CN111081819B - 一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置，属于太阳能电池领域。本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置，方法包括如下步骤：将硅太阳能电池片放置在承载台上；激光装置产生激光切割硅太阳能电池片，产生断面；等离子体发生装置产生等离子体喷焰处理产生的断面。装置包括承载台、激光装置和等离子体发生装置，等离子体发生器用于发生等离子体喷焰，处理切割后的电池片。本发明主要提供了一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置，在硅太阳能电池片的切割过程中使用等离子体对切割位置进行钝化，减少了电池片的切割损伤，防止功率的损失，提高切片组件的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池片切割技术领域，更具体地说，涉及一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置。
背景技术
在硅太阳能电池产业发展中，电池片的大尺寸成为了一种趋势，这能在一定程度上提高组件转换效率和功率。但越来越大的电池片尺寸将导致电池片的工作电流增大，这会引起组件的工作电流增大，进而增大了组件的安全风险问题。因此将电池片切割后形成小片再进行串联组装，减小工作电流，提高组件的可靠性，已经成为业内发展趋势，半片组件市场占比提升迅速。另一方面，叠瓦组件技术是依靠将电池片切割成小片后堆叠连接，取消了串内电池片间隙，可以提高组件面积的利用率，提高组件的功率和转换效率。
无论是半片组件还是叠瓦组件技术，都需要将太阳能电池片进行切割。目前的切割方案，一般都是利用高能激光在硅片表面进行划线，形成凹槽，然后以机械外力沿凹槽进行分离。这种方案简单直接，操作方便，被广泛应用。
例如发明专利名为“一种太阳能电池及其制备方法和基于其的电池片及光伏组件”(申请号：CN201810745320.8，申请日：2018年7月9日)，公开了一种太阳能电池及其制备方法和基于其的电池片及光伏组件，在电池片上预设切割位置，在切割位置不进行不制造PN结，可以使电池片切割后PN结不在断面处裸露，减小复合损失，但这种方法会给电池片的生产制造带来更加繁琐的制造工艺。
又如发明专利名称为“一种抑制晶硅太阳能电池激光切半后效率降低的方法”(申请号：CN201811363985.9，申请日：2018年11月16日)，公开了一种抑制晶硅太阳能电池激光切半后效率降低的方法，主要步骤为在激光切割后，将电池片放置在高温氧气环境内进行钝化，这将需要一个另外增加的高温处理工序，且氧化速率较低，耗时较多。
等离子体是以电源激发气体电离形成的含有多种活性粒子的系统，在材料处理和半导体制造中都具有广泛应用，也用于光伏行业的薄膜生长工艺。大气压等离子体不需要低压环境，且尺寸范围宽广，设置灵活，mm-cm尺度的微等离子体系统，可以进行精细的材料处理，具有较高的可操作性。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中电池片切割后功率损失和不可靠的不足，提供了一种太阳能电池片的防损伤切割方法和装置，本发明在硅太阳能电池片的切割过程中同时用等离子体进行切割位置的钝化，减少了电池片的切割损伤，防止功率的损失，能提高切片组件的安全性。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硅太阳能电池片放置在承载台上；
激光装置产生激光切割硅太阳能电池片，产生断面；
等离子体发生装置产生等离子体喷焰处理产生的断面；
其中，气体源为也应当包括O2。
作为本发明更进一步的改进，等离子体发生装置喷焰的运动轨迹与激光装置发生的激光运动轨迹完全相同。
作为本发明更进一步的改进，硅太阳能电池片首先在承载台上固定处理。
作为本发明更进一步的改进，激光为紫外光、可见光或红外光。
优选的，激光波长从200nm到1064nm。
优选的，激光切割宽度为10um-200um。
优选的，激光切割深度可调，和/或激光功率在20W-50W之间。
优选的，激光划片速度可以在500-10000mm/s之间。
作为本发明更进一步的改进，等离子体发生装置的等离子体放电功率在100W-5000W范围。
优选的，等离子体发生装置的气体源气体输入流量在10-1000sccm之间。
