CN114335251A - 激光刻划设备、薄膜光伏芯片的刻划方法和发电建筑板材 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光伏技术领域，公开了一种激光刻划设备、薄膜光伏芯片的刻划方法和发电建筑板材。本申请的激光刻划设备输出的目标光束的光斑为矩形光斑，并且该目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布为平顶分布，也即目标光束为二维平顶光束。相对于现有技术中使用的高斯光束，目标光束的光斑具有光强分布均匀的特点，这使得利用目标光束进行刻划所产生的划线，在宽度方向上透光性是均匀的，不容易现有技术中存在的光斑中心能量密度高，烧蚀量大，边缘能量密度低，烧蚀不充分，所导致的划线边缘透光程度不均匀的问题。本申请的发电建筑板材所采用的薄膜光伏芯片是由上述的激光刻划设备或者刻划方法制作得来的，能够为用户提供较佳的使用体验。

Description

激光刻划设备、薄膜光伏芯片的刻划方法和发电建筑板材

技术领域

本申请涉及光伏技术领域，具体而言，涉及一种激光刻划设备、薄膜光伏芯片的刻划方法和发电建筑板材。

背景技术

光伏建筑一体化(BIPV)是一种将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。光伏建筑一体化是光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。发电建筑板材可以是具备光电转换能力的屋顶、外墙等，发电建筑板材使用到了薄膜光伏芯片，比如碲化镉薄膜芯片。在一些场景下，比如利用薄膜光伏芯片应用到玻璃窗上时，需要薄膜光伏芯片具有一定透光性，才能保证室内采光。因此需要在制作薄膜光伏芯片时对芯片内的光吸收层(难以透光)进行刻划，去除掉一部分光吸收层材料，刻划之后形成的划线能够供光线穿过。已有的方法是采用激光对光吸收层进行烧蚀来去除光吸收层的部分材料，但是现有的刻划设备以及刻划方法存在刻划效果差的问题，带来的影响就是薄膜光伏芯片以及发电建筑板材的使用体验较差。

发明内容

本申请的目的包括提供一种激光刻划设备和薄膜光伏芯片的刻划方法，其对薄膜光伏芯片的光吸收层的刻划效果好。本申请还提供一种发电建筑板材，其包含上述刻划方法制得的薄膜光伏芯片，能够为用户提供较佳的使用体验。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请提供一种激光刻划设备，用于对薄膜光伏芯片进行刻划，激光刻划设备包括激光器和振镜系统，激光器用于向振镜系统输出初始光束，振镜系统被设置为调节初始光束的传输方向以输出目标光束，初始光束与目标光束的光斑形状均为矩形，并且初始光束与目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布均为平顶分布。

在可选的实施方式中，目标光束的光斑的长度和/或宽度的范围为300～500μm。

在可选的实施方式中，振镜系统还被设置为通过调整光程来调节目标光束的光斑尺寸。

在可选的实施方式中，目标光束的光斑形状为方形，光斑的边长调节范围为300～500μm。

在可选的实施方式中，激光器包括激光发生器和整形装置，整形装置用于将激光发生器发出的光束整形为二维平顶光束。

第二方面，本申请提供一种薄膜光伏芯片的刻划方法，包括使用前述实施方式中任一项的激光刻划设备产生的目标光束烧蚀薄膜光伏芯片中的一部分光吸收层以形成划线。

第三方面，本申请提供一种薄膜光伏芯片的刻划方法，包括：

利用光斑形状为矩形的目标光束烧蚀薄膜光伏芯片中的一部分光吸收层以形成划线，目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布均为平顶分布。

在可选的实施方式中，目标光束的长度和/或宽度的范围为300～500μm。

在可选的实施方式中，划线为直线，且多条划线在薄膜光伏芯片上相互平行且均匀间隔。

在可选的实施方式中，划线的宽度为300～500μm。

第四方面，本申请提供一种发电建筑板材，包括前述实施方式或前述实施方式中任一项的薄膜光伏芯片的刻划方法制得的薄膜光伏芯片。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请实施例提供的激光刻划设备输出的目标光束的光斑为矩形光斑，并且该目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布为平顶分布，也即目标光束为二维平顶光束。相对于现有技术中使用的高斯光束，目标光束的光斑具有光强分布均匀的特点，也即光斑的能量密度在长度和宽度方向上是比较均匀的，光斑边缘的能量与中心能量大体一致。这使得利用目标光束进行刻划所产生的划线，在宽度方向上透光性是均匀的，不容易现有技术中存在的光斑中心能量密度高，烧蚀量大，边缘能量密度低，烧蚀不充分，所导致的划线边缘透光程度不均匀的问题。因此，本申请实施例提供的激光刻划设备以及所采用的刻划方法具有刻划效果好，刻划精度高，容易精确控制透光率的优点。

