后进行模切，切割时柔性薄膜电池正面朝上，刀刃从有粘性的保护层处切入，模切成所需尺寸的柔性薄膜电池。所覆盖或镀的保护层材料是聚合物等，保护层厚度也要大于10微米，才能有效阻止切割时产生的短路。尽管如此，仍不能做到无短路横切柔性薄膜太阳能电池，目前仍无可靠的柔性薄膜太阳能电池横切刀和横切方法。

发明内容

针对现有技术中横切刀和切割方法不能做到无短路横切柔性薄膜太阳能电池，造成柔性薄膜太阳能电池短路和效率衰减的问题，本发明提供一种无短路分切柔性薄膜太阳能电池的精密横切刀和切割方法，具有兼容性强的优点，非晶硅薄膜太阳能电池和化合物薄膜太阳能电池均可以切割，且结构简单、操作方便、容易维护、节能环保。

一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀，包括上刀和上刀座、下刀和下刀座、基座、展平台、驱动装置、定位导向杆、螺旋测微器、废料收集盒、吸尘器连接管头。所述的上刀向下运动，以点接触方式与下刀的刃口形成剪切式切割的上刀刃口。

其中，上刀为斜刃横切刀，刃口的横截面为“V”字形，倾斜角度优选为1.5°～ 2.5°之间。俯视看，两把下刀围起“||”形的狭缝，狭缝的边缘为下刀刃口，刃口为平直线，狭缝所述的间距可使用螺旋测微器精确微调。切割时，上刀和下刀刃口的侧间隙是柔性薄膜太阳能电池厚度的0.3～0.7倍之间，切割速度在4～25m/min之间。

其中，所述的上刀安装在上刀座上，上刀座是一个“工”字状构件，该构件与驱动装置相连接。所述的驱动装置可以是伺服电机、气缸、电磁阀等。

其中，所述的下刀安装在下刀座上，下刀座由两个完全相同尺寸的长方体组成，两把下刀别安装在两个长方体下刀座的侧面上，然后把下刀座安装在基座上。下刀的刃口、下刀座的上表面与展平台的上表面处在同一个平面内，展平台可以由木头、塑料、橡胶、岩石和金属材料等做成，可以根据实际需要做成空心腔体或实心体。

其中，上刀安装有定位导向杆，能精确控制上刀的位置和运动方向。

本发明还提供一种使用柔性薄膜太阳能电池精密横切刀的切割方法。切割时，待横切的柔性薄膜太阳能电池衬底朝上进给到上刀和下刀之间，当进给到预定长度时，停止进给，柔性薄膜太阳能电池展平在展平台上，吸尘器工作，然后驱动器驱动上刀向下运动，上刀和下刀刃口以点接触式形成剪切式切割，切割产生的碎屑被吸尘器吸走，废料从狭缝进入到废料收集盒内，成品进入下一道工序，驱动器驱动上刀向上运动到一定位置静止，等待下次横切。

其中，柔性薄膜太阳能电池必须被展平在展平台上，在吸尘器开始工作后，上刀才能向下运动进行横切。柔性薄膜太阳能电池被展平在展平台上的方法可以是真空吸附、风压展平，也可以是磁力吸附(衬底应该能被磁力吸附)和压板展平等。使用压板展平法时必须把薄膜太阳能电池平稳压平在展平台上，必须让压板和展平台与电池有接触的表面都有弹性保护层，防止压平时对电池和电池表面造成损伤。

理论分析与试验表明，若柔性薄膜太阳能电池横切后，其切边平直、切边毛刺均朝向功能层膜面、毛刺大小合适时，就不会短路，因此横切柔性薄膜太阳能电池的实际生产要求为，既要保证横切后电池不短路，又要使剪切力最小以节能。根据切割理论和试验验证，模切、冲切和平刃剪都不适合柔性薄膜太阳能电池的横切。

为获得切边毛刺均朝向功能层膜面的切割效果，综合考虑各种影响因素，本发明设计了一种斜刃刀用于无短路横切柔性薄膜太阳能电池。

试验表明，横切后柔性薄膜太阳能电池短路与否，不但与毛刺朝向有关，还与切边毛刺大小有关，过大的毛刺和过小的毛刺，都会造成电池短路。毛刺的大小与上下刀刃侧间隙和切割速度有关。经过试验发现，上下刀刃侧间隙s与柔性薄膜太阳能电池厚度h的关系满足：

s＝(0.3～0.7)h (1)

切割速度满足：

v＝4～25m/min (2)

时，再及时清除切割时产生的碎屑，横切后的柔性薄膜太阳能电池就不会发生短路。

为达到横切柔性薄膜太阳能电池时剪切阻力最小，以实现节能要求，有必要进行剪切力计算和实验验证。因为所要横切的柔性薄膜太阳能电池厚度只有数十微米，因此可以归类为薄板剪切，计算剪切力时使用B.B.诺萨里公式：

