CN108568599B

CN108568599B - 用于激光划刻太阳能板的系统和方法及太阳能板

Info

Publication number: CN108568599B
Application number: CN201710141357.5A
Authority: CN
Inventors: 高锦龙; 张小富; 杨世航; 朱家宽; 王科范; 肖旭东
Original assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Current assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN108568599A

Abstract

本申请公开了用于激光划刻太阳能板的方法、系统以及太阳能板。用于激光划刻太阳能板的方法可包括：相继捕获太阳能板上的第一线的部分的图像，第一线具有预定形状；获取捕获的第一线的图像中的每个的位置信息；以及根据第一线的位置信息相继对太阳能板上的第二线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第二线具有预定形状并且与第一线保持固定的距离。

Description

用于激光划刻太阳能板的系统和方法及太阳能板

技术领域

本申请涉及用于对太阳能板进行激光划刻的系统和方法及太阳能板，更具体地，涉及用于在太阳能板上激光划刻出具有任意形状图案的线的装置和方法以及太阳能板。

背景技术

通常，太阳能板(诸如薄膜太阳能板)通过使用机械/激光划刻的单片互连的电池形成。图1示出了现有技术中用于CIGS太阳能模块的常规激光划刻工艺。如图1所示，总共存在三条划线，即P1、P2和P3线。首先，通过激光划刻将Mo膜分离成等间隔的宽度为5mm的条。P1线的宽度约为20-70μm。然后，在Mo膜上沉积CIGS吸收层、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。P2线的宽度约为30-100μm，这取决于划线条件。AZO前触点的沉积使得在左侧的电池的前触点与在P2线右侧的电池的背触点之间的互连。具有类似于P2线宽度的P3线用于隔离不同电池带之间的前触点连接。电池带互连到整个模块中。由于浪费了太阳能辐射，所以P1到P3线的区域被称为死区(Dead Area)。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；如果通过使用激光划刻技术对它们进行划线，则整个死区可以减小到小于0.2mm(0.14-0.2mm)。然而，P1、P2和P3线通常在现有技术中是并排分离的简单直线，这不能满足对产品定制的市场需求。

此外，对于诸如聚酰亚胺的柔性基板上的薄膜太阳能板，通过使用常规的激光划刻技术来划刻图案是非常困难的。这是因为，即使Mo背接触层上的P1线一开始是直的，其在后续工艺中也可能由于衬底遭受到热变形而弯曲。这样，如果在弯曲的P1旁边划刻P2线，则将容易发生交叉。对于P2和P3线也会出现相同的情况。因此，太阳能板的产量和总功率效率将大大降低。

因此，需要解决至少一个上述问题的实用性方法。

发明内容

通过本申请提供的用于激光划刻太阳能板的装置、系统和方法，能够自由地设计出用于太阳能板的功能的任意图案，并且能够提高不同尺寸和形状的基板的艺术品质，由此更方便地生产出太阳能板，更吸引消费者，提高了太阳能板的产量和效率。用于激光划刻太阳能板的装置、系统和方法应用于基于CIGS、CZTS、CdTe太阳能电池等的薄膜太阳能板以及基于诸如玻璃等刚性基板或基于诸如聚酰亚胺、Ti箔和不锈钢箔等的柔性基板的太阳能板。使用根据本申请的用于激光划刻太阳能板的装置、系统和方法，通过激光划刻制造的CIGS模块的最佳效率能够高达14.25％(在玻璃上)和10.35％(在聚酰亚胺上)。

本申请的一个方面公开了一种用于对太阳能板进行激光划刻的方法。该方法包括相继捕获所述太阳能板上的第一线的部分的图像，所述第一线具有预定形状；获取捕获的所述第一线的图像中的每个的位置信息；以及根据所述第一线的所述位置信息相继对所述太阳能板上的第二线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第二线具有所述第一线的所述预定形状并且与所述第一线保持固定的距离。

本申请的另一方面公开了一种用于激光划刻太阳能板的系统，其包括：捕获装置，用于相继捕获所述太阳能板上的第一线的部分的图像，所述第一线具有预定形状；获取装置，用于获取捕获的所述第一线的图像中的每个的位置信息；以及激光划刻装置，用于根据所述第一线的所述位置信息相继对所述太阳能板上的第二线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第二线具有所述第一线的所述预定形状并且与所述第一线保持固定的距离。

本申请的另一方面公开了一种太阳能板，包括通过以上描述的用于激光划刻太阳能板的方法划刻的线。

附图说明

通过阅读关于附图提供的对非限制性实施方式的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1示出了现有技术中的CIGS太阳能模块的常规激光划刻工艺；

