CN110788483B - 一种适用hit电池的低温切割方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种适用HIT电池的低温切割方法及装置，所述方法包括：水射流束与激光束混合，激光束穿过水射流束，并通过射流喷嘴喷出形成水射流激光束；水射流激光束按照预设的扫描路径在HIT电池的表面进行切割；射流喷嘴喷射的水射流束对加工产生的熔渣进行冲刷并对HIT电池上的激光加工区进行冷却。本申请大大降低了切割对于HIT电池的带来的效率损失，高速的水射流束对激光加工区进行冷却，并冲刷和减少再铸层，使得切割后的HIT电池表面和截面无再铸层、无热应力、无微裂纹。

Description

一种适用HIT电池的低温切割方法及装置
技术领域
本发明涉及太阳能电池加工领域，尤其涉及一种适用HIT电池的低温切割方法及装置。
背景技术
太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。因此，深入研究和利用太阳能资源，对缓解资源危机、改善生态环境具有十分重要的意义。
HIT是Heterojunction with intrinsic Thin-layer的缩写，意为本征薄膜异质结，因HIT已被日本三洋公司申请为注册商标，所以又被称为HJT、HDT或者SHJ等。该类型太阳能电池最早由日本三洋公司于1990年成功开发，当时转换效率可达到14.5％(4mm2的电池)，后来在三洋公司的不断改进下，三洋HIT电池的转换效率于2015年已达到25.6％。在各种太阳能电池中，N型异质结电池技术工艺步骤相对简单、无光致衰减、无电位诱导衰减、温度系数低，兼具超高的电池转换效率和双面发电性能，是当今国际研究和产业化的前沿。
随着异质结电池片效率的提升，其电流密度也随着提升，目前已经突破40.3毫安/平方厘米。异质结电池片的电流密度大幅上升，使整片电池的电流也大幅增加，导致传统的由整片电池电气互联而形成的光伏组件的方式会产生较高的功率损失。
随着激光技术的高速发展，激光切片成为了改善整片电池功率损失非常经济性的解决方案。利用激光切割技术将整片电池切成一半或者多个小片的切片电池，随后再将切片电池利用导电焊带进行串联，串联电流相应下降至整片电流的1/N(N为切片的数量)，切片电池的电流下降能够改善光伏组件的功率损失，其中叠瓦组件的电池片以叠瓦形式采用导电胶方式进行连接、无间距，同样尺寸的组件可放更多电池片，其电池表面无焊带遮挡，可用于发电的面积更大。
现有技术中，激光划片技术仅仅在光伏电池的硅片的表面制造一个深槽，然后以这个深槽为导引，通过人工手动折断的方式来进行切割后两个部分的分离。一般的激光划片装置，包括激光源、内管结构、外管结构、氧化气体气源、抽气系统和划片工作台，外管结构套设在内管结构外部，激光源发出的光束穿过内管结构后照射在放置光伏电池片的划片工作台上，氧化气体气源的氧化气体通过内管结构喷射至激光划片的前锋，抽气系统通过外管结构进行抽气。而激光切割是利用高功率密度的聚焦激光束扫描晶体硅电池表面，在极短时间内将基体材料加热到几千甚至上万摄氏度，使材料瞬间熔化或汽化，再用高压气体将熔化或汽化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。
激光已经在光伏领域大面积使用，其中激光切片技术也是目前主流的切片技术，激光的直径可达几微米甚至更小，且具有高光子能量，可加热、融化和气化所加工的电池。但是激光加工也存在加工区域产生热损伤的缺陷。据报道，常规钝化发射极和背面电池(PERC电池)片切半后的效率下降约0.1％，而对于异质结电池(HIT电池)损伤尤其严重，根据实验室数据，每切一刀，HIT电池效率下降则达到0.5％以上。较大的切割效率损失严重限制HIT电池向叠瓦技术发展的进度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用异质结电池的低温切割方法及装置，以降低激光切割对于HIT电池的带来的效率损失。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本申请第一个方面提供了一种适用HIT电池的低温切割方法，包括：
水射流束与激光束混合，激光束穿过水射流束，并通过射流喷嘴喷出形成水射流激光束；
水射流激光束按照预设的扫描路径在HIT电池的表面进行切割；
射流喷嘴喷射的水射流束对加工产生的熔渣进行冲刷并对HIT电池上的激光加工区进行冷却；
其中，激光束聚焦于HIT电池的表面，水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的2.5倍、优选为小于1倍。
优选地，所述射流喷嘴与激光束同轴。
优选地，所述水射流束的纵向中心线与所述激光束的中心线重合，激光束经过聚焦透镜、穿过射流喷嘴的喷口后穿过水射流束，聚焦于HIT电池的表面，激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心和水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心重合。
优选地，在所述水射流激光束输出后，还包括：
在射流喷嘴的喷口处，设置两块平行的挡板，所述挡板位于水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道。
