CN115555726A - 一种晶硅太阳能电池无损切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，使用第一激光沿切割预定线在基板上形成至少两个切割槽；使用第二激光沿着切割预定线加热，在切割预定线的两侧形成拉应力；所述第二激光的光斑在切割预定线方向的长度，大于光斑在垂直切割预定线方向的长度，所述第二激光的能量密度小于基板的损伤阈值。其能够无损的切割基板，切割直线性好，切割速度快，切割位置准确。
Description
技术领域
本发明涉及切割方法，具体涉及一种晶硅太阳能电池无损切割方法。
背景技术
太阳能是取之不尽的清洁能源。近年来，太阳能光电利用是研究的热点。想要将太阳能转化成电能，需要大量的铺设太阳能电池板。太阳能电池板具有很多种类，其中晶硅太阳能电池板是应用最为广泛、性价比最高的一种基板。在应用时，为了降低电池内部电流减少电流传输损耗，需要将电池板均匀的分割成若干单元，然后再用焊带将分割的电池单元串联成组件。常规的切割方法是，使用激光在晶硅太阳能电池板的表面或内部材料改性，破坏其结构，进而使晶硅太阳能电池板开裂分离。但晶硅太阳能电池板的厚度约为0.18±0.05mm，平面尺寸可达数百毫米。对于晶硅太阳能电池板等种类的基板，这种破坏性的切割方法因内部的应力无良好的约束和引导，容易产生崩边、碎裂，严重的甚至会破坏单元的功能。同时过高的能量密度会破坏电池结构，引起电池功率损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种晶硅太阳能电池无损切割方法，其能够无损的切割基板，切割直线性好，切割速度快，切割位置准确。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，使用第一激光沿切割预定线在基板上形成至少两个切割槽；使用第二激光沿着切割预定线加热，在切割预定线的两侧形成拉应力；所述第二激光的光斑在切割预定线方向的长度，大于光斑在垂直切割预定线方向的长度，所述第二激光的能量密度小于基板的损伤阈值。
作为优选的，所述第二激光的光斑呈线形、矩形或椭圆形，且其长轴方向始终与切割预定线重合。
作为优选的，所述第二激光以其中一个切割槽为起始点，另外一个切割槽为结束点，沿着切割预定线加热，通过材料的热应力在切割预定线的两侧形成拉应力。
作为优选的，所述第二激光的长轴方向的长度与短轴方向的长度的比值不小于3：1。
作为优选的，所述第二激光长轴方向的长度为1mm～10mm，且激光能量分布为均匀分布；短轴方向的长度为30um～1000um，且激光能量分布为高斯分布。
作为优选的，所述第二激光的波长为800nm～1100nm。
作为优选的，所述切割槽由基板表面向内部延伸。
作为优选的，所述切割槽具有两个，其分别位于切割预定线的首尾两端。
作为优选的，所述切割槽的长度L为0.2mm～10mm，深度为基板厚度的20％以上。
作为优选的，所述切割槽的截面呈“V”字形或“U”字形。
作为优选的，所述第一激光的能量密度大于基板的损伤阈值。
作为优选的，所述第一激光的波长为1000nm～1100nm、550nm～500nm或者360nm～340nm的三个波段。
作为优选的，所述第一激光通过聚焦系统聚焦于基板的表面。
作为优选的，使用冷却装置跟随第二激光对加热后的区域冷却，在切割预定线的两侧形成压应力，使基板延所述切割预定线裂开。
作为优选的，所述冷却装置的冷却方法是，采用冷却气体或冷却液体，均匀的喷射到基板的表面。
作为优选的，所述冷却气体为低温空气或惰性气体，所述冷却液体为水或酒精，所述冷却液体通过超声波装置形成二流体。
作为优选的，所述切割预定线的位置确定方法是，使用大视野相机，对基板进行整体取像，获取基板的外形轮廓，并结合软件，确定切割预定线的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过预切切割槽，能够很好的引导基板裂开的位置，将基板内的应力严格约束在切割预定线上，有效避免了崩边、歪斜状况的出现；同时，通过采用无损加热的方式，不会对基板造成改性，实现了无损切割。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还能够根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据无损切割方法的基板的剖视示意图；
图2为根据无损切割方法的基板的俯视示意图；
图3为“V”形的切割槽的结构示意图；
图4为“U”形的切割槽的结构示意图；
图5为普通激光的光斑能量分布图；
图6为第二激光一个优选实施例中的光斑能量分布图。
其中，10-基板，20-第一激光，21-切割槽，30-第二激光，40-冷却装置，50-切割预定线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1和图2所示，本发明公开了一种晶硅太阳能电池无损切割方法，包括以下步骤：使用第一激光20沿切割预定线50在基板10上形成至少两个切割槽21；使用第二激光30沿着切割预定线50加热，在切割预定线50的两侧形成拉应力；第二激光30的光斑在切割预定线50方向的长度，大于光斑在垂直切割预定线50方向的长度，所述第二激光30的能量密度小于基板10的损伤阈值。
