CN107442946A - 一种柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统及方法，所述系统包括：一用于获取所述柔性薄膜太阳能电池上P1线或P2线位置信息的图像识别装置，图像识别装置包含第一CCD相机和第二CCD相机，两者之间的夹角为30°—150°；一用于根据所述P1或P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线或P3线，使得被划刻的线与所述P1线或P2线具有相同的形状并且与所述P1线或P2线之间保持固定距离的激光划刻装置；激光划刻装置包含用于引导控制激光光束偏转方向的扫描振镜，扫描振镜位于第一CCD相机和第二CCD相机的中心；激光划刻装置还包含由激光器、衰减器、扩束镜、爬高架、反射镜及聚焦镜组成的飞行光路。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统及方法，尤其是一种用于在柔性太阳能电池上用激光划刻出具有任意形状图案线条的系统及方法，属于薄膜太阳能电池制作技术领域。
背景技术
能源危机和环境污染是当今全球所面临的两大基本难题。太阳能取之不尽用之不竭，是解决能源危机的一种重要途径。通常，太阳能电池组件，诸如薄膜太阳能电池组件是通过使用机械/激光划刻的单片互连的电池形成。
图1所示为现有技术中用于CIGS太阳能电池的常规划刻工艺，该常规划刻工艺总共存在三条划线，即P1、P2和P3线；由于浪费了太阳能辐射，所以P1到P3线的区域被称为死区。如果对P2和P3线机械地划线，则整个死区通常约为0.2-0.3mm；如果通过使用全激光划刻技术对它们进行划线，则整个死区可以减小到0.2mm以内，如0.14-0.2mm。
对于诸如基于聚酰亚胺或不锈钢柔性衬底的薄膜太阳能电池组件，通过使用常规的激光划刻技术来划刻是非常困难的；这是因为P1线一开始是直线，其在后续工艺中也可能由于衬底遭受到热变形而弯曲；如果在弯曲的P1旁边直接划刻P2线，则容易发生交叉，发生交叉容易造成组件效率降低、甚至失效；对于P2和P3线也会出现相同的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供的一种能够生产出具有不同形状及不同尺寸的柔性薄膜太阳能电池组件，极大地提高太阳能电池组件产量和效率的柔性薄膜太阳能电池激光划线的系统及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统，它包括：
一设置在吸附平台上方、用于获取所述柔性薄膜太阳能电池上P1线或P2线位置信息的图像识别装置，所述图像识别装置包含第一CCD相机和第二CCD相机，且第一CCD相机和第二CCD相机之间的夹角为30°—150°；
所述的吸附平台用于固定柔性薄膜太阳能电池；
一用于根据所述P1线或P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线或P3线，使得被划刻的线与所述P1线或P2线具有相同的形状并且与所述P1线或P2线之间保持固定距离的激光划刻装置；所述的激光划刻装置包含用于引导控制激光光束偏转方向的扫描振镜，所述扫描振镜位于第一CCD相机和第二CCD相机的中心；
所述的激光划刻装置还包含由激光器、衰减器、扩束镜、爬高架、反射镜及聚焦镜组成的飞行光路，从激光器输出的皮秒脉冲激光经过飞行光路，在经过所述扫描振镜入射到固定在吸附平台上的柔性薄膜太阳能电池；
一用于控制图像识别装置、激光划刻装置在平面坐标系运动的运动控制装置。
作为优选：所述的吸附平台上方还设置有用于除去在划线过程中产生灰尘和烟雾的除尘装置和用于补充亮度确保图像清晰和识别精度的高亮度LED照明；所述的聚焦透镜、扫描振镜、第一CCD相机及第二CCD相机、高亮度LED 和除尘装置均被固定在同一块挂板上，且挂板固定在一线性导轨X轴上；线性导轨X轴在y轴方向的移动可以通过线性导轨Y轴完成，以保证激光光束的轨迹在X-Y方向的平移。
一种利用所述系统进行柔性薄膜太阳能电池的激光划线方法，所述的激光划线方法是：
a）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P1的图像，并获取P1线的位置信息；
b）根据所述获取的P1线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线，使得被划刻的线与所述P1线具有相同的形状并且与所述P1线之间保持固定的距离；
c）另一方面，利用CCD相机录取P1线及已划刻P2线的图像，比较P1线及P2线的位置信息判断已划刻P2线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P2线的划刻；