此外，本申请实施例提供的发电建筑板材所采用的薄膜光伏芯片是由上述的激光刻划设备或者刻划方法制作得来的，能够为用户提供较佳的使用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一种实施例中激光刻划设备的示意图；

图2为在一个维度下高斯光束与平顶光束的光强分布示意图；

图3为高斯光束与平顶光束烧蚀出的划线区域的示意图。

图标：010-激光刻划设备；100-激光器；110-激光发生器；120-整形装置；200-振镜系统；020-初始光束；030-目标光束。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

现有的光伏建筑一体化领域中，有时为了满足一些室内采光需求(比如发电建筑板材应用在玻璃外墙)，需要发电建筑板材一定的透光率。在制作需要透光的发电建筑板材中的薄膜光伏芯片时，会利用激光对薄膜光伏芯片中的不透光材料进行烧蚀，去除掉一部分不透光材料来使整个薄膜光伏芯片具有一定的透光性。比如薄膜光伏芯片中的光吸收层是用于吸收光能，将其转化为电能的材料，如果要使薄膜光伏芯片具有一定的透光率，就需要利用激光烧蚀掉一部分光吸收层，形成划线，划线的区域就是能够透光的区域，通过控制划线的面积在整个薄膜光伏芯片上的占比，就可以控制薄膜光伏芯片的透光率。

相关的现有技术中，刻划薄膜光伏芯片所采用的激光光束为高斯光束，其光斑为圆形，具有中心光强高，边缘光强低的特点。而光强与能量密度呈正相关，这就导致了光束在烧蚀光吸收层时，光斑的中心和边缘烧蚀程度不同，使得划线区域的透光性不均匀，尤其是在靠近划线的边缘处，可能因为能量密度低而导致烧蚀不充分，而如果要保证边缘也具有较高的能量密度，足以充分烧蚀，那么就需要光斑中心的能量密度达到较高的水平。而光斑的中心能量密度过多地超出烧蚀光吸收层所必要的阈值，会导致能量的浪费，也可能会导致过度烧蚀，产品仍会表现出不均匀的问题。发明人发现，如果采用方形光纤对高斯光束的光斑形状进行调整，保留光斑中部方形区域，呈现出方形光斑。虽然截去了圆形光斑周围的一部分低能量密度区域，但依然无法改变光斑的光强分布仍是高斯分布的事实，仍然存在烧蚀出来的划线边缘不清晰，划线区域透光不均匀的问题。而且，扫描振镜移动时，如果光纤较细就容易断裂，因此，利用过细的方形光纤制作出小光斑并刻划出窄划线(比如宽度500μm以下)是难以实现的。

图1为本申请一种实施例中激光刻划设备010的示意图。如图1所示，本申请实施例提供的激光刻划设备010包括激光器100和振镜系统200。激光器100用于向振镜系统200输出初始光束020，振镜系统200被设置为调节初始光束020的传输方向以输出目标光束030。应理解，振镜系统200可以包括多个镜片，通过调整角度来改变光路。振镜系统200可以设置为可移动式，使得其能够在工件(比如薄膜光伏芯片的半成品)上方移动来调整目标光束030在工件上形成光斑的位置，从而刻划出预设图案的划线。当然，也可以通过振镜系统200调整目标光束030的出射方向，使得振镜系统200在固定位置的情况下，也能够控制目标光束030的光斑按照预设的路径移动，烧蚀出期望得到的划线图案。

可选的，激光器100包括激光发生器110和整形装置120，整形装置120用于将激光发生器110发出的光束整形为二维平顶光束。激光发生器110作为光源，能够发出532nm激光，整形装置120为平顶光束整形器。因此，通过激光发生器110和整形装置120就能制作出平顶光束作为初始光束020。在本实施例中，初始光束020的光斑形状为矩形，也即，初始光束020的光斑为平顶光斑。