图2示出了根据本申请的实施方式的用于激光划刻的装置的示意性框图；

图3A和3B分别示出了根据本申请的实施方式的用于激光划刻太阳能板的示例性系统和图3A所示的系统的放大图；

图4示出了根据本申请实施方式的用于激光划刻的方法的示意性流程图；

图5示出了根据本申请的示例性实施方式的跟踪第一线的示意性流程图；

图6示出了使用图5所示的跟踪处理获得的第一线的示例性线；

图7示出了根据本申请的实施方式在太阳能板上激光划刻的第一线的示例性图像；

图8示出了根据本申请的实施方式在太阳能板上激光划刻的第一线和第二线的示例性图像；

图9示出了根据本申请的实施方式在薄膜太阳能板上激光划刻的第三线的示例性图案；以及

图10示出了适于实现根据本申请实施方式的方法和装置的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

将结合附图和实施方式进一步详细描述本申请。应当理解，提供本文所述的具体实施方式是为了说明本申请，而不是限制本申请。还应该注意，为了便于描述，在附图中仅示出了与本申请相关的部分。

应当注意，本申请的实施方式和本申请中的特征在不冲突的基础上可以彼此组合。下面结合附图和实施方式对本申请进行进一步详细说明。

本文公开了用于对具有任意形状图案的太阳能板进行激光划刻的系统和方法。根据本申请，激光的跟踪和定位能力被用于控制激光的移动，使得形成的图案不仅用于太阳能板的功能，而且还为消费者的电子产品提供了灵活的艺术设计性，改进了在不同尺寸和形状的基材的艺术质量，使得产品更方便并对消费者更具有吸引力，提高了产量和总能量效率。

首先参考图1。参考图2，示出了根据本申请的实施方式的用于对太阳能板进行激光划刻的系统200。

系统200包括捕获装置201、获取装置203和激光划刻装置205。捕获装置201可连续地捕获太阳能板上的第一线的部分的图像，其中第一线具有预定形状。获取装置203可获取第一线的每个被捕获图像的位置信息。根据由获取装置203获取的第一线的位置信息中的每个，激光划刻装置205可连续地激光划刻太阳能板上的第二线的部分，使得被划线的第二线具有所述预定形状并且与第一线之间保持固定距离。

在一个实施方式中，第一线可以是P1线，第二线可以是P2线。激光划刻装置205可以通过使用激光光束来进行划刻。激光光束的偏转方向可由扫描振镜移动，该扫描振镜由计算机控制以利用与P1线类似的图案来激光划刻P2线。可以以与上述类似的方式对P3线进行激光划刻。

在一个实施方式中，第一线的任意形状的图案可以由图形软件预先设计。预先设计的图案可包括但不限于波浪状图案、圆形图案、矩形、多边形图案等。在图9中示出了在薄膜太阳能板上激光划刻的三条线的示例性图案。在一个实施方式中，捕获装置201可以是高速CCD照相机，其可以由计算机控制以沿着P1线的轨迹来捕获图像。在实施方式中，跟踪数据可以被输入到计算机中以进行处理。

在本申请的一个实施方式中，获取装置203还可包括提取装置2031和转换装置2032。提取装置2031可以提取第一线的部分的捕获图像的像素坐标，转换装置2032可以将提取出的像素坐标转换为所述部分的划线坐标，以获取位置信息。在实施方式中，第一线(例如P1线)的像素坐标可以被分解为X-Y方向的平移和振动。X-Y方向的平移可以通过两个线性位移平台在X-Y方向上获得，而振动可以通过振动镜的往复旋转来实现。例如，斜线是X和Y方向移动的组合。波浪线可以被认为是在X和Y方向位移的基础上叠加振镜周期性运动的结果，也就是说，X和Y方向的平移是基础，周期往复振动是叠加因素，最终形成波浪线运动。圆形可以分解成X和Y方向的组合。在这方面，激光的轨迹可以通过X-Y移动平台和振动镜的运动来实现。同时，激光的开关可以由计算机控制，并且在所需位置触发开关信号。以这种方式，可以实现任意形状图案的轨迹设计、分解和条纹运动。

在本申请的另一实施方式中，通过用于捕获每个图像(曝光时间和记录时间)的捕获装置(诸如CCD照相机)的移动而产生的位移不大于一个对应的像素距离，使得激光划刻的处理可对应于实时呈现的每个图像而精确地定位。否则，只能在相机停止移动时才可进行图像记录的处理。因此，该过程的整个速度会受到捕获装置CCD摄像机的曝光和记录时间的限制。需要足够亮的光源和高速CCD照相机。