更优选地，所述密封件采用耐高温高湿的硅胶或者其他类似材质。
更优选地，两块所述挡板之间的距离不超过1cm。
优选地，所述HIT电池装设于工作台上，所述工作台设于激光束的下方，以使激光束的聚焦点位于HIT电池的表面上，移动工作台上的HIT电池与水射流激光束的相对位置，进行激光切割。
优选地，在所述水射流激光束按照预设的扫描路径在HIT电池的表面进行切割后，还包括：
切割后的HIT电池，直接进入后续正常生产工艺中。
优选地，所述射流喷嘴的喷口直径为mm量级。
更优选地，所述射流喷嘴的喷口直径为0.5mm～3mm。
优选地，所述射流喷嘴的喷口中心与HIT电池的表面距离为1mm～10mm。
优选地，所述射流喷嘴喷出的水射流束的速度为100m/s～1000m/s。
优选地，所述射流喷嘴的进水口连通一水泵，所述水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～50Mpa。
优选地，所述水射流束的水为超纯水，所述超纯水为去离子水或蒸馏水。
本申请第二个方面提供了一种适用HIT电池的低温切割装置，包括：
激光系统，包括激光控制器、脉冲激光器和聚焦透镜，所述激光控制器与所述脉冲激光器连接、并控制脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦于HIT电池的表面；
水射流系统，包括射流喷嘴和水泵，所述射流喷嘴的进水口与所述水泵相连通，射流喷嘴产生的水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的2.5倍、优选为1倍。
优选地，所述低温切割装置还包括：水流引导系统，所述水流引导系统包括安装在射流喷嘴的喷口处的两块平行的挡板，所述挡板在水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道。
更优选地，所述密封件采用耐高温高湿的硅胶或者其他类似材质。
更优选地，两块所述挡板之间的距离不超过1cm。
优选地，所述低温切割装置还包括：工作台系统，所述工作台系统设于激光束的下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台，HIT电池装设于工作台上，并与聚焦透镜相对设置以使激光束的聚焦点位于HIT电池的表面上。
优选地，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为40±15Hz，扫描速度为0.1m/s～50m/s。
优选地，所述水射流系统通过安装在射流喷嘴上的医用针头喷出水射流束，医用针头的直径为mm级别。
更优选地，所述射流喷嘴的喷口直径为0.5mm～3mm。
优选地，所述射流喷嘴的喷口中心与HIT电池的表面距离为1mm～10mm。
优选地，所述射流喷嘴喷出的水射流束的速度为100m/s～1000m/s。
优选地，所述水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～50Mpa。
优选地，所述水射流束的水为超纯水，所述超纯水为去离子水或蒸馏水。
优选地，所述射流喷嘴与激光束同轴。
优选地，所述水射流束的纵向中心线与所述激光束的中心线重合，激光束经过聚焦透镜、穿过射流喷嘴的喷口后穿过水射流束，聚焦于HIT电池的表面，激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心和水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心重合。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
1)射流喷嘴恒定的高速射流在HIT电池表面提供一层稳定的连续流动的薄水膜，避免由于激光加热导致溶液的剧烈运动对加工的影响，且激光束加工过程中的切屑和多余的热被流体带走，减少了飞溅物的沉积，缩小了激光束的热影响区，从而保证了HIT电池的性能受影响最小；液体冷却作用不仅消除热影响，而且可以消除残余应力及微裂纹；而高速冲刷也能带走切屑，可有效阻止再铸层的生成，提高划片良品率；
2)连续供液的液体防止因为液体的蒸发而使得悬浮颗粒附着于HIT表面，激光加工完成后，除去液膜，也就移除了其中的悬浮颗粒，进一步提高HIT电池的表面清洁度；同时溶液的定向流动还将激光加工产生的水波、气泡等向HIT电池外缘推移，消除了不均匀液体对激光传输的影响；
3)在射流喷嘴的喷口处的两块平行的挡板，挡板末端的密封件会与HIT电池直接接触；在切割过程中，两块挡板连其末端的密封件紧贴HIT电池表面，引导水射流束向扫描路径的两端扩散，而不会透过挡板向HIT电池的其他区域扩散；
4)系统结构简单，易于安装、检修，操作方便；针对目前已经大面积采用的激光切片设备升级改造相对简单，适合于大面积推广应用。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明的低温切割装置的结构示意图；
图2是本发明的低温切割装置从射流喷嘴至HIT电池的局部剖面图；
图3是本发明的一种适用HIT电池的低温切割方法的流程图。
图例说明：