d）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P2线的图像，并获取P2线的位置信息；
e）根据所述获取的P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P3线，使得被划刻的线与所述P2线具有相同的形状并且与所述P2线之间保持固定的距离；
f）另一方面，利用CCD相机录取P2线及已划刻P3线的图像，比较P2线及P3线的位置信息判断已划刻P3线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P3线的划刻。
作为优选：在进行激光划刻时，图像识别装置中的CCD装置，一个用于识别P1线或P2线的位置信息来确定需要划刻的P2线或P3线的划刻坐标，另一个用于检测划刻的P2线或P3线线，并进行反馈；
在获取已划刻线之前，需要对所述CCD相机及扫描振镜进行校正，包括系统平台校正及扫描振镜校正；所述已划刻线可以是直线、折线、波浪线。
本发明主要应用于基于CIGS、CZTS、CdTe等的薄膜太阳能电池组件以及基于诸如聚酰亚胺、Ti箔和不锈钢箔等的基板的柔性太阳能电池组件；它具有能够生产出具有不同形状及不同尺寸的柔性薄膜太阳能电池组件，能提高太阳能电池组件产量和效率等特点。
附图说明
图1为现有技术的一种CIGS太阳能电池常规激光划刻工艺图。
图2是本发明所述太阳能电池全激光划刻的系统组成图。
图3是本发明所述太阳能电池全激光划刻的激光平台示意图。
图4是本发明一种实施方式中根据P1线进行P2线划刻的示例性流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本申请进行进一步详细说明。图2、3所示，本发明所述的柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统，包括：
一设置在吸附平台11上方、用于获取所述柔性薄膜太阳能电池上P1或P2线位置信息的图像识别装置，所述图像识别装置包含第一CCD相机801和第二CCD相机802，且第一CCD相机801和第二CCD相机802之间的夹角为30°—150°；
所述的吸附平台11用于固定柔性薄膜太阳能电池；
一用于根据所述P1或P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2或P3线，使得被划刻的线与所述P1或P2线具有相同的形状并且与所述P1或P2线之间保持固定距离的激光划刻装置；所述的激光划刻装置包含用于引导控制激光光束偏转方向的扫描振镜7，所述扫描振镜7位于第一CCD相机801和第二CCD相机802的中心；
所述的激光划刻装置还包含由激光器1、衰减器2、扩束镜3、爬高架5、反射镜4及聚焦镜6组成的飞行光路，从激光器1输出的皮秒脉冲激光经过飞行光路，在经过所述扫描振镜7入射到固定在吸附平台11上的柔性薄膜太阳能电池；
一用于控制图像识别装置、激光划刻装置在平面坐标系运动的运动控制装置。
图中所示，所述的吸附平台11上方还设置有用于除去在划线过程中产生灰尘和烟雾的除尘装置10和用于补充亮度确保图像清晰和识别精度的高亮度LED照明9；所述的聚焦透镜6、扫描振镜7、CCD相机801及802、高亮度LED 9和除尘装置10均被固定在同一块挂板14上，且挂板14固定在一线性导轨X轴12上；线性导轨X轴12在y轴方向的移动可以通过线性导轨Y轴13完成，以保证激光光束的轨迹在X-Y方向的平移。
图4所示，一种利用所述系统进行柔性薄膜太阳能电池的激光划线方法，所述的激光划线方法是：
a）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P1的图像，并获取P1线的位置信息；
b）根据所述获取的P1线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线，使得被划刻的线与所述P1线具有相同的形状并且与所述P1线之间保持固定的距离；
c）另一方面，利用CCD相机录取P1线及已划刻P2线的图像，比较P1及P2的位置信息判断已划刻P2线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P2线的划刻；
d）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P2的图像，并获取P2线的位置信息；
e）根据所述获取的P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P3线，使得被划刻的线与所述P2线具有相同的形状并且与所述P2线之间保持固定的距离；
