CN111571006A - 电池片的分割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了电池片的分割方法，其可以降低分割过程对电池片的效率损失与机械强度损失，且其产生的粉尘少，确保安全操作。根据电池片预设分割为N块小片的尺寸设定M条直线分割线的位置，其中N‑M＝1，之后通过脉冲激光在电池片的表面的每条直线分割线的两端开槽，之后通过连续或准连续的激光加热分裂每条直线分割线，激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动，最终使得电池片沿着直线分割线裂开；在激光加热分裂每条直线分割线之前，预先把电池片预热到30℃以上、90℃以下，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂。

Description

电池片的分割方法
技术领域
本发明涉及电池片分割的技术领域，具体为电池片的分割方法。
背景技术
无论是光伏半片组件、多主栅组件、或是叠瓦组件都需要将一张完整的电池片分割成一半甚至更多小片，然后用焊带(半片与多主栅)或者导电胶(叠瓦)将分割后的电池片连成一串形成电池串进而形成光伏组件。现有技术的电池片的分割方法采用平均功率为十几瓦到上百瓦的1064nm的光纤脉冲激光进行切割，其首先对电池片按照事先规定的分割线进行扫描切割，切割深度为电池片厚度的40％-60％不等，在切割完成之后，电池片还是完整的，然后采用机械掰片的方式把电池片沿分割线彻底分开。上述方法中激光脉冲宽度为几百纳秒以下，脉冲重复频率为几十千赫兹到上千千赫兹。这种脉冲激光能产生几千到上万瓦的峰值功率，如此高的峰值功率把电池片沿分割线的材料(包括但不限于为硅、铝、氮化硅等)瞬间加热到材料的熔点以上(大于1400℃)熔化甚至气化从而从电池片表面移除。
该分割方法有几个明显的缺点：一个缺点是高峰值功率的脉冲激光将电池片表面沿切割线熔化或气化，降低了电池片的光电转换效率，为了减少效率损失，往往是在电池片背面进行激光切割，但即使这样仍然会有0.3-0.5％左右的效率损失(比如，电池片切割前光电转换效率为22.5％，切割一条分割线50％深度后，转换效率降低到22.0％)，采用激光对电池片背面切割，在定位精度要求很高的情况下，也会造成操作上的极大不便，原因是电池片分割线的位置往往是按照电池片正面栅线的位置布置的，在对切割位置精度要求不高的时候，可以采用电池片的轮廓定位来确定激光在哪里切割电池片，但是如果对定位精度要求很高，比如小于±0.1mm，轮廓定位的精度就不够了，这时候采用正面栅线定位，也就是定位面与激光切割面正好相反，这就要求或者是把定位的光学系统倒置或者是把激光从下往上照射，这样会导致复杂的结构甚至安全隐患；
另一个缺点是在切割过程中产生大量粉尘，当车间弥漫大量粉尘时候具有安全隐患，可能会引起爆炸，所以每一台电池片激光切割设备不得不配备除尘柜，并且组件生产车间也必须配备相应的除粉尘装置(如特别的管道等)；
还有一个缺点是上述方法降低电池片的机械强度。激光沿整个分割线刻出深度50％的槽，本身就会降低电池片强度，随后的机械掰片也有可能进一步损伤电池片。
近年光伏晶硅电池片有两大发展。一个发展是基于12英寸单晶硅的210x210mm电池片(根据电池片的导角大小，尺寸会有相应的变化)，以下简称210电池片。大电池片的面积比目前最流行的基于9英寸的电池片(如156x156mm或者该尺寸附近的尺寸，以下简称156电池片)大了80％以上，在做成多主栅组件的时候，需要三分片，如果用前述激光切割整条分割线再辅助以机械掰片，电池片的效率损失与机械强度损失都会更甚于156电池片分割成两个半片。另一个发展是异质结(HJT)电池。这种电池片具有较高的光电转换效率。HJT电池片制造工艺环节温度一般在200℃左右，所以在分割过程中也要求加工电池片表面加工温度控制在几百摄氏度的范围内，过高的加工温度会导致电池片性能的降低。比如，加工时间如果略长于一秒，电池片表面温度应控制在300℃以下，如果加工时间小于一秒，电池片表面温度瞬时超过300℃对电池片性能影响不大。HJT电池片在多长时间能够承受多高的温度而不会显著影响电池片性能，业界目前并没有明确的数据，但超过1000℃是显然不能接受的。由210电池片以及HJT电池片的特点可知，前述激光切割整条分割线50％左右深度辅助以机械掰片并不适合210电池片与HJT电池片。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了电池片的分割方法，其可以降低分割过程对电池片的效率损失与机械强度损失，且其产生的粉尘少，确保安全操作。