在一个实施方式中，被捕获的图像可以被预处理，诸如预滤波、去除严重椒盐噪声、以及平衡导致不均匀亮度的光条件。在一个实施方式中，预滤波可用于平滑处理、或去除由图像噪声导致的线内或线边缘处灰度的急剧变化。在一个实施方式中，可以在CCD相机上使用强光源、侧光源、聚焦光源或使用单色光和滤光器。

在本申请的实施方式中，激光划刻装置205可以在太阳能板上激光划刻具有预设计形状的第一线。例如，可以按照设计在Mo背接触层上激光划刻P1线。在本申请的另一实施方式中，捕获装置201可以连续捕获划刻在太阳能板上的第二线的部分的图像。获取装置203可以获取第二线的每个捕获图像的位置信息。激光划刻装置205可以根据获取的第二线的位置信息中的每个，在太阳能板上连续地激光划刻第三线的部分，使得被划线的第三线具有与第二线的形状相同的形状，并且与第二线之间保持固定的距离。在一个实施方式中，第一线可以是P1线，第二线可以是P2线，第三线可以是P3线。分别在图7和图8中示出了示例性P1线以及在太阳能板上激光划刻的三条线P1、P2和P3线的示例性图像。

在本申请的实施方式中，系统200还可以包括拼接装置(未示出)。拼接装置可将第一线的已被捕获的各部分的图像拼接在一起，从而获得第一线的完整图像。例如，当前图像的轨迹可以与前一图像的真实轨迹直接连接。拼接装置可以通过软件实现，并且图像的拼接也可以通过软件算法实现。

在本申请的实施方式中，系统200还可以包括沉积装置(未示出)。沉积装置可以在激光划刻的第一线上沉积吸收层和缓冲层。应当理解，吸收层和缓冲层的沉积可以分别通过本领域中任何已知的系统和方法来实现，例如真空蒸发系统和化学浴沉积方法。在一个实施方式中，沉积装置可省略。

在本申请的一个实施方式中，系统200还可包括清洁装置，该清洁装置设置成与太阳能板相邻，用于去除在激光划刻期间产生的灰烬和灰尘。

图3A和3B分别示出了根据本申请的实施方式的用于激光划刻太阳能板的示例性系统和系统的放大图。所公开和描述的系统在下文中是示例性的，并且本领域技术人员将理解和领会，根据本申请的系统不限于此。

如图3A和3B所示，在所示系统1000的门式框架1、2中，从激光头3输出皮秒脉冲激光，该激光通过光束聚焦部件4被导向光纤。激光穿过光纤并在光束准直组件9之后离开，光束准直组件9可以产生具有特定直径(例如，3-20mm)的平行光束。然后，光束通过长焦聚焦透镜8并入射到薄膜太阳能板。同时，光束的偏转方向由扫描振镜10来控制。太阳能板固定在安装在移动平台16上的夹具15上，以实现划线功能。移动平台16可以是线性引导件。为了使P2和P3线保持与P1线的相同形状，使用诸如高速CCD照相机13的成像装置以对第一线P1线执行高速拍摄。成像装置可以布置在跟踪平台12上，跟踪平台12也可以是线性引导件。在拍摄期间，高亮度LED 5被布置成与太阳能板相邻，以确保图像清晰和可识别。此外，设置诸如空气抽吸装置6的清洁装置以去除在划线过程中产生的灰烬和灰尘。成像装置固定在连接到跟踪平台12的L形连接板11上。跟踪和移动平台安装在门式框架1、2上并通过光学板锁定。跟踪和移动平台，即两个线性导轨12、16彼此正交放置，并且这些平台的速度和位置可以通过计算机(未示出)上的软件精确地控制，以用于实现任意形状的图案。与扫描振镜10一起，该系统可以实现对P2线和P3线进行激光划刻的精确控制，确保与P1线的一致性。在一个实施方式中，照相机可与跟踪平台一起移动。

通过本申请的用于激光划刻太阳能板的系统，能够自由地设计服务于太阳能板的功能的任意图案，并且能够增加具有不同尺寸和形状的基板上的艺术品质，从而使得生产的太阳能板更方便且更吸引消费者，提高太阳能板的产量和效率。在替代实施方式中，薄膜太阳能板可以是但不限于CdTe或CIGS。在替代实施方式中，可以使用一维振动镜或二维振镜、平面阵列扫描相机或线扫描相机、或位移平台(通过滚珠丝杠导轨或者线性导轨。