优选的，等离子体喷焰长度为1-50mm。
优选的，等离子体喷焰直径0.1-5mm。
优选的，等离子体喷焰距离硅太阳能电池片距离为0-20mm。
作为本发明更进一步的改进，等离子体发生装置的气体源可以由单一气体或多种气体组成，可以是单一气体O2，作用是活性粒子源，也可以选择H2，或多气体源O2和Ar，Ar的作用是启辉气体，还包括其他可以产生等离子体的气体。
优选的，选用O2和Ar，O2和Ar的气体流量比为3：1到10：1之间。
本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，包括承载台，水平设置，用于承载硅太阳能电池片；激光装置，垂直于承载台，用于发生激光，切割硅太阳能电池片；等离子体发生装置，垂直于承载台，用于发生等离子体喷焰，处理切割产生的断面，等离子体发生装置的气体源包括O2。
等离子体发生装置包括气体源等离子体电源、气体源和棒状电极。
作为本发明更进一步的改进，等离子体发生装置还包括环状电极或金属腔壁，环状电极或金属腔壁与棒状电极之间绝缘。
作为本发明更进一步的改进，等离子体发生装置的等离子体电源可以使直流电源、交流电源、射频电源或脉冲电源。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割方法，在硅太阳能电池片的切割过程中同时用等离子体进行切割位置的钝化，本发明使用等离子体直接对断面处进行氧化钝化，产生一层氧化硅钝化层，既能中和悬挂键，又能给断面处裸露的硅提供保护，减少了电池片的切割损伤，防止功率的损失，能提高切片组件的安全性，本发明使用的气体为常见的氧气，在大气压非光照条件下进行钝化，气体源安全稳定，成本低，直接对断面处进行氧化钝化，有效提高钝化效果。
(2)本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，在激光切割后，以等离子体喷扫切割位置，一方面依靠气流吹扫激光切割产生的粉尘，一方面以等离子体产生的活性粒子和高能粒子对切割断面进行钝化，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割方法的流程示意图；
图2为本发明的一种太阳能电池片的防损伤切割装置示意图；
图3为图2所述太阳能电池片的防损伤切割装置中的等离子体发生装置示意图。
示意图中的标号说明：1、激光装置；11、激光；2、等离子体发生装置；21、等离子体喷焰；22、等离子体电源；221、棒状电极；222、环状电极；23、第一气体源；24、第二气体源；25、气体源；3、硅太阳能电池片；31、激光划线痕迹；4、承载台。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割方法，该方法通过对激光切割后的硅太阳能电池片3进行等离子体处理，可以钝化切割形成的断面，减小电池片的功率损失和提高切片组件可靠性，包括如下步骤：
S01：将硅太阳能电池片3放置在承载台4上；
S02：激光装置1产生激光11切割硅太阳能电池片3，产生断面；
S03：等离子体发生装置2产生等离子体喷焰21处理产生的断面。
上述S03中，等离子体发生装置2的气体源25可以是单一气体或多种气体组成。
优选的，气体源25包括第一气体源23和第二气体源24。
其中，单一气体可以为O2，两种气体的组合可以为O2和Ar，其中，Ar作为等离子体辅助启辉气体，O2作为反应等离子体，电离后等离子体内含有大量的O-和O2-和O3等粒子，能对断面进行氧化钝化。
优选的，离子体发生装置2和激光装置1可以共用同一驱动器。
上述步骤S01中，硅太阳能电池片3首先在承载台4上固定处理，防止在切割过程中产生偏移影响切割效果。
上述步骤S02中，激光11为紫外光、可见光或红外光。
上述步骤S03中，等离子体发生装置2喷焰的运动轨迹与激光装置1发生的激光运动轨迹相同，即都沿激光划线痕迹31，保证等离子体喷焰21能准确覆盖激光划线位置。
优选的，激光波长从200nm到1064nm，激光装置1可以根据工况选用不同的激光波长。
优选的，激光切割宽度为10um-200um，根据电池片调整。
优选的，激光功率在20W-50W之间。
优选的，激光划片速度可以在500-10000mm/s之间。
优选的，激光切割深度可调，切割深度根据电池片厚度调整，不超过电池片厚度，避免损伤承载台4。
上述S03中，等离子体喷焰21长度为1-50mm和/或直径0.1-5mm，长度和直径可以根据工况进行调节。
