CN116038106A - 激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法。激光多光束加工装置包括：激光发生系统，激光发生系统发射激光光束；分束衍射系统，分束衍射系统用于接收激光光束并将激光光束分为多束；大视场聚焦系统，大视场聚焦系统用于接收分束衍射系统的多束激光光束并输出多束平行光束，以使多束平行光束对待加工基板进行加工。本发明解决了现有技术中的激光多光束加工装置存在加工效率差的问题。

Description

激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法

技术领域

本发明涉及激光精密加工设备技术领域，具体而言，涉及一种激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法。

背景技术

随着科技的发展，太阳能电池产业技术已经非常成熟，然而与常规能源相比，较高的成本制约了其发展，对于如何降低成本，人们进行了大量的研究。研究发现，太阳能电池片尺寸规格的增大对综合成本的降低有积极显著的影响。

目前，一些厂商提出了一种激光单光束加工装置，采用振镜和场镜聚焦扫描的加工方法，虽然有激光扫描速度快，加工图形容易编辑等优势而在太阳能电池加工领域得到了广泛的应用。但是，随着太阳能电池片尺寸的增大，其加工幅面、光斑尺寸和光斑均匀性受场镜焦距及设计的影响凸显，对于大尺寸电池片加工存在效率慢、设备结构升级复杂、产能受限于激光最高频率等的问题。

一些厂商提出了一种激光多光束加工装置，以将激光分成多束进行并行加工，在一定程度上提升了加工效率，但是，此种装置分束数量较少，多为分成两束、三束或者四束，由于太阳能电池加工尺寸变大，加工图形中需要激光线形扫描的扫描线很多，且以上分束的分束质量难以保证，同样存在加工效率差的问题。

也就是说，现有技术中的激光多光束加工装置存在加工效率差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法，以解决现有技术中的激光多光束加工装置存在加工效率差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种激光多光束加工装置，包括：激光发生系统，激光发生系统发射激光光束；分束衍射系统，分束衍射系统用于接收激光光束并将激光光束分为多束；大视场聚焦系统，大视场聚焦系统用于接收分束衍射系统的多束激光光束并输出多束平行光束，以使多束平行光束对待加工基板进行加工。

进一步地，分束衍射系统包括衍射光栅和衍射分光镜中的一种。

进一步地，大视场聚焦系统包括扫描场镜、球面聚焦透镜组、非球面透镜及透镜组中的一种。

进一步地，激光多光束加工装置还包括：加工平台，加工平台用于承载待加工基板；移动装置，移动装置驱动加工平台相对于大视场聚焦系统进行移动。

进一步地，大视场聚焦系统为一个或多个，加工平台和大视场聚焦系统对应设置，当大视场聚焦系统为多个时，加工平台具有多个工位台面，多个工位台面上均对应设置有待加工基板，多个大视场聚焦系统与多个工位台面一一对应设置，以实现多个待加工基板的同时加工。

进一步地，激光多光束加工装置还包括：衰减系统，衰减系统位于激光发生系统与分束衍射系统之间，衰减系统用于调节激光光束的能量；和/或扩束系统，扩束系统位于激光发生系统与分束衍射系统之间；和/或反射镜，反射镜为一个或多个，激光发生系统与衰减系统之间、衰减系统与分束衍射系统之间中的至少一个设置有至少一个反射镜；和/或滤波掩膜版，滤波掩膜版位于大视场聚焦系统的出光侧，以对激光光束进行滤光处理。

进一步地，激光多光束加工装置还包括机器视觉系统，机器视觉系统用于识别待加工基板的位置。

进一步地，机器视觉系统包括识别相机和二向色镜，识别相机和二向色镜间隔设置在分束衍射系统的上游位置，二向色镜位于识别相机与分束衍射系统之间，识别相机与分束衍射系统同轴设置。