本发明通过预切切割槽21，能够很好的引导基板10裂开的位置，将基板10内的应力严格约束在切割预定线50上，有效避免了崩边、歪斜状况的出现；同时，通过采用无损加热的方式，不会对基板10造成改性，实现了无损切割。
具体而言，在切割时，首先要将基板10稳固在切割平台上。由第一个激光器产生第一激光，并由出光头出射。对于只有一条切割预定线50的情况而言，第一个激光器的出光头与搭载基板10的切割平台至少具有延切割预定线50方向相对运动的能力。对于不止一条切割预定线50的情况而言，第一激光器的出光头与搭载基板10的切割平台也要具有延垂直于切割预定线50方向相对运动的能力，以实现不同位置和方向的切割预定线50的切割。
上述第一激光20的能量密度需要超过基板10的损伤阈值。当第一激光20聚焦在基板10的表面或内部后，会改变基板10的材料性质，从而产生由基板10表面向内部延伸的切割槽21。对于每一条切割预定线50而言，切割槽21至少有不连通的两个，相邻的两个切割槽21之间具有一段切割预定线50。在基板10裂开时，在两侧切割槽21的引导下，不仅更容易裂开，裂开的线也会与切割预定线50高度的重合，进而避免了异常情况的出现。
在一种情况下，如果基板10不具有斜裂属性，可以直接以直上直下的方式，使切割槽21的对称面落到切割预定线50上。在另外一个实施例中，如果基板10具有斜裂属性，则可以使第一激光20以斜裂角度形成切割槽21，使切割槽21的顶部的中心线落到切割预定线50上。
上述第二激光30由第二个激光器产生，并由出光头出射。第二个激光器需要具备与第一个激光器相同的运动能力。第二激光20的能量密度不能超过基板10的损伤阈值。当第二激光30沿着切割预定线50聚焦在基板10的表面或内部后，仅提升基板10的温度，而不使基板10改性。温度得到提升的区域，即形成加热后的区域，且在切割预定线50处的基板10吸收最多的能量。第二激光50可以走完切割预定线50的全程或主要部分。
为了进一步提高裂片效率，可以使用冷却装置40跟随第二激光30对加热后的区域冷却，在切割预定线50的两侧形成压应力，使基板10延切割预定线50裂开。
在一种情况下，上述冷却装置40与第二个激光器的出光头搭载在同一运动平台上，且冷却装置40位于移动方向的后方，第二个激光器的出光头位于移动方向的前方。冷却时，冷却装置40与第二激光30始终以固定的时间间隔到达基板10上某一点处，保证每一点均是在相同的温度下开裂的，开裂的更加整齐。在另外一种情况下，如果加热与冷却的时间间隔较长，长至第二激光30走完全程后才进行冷却，则冷却装置40可以搭载在单独的运动平台上。
上述冷却装置40包括喷嘴。喷嘴指向切割预定线50。喷嘴能够喷出冷却介质，并将冷却介质喷向切割预定线50。冷却介质能够在热传递的作用下，快速降低基板10的温度，热冷交替下，会使基板10沿着切割预定线50裂开。为了不使第二激光30加热到需要的温度前被冷却，可以增加喷嘴与第二个激光器的出光头之间的距离，或者改变喷嘴的角度，使喷出的冷却介质背离第二激光30的加热位置。
上述第二激光30的光斑在切割预定线50方向的长度，大于光斑在垂直切割预定线50方向的长度。其能够在切割预定线50上平缓的积累能量，减缓温度提升的速度，避免基板10因升温过快造成的改性，同时减小了对切割预定线50两侧的影响，使断裂更加整齐。优选的是，第二激光30的光斑呈线形、矩形或椭圆形，且其长轴方向始终与切割预定线重合。最优的是第二激光30的光斑呈线形。
参照图5和图6所示，图5示出了普通激光的光斑能量分布，其在裂片方向的能量分布整体呈现正态分布，能量高的位置集中在光斑中间，且持续的长度较短，在垂直于裂片方向的延伸较大。图6示出了一种第二激光30的光斑能量分布，其在裂片方向的能量分布呈现高斯分布，能量均匀的分布在整条光斑上，且持续的长度较长，在垂直于裂片方向的延伸极小。通过优化的能量分布光斑设计，对电池片进行加热，实现利于裂纹引导的温度分布。即垂直于裂片方向，中心温度高，两侧温度快速递减；平行于裂片方向，温度分布均匀、细长，与裂片引导方向一致。经过优化过的线状聚焦光斑在没有辅助冷却的条件下(如水、酒精等液体冷却介质)，可以使电池片沿着切割预定线50完成裂片。
表1示出了普通激光和第二激光的激光裂片效果对比。使用双面PERC电池片作为裂片样品，尺寸为156mm*156mm，厚度为180um。发出普通激光和第二激光30的激光器功率均为80瓦。电池片的收尾预切长度2mm，即切割槽21的长度为2mm，深度为60um。
表1.普通激光和第二激光的裂片效果
从表1.可以看到，使用第二激光后，电池片表面的最高温度仅有195℃，远低于电池片的损伤阈值，不会对电池片产生任何损伤；且在无任何冷却的情况下，能够稳定的使电池片裂开，裂片效果好，最终实现了无损切割。在进行裂片时，速度高达320mm/s，远远高于普通激光，大大提升了裂片效率。