上述S03中，等离子体发生装置2的等离子体放电功率在100W-5000W范围。
优选的，等离子体发生装置2的气体源25气体输入流量在10-1000sccm之间。
上述S03中，等离子体喷焰21距离硅太阳能电池片3距离为0-20mm，根据选择的不同气体以及工况选择合适的距离。
优选的，O2和Ar的流量比为3：1到10：1。
优选的，气体还可以为N2。
本实施例使用O2等离子体是利用其产生的活性含氧粒子对切割表面进行氧化，生成SiO2薄层，减小表面的缺陷密度，从而具备钝化效果，钝化效果集中在表面切割处，复合悬挂键，不需要O粒子深入扩散到硅体内，O粒子包括O离子、O2离子、O3等。
在本实施例中使用H2等离子体也能具备一定的钝化效果，因为也会有少量的H*离子进入表面，但若没有外部条件辅助(如加热和强光照射)，这个进入量很小，而且集中在表面，钝化效果很微弱，一般需要高温退火过程等方法使H*更多的进入且进一步扩散到内部，钝化效果才能体现出来，因此本实施例中选用了O2等离子体。
使用O2大气压微等离子体直接对断面处进行氧化钝化，产生一层氧化硅钝化层，既能中和悬挂键，又能给断面处裸露的硅提供保护。
现有生产线工艺，在切割后并不进行额外处理，而是通过对切割使用的激光进行调整来减小损失。目前行业内均面临电池片在切割后产生损失的问题，但减小切割损失还没有明确方案，都处于摸索阶段。激光切割损失来源于两方面，一个是激光的高热导致的损伤，一方面是裂片后产生的悬挂键导致的复合增大。本发明对悬挂键导致的复合增大具有较好的效果。
等离子体虽然广泛应用于光伏行业，但一般用于干法刻蚀和镀膜方面，本发明将等离子钝化与激光切割相结合，具有突出的实质性效果。
实施例2
本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割方法，其基本步骤与实施例1相同，改进之处在于：
选择激光功率100W，划片速度2000mm/s，切割宽度30um。切割后，等离子体以13.56MHz射频电源激发，射频功率500W，Ar、O2混合气体，气体流量比10:50sccm，等离子体喷焰21长度10mm，直径2mm，等离子体喷焰21与电池片距离为0，喷焰移动速度5mm/s。
该方法通过优选的方案，完成电池片切割以及等离子体处理工艺，得到的切割后的电池片断面平整，减少了其切割损伤，载流子平均分布，功率不产生损失，断面绝缘性能好，可靠性高，安全性好。
实施例3
结合图2和图3，本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，包括承载台4、激光装置1和等离体子发生装置2，承载台4水平设置，用于承载硅太阳能电池片3；激光装置1垂直于承载台4，用于发生激光11，切割硅太阳能电池片3；等离子体发生装置2垂直于承载台4，用于发生等离子体喷焰21，处理切割产生的断面。
优选的，激光装置1和等离子体发生装置2可以共用一个驱动器，保证运动轨迹的一致性，提高对断面处理的效果，同时也可以降低装置的结构复杂度，提高利用效率。
实施例4
结合图1和图2，本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，其基本结构与实施例3相同，其改进在于：
等离子体发生装置2包括等离子体电源22、棒状电极221和气体源25，等离子体电源22是提供电离产生等离子电压的电源，棒状电极221连接电源的一极，气体源25中的气体是单一气体，可以是O2、H2等气体。
优选的，等离子体发生装置2包括等离子体电源22、棒状电极221、第一气体源23和第二气体源24，第二气体源24中的气体为Ar、N2。
实施例5
结合图2，本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，其基本结构与实施例4相同，其改进在于：
等离子体发生装置2还包括环状电极222或金属腔壁，环状电极222或金属腔壁与等离子体电源22的另一极相连，棒状电极221和环状电极222或金属腔壁之间绝缘，绝缘环境可以让棒状电极221和环状电极222或金属腔壁之间形成电势差，是电离气体的必要条件。
优选的，棒状电极221为钨棒电极，钨的熔点为金属之冠，其具有低电阻率，高导热率，易起弧、良好的电子发射性，不喷溅，有良好的抗蚀性和抗变形性。
实施例6
本实施例的一种太阳能电池片的防损伤切割装置，其基本结构与实施例5相同，其改进在于：
