CN114975689A - N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，包括控制模块、激光加工模块、拉曼测温模块和扫描模块。本发明提供一种N型Topcon电池的激光同轴加工温控系统，能实时监控激光在制备选择性发射极时表面的瞬态温度并对加工用激光的输出功率进行调整，以温度作为监控指标来防止过高的激光能量对Topcon电池的绒面造成损伤，提高了Topcon电池的整体转换效率，降低了监控加工效果的时间和人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏激光加工领域，尤其涉及N型Topcon电池的激光加工领域。
背景技术
N型Topcon电池作为一种新型高效电池，其具有转换效率高、抗光衰和抗污染能力强等特点。增加选择性发射极工序，Topcon电池能提升约0.4％的转化效率，是Topcon电池提效比较有效且具备量产可行性的方法。但由于硼原子在硼硅玻璃中的溶解度要大于其在硅中的溶解度，为了将硼原子向硅片中推进，激光需要更大的能量，但如果激光能量过大，又容易对电池片的绒面造成损伤，达不到增效的目的。为了能对激光加工效果进行管控，一般需要定时停机，抽检激光掺杂前后的方阻值，因此，这种管控方法具有一定的滞后性，无法实时监测加工用激光的实际状态，对产出电池片的质量也无法及时管控并作出调整。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，包括控制模块、激光加工模块、拉曼测温模块以及扫描模块；
所述控制模块包括控制软件和工控硬件，用于收集和处理其他三个模块的反馈信息以及控制其他三个模块的协同工作；
所述激光加工模块包括加工用激光器和加工用扩束器，其中加工用激光器发出的加工用激光被加工用扩束器进行光束变换后，作为制备Topcon电池选择性发射极的光源；
所述拉曼测温模块包括探测用激光器、探测用扩束器和拉曼光谱仪，其中探测用激光器在激光加工模块工作的同时发射探测用激光，激发Topcon电池选择性发射极的拉曼光谱，而拉曼光谱仪负责收集和检测拉曼光谱，根据拉曼光谱的频移情况分析出在制备选择性发射极时表面的瞬态温度；所述探测用激光的周期和所述加工用激光的周期一致；
所述扫描模块包括振镜、场镜和合束镜，其中合束镜将所述加工用激光和所述探测用激光合束成同轴光，振镜控制同轴光的扫描加工和检测，场镜将同轴光聚焦于加工平面。
作为本发明的进一步改进，所述加工用激光器发出的加工用激光的脉宽＜20纳秒，波长355纳米-532纳米。
作为本发明的进一步改进，所述探测用激光的脉宽＜所述加工用激光的脉宽，其脉宽为皮秒量级。
作为本发明的进一步改进，所述探测用激光的聚焦光斑尺寸＜加工用激光的聚焦光斑尺寸。
作为本发明的进一步改进，加工用扩束器对所述加工用激光进行准直扩束后，加工用激光光束经过第二反射镜的反射后进入扫描模块。
作为本发明的进一步改进，扫描模块的入口是一面合束镜，合束镜是一面二向色镜。
作为本发明的进一步改进，探测用激光器所处波长范围的光能够被透射，而波长短于所述探测用激光器光波长的光则会被反射，加工用激光器发出的加工用激光被合束镜反射，加工用激光光束被第一反射镜反射后，进入振镜，最后被场镜聚焦于Topcon电池片的表面。
作为本发明的进一步改进，延时一定的时间后，该时间小于加工用激光的脉冲持续时间，加工用激光聚焦光斑照射的位置的温度达到了最高值，此时，拉曼测温模块中的探测用激光器发出和加工用激光器相同周期的探测用激光，探测用激光被探测用扩束器扩束准直后透过二向色镜，所述二向色镜能透过探测用激光器所属波长的光，而波长＞探测用激光器光波长的光会被二向色镜反射。
作为本发明的进一步改进，准直后的探测用激光透过合束镜，然后经第一反射镜反射进入振镜，最终被场镜聚焦于Topcon电池片的表面。
作为本发明的进一步改进，探测用激光激发其聚焦区域的拉曼散射，拉曼散射中的斯托克斯散射沿探测用激光的原光路返回，由于斯托克斯散射的波长＞探测用激光的波长，因此斯托克斯散射能透过合束镜，然后被二向色镜反射，经过滤光片滤除其他波长的杂散光，然后经过第三反射镜，最后进入拉曼光谱仪，解调出温度信息后反馈给控制模块，控制模块根据测量温度和设定温度的差值对探测用激光器发出功率调整命令，探测用激光器根据命令调整输出功率，继续加工Topcon电池片。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种N型Topcon电池的激光同轴加工温控系统，能实时监控激光在制备选择性发射极时表面的瞬态温度并对加工用激光的输出功率进行调整，以温度作为监控指标来防止过高的激光能量对Topcon电池的绒面造成损伤，提高了Topcon电池的整体转换效率，降低了监控加工效果的时间和人力成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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。附图中：