1、激光束；2、聚焦透镜；3、射流喷嘴；4、水射流激光束；5、水泵；6、进水口；7、HIT电池；8、挡板。
具体实施方式
本发明提供一种适用HIT电池的低温切割方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1和图2所示，一种适用HIT电池的低温切割装置，包括：
(1)激光系统，用于输出激光束，包括激光控制器、脉冲激光器和聚焦透镜，所述激光控制器与所述脉冲激光器连接、并控制脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦于HIT电池的表面。其中，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为40±15Hz，扫描速度为0.1m/s～50m/s。
(2)水射流系统，包括射流喷嘴和水泵，所述射流喷嘴的进水口与所述水泵相连通，所述水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～50Mpa；射流喷嘴产生的水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的1～2.5倍。其中，所述水射流系统通过安装在射流喷嘴上的医用针头喷出水射流束，医用针头的直径为mm级别；所述射流喷嘴的喷口直径为0.5mm～3mm，所述射流喷嘴喷出的水射流束的速度为100m/s～1000m/s；所述射流喷嘴的喷口中心与HIT电池的表面距离为1mm～10mm；所述水射流束的水为超纯水，所述超纯水为去离子水或蒸馏水。
(3)水流引导系统，所述水流引导系统包括安装在射流喷嘴的喷口处的两块平行的挡板，两块所述挡板之间的距离不超过1cm，所述挡板在水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件为耐高温高湿的硅胶，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道。
(4)工作台系统，所述工作台系统设于激光束的下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台，HIT电池装设于工作台上，并与聚焦透镜相对设置以使激光束的聚焦点位于HIT电池的表面上。移动工作台上的HIT电池与水射流激光束的相对位置，进行激光切割。
工作原理：调节激光控制单元，控制脉冲激光器产生激光束，调节聚焦透镜，激光束穿过水射流束，聚焦在HIT电池的表面，移动工作台上的HIT电池，使得聚焦的激光束对工作台上的HIT电池表面按照预设的路径进行切割。因水射流束与HIT电池表面的相交点，即水射流束的喷射点与激光束在HIT电池表面的聚焦点相近或重合，高速的水射流束对激光加工区进行冷却，并冲刷和减少再铸层，使得切割后的HIT电池表面和截面无再铸层、无热应力、无微裂纹。激光束穿过水射流束后，在HIT电池的表面聚焦，激光束不会损伤射流喷嘴。
一种适用HIT电池的低温切割方法，如图3所示，包括：
步骤S01：水射流束与激光束混合，激光束穿过水射流束，并通过射流喷嘴喷出形成水射流激光束；
步骤S02：水射流激光束按照预设的扫描路径在HIT电池的表面进行切割；
步骤S03：射流喷嘴喷射的水射流束对加工产生的熔渣进行冲刷并对HIT电池上的激光加工区进行冷却。
其中，激光束聚焦于HIT电池的表面，水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的1～2.5倍。
考虑到切屑(主要硅粉)会沿着水流四处蔓延，影响外观，在一种优选实施例中，在射流喷嘴的喷口处，设置两块平行的挡板，两块所述挡板之间的距离不超过1cm。所述挡板位于水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件为耐高温高湿的硅胶，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道，保证水流沿着特定渠道流淌，带走切屑和热量。
上述切割后的HIT电池，可以直接进入后续正常生产工艺中。
在一种优选实施例中，所述射流喷嘴与激光束同轴，所述水射流束的纵向中心线与所述激光束的中心线重合，激光束经过聚焦透镜、穿过射流喷嘴的喷口后穿过水射流束，聚焦于HIT电池的表面，激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心和水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心重合。
本申请中，射流喷嘴以恒定的高速射流在HIT电池的表面提供一层稳定的连续流动的薄水膜，避免由于激光加热导致溶液的剧烈运动对加工的影响，且激光加工过程中的切屑和多余的热被流体带走，减少了飞溅物的沉积，缩小了激光的热影响区，从而保证了HIT电池的性能受影响最小；液体冷却作用不仅消除热影响，而且可以消除残余应力及微裂纹；而高速冲刷也能带走切屑，可有效阻止再铸层的生成，提高划片良品率。此外，连续供液的液体防止因为液体的蒸发而使得悬浮颗粒附着于HIT表面，激光加工完成后，除去液膜，也就移除了其中的悬浮颗粒，进一步提高了HIT电池的表面清洁度；同时溶液的定向流动还将激光加工产生的水波、气泡等向工件外缘推移，消除了不均匀液体对激光传输的影响。