现转到图4和图5，其中示出了用于激光划刻太阳能板的示例性方法和用于跟踪第一线的示例性过程。虽然为了简化解释的目的，所公开的方法被示出和描述为一系列动作，但是所公开的主题不限于动作的顺序，因为一些动作可以以与本文所示和描述的不同的顺序发生和/或与其他动作同时发生。例如，本领域技术人员将理解和明白，方法可替代地表示为例如状态图中的一系列相关的状态或事件。此外，并非所有示出的动作都是用于实现根据所公开的主题的方法所需的。

参考图4，在步骤S401中，连续地捕获太阳能板上的第一线的部分的图像，其中第一线具有预设计形状。在步骤S403中，获取第一线的每个捕获图像的位置信息。然后，在步骤S405中，根据所获取的第一线的位置信息中的每一个，在太阳能板上连续地激光划分第二线的部分，使得划线的第二线具有所述预设计形状并且与第一线之间保持固定距离。

图5示出了根据本申请的实施方式的用于跟踪太阳能板上的第一线的示例性方法500。参考图5，在步骤S503中，连续捕获第一线的部分的图像。然后，在步骤S504中，对第一线的多个部分的捕获图像进行预处理，预处理包括但不限于预滤波、去除严重椒盐噪声以及平衡导致亮度不均匀的光条件。预滤波的过程可用于平滑处理、或去除由图像噪声引起的线内或线边缘处的灰度的急剧变化。

在步骤S505中，对跟踪平台的安装位置和角度(X/Y轴)、扫描振镜的坐标、捕获装置(例如CCD相机)的宽/高尺寸进行校准。在一个实施方式中，在校准过程中，首先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，将直线的起点对准CCD相机的视野并记录，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(像素/mm)，以及零点位置坐标。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。然后，使用一组预定参数(将扫描振镜设置为非零参数)，开启振镜并划刻直线。将这些直线的起点对准CCD相机的视野并记录，以及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S506中，提取第一线的部分的被捕获图像的像素坐标，并在步骤S507中，将提取的像素坐标转换为该部分的划线坐标，以获取每个图像的位置信息。然后，在步骤S508中，将第一线的已被捕获的各部分的图像拼接在一起，从而获得第一线的完整图像。之后，在步骤S509中确定是否已捕获到第一线的结束点。如果是，则完成了第一线的跟踪处理。否则，该处理返回到步骤S503以继续进行。图6示出了使用图5中所示的跟踪处理获得的第一线的示例性线。

在另一实施方式中，第一线，即P1线可以被激光划刻在太阳能板的基板上，其中第一线的形状是预先设计的。在第一线被划线之后并且在第二线被划线之前，吸收层(例如CIGS吸收层)和缓冲层(例如CdS缓冲层)可以沉积在激光划刻的第一线上。在一个实施方式中，CIGS吸收层可以是大约2-3微米，而CdS缓冲层可以是大约50nm。

通过本申请的用于激光划刻太阳能板的方法，能够自由地设计服务于太阳能板的功能的任意图案，并且能够增加具有不同尺寸和形状的基板上的艺术品质，从而使得生产的太阳能板更方便且更吸引消费者，提高了太阳能板的产量和效率。在替代实施方式中，包括适用于本申请的方法的薄膜太阳能板的太阳能板可以是，但不限于CdTe或CIGS。

现参考图10，其示出了适于实现根据本申请的实施方式的方法和装置的计算机系统9000的示意性结构图。

如图10所示，计算机系统9000包括中央处理单元(CPU)9001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)9002中的程序或从存储部分9008加载到随机存取存储器(ROM)9003的程序，来执行各种适当的动作和处理。RAM 9003也存储系统9000的操作所需的各种程序和数据。CPU 9001、ROM 9002和RAM 9003经由总线9004彼此连接。输入/输出(I/O)接口9005也连接到总线9004。

以下组件连接到I/O接口9005：包括键盘、鼠标等的输入部分9006；包括阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、扬声器等的输出部分9007；包括硬盘等的存储部分9008；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等网络接口卡的通信部分9009。通信部分9009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器9010也根据需要连接到I/O接口9005。诸如磁盘、光盘、磁光盘和半导体存储器的可移除介质9011可以根据需要安装到驱动器9010上，以便根据需要将从其中读取的计算机程序安装到存储部分9008。

具体地，根据本公开的实施方式，上面参照图2、5和6描述的方法可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施方式包括计算机程序产品，其包括有形地包括在机器可读介质中的计算机程序。计算机程序包括用于执行图2、5和6中的方法的程序代码。在这样的实施方式中，计算机程序可以经由通信部分9009从网络下载并安装，和/或从可移除介质9011安装。