图1为；N型Topcon电池同轴激光加工温控系统示意图；
图2为：加工用激光脉冲和探测用激光脉冲时序示意图。
图中各部件名称如下：
控制模块1、激光加工模块2、拉曼测温模块3、扫描模块4、二向色镜6、Topcon电池片7、滤光片8、加工用激光器21、加工用扩束器22、探测用激光器31、探测用扩束器32、拉曼光谱仪33、振镜41、场镜42、合束镜43、第一反射镜44、第二反射镜51、第三反射镜52。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明基于拉曼散射原理，利用和加工用激光同周期的探测用激光，能监控Topcon(Topcon:隧穿氧化层钝化接触)电池在制备选择性发射极时表面的瞬态温度，根据温度实时调整加工用激光模块的输出功率，避免激光在制备选择性发射极时对Topcon电池的绒面造成损伤，能推动Topcon电池降本增效的进程。
本发明提供一种Topcon电池的激光同轴加工温控系统，包括控制模块1、激光加工模块2、拉曼测温模块3以及扫描模块4；
所述控制模块1包括控制软件和工控硬件，用于收集和处理其他模块的反馈信息以及控制其他模块的协同工作；
所述激光加工模块2包括加工用激光器21和加工用扩束器22，其中加工用激光器21发出的加工用激光被加工用扩束器22进行光束变换后，作为制备Topcon电池选择性发射极的光源；所述加工用激光的脉宽＜20纳秒，波长355纳米-532纳米；
所述拉曼测温模块3包括探测用激光器31、探测用扩束器32和拉曼光谱仪33，其中探测用激光器31在激光加工模块工作的同时发射探测用激光，激发Topcon电池选择性发射极的拉曼光谱，而拉曼光谱仪负责收集和检测拉曼光谱，根据拉曼光谱的频移情况分析出在制备选择性发射极时表面的瞬态温度；所述探测用激光的脉宽＜所述加工用激光的脉宽，其脉宽为皮秒量级；所述探测用激光的周期和所述加工用激光的周期一致；
所述扫描模块4包括振镜41、场镜42和合束镜43，其中合束镜43将所述加工用激光和所述探测用激光合束成同轴光，振镜41控制同轴光的扫描加工和检测，而场镜42将同轴光聚焦于加工平面；所述探测用激光的聚焦光斑尺寸＜加工用激光的聚焦光斑尺寸。
如图1所示，在开始对N型Topcon电池2制备选择性发射极时，控制模块1发出加工信号，激光加工模块2中的加工用激光器21发出加工用激光，加工用扩束器22对所述加工用激光进行准直扩束后，加工用激光光束经过第二反射镜51的反射后进入扫描模块4。扫描模块4的入口是一面合束镜43，它实际上是一面二向色镜，探测用激光器31所处波长范围的光会被透射，而波长短于所述探测用激光器31光波长的光则会被反射，所述加工用激光器21的光波长＜探测用激光器31的光波长，因此加工用激光器发出的加工用激光被合束镜43反射，接下来，加工用激光光束被第一反射镜44反射后，进入振镜41，最后被场镜42聚焦于Topcon电池片7的表面。延时一定的时间后(该时间小于加工用激光的脉冲持续时间)，加工用激光聚焦光斑照射的位置的温度达到了最高值，此时，拉曼测温模块3中的探测用激光器31发出和加工用激光器21相同周期的探测用激光，探测用激光被探测用扩束器32扩束准直后透过二向色镜6，所述二向色镜6能透过探测用激光器所属波长的光，而波长＞探测用激光器光波长的光会被二向色镜6反射。准直后的探测用激光透过合束镜43，然后经第一反射镜44反射进入振镜41，最终被场镜42聚焦于Topcon电池片7的表面。探测用激光激发其聚焦区域的拉曼散射，拉曼散射中的斯托克斯散射沿探测用激光的原光路返回，由于斯托克斯散射的波长＞探测用激光的波长，因此斯托克斯散射能透过合束镜43，然后被二向色镜6反射，经过滤光片8滤除其他波长的杂散光，然后经过第三反射镜52，最后进入拉曼光谱仪33，解调出温度信息后反馈给控制模块1，控制模块1根据测量温度和设定温度的差值对探测用激光器31发出功率调整命令，探测用激光器31根据命令调整输出功率，继续加工Topcon电池片7。该温控系统根据这样的功率补偿机理，使加工用激光器21在制备选择性发射极时，加工用激光聚焦光斑中心的表面温度不偏离设定值。
为了能更清晰地说明探测用激光器和加工用激光器之间的激光脉冲时序以及进一步说明探测温度的准确性，以图2所示的加工用激光脉冲和探测用激光脉冲时序示意图进行说明。如图2所示，加工用激光器的激光脉冲和探测用激光器的激光脉冲周期一致，当加工用激光器的脉冲激光作用于Topcon电池片7表面后，聚焦光斑的温度在激光脉冲发出后开始升高，其温度在一个加工用激光脉冲的后半程达到最高值，当温度达到最高值后，探测用激光的激光脉冲开始发出，激发探测用激光聚焦光斑处材料的拉曼光谱，探测用激光的激光脉冲在加工用激光的激光脉冲结束之前，就已经提前结束，因此探测用激光测得的温度为加工用激光对材料进行加工时的最高温度，严格的脉冲时序控制保证了测量的可靠性。