从公式可以看出剪切力P与斜刃刀倾斜角度α有反比关系。若倾斜角度α过大，剪切力太小，斜刃剪则会给柔性薄膜太阳能电池施加一个横向推力，把柔性薄膜太阳能电池推开，剪切不住电池。反之，若倾斜角度α过小，剪切阻力太大，造成驱动装置能耗增大。根据计算和试验验证，横切斜刃刀倾斜角度α取1.5°～2.5°之间最为合适。

式(3)是现有斜刃刀单侧刃口以点接触式剪切薄板的情况推导出来的。为获取切边毛刺朝向功能层膜面的结果，在横切柔性薄膜太阳能电池时，如果仍采用现有的斜刃刀，必定造成斜刃刀以线接触式剪切电池，大大增加剪切力，从而造成高耗能，增加生产成本。

根据上述分析，本发明设计了一种横断面为倒“V”字形斜刃横切刀，横切柔性薄膜太阳能电池时，斜刃横切刀两侧刃口以点接触方式进行剪切，既可获取切边毛刺朝向功能膜层面的结果，又能获得最小剪切阻力以节能，此时B.B.诺萨里公式需要修正，修正后的B.B.诺萨里公式为：

把柔性薄膜太阳能电池带的机械性能参数带入(4)式计算，计算所得结果与试验测得的剪切力值吻合。

与现有技术相比，本发明使用旋转螺旋测微器进行手动对刀，获得所需要的上下刀刃口的侧间隙值之后，把两个下刀座固定锁死在基座上即可，因此对刀简便。因为驱动装置与上刀座直接相连接，可以通过控制驱动装置调整切割速度，因此切割速度易控。因切割产生的碎屑、废料被及时抽走收集，不会对生产环境造成污染，因此环保。因被切电池厚度为数十微米，上下刀刃口侧间隙为若干微米，横切时刀具之间无摩擦，仅承受被切割材料的摩擦，切割阻力小，刀具磨损少，每小时可横切2200次，因此效率高、节能、使用寿命长。本发明结构简单，可以根据实际切割需要拆卸更换零配件，因此拆卸安装维护容易方便。本发明点接触的剪切式切割，最大程度地减小了电池功能膜层破损和毛刺现象，有效保护了电池边缘完整，解决了切割短路的问题。

附图说明

图1为使用本发明横切的一种薄膜太阳能电池结构示意图。

图2a和图2b为使用现有横切刀分切薄膜太阳能电池示意图。

图3为使用现有横切刀分切薄膜太阳能电池后的断口精细结构图。

图4为本发明横切刀示意主视图。

图5为本发明横切刀示意左视图。

图6为本发明横切刀示意左视剖面图。

图7为本发明横切方法示意图。

图8为本发明横切出的薄膜太阳能电池片的断面精细结构图。

图9为现有刀具和本发明刀具横切同种薄膜太阳能电池后的J-V曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，以下根据附图并举实施例对本发明的精密横切刀和切割方法进行详细说明。

在本实施例中，以切割一种柔性化合物薄膜太阳能电池为例，该化合物薄膜太阳能电池的衬底为不锈钢箔。图1是本发明实施例中要横切的一种化合物薄膜太阳能电池结构示意图，包括金属衬底15a、金属背电极膜层15b、半导体材料膜层15c、TCO材料膜层15d和栅极152，金属背电极膜层15b、半导体材料膜层15c和TCO材料膜层15d构成了薄膜电池的功能膜层151。

图2a和图2b为使用现有技术中横切刀16横切薄膜太阳能电池15的情景示意图。图3为使用现有横切刀16横切薄膜太阳能电池15所产生的断口形貌精细结构图，其中功能膜层151和金属衬底15a均有破损和毛刺。

图4为本发明横切刀主示意图，图5、图6分别为左视图和左视剖面图。如图4-6所示，本发明横切刀由上刀1和上刀座2、下刀3和下刀座4、基座5、展平台6、驱动装置8、定位导向杆9、螺旋测微器11、废料收集盒12、吸尘器连接管头14等零部件安装而成。

上刀1用螺栓10安装在上刀座2上，上刀座2与驱动装置8相连接。在本实施例中，上刀1为斜刃刀，刃口横截面为“V”字形，斜刃刀倾斜角度优选为1.75～2.35°，斜刃刀片厚度优选为1～5mm，上刀座2是一个“工”字形构件，上刀座2上有四个定位导向孔，所述的驱动装置8为伺服电机。