平顶光斑的特点是在长度、宽度方向上的光强分布为平顶分布，即在长度方向上和宽度方向上光强是比较均匀的，因此也称平顶光束为二维平顶光束。图2为在一个维度下高斯光束与平顶光束的光强分布示意图。如图2所示，左侧的曲线图为高斯光束的光斑的光强分布，右侧的曲线图为平顶光束的光强分布。本实施例中的激光器100产生的初始光束020的光斑在相互垂直的两个方向上的光强分布都是均匀的，因此整个光斑的能量分布是均匀的。光斑边缘是锐利(清晰)的，不会存在高斯光束的光斑那样存在边缘光强逐渐降低的情况。因此利用平顶光束刻划而产生的划线具有清晰的边界，这样能够使划线区域中无论是中心还是边缘的光吸收层材料都能够被彻底地烧蚀掉，从而是划线区域的透光性均匀，而非划线区域的光吸收层材料保持完好，具有清晰边界。图3为高斯光束与平顶光束烧蚀出的划线区域的示意图。其中左侧的划线区域为高斯光束烧蚀出来的划线区域；右侧的划线区域为平顶光束烧蚀出来的划线区域。高斯光束的中部与边缘的能量密度相差很大，造成了划线区域边缘的热影响区较宽，热影响区的烧蚀程度是极不均匀的，这也导致了划线边缘不清晰；而高斯光束中部能量密度过高，这部分是多余的能量，使得除膜过程可能造成光吸收层之下的层结构(比如窗口层、透明导电层)损伤，这些损伤也会导致划线区域在视觉上的均匀性差。而平顶光束的光斑中，能量分布均匀，只需要将能量密度控制在足以烧蚀吸收层即可，由于边缘与中心的能量密度大体一致，因此刻划出来的划线边缘清晰锐利，热影响区较小。而且平顶光束的光斑中能量密度的峰值容易控制，不会高出烧蚀阈值过多，因此不容易造成损伤。

应当理解，由于实际控制精度原因，平顶光束的光斑的光强分布并不一定严格的完全均匀，“平顶分布”是区别于高斯分布的一种分布形式，在“平顶”部分大致均匀，但也允许有一些波动。

在本实施例中，由于振镜系统200起到输送光线的作用，并不对光斑形状产生影响，因此目标光束030与初始光束020的光斑形状相同，也为矩形。通过对振镜系统200调整，初始光束020进入后具有合理的光程，最终输出目标光束030，目标光束030用于除膜(去除光吸收层)。振镜系统200可选用现有技术中的振镜系统200，此处不再对其原理详细介绍。激光器100可以选用InnoSlab激光器100，其能够产生二维平顶光束。

在本实施例中，初始光束020和目标光束030的光斑形状具体可以是方形，在经过振镜系统200的光路调整后，目标光束030的光斑长度和/或宽度控制在300～500μm。目标光束030的光斑长度和宽度控制在300～500μm，能够单次刻划出宽度为300～500μm的划线。根据对人眼目视感受的相关研究发现，将划线的宽度控制在300～500μm，并且均匀间隔地分布在薄膜光伏芯片上，人肉眼观看薄膜光伏芯片，无眩晕感。相对于采用其他线宽制作相同透光率(即划线面积与芯片总面积比例相同)的薄膜光伏芯片，其舒适度较佳，有利于提高用户的使用体验。

当然，在可选的实施方式中，振镜系统200可以具有通过调整光程来调节目标光束030的光斑尺寸的功能，这样可以灵活地控制单条划线的线宽。进一步的，光斑的边长可调节范围为300～500μm。

应当理解，在对薄膜光伏芯片进行刻划时，可以将划线平行地、均匀间隔地布置在薄膜光伏芯片上。根据所需要的透光率，决定相邻划线的间距，如果透光率要求高，则增加划线密度；反之，则减小划线密度。比如，若需要整个薄膜光伏芯片的透光率高于40％，那么应使划线区域的面积至少达到薄膜光伏芯片的总面积的40％以上。应当理解，随着透光率增加，光吸收层占比就越低，发电能力会有所下降。

当然，本申请实施例提供的激光刻划设备010还可以包含更多的装置，比如除尘装置、输送装置等，输送装置可以是气浮装置，其具备较快的输送速度，同时也能够避免工件划伤或者沾染灰尘。

本申请实施例还提供一种薄膜光伏芯片的刻划方法，包括利用光斑形状为矩形的目标光束030烧蚀薄膜光伏芯片中的一部分光吸收层以形成划线，目标光束030的光斑在长度和宽度方向上的光强分布均为平顶分布。本申请实施例提供的薄膜光伏芯片的刻划方法可以通过上述实施例提供的激光刻划设备010来实现。