电池片的分割方法，其特征在于：根据电池片预设分割为N块小片的尺寸设定M条直线分割线的位置，其中N-M＝1，之后通过脉冲激光在电池片的表面的每条直线分割线的两端开槽，之后通过连续或准连续的激光加热分裂每条直线分割线，激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动，最终使得电池片沿着直线分割线裂开；在激光加热分裂每条直线分割线之前，预先把电池片预热到30℃以上、90℃以下，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂；。
其进一步特征在于：
对于双面电池，在电池片的正面或电池片的背面均可进行上述分割作业，对于单面电池片，由于单面电池片有铝背场，需要在电池片正面进行上述分隔作业；
当需要有相对宽的工艺窗口时，在激光加热分裂每条直线分割线的时候，用一个喷雾系统跟随激光，所述喷雾系统与激光光斑保持固定的位置关系，当激光光斑扫描加热经过电池片分割线的时候，所述喷雾系统也紧随光斑之后对电池片表面喷射水雾，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂；
在激光加热开裂进入电池片与离开电池片的时候，也就是在电池片的边缘，同时也是脉冲激光开槽的位置，降低激光进入与/或离开电池片时候的功率，亦即激光扫描加热电池片的过程中，根据光斑所处的位置实时改变激光功率，用较低的激光功率加热电池片分割线至少一端的一定长度区域，用较高的激光功率加热电池片分割线中间的区域。这样做可以确保电池片两端开裂沿着开槽线段，并且裂开后断面具有较好的形貌。这样做的原因是，当激光光斑处于电池片内部的时候，光斑加热的位置热量会向四周传递，当激光光斑位于电池片边缘的时候，光斑加热的位置热量只能向电池片内侧传递，如果采用相同的激光功率加热，边缘温度会比内部温度高，使得电池片在边缘开裂难以控制；
具体实施时，开槽工序采用1064nm或者532nm的纳秒脉冲激光器在电池片分割线的两头开槽，脉冲激光平均功率为10W～200W，脉冲宽度为1ns～300ns，单脉冲能量为0.1mJ～1mJ,脉冲重复频率为20KHz-1000KHz；
所述电池片的直线分割线的两端每端的开槽长度为0.5mm～15mm、开槽深度为10～100um、开槽宽度为10～40um；
所述开槽工序中的脉冲激光通过振镜场镜扫描的方式开槽，脉冲激光通过场镜聚焦到电池片表面，振镜使得脉冲激光一次或多次反复扫描需要开槽的位置进行开槽；
所述开槽工序中通过激光头把脉冲激光聚焦在电池片表面，然后电池片与激光发生相对位移，激光扫描一次或多次反复经过需要开槽的位置、形成预设的开槽；
激光加热开裂工序采用连续激光加热分裂电池片，激光波长为800nm～1100nm、激光功率为100W～2000W，激光光斑具体为圆形或方形，所述激光的宽度面域尺寸为0.5mm～6mm；使用连续激光的时候，可以采用1KHz-100KHz的脉冲调制，改变占空比来实时改变激光加热电池片的功率；
所述激光加热开裂工序中的激光具体为半导体连续激光、光纤连续激光或者准连续激光；
激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动具体为电池片匀速运动或激光光斑匀速运动；
所述激光光斑匀速运动具体包括激光头沿直线分割线运动、或激光光斑通过场镜投射到电池片后再通过振镜扫描过电池片的直线分割线；
所述激光光斑和电池片之间的相对匀速运动的速度为250-4000mm/s，速度与激光功率有关，激光功率大，选用高速度，激光功率小，选用低速度；激光光斑扫描加热过程中，电池片的温度(主要是沿分割线的温度)随时间与空间都有变化，最高升至200-800℃，最高温度与设定的激光功率，扫描速度，以及光斑大小都有关系。
采用本发明后，根据电池片预设分割为N块小片的尺寸设定M条直线分割线的位置，其中N-M＝1，之后通过激光在电池片的表面的每条直线分割线的两端开槽，之后通过连续的激光加热分裂每条直线分割线，激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动，最终使得电池片沿着直线分割线裂开，其可以降低分割过程对电池片的效率损失与机械强度损失，且其产生的粉尘少，确保安全操作。
附图说明
图1为本发明的具体实施例一的结构示意图；
图2为本发明的具体实施例二的结构示意图；
图中序号所对应的名称如下：
HJT电池片1、直线分割线2、开槽3、210电池片4。
具体实施方式
电池片的分割方法：根据电池片预设分割为N块小片的尺寸设定M条直线分割线的位置，其中N-M＝1，之后通过脉冲激光在电池片的表面的每条直线分割线的两端开槽，之后通过连续或准连续的激光加热分裂每条直线分割线，激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动，最终使得电池片沿着直线分割线裂开；在激光加热分裂每条直线分割线之前，预先把电池片预热到30℃以上、90℃以下，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂。