下刀3用螺栓10安装在下刀座4上，下刀座4安装在基座5上，下刀3及下刀座4 与基座5安装完成后俯视看，两把下刀3刃口之间构成“||”状狭缝31，狭缝31边缘是下刀3的刃口，刃口为平直线，下刀3的刃口与下刀座4上表面处在同一个平面。在本实施例中，所述的下刀3横断面上部是竖直区，竖直区宽度与被切带材机械性能和厚度有关，横断面下部是向外倾斜区，与竖直方向成一定的角度，整体看两把下刀3之间围起的狭缝31 的横断面结构为“八”字形，横切产生的废料由这个“八”字形狭缝31排出，因此狭缝31兼做切割产生的废料、碎屑排出口。狭缝31下方安装有废料收集盒12，收集盒底部安装有滤网13，滤网13下方安装管道接头14，管道接头与吸尘装置相连接，因此，所述的狭缝31还兼做吸尘装置的吸尘头。所述的下刀座4还与螺旋测微器11相连，通过旋转螺旋测微器11 调节两组下刀之间的狭缝31的宽度，由此获得所需要的上下刀的侧间隙值。

展平台6依靠支架7安装在基座5上，在本实施例中，所述的展平台6是一个中心空的长方腔体，腔体内安装有电磁铁，展平台6的上表面与下刀3的刃口、下刀座4的上表面处在同一个平面内。在本实施例中，展平台使用的材料是聚氨酯橡胶。

基座5上固定有四个定位导向杆9，上刀座2上有四个对应的定位导向孔，安装时基座5上固定的定位导向杆9插入上刀座2的四个定位导向孔内，在本实施例中，上刀座2 与驱动装置8相连，驱动装置8位于上刀座2的上方。切割时，在驱动装置8的驱动下，上刀1向下运动以点接触方式与下刀3的刃口形成剪切式上刀1的刃口。

本发明对刀具的材料要求硬度高、耐磨。上下刀规格尺寸精度要求高，不但上刀刃口要求直线性及精度都要好，而且要异常锋利，同时还要求竖直面的平面度要好，下刀要求刃口为平直线，刃口所在水平面和竖直面的平面度都要好，对刀具生产商来说，加工精度容易保证；本发明的刀具材料采用铬钼钒合金钢，上刀座、下刀座、定位导杆采用模具钢，可以保证强度的要求；展平台可以由木头、塑料、橡胶、岩石和金属材料等做成。

本发明横切刀的切割方法如下：

如图7所示，待横切的柔性薄膜太阳能电池15开卷后衬底15a朝上进给到上下刀之间，当进给到预定长度时，停止进给，电磁铁接通电源工作，柔性薄膜太阳能电池15被电磁铁吸附展平在展平台6上，吸尘器工作，然后在驱动器8的驱动下上刀1向下运动，上刀1 与下刀3的刃口以点接触方式形成剪切式切割，切割产生的碎屑经管道接头14被吸尘器吸走，废料154从狭缝31进入到废料收集盒12内，最后在驱动器8的驱动下上刀1向上运动到一定位置静止，等待下次横切。重复上述切割过程，从而完成柔性薄膜太阳能电池无短路横切生产。在本实施例中，上刀1与下刀3刃口的侧间隙优选为25～30μm，切割速度优选为6～12m/min。

使用本发明横切出的柔性薄膜太阳能电池的断面精细结构图如图8所示，塌边区、切断区、撕裂区、撕裂角、毛刺高度分别用A、B、C、D和H表示。使用本发明被横切后的柔性薄膜太阳能电池经J-V曲线测试仪检测均未短路。检测数据如图9所示，使用现有刀具横切后的薄膜太阳能电池的J-V曲线为101、102，使用本发明横切后的同种薄膜太阳能电池的J-V曲线为201、202，所横切的薄膜太阳能电池的规格完全相同。

以上所述均为本发明的较佳实施例，本发明根据需要可以做多种形状变化，但凡依本发明思想、权利要求范围内所做的均等变化与修饰，皆属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种柔性薄膜太阳能电池精密横切刀，其特征在于，包括上刀和上刀座、下刀和下刀座、基座、展平台、驱动装置、定位导向杆、螺旋测微器、废料收集盒、吸尘器连接管头，所述的上刀向下运动，以点接触方式与下刀的刃口形成剪切式切割的上刀刃口；所述上刀为斜刃横切刀，刃口的横截面为“V”字形，倾斜角度为1.75°-2.5°；所述下刀为两把，两把下刀围起“||”形的狭缝，狭缝的边缘为下刀刃口，刃口为平直线，狭缝间距使用螺旋测微器精确微调，所述狭缝的横断面上部是竖直区，所述狭缝横断面下部是向外倾斜区，整体结构呈“八”字形。

2.如权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池精密横切刀，其特征在于，切割时，上刀和下刀刃口的侧间隙是柔性薄膜太阳能电池厚度的0.3～0.7倍，切割速度为4～25m/min。

3.如权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池精密横切刀，其特征在于，下刀的刃口、下刀座的上表面与展平台的上表面处在同一个平面内。

4.如权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池精密横切刀，其特征在于，安装有定位导向杆，以精确控制上刀的位置和运动方向，驱动上刀上下运动的驱动装置为伺服电机、气缸或电磁阀。