一个优选的晶硅太阳能电池无损切割方法，包括以下步骤：第一步，在基板10上确定切割预定线50的位置；第二步，使用第一激光20在切割预定线50首尾处的基板10进行预切，形成切割槽21；第三步，使用光斑呈线状的第二激光30沿着切割预定线50进行加热，在切割预定线50的两侧形成拉应力；第四步，使用冷却装置40跟随第二激光30对加热后的区域进行冷却，在切割预定线50的两侧形成压应力，进而使基板10裂开。在切割时，预切形成的切割槽21实现了裂片的引导效果。线状的第二激光30在保证基板10接收到足够能量的同时，使其升温更加的平缓，避免能量吸收过快造成的基板10改性，降低了对切割预定线以外区域的影响，达到了无损切割的目的。
具体而言，本发明在划定切割预定线50时，是采用大视野相机，对基板10进行整体取像，获取基板10的外形轮廓，并结合软件，确定切割预定线50的位置。通过这种方法划定的切割预定线50的位置准确，且可以任意的调整，使用甚为灵活。
本发明的第一激光20采用的是脉冲激光。在切割时，将脉冲激光通过聚焦系统聚焦于基板10的表面。聚焦后的脉冲激光的能量密度需大于基板10的损伤阈值，从而使基板10从表面开始，向着内部出现材料的改性，进而形成切割槽21。第一激光20的波长可以采用1000nm～1100nm、550nm～500nm或者360nm～340nm的三个波段。
在进行预切时，需要根据不同厚度、长宽、材质等的基板10，设定第一激光的切割功率、激光频率、切割速度和/或切割次数等，并通过计算机精确、同步的控制第一激光20的激光器的开关信号和切割位置，保证首尾预切线段轨迹的精确性。预切时，可以从基板10的边缘向内切割，也可以从基板10的内部向边缘切割。
参照图3和图4所示，上述切割槽21的截面呈“V”字形或“U”字形。这种形状易于成型，且引导效果好。切割槽21的长度L为0.2mm～10mm。切割槽21的深度为基板10厚度的20％以上，以达到较好的引导效果。优选的深度范围为30％～70％。
本发明的第二激光30采用的是连续激光。在切割时，将连续激光聚焦于基板10的表面或内部。连续激光在切割预定线50上任意一点的能量密度需小于基板10的损伤阈值，保证基板10表面仅仅是加热而不会发生改性。第二激光3的波长选用基板10吸收效率较高的波长。对于太阳能电池基底硅材料而言，可以选用800nm～1100nm。其中优选808nm。
上述第二激光30选用长条形光源，经过光束整形聚焦后，形成大长宽比的线形、矩形或椭圆形的光斑。长轴方向的长度与短轴方向的长度的比值不小于3：1。优选的，长轴方向的长度为1mm～10mm，且激光能量分布为均匀分布。短轴方向的长度为30um～1000um，且激光能量分布为高斯分布。其相比于点状的激光，将能量分散到了线上，加热过程柔和，能量提升的速度平缓，对切割预定线以外的区域影响更小，有效避免了切割造成的损伤。
在进行加热时，以其中一个切割槽21为起始点，另外一个切割槽21为结束点，沿着切割预定线50进行加热，通过材料的热应力在切割预定线50两侧形成拉应力。在此过程中，第二激光30线状聚焦光斑的长轴方向始终与切割预定线50重合，以保证切割裂纹严格按照切割预定线50延伸，进而获得良好的切割直线度。
本发明的冷却装置40位于第二激光30的后方，且其运动轨迹与第二激光30相同。冷却装置采用冷却气体或冷却液体，均匀的喷射到基板10的表面。具体而言，在切割时，以其中一个切割槽21为起始点，另外一个切割槽21为结束点，沿着切割预定线50的方向均匀喷射，同时控制喷出的气体或液体的流量，实现最佳的切割效果。优选的，冷却装置40喷出冷却气体，相比于冷却液体，其更不容易对电池产生污染。
上述冷却气体可以是低温空气或惰性气体。冷却液体可以是水或酒精。在使用冷却液体进行冷却时，可以使冷却液体通过超声波装置形成二流体后，再均匀的喷射到基板10表面。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。
Claims (17)
1.一种晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，包括以下步骤：使用第一激光沿切割预定线在基板上形成至少两个切割槽；使用第二激光沿着切割预定线加热，在切割预定线的两侧形成拉应力；所述第二激光的光斑在切割预定线方向的长度，大于光斑在垂直切割预定线方向的长度，所述第二激光的能量密度小于基板的损伤阈值。
2.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第二激光的光斑呈线形、矩形或椭圆形，且其长轴方向始终与切割预定线重合。
3.如权利要求2所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第二激光以其中一个切割槽为起始点，另外一个切割槽为结束点，沿着切割预定线加热，通过材料的热应力在切割预定线的两侧形成拉应力。