对于双面电池，在电池片的正面或电池片的背面均可进行上述分割作业，对于单面电池片，由于单面电池片有铝背场，需要在电池片正面进行上述分隔作业；
在激光加热分裂每条直线分割线时，用一个喷雾系统跟随激光，喷雾系统与激光光斑保持固定的位置关系，当激光光斑扫描加热经过电池片分割线的时候，喷雾系统也紧随光斑之后对电池片表面喷射水雾，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂；
在激光加热开裂进入电池片与/或离开电池片的时候，也就是在电池片的边缘，同时也是脉冲激光开槽的位置，降低激光进入与离开电池片时候的功率，从而降低边缘温升，使得分割线首尾两端开裂更规整；
具体实施时，开槽工序采用1064nm或者532nm的纳秒脉冲激光器在电池片分割线的两头开槽，脉冲激光平均功率为10W～200W，脉冲宽度为1ns～300ns，单脉冲能量为0.1mJ～1mJ，脉冲重复频率为20KHz-1000KHz；
电池片的直线分割线的两端每端的开槽长度为0.5mm～15mm、开槽深度为10～90um、开槽宽度为10～40um；
开槽工序中的脉冲激光通过振镜场镜扫描的方式开槽，脉冲激光通过场镜聚焦到电池片表面，振镜使得脉冲激光一次或多次反复扫描需要开槽的位置进行开槽；
开槽工序中通过激光头把激光聚焦在电池片表面，然后电池片与激光发生相对位移，激光扫描一次或多次反复经过需要开槽的位置、形成预设的开槽；
激光加热开裂工序采用连续激光加热分裂电池片，激光波长为800nm～1100nm、激光功率为100W～2000W，激光光斑具体为圆形或方形，激光的宽度面域尺寸为0.5mm～6mm；
激光加热开裂工序中的激光具体为半导体连续激光、光纤连续激光或者准连续激光；
激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动具体为电池片匀速运动或激光光斑匀速运动；
激光光斑匀速运动具体包括激光头沿直线分割线运动、或激光光斑通过场镜投射到电池片后再通过振镜扫描过电池片的直线分割线；
激光光斑和电池片之间的相对匀速运动的速度为250-4000mm/s，速度与激光功率有关，激光功率大，选用高速度，激光功率小，选用低速度；激光光斑扫描加热过程中，电池片的温度(主要是沿分割线的温度)随时间与空间都有变化，最高升至200-800℃，最高温度与设定的激光功率，扫描速度，以及光斑大小都有关系。
具体实施例一、分割HJT电池片1(异质结电池)、见图1：
1将电池片分割形成两小片，将电池片的宽度方向中心线作为直线分割线2，之后脉冲激光通过场镜聚焦到电池片表面，振镜使得脉冲激光一次或多次反复扫描直线分割线2的长度方向两端的开槽的位置形成两端的开槽3，其中激光采用1064nm的纳秒脉冲激光器，激光开槽的功率为50W，脉冲宽度为50ns，单脉冲能量为0.5mJ，脉冲重复频率为100KHz，直线分割线的两端的开槽长度为2mm，开槽深度为50um，开槽宽度为30um，比较窄的槽可以使得分割线位置波动更小；
2电池片预热到50℃，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂；
3连续激光加热分裂电池片，其采用光纤连续激光、激光波长为1030nm，激光功率为600W，在对应开槽的位置处时激光功率下降为300W，激光光斑是高斯分布的圆形，光斑的宽度面域为2mm，电池片静止，激光光斑通过场镜投射到电池片后再通过振镜扫描经过电池片的直线分割线，匀速度为800mm/s将电池片沿直线分割线裂开、完成分割。
上述操作同时适用于将156～166或者其他尺寸的单晶电池片分割成两个半片。在分割非HJT电池片的时候，比如Perc单晶电池，可以用加热激光尾随喷雾的方法让该过程具有更宽的工艺窗口。
具体实施例二、分割210电池片4(异质结电池)、见图2：
1将电池片分割形成三小片，将电池片的宽度方向通过两条直线分割线2划分为三小片，通过激光头把激光聚焦在电池片表面，然后电池片与激光发生相对位移，激光扫描一次或多次反复经过需要开槽的位置、形成预设的开槽3，使得电池片所对应的两条直线分割槽的长度方向两端分别开槽，其中激光采用532nm的纳秒脉冲激光器，激光开槽的功率为20W，脉冲宽度为50ns，单脉冲能量为0.3mJ，直线分割线的两端的开槽长度为3mm，开槽深度为30um，开槽宽度为10um，比较窄的槽可以使得分割线位置波动更小；
2电池片预热到55℃，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂；