综上所述，该N型Topcon电池同轴激光加工温控系统，通过同轴拉曼测温的原理以及严格的时序控制，能监测激光在制备选择性发射极时加工位置的温度，以温度作为指标对加工用激光的输出功率进行调控，避免了生产过程中，过高的激光输出功率对材料的绒面造成损伤，能够有效避免激光对绒面造成损伤的同时，提高了电池片激光掺杂的均匀性，更好地管控生产过程，帮助优质高效电池片的顺利产出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：
包括控制模块(1)、激光加工模块(2)、拉曼测温模块(3)以及扫描模块(4)；
所述控制模块(1)包括控制软件和工控硬件，用于收集和处理其他三个模块的反馈信息以及控制其他三个模块的协同工作；
所述激光加工模块(2)包括加工用激光器(21)和加工用扩束器(22)，其中加工用激光器(21)发出的加工用激光被加工用扩束器(22)进行光束变换后，作为制备Topcon电池选择性发射极的光源；
所述拉曼测温模块(3)包括探测用激光器(31)、探测用扩束器(32)和拉曼光谱仪(33)，其中探测用激光器(31)在激光加工模块工作的同时发射探测用激光，激发Topcon电池选择性发射极的拉曼光谱，而拉曼光谱仪负责收集和检测拉曼光谱，根据拉曼光谱的频移情况分析出在制备选择性发射极时表面的瞬态温度；所述探测用激光的周期和所述加工用激光的周期一致；
所述扫描模块(4)包括振镜(41)、场镜(42)和合束镜(43)，其中合束镜(43)将所述加工用激光和所述探测用激光合束成同轴光，振镜(41)控制同轴光的扫描加工和检测，场镜(42)将同轴光聚焦于加工平面。
2.根据权利要求1所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：所述加工用激光器(21)发出的加工用激光的脉宽＜20纳秒，波长355纳米-532纳米。
3.根据权利要求1所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：所述探测用激光的脉宽＜所述加工用激光的脉宽，其脉宽为皮秒量级。
4.根据权利要求1所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：所述探测用激光的聚焦光斑尺寸＜加工用激光的聚焦光斑尺寸。
5.根据权利要求1所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：加工用扩束器(22)对所述加工用激光进行准直扩束后，加工用激光光束经过第二反射镜(51)的反射后进入扫描模块(4)。
6.根据权利要求5所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：扫描模块(4)的入口是一面合束镜(43)，合束镜(43)是一面二向色镜。
7.根据权利要求6所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：探测用激光器(31)所处波长范围的光能够被透射，而波长短于所述探测用激光器(31)光波长的光则会被反射，加工用激光器发出的加工用激光被合束镜(43)反射，加工用激光光束被第一反射镜(44)反射后，进入振镜(41)，最后被场镜(42)聚焦于Topcon电池片(7)的表面。
8.根据权利要求7所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：延时一定的时间后，该时间小于加工用激光的脉冲持续时间，加工用激光聚焦光斑照射的位置的温度达到了最高值，此时，拉曼测温模块(3)中的探测用激光器(31)发出和加工用激光器(21)相同周期的探测用激光，探测用激光被探测用扩束器(32)扩束准直后透过二向色镜(6)，所述二向色镜(6)能透过探测用激光器所属波长的光，而波长＞探测用激光器光波长的光会被二向色镜(6)反射。
9.根据权利要求8所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：准直后的探测用激光透过合束镜(43)，然后经第一反射镜(44)反射进入振镜(41)，最终被场镜(42)聚焦于Topcon电池片(7)的表面。
10.根据权利要求9所述的N型Topcon电池的同轴激光加工温控系统，其特征在于：探测用激光激发其聚焦区域的拉曼散射，拉曼散射中的斯托克斯散射沿探测用激光的原光路返回，由于斯托克斯散射的波长＞探测用激光的波长，因此斯托克斯散射能透过合束镜(43)，然后被二向色镜(6)反射，经过滤光片(8)滤除其他波长的杂散光，然后经过第三反射镜(52)，最后进入拉曼光谱仪(33)，解调出温度信息后反馈给控制模块(1)，控制模块(1)根据测量温度和设定温度的差值对探测用激光器(31)发出功率调整命令，探测用激光器(31)根据命令调整输出功率，继续加工Topcon电池片(7)。
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