以下通过性能对比实验，从良品率和电性能两个方面对本申请的技术方案做进一步的说明。
性能对比试验：
a)良品率
分别采用传统激光切割工艺和本申请的低温切割方法切割各50片HIT电池片，每个电池片切5刀，每片电池片形成6片子电池，总共形成300片HIT子电池，统计有多少片电池由于切割导致破片，计算良品率。
表1良品率测试列表
Figure BDA0002253749690000081
从表1可以看出，采用本申请的低温切割方法，对于硅片的热冲击较小，大大地降低了碎片率，提升了4％的良品率。
b)电性能
表2电性能测试列表
Figure BDA0002253749690000091
从表2可以看出，采用本申请的低温切割方法，对于硅片的热冲击较小，硅片始终保证在一个低温的状态，同时切损较小，对于切割面的较小破坏可以大大降低这个区域的载流子符合，从而大大降低了切割对于HIT电池的带来的效率损失。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种适用HIT电池的低温切割方法，其特征在于，包括：
水射流束与激光束混合，激光束穿过水射流束，并通过射流喷嘴喷出形成水射流激光束；
水射流激光束按照预设的扫描路径在HIT电池的表面进行切割；
射流喷嘴喷射的水射流束对加工产生的熔渣进行冲刷并对HIT电池上的激光加工区进行冷却；
其中，激光束聚焦于HIT电池的表面，水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的2.5倍；
在所述水射流激光束输出后，还包括：在射流喷嘴的喷口处，设置两块平行的挡板，所述挡板位于水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道，两块所述挡板之间的距离不超过1cm；
所述射流喷嘴的喷口直径为0.5 mm ~3mm；所述射流喷嘴的喷口中心与HIT电池的表面距离为1mm~10 mm；所述射流喷嘴喷出的水射流束的速度为100m/s~1000m/s；
激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为40±15Hz，扫描速度0.1 m/s~ 50 m/s；水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～50Mpa。
2.根据权利要求1所述的一种适用HIT电池的低温切割方法，其特征在于：所述水射流束的纵向中心线与所述激光束的中心线重合，激光束经过聚焦透镜、穿过射流喷嘴的喷口后穿过水射流束，聚焦于HIT电池的表面，激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心和水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心重合。
3.一种适用HIT电池的低温切割装置，其特征在于，包括：
激光系统，包括激光控制器、脉冲激光器和聚焦透镜，所述激光控制器与所述脉冲激光器连接、并控制脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦于HIT电池的表面；
水射流系统，包括射流喷嘴和水泵，所述射流喷嘴的进水口与所述水泵相连通，射流喷嘴产生的水射流束在HIT电池的表面的喷射点中心和激光束在HIT电池的表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在HIT电池的表面的聚焦点半径的2.5倍；
在射流喷嘴的喷口处，设置两块平行的挡板，所述挡板位于水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道，两块所述挡板之间的距离不超过1cm；
所述射流喷嘴的喷口直径为0.5 mm ~3mm；所述射流喷嘴的喷口中心与HIT电池的表面距离为1mm~10 mm；所述射流喷嘴喷出的水射流束的速度为100m/s~1000m/s；
所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为40±15Hz，扫描速度0.1 m/s~ 50 m/s；所述水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～50Mpa。
4.根据权利要求3所述的一种适用HIT电池的低温切割装置，其特征在于：所述低温切割装置还包括：水流引导系统，所述水流引导系统包括安装在射流喷嘴的喷口处的两块平行的挡板，所述挡板在水射流激光束沿预设的扫描路径行进的方向的两侧，且挡板的末端设有密封件，所述密封件与HIT电池的表面直接接触；两块挡板与夹在两块挡板之间的HIT电池的表面形成导引水射流束沿扫描路径的两端扩散的水流通道。
5.根据权利要求3所述的一种适用HIT电池的低温切割装置，其特征在于：所述低温切割装置还包括：工作台系统，所述工作台系统设于激光束的下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台，HIT电池装设于工作台上，并与聚焦透镜相对设置以使激光束的聚焦点位于HIT电池的表面上。
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