附图中的流程图和框图示出了可以由根据本申请的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品实现的系统架构、功能和操作。为此，流程图或框图的每个块可以表示包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令的模块、程序段或代码的一部分。还应注意，在一些替代实施方式中，块中表示的功能可以以与图中标记的顺序不同的顺序发生。例如，连续表示的两个块可以基本上并行地或者根据相关功能以相反顺序执行。还应注意，框图和/或流程图中的每个块及其组合可以由基于硬件并执行指定功能或操作的特定系统来实现，或者通过特定硬件和计算机指令的组合来实现。

本申请实施方式中涉及的单元或模块可以用硬件或软件实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中。这些单元或模块的名称不限制单元或模块本身。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其可以是上述实施方式中所描述的装置中包含的计算机可读存储介质；或者计算机可读存储介质单独存在而非装配到任何终端设备中。一个或多个计算机程序可以存储在计算机可读存储介质上，并且程序由一个或多个处理器执行以执行本申请中描述的方法。

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

1.一种用于激光划刻太阳能板的方法，包括：

相继捕获所述太阳能板上的第一线的部分的图像，所述第一线具有预定形状；

获取捕获的所述第一线的图像中的每个的位置信息；以及

根据所述第一线的所述位置信息相继对所述太阳能板上的第二线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第二线具有所述第一线的所述预定形状并且与所述第一线保持固定的距离；

在执行激光划刻过程之前还包括对用于引导并控制激光的偏转方向的扫描振镜的扫描坐标与用于捕获图像的捕获装置的宽度和高度尺寸进行校准，

在校准过程中，首先使用一组预先确定的参数，其中将扫描振镜保持在零点，来划刻多条直线，将直线的起点对准捕获装置的视野并记录，识别起点的位置以及直线之间的间距，由此获得真实坐标与相机像素之间的比例关系，以及零点位置坐标；同时，计算线坐标和宽度方向之间的角度以及线坐标和高度方向之间的角度，并将其用作角度校准；然后，使用一组预定参数，其中将扫描振镜设置为非零参数，开启扫描振镜并划刻直线；将这些直线的起点对准捕获装置的视野并记录，以及计算这些直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。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将所述第一线的已被捕获的各部分的图像拼接在一起，从而获得所述第一线的图像。

3.根据权利要求1所述的方法，其中获取捕获的所述第一线的图像中的每个的位置信息包括：

提取所述第一线的每个部分的图像的像素坐标；以及

将所提取的像素坐标转换为每个部分的划刻坐标以获取所述位置信息。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

相继捕获划刻在所述太阳能板上的所述第二线的部分的图像；

获取所述第二线的图像中的每个的位置信息；以及

根据所述第二线的所述位置信息，相继在所述太阳能板上激光划刻第三线的部分，使得被划刻的第三线具有与所述第二线相同的形状并且与所述第二线之间保持固定的距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定形状至少包括波浪形状、圆形形状、矩形形状和多边形形状。

6.一种用于激光划刻太阳能板的系统，包括：

捕获装置，用于相继捕获所述太阳能板上的第一线的部分的图像，所述第一线具有预定形状；

获取装置，用于获取捕获的所述第一线的图像中的每个的位置信息；

激光划刻装置，用于根据所述第一线的所述位置信息相继对所述太阳能板上的第二线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第二线具有所述第一线的所述预定形状并且与所述第一线保持固定的距离；以及

用于对振镜的扫描坐标与所述捕获装置的宽度和高度尺寸进行校准的校准装置；

7.根据权利要求6所述的系统，还包括：

拼接装置，用于将所述第一线的已被捕获的各部分的图像拼接在一起，从而获得所述第一线的图像。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述获取装置还配置为：

提取所述第一线的每个部分的图像的像素坐标；以及

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述捕获装置还配置为相继捕获划刻在所述太阳能板上的所述第二线的部分的图像；

所述获取装置还配置为获取所述第二线的图像中的每个的位置信息；以及

所述激光划刻装置还配置为：根据所述第二线的所述位置信息,相继对所述太阳能板上的第三线的部分进行激光划刻，使得被划刻的第三线具有与所述第二线相同的形状并且与所述第二线保持固定的距离。

10.根据权利要求6所述的系统，还包括用于引导并控制激光的偏转方向的振镜，使得所述激光划刻装置使用所述激光来进行激光划刻。

11.一种太阳能板，其包括通过如权利要求1至5中任一项所述的用于激光划刻太阳能板的方法来划刻的线。