4.如权利要求2所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第二激光的长轴方向的长度与短轴方向的长度的比值不小于3：1。
5.如权利要求4所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第二激光长轴方向的长度为1mm～10mm，且激光能量分布为均匀分布；短轴方向的长度为30um～1000um，且激光能量分布为高斯分布。
6.如权利要求1-5任意一项所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第二激光的波长为800nm～1100nm。
7.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述切割槽由基板表面向内部延伸。
8.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述切割槽具有两个，其分别位于切割预定线的首尾两端。
9.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述切割槽的长度L为0.2mm～10mm，深度为基板厚度的20％以上。
10.如权利要求9所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述切割槽的截面呈“V”字形或“U”字形。
11.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第一激光的能量密度大于基板的损伤阈值。
12.如权利要求11所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第一激光的波长为1000nm～1100nm、550nm～500nm或者360nm～340nm的三个波段。
13.如权利要求11所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述第一激光通过聚焦系统聚焦于基板的表面。
14.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，使用冷却装置跟随第二激光对加热后的区域冷却，在切割预定线的两侧形成压应力，使基板延所述切割预定线裂开。
15.如权利要求14所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述冷却装置的冷却方法是，采用冷却气体或冷却液体，均匀的喷射到基板的表面。
16.如权利要求15所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述冷却气体为低温空气或惰性气体，所述冷却液体为水或酒精，所述冷却液体通过超声波装置形成二流体。
17.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池无损切割方法，其特征在于，所述切割预定线的位置确定方法是，使用大视野相机，对基板进行整体取像，获取基板的外形轮廓，并结合软件，确定切割预定线的位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110294463.3A CN115555726A (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 一种晶硅太阳能电池无损切割方法 |
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| CN202110294463.3A CN115555726A (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 一种晶硅太阳能电池无损切割方法 |
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|---|---|
| CN115555726A true CN115555726A (zh) | 2023-01-03 |
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| CN (1) | CN115555726A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116936686A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 晶科能源(海宁)有限公司 | 光伏组件制造方法及光伏组件 |
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2021
- 2021-03-19 CN CN202110294463.3A patent/CN115555726A/zh active Pending
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