f）另一方面，利用CCD相机录取P2线及已划刻P3线的图像，比较P2及P3的位置信息判断已划刻P3线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P3线的划刻。
在进行激光划刻时，图像识别装置中的CCD装置，一个用于识别P1或P2线的位置信息来确定需要划刻的P2或P3的划刻坐标，另一个用于检测划刻的P2或P3线，并进行反馈；
在获取已划刻线之前，需要对所述CCD相机及扫描振镜进行校正，包括系统平台校正及扫描振镜校正；
所述已划刻线可以是直线、折线、波浪线。
实施例：首先，在PI衬底上沉积一层Mo膜作为背电极，然后通过激光划刻将Mo膜分离成等间隔的宽度线条；进一步，在Mo膜上沉积吸收层CIGS、缓冲层CdS和i-ZnO膜；在P1线旁边划刻另一P2线以除去CIGS、CdS和i-ZnO膜；再进一步，在i-ZnO膜上沉积AZO膜作为前电极，此时AZO沉积到P2线槽内，Mo层与AZO层之间形成导通互联；然后在P2线旁边划刻另一P3线以除去CIGS、CdS、i-ZnO、AZO膜（或者只除去AZO膜）。
图2、3所示为划刻系统2000，从激光器1输出皮秒脉冲激光，该激光通过光束衰减器2进入扩束镜3，然后光束穿过扩束镜3并经过由反射镜4、光学爬高架5等组成的飞行光路，再通过聚焦透镜6、扫描振镜7并入射到固定在吸附平台11上的太阳能电池上。同时，激光光束的偏转方向由扫描振镜7来控制，通过光束的移动，以实现划线功能。
为了确保P2线及P3线保持与P1线的相同形状，使用第一CCD相机801或第二CCD相机802对已划刻线进行高速拍摄，获取已划刻线的位置信息；在第一CCD相机801或第二CCD相机802抓取捕获图像时，高亮度LED 9被布置在太阳能电池相邻位置，用以补充亮度确保图像清晰和识别精度。此外，设置除尘装置10用于除去在划线过程中产生的灰尘和烟雾。
所述的聚焦透镜6、扫描振镜7、CCD相机801及802、高亮度LED 9、除尘装置10固定在同一块挂板14上，且挂板14固定在一线性导轨X轴12上；线性导轨X轴12在y轴方向的移动可以通过线性导轨Y轴13完成，由此可以保证激光光束的轨迹在X-Y方向的平移。
在一个实施例中，可在飞行光路中加入笼式系统用于调整飞行光路；还可以加入光阑、光束整形器，用于改善划刻效果。
在另一个实施例中，X轴正方向划线时，第一CCD相机801录取P1线的图像，通过计算机算法处理可获得P1线每个点的位置信息；然后根据获得的P1线每个点的位置信息，利用计算机控制激光光束的开启状态及扫描振镜7的偏转方向来进行激光划刻P2线；同时，第二CCD相机802可以检测已划刻P2线的质量，并进行反馈修正调节扫描振镜划刻参数继续划刻其余部分P2线。
在又一个实施例中，X轴反方向划线时，第二CCD相机802录取P1线的图像，通过计算机算法处理可获得P1线每个点的位置信息；然后根据获得的P1线每个点的位置信息，利用计算机控制激光光束的开启状态及扫描振镜7的偏转方向来进行激光划刻P2线。同时，第一CCD相机801可以检测已划刻P2线的质量，并进行反馈修正调节扫描振镜划刻参数继续划刻其余部分P2线。
在其它实施例中，由于第一CCD相机801及第二CCD相机802与扫描振镜7之间具有一定量的初始偏移，故可以实现边扫描图像边划线；同时由于第一CCD相机801及第二CCD相机802功能一致，因此可以实现来回往返划线，提高划线效率。
图4所示为根据P1线进行P2线划刻的示例性方法300。在步骤S301中，首先对系统进行校正，校正过程分为系统平台校正和振镜校正；
在一个实施例中，在平台校正过程中，首先对平台进行系统归零操作，然后使用一组预先确定的参数（将扫描振镜保持在零点）来划刻多条直线，再在CCD相机的视野中找到多条直线的起点并进行图像录取，识别起点的位置和线之间的间距。由此可获得真实坐标与相机像素之间的比例关系（mm/像素），还可以获得扫描振镜与CCD相机之间的偏移量（初始偏移x和初始偏移y）。同时，可以计算线坐标和宽/高方向之间的角度，并将其用作角度校准（镜头偏角）。接下来，进行振镜校正时，使用一组预定参数（将扫描振镜设置为非零参数），开启振镜并划刻多条直线。在CCD相机的视野中找到多条直线的起点并进行图像录取，并计算这些线的起点位置和间距。由此可获得真实坐标与扫描振镜的坐标之间的比例关系（bit/mm）。仅在以上校准完成之后才可精确地执行整个划刻过程。
在步骤S302中，第一CCD相机801录取P1线的图像；
在步骤S303中，对录取P1线的图像进行处理，获得P1线每个点的位置信息；
在步骤S304中，根据已知P1线每个点的位置信息进行激光划刻P2线；