等离子体发生装置2的等离子体电源22可以是直流电源、交流电源、射频电源或脉冲电源，等离子体放电功率在100W-5000W范围可调。
优选的，可以选择射频电源，经过AC→DC→AC变换出高频率的电源称为射频电源，一般工业用的频率有13.56MHz，27.12MH，40.68MHz，81.36Mhz等几个授权的频段，它有别于用于一般的直流电源和220v的逆变电源，主要是频率上的区别，通过射频放大电路输出高频率的正弦波。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于50欧姆、电压波形为纯正弦波(无失真)，射频电源十分接近于理想交流电源。因而使用射频电源作为等离子体电源22的效果较好。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于，按照如下步骤：
S1、将硅太阳能电池片(3)放置在承载台(4)上；
S2、激光装置(1)产生激光(11)切割硅太阳能电池片(3)，产生断面；
S3、等离子体发生装置(2)产生等离子体喷焰(21)处理产生的断面，在断面表面产生一层氧化硅钝化层；
其中等离子体发生装置(2)的气体源由包括O2的气体组成；S1步骤之后直接进行S2步骤，S2步骤之后直接进行S3步骤。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于：所述的等离子体发生装置(2)喷焰的轨迹与激光装置(1)切割轨迹相同。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于：所述的激光(11)为紫外光、可见光或红外光，激光波长为200nm到1064nm，激光功率在20W-50W之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于：所述的激光切割宽度为10um-200um，所述的等离子体发生装置(2)的等离子体放电功率在100W-5000W范围内；所述的等离子体发生装置(2)的气体源(25)气体输入流量在10-1000sccm之间，所述的等离子体喷焰(21)长度为1-50mm，直径0.1-5mm；所述的等离子体喷焰(21)距离硅太阳能电池片(3)距离不大于20mm。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于：所述的气体源(25)为O2；或：所述气体源(25)包括第一气体源(23)和第二气体源(24)，所述第一气体源(23)为O2，第二气体源(24)为Ar或其他惰性气体。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，其特征在于：第二气体源(24)为Ar，工作时O2和Ar的流量比为3：1到10：1。
7.一种太阳能电池片的防损伤切割装置，其特征在于，使用权利要求1-6中任一项所述的太阳能电池片的防损伤切割方法，还包括：
承载台(4)，该承载台(4)水平设置，用于承载硅太阳能电池片(3)；
激光装置(1)，其垂直于承载台(4)，用于发射激光(11)，切割硅太阳能电池片(3)；
等离子体发生装置(2)，其垂直于承载台(4)，用于发生等离子体喷焰(21)，处理激光装置(1)切割产生的断面，所述等离子体发生装置(2)包括等离子体电源(22)、棒状电极(221)和气体源(25)，其中气体源(25)至少包括O2。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池片的防损伤切割装置，其特征在于：所述等离子体发生装置(2)还包括环状电极(222)或金属腔壁，所述棒状电极(221)与所述环状电极(222)或所述金属腔壁之间绝缘。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池片的防损伤切割装置，其特征在于：所述棒状电极(221)为钨棒电极。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池片的防损伤切割装置，其特征在于：所述等离子体发生装置(2)的等离子体电源(22)是直流电源或交流电源。
11.根据权利要求9所述的太阳能电池片的防损伤切割装置，其特征在于：所述等离子体发生装置(2)的等离子体电源(22)是射频电源或脉冲电源。
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