进一步的，目标光束030的光斑的长度和/或宽度的范围为300～500μm。可选的，目标光束030的光斑为方形光斑。本实施例中，划线的宽度为300～500μm，即划线为单次刻划产生。使用300～500μm的方形光斑进行刻划，单次刻划产生的划线宽度也为300～500μm，而且边缘去清晰锐利，划线区域内透光性均匀，具有较佳的视觉效果。可选的，划线为直线，且多条划线在薄膜光伏芯片上相互平行且均匀间隔。

当然，在可选的其他实施例中，刻划出的具体图形可以根据需要进行设置，也可以采用拼接的形式利用300～500μm的方形光束划出较宽的划线；或者采用多个激光器100和振镜系统200同时进行刻划，各个目标光束030刻划出的图形拼接在一起形成整个薄膜光伏芯片的划线图形。

另外，本申请实施例提供的发电建筑板材(图中未示出)所采用的薄膜光伏芯片是由上述的激光刻划设备010或者刻划方法制作得来的。发电建筑板材可以是发电幕墙、房屋顶板等类型。

综上所述，本申请实施例提供的激光刻划设备010输出的目标光束030的光斑为矩形光斑，并且该目标光束030的光斑在长度和宽度方向上的光强分布为平顶分布，也即目标光束030为二维平顶光束。相对于现有技术中使用的高斯光束，目标光束030的光斑具有光强分布均匀的特点，也即光斑的能量密度在长度和宽度方向上是比较均匀的，光斑边缘的能量与中心能量大体一致。这使得利用目标光束030进行刻划所产生的划线，在宽度方向上透光性是均匀的，不容易现有技术中存在的光斑中心能量密度高，烧蚀量大，边缘能量密度低，烧蚀不充分，所导致的划线边缘透光程度不均匀的问题。因此，本申请实施例提供的激光刻划设备010以及所采用的刻划方法具有刻划效果好，刻划精度高，容易精确控制透光率的优点。

此外，本申请实施例提供的发电建筑板材所采用的薄膜光伏芯片是由上述的激光刻划设备010或者刻划方法制作得来的，能够为用户提供较佳的使用体验。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种激光刻划设备，用于对薄膜光伏芯片进行刻划，其特征在于，所述激光刻划设备包括激光器和振镜系统，所述激光器用于向所述振镜系统输出初始光束，所述振镜系统被设置为调节所述初始光束的传输方向以输出目标光束，所述初始光束与所述目标光束的光斑形状均为矩形，并且所述初始光束与所述目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布均为平顶分布。

2.根据权利要求1所述的激光刻划设备，其特征在于，所述目标光束的光斑的长度和/或宽度的范围为300～500μm。

3.根据权利要求1所述的激光刻划设备，其特征在于，所述振镜系统还被设置为通过调整光程来调节所述目标光束的光斑尺寸。

4.根据权利要求3所述的激光刻划设备，其特征在于，所述目标光束的光斑形状为方形，所述光斑的边长调节范围为300～500μm。

5.根据权利要求1所述的激光刻划设备，其特征在于，所述激光器包括激光发生器和整形装置，所述整形装置用于将所述激光发生器发出的光束整形为二维平顶光束。

6.一种薄膜光伏芯片的刻划方法，其特征在于，包括使用权利要求1-5中任一项所述的激光刻划设备产生的所述目标光束烧蚀薄膜光伏芯片中的一部分光吸收层以形成划线。

7.一种薄膜光伏芯片的刻划方法，其特征在于，包括：

利用光斑形状为矩形的目标光束烧蚀薄膜光伏芯片中的一部分光吸收层以形成划线，所述目标光束的光斑在长度和宽度方向上的光强分布均为平顶分布。

8.根据权利要求7所述的薄膜光伏芯片的刻划方法，其特征在于，所述目标光束的长度和/或宽度的范围为300～500μm。

9.根据权利要求7所述的薄膜光伏芯片的刻划方法，其特征在于，所述划线为直线，且多条所述划线在所述薄膜光伏芯片上相互平行且均匀间隔。

10.根据权利要求9所述的薄膜光伏芯片的刻划方法，其特征在于，所述划线的宽度为300～500μm。

11.一种发电建筑板材，其特征在于，包括权利要求6或权利要求7-10中任一项所述的薄膜光伏芯片的刻划方法制得的薄膜光伏芯片。

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