在步骤305中，CCD相机802录取P1及P2线；
在步骤S306中，比较P1线及P2线的位置信息判断已划刻P2线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P2线的划刻。
在另一个实施例中，可以用与上述类似的方式对P3线进行激光划刻。
本发明能够生产出具有不同形状及不同尺寸的柔性薄膜太阳能电池组件，极大地提高了太阳能电池组件的产量和效率。
以上描述仅是对本申请优选实施方式和应用技术的原理的描述。本领域技术人员将理解，在不偏离发明构思的情况下，本申请中所公开的要求保护的方案的范围不限于由上述特征的特定组合构成的那些方案，而应覆盖由前述特征或其等同特征的任何组合形成的其他方案，例如，通过将在上文中讨论的一个或多个特征替换为在本申请中公开（但不限于）的具有类似功能的一个或多个特征而形成的方案。
Claims (4)
1.一种柔性薄膜太阳能电池的激光划线系统，其特征在于它包括：
一设置在吸附平台（11）上方、用于获取所述柔性薄膜太阳能电池上P1线或P2线位置信息的图像识别装置，所述图像识别装置包含第一CCD相机（801）和第二CCD相机（802），且第一CCD相机（801）和第二CCD相机（802）之间的夹角为30°—150°；
所述的吸附平台（11）用于固定柔性薄膜太阳能电池；
一用于根据所述P1线或P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线或P3线，使得被划刻的线与所述P1线或P2线具有相同的形状并且与所述P1线或P2线之间保持固定距离的激光划刻装置；所述的激光划刻装置包含用于引导控制激光光束偏转方向的扫描振镜（7），所述扫描振镜（7）位于第一CCD相机（801）和第二CCD相机（802）的中心；
所述的激光划刻装置还包含由激光器（1）、衰减器（2）、扩束镜（3）、爬高架（5）、反射镜（4）及聚焦镜（6）组成的飞行光路，从激光器（1）输出的皮秒脉冲激光经过飞行光路，在经过所述扫描振镜（7）入射到固定在吸附平台（11）上的柔性薄膜太阳能电池；
一用于控制图像识别装置、激光划刻装置在平面坐标系运动的运动控制装置。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池激光划线的系统，其特征在于所述的吸附平台（11）上方还设置有用于除去在划线过程中产生灰尘和烟雾的除尘装置（10）和用于补充亮度确保图像清晰和识别精度的高亮度LED照明（9）；所述的聚焦透镜（6）、扫描振镜（7）、第一CCD相机（801）及第二CCD相机（802）、高亮度LED （9）和除尘装置（10）均被固定在同一块挂板（14）上，且挂板（14）固定在一线性导轨X轴（12）上；线性导轨X轴（12）在y轴方向的移动可以通过线性导轨Y轴（13）完成，以保证激光光束的轨迹在X-Y方向的平移。
3.一种利用权利要求1或2所述系统进行柔性薄膜太阳能电池的激光划线方法，其特征在于所述的激光划线方法是：
a）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P1线的图像，并获取P1线的位置信息；
b）根据所述获取的P1线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P2线，使得被划刻的线与所述P1线具有相同的形状并且与所述P1线之间保持固定的距离；
c）另一方面，利用CCD相机录取P1线及已划刻P2线的图像，比较P1线及P2线的位置信息判断已划刻P2线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P2线的划刻；
d）利用图像识别装置CCD相机录取所述柔性薄膜太阳能电池上P2线的图像，并获取P2线的位置信息；
e）根据所述获取的P2线的位置信息，继续在所述柔性薄膜太阳能电池上激光划刻P3线，使得被划刻的线与所述P2线具有相同的形状并且与所述P2线之间保持固定的距离；
f）另一方面，利用CCD相机录取P2线及已划刻P3线的图像，比较P2线及P3线的位置信息判断已划刻P3线的质量，并进行修正反馈继续完成剩余P3线的划刻。
4.根据权利要求3所述的柔性薄膜太阳能电池的激光划线方法，其特征在于：
在进行激光划刻时，图像识别装置中的CCD装置，一个用于识别P1线或P2线的位置信息来确定需要划刻的P2线或P3线的划刻坐标，另一个用于检测划刻的P2线或P3线，并进行反馈；
在获取已划刻线之前，需要对所述CCD相机及扫描振镜进行校正，包括系统平台校正及扫描振镜校正；所述已划刻线可以是直线、折线、波浪线。
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