3连续激光加热分裂电池片。电池片通过外部直线运动机构驱动做匀速直线运动使得分割线经过激光光斑，速度为700mm/s。加热激光采用光纤连续激光、激光波长为1050nm，激光功率为400W，在对应开槽(也就是光斑进入电池片与离开电池片)的位置处时激光功率下降为200W，激光光斑是高斯分布的圆形，光斑的宽度面域为1mm。电池片分割线经过该加热激光光斑(光斑尾随喷雾)后沿光斑路径分裂。由于210电池片分割成三分片有两个分割线，可以用一套上述加热激光系统产生一个激光光斑，通过移动电池片或者激光光斑位置先后分裂两条分割线，也可以采用两套相同的上述加热激光系统同时产生两个激光光斑同时分裂两条分割线。
具体实施例一、具体实施例二中的直线分割线均为虚拟的分割线。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.电池片的分割方法，其特征在于：根据电池片预设分割为N块小片的尺寸设定M条直线分割线的位置，其中N-M＝1，之后通过脉冲激光在电池片的表面的每条直线分割线的两端开槽，之后通过连续或准连续的激光加热分裂每条直线分割线，激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动，最终使得电池片沿着直线分割线裂开；在激光加热分裂每条直线分割线之前，预先把电池片预热到30℃以上、90℃以下，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂。
2.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：对于双面电池，在电池片的正面或电池片的背面均可进行上述分割作业，对于单面电池片，由于单面电池片有铝背场，需要在电池片正面进行上述分隔作业。
3.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：当需要有相对宽的工艺窗口时，在激光加热分裂每条直线分割线的时候，用一个喷雾系统跟随激光，所述喷雾系统与激光光斑保持固定的位置关系，当激光光斑扫描加热经过电池片分割线的时候，所述喷雾系统也紧随光斑之后对电池片表面喷射水雾，确保电池片在激光加热分裂的状态下沿着直线分割线稳定开裂。
4.如权利要求1或3所述的电池片的分割方法，其特征在于：在激光加热开裂进入电池片与离开电池片的时候，也就是在电池片的边缘，同时也是脉冲激光开槽的位置，降低激光进入与/或离开电池片时候的功率，亦即激光扫描加热电池片的过程中，根据光斑所处的位置实时改变激光功率，用较低的激光功率加热电池片分割线至少一端的一定长度区域，用较高的激光功率加热电池片分割线中间的区域。
5.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：开槽工序采用1064nm或者532nm的纳秒脉冲激光器在电池片分割线的两头开槽，脉冲激光平均功率为10W～200W，脉冲宽度为1ns～300ns，单脉冲能量为0.1mJ～1mJ；所述电池片的直线分割线的两端每端的开槽长度为0.5mm～15mm、开槽深度为10～100um、开槽宽度为10～40um。
6.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：所述开槽工序中的脉冲激光通过振镜场镜扫描的方式开槽，脉冲激光通过场镜聚焦到电池片表面，振镜使得脉冲激光一次或多次反复扫描需要开槽的位置进行开槽。
7.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：所述开槽工序中通过激光头把脉冲激光聚焦在电池片表面，然后电池片与激光发生相对位移，激光扫描一次或多次反复经过需要开槽的位置、形成预设的开槽。
8.如权利要求1所述的电池片的分割方法，其特征在于：激光加热开裂工序采用连续激光加热分裂电池片，激光波长为800nm～1100nm、激光功率为100W～2000W，激光光斑具体为圆形或方形，所述激光的宽度面域尺寸为0.5mm～6mm；使用连续激光的时候，可以采用1KHz-100KHz的脉冲调制，改变占空比来实时改变激光加热电池片的功率；所述激光加热开裂工序中的激光具体为半导体连续激光、光纤连续激光或者准连续激光；激光光斑和电池片之间进行相对匀速运动具体为电池片匀速运动或激光光斑匀速运动。
9.如权利要求8所述的电池片的分割方法，其特征在于：所述激光光斑匀速运动具体包括激光头沿直线分割线运动、或激光光斑通过场镜投射到电池片后再通过振镜扫描过电池片的直线分割线。
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