进一步地，激光多光束加工装置还包括装调夹具，分束衍射系统、大视场聚焦系统和二向色镜设置在装调夹具上，装调夹具包括：分束衍射系统镜架，分束衍射系统可调节地设置在分束衍射系统镜架上；大视场聚焦系统镜架，大视场聚焦系统可调节地设置在大视场聚焦系统镜架上，大视场聚焦系统镜架与分束衍射系统镜架连接且同轴设置；二向色镜承载架，二向色镜承载架位于分束衍射系统镜架远离大视场聚焦系统镜架的一侧且与分束衍射系统镜架呈角度设置。

进一步的，分束衍射系统最大衍射全角范围为0.01°至65°，分束数量范围为2束至120束；和/或大视场聚焦系统具有±15°至±33°的视场范围，大视场聚焦系统的焦距为125mm-350mm。

进一步地，分束衍射系统最大衍射全角范围为0.01°至30°，分束数量范围为2束至51束；和/或大视场聚焦系统具有±15°的视场范围，大视场聚焦系统的焦距为125mm-350mm。

进一步地，分束衍射系统和大视场聚焦系统的光学参数满足：

d＝F*θ0；                         公式一

θ0＝θ1/N；                         公式二

其中，θ1为分束衍射系统的全衍射角，θ0为相邻两束激光光束的夹角，N为分束数量，F为大视场聚焦系统的焦距，d为聚焦到待加工基板的多束激光光束的相邻两束激光光束的间距。

进一步地，分束衍射系统搭配大视场聚焦系统以将激光光束分为2束至51束；和/或多束激光光束中相邻两束激光光束的间隔在0.5毫米到1.5毫米的范围内；和/或多束激光光束在待加工基板上的多个激光光斑的位置最大偏差小于0.03mm；和/或多束激光光束在待加工基板上的多个激光光斑的外径大于等于8μm且小于等于10μm；和/或多束激光光束的平行度偏差小于0.02°；和/或多束激光光束中相邻两个激光光束之间的距离差不超过0.006mm；和/或多束激光光束中至少两个激光光束的能量差不超过10％。

根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能电池多光束加工方法，采用上述的激光多光束加工装置对待加工基板进行激光加工处理，使激光多光束加工装置的激光光斑大小适应待加工基板的待加工图形，相邻激光光斑的间距等于待加工图形的间距。

进一步地，激光加工处理为电镀工艺中晶硅电池片的钝化膜消融，使用脉冲激光器作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或调整激光多光束加工装置的分束衍射系统和大视场聚焦系统，以使相邻两束激光光束之间的间距在1毫米到1.5毫米的范围内；和/或激光光束的激光光斑尺寸为6μm 50μm；和/或分束数量为10束-50束；和/或选用焦距在100毫米至200毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为激光多光束加工装置的大视场聚焦系统的扫描场镜；和/或设定激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

进一步地，激光加工处理为PERC电池激光消融，使用脉冲激光器作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或调整激光多光束加工装置的分束衍射系统和大视场聚焦系统，以使相邻两束激光光束之间的间距在1毫米到1.5毫米的范围内；和/或激光光束的激光光斑尺寸为20μm-50μm；和/或分束数量为10束-50束；和/或选用焦距在300毫米至350毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为激光多光束加工装置的大视场聚焦系统的扫描场镜；和/或设定激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

进一步地，激光加工处理为激光选择性掺杂，使用脉冲激光器作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或调整激光多光束加工装置的分束衍射系统和大视场聚焦系统，以使相邻两束激光光束之间的间距在1.1毫米到1.4毫米的范围内；和/或激光光束的激光光斑尺寸为50μm-120μm；和/或分束数量为10束-50束；和/或选用焦距在300毫米至350毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为激光多光束加工装置的大视场聚焦系统的扫描场镜；和/或设定激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

应用本发明的技术方案，激光多光束加工装置包括激光发生系统、分束衍射系统和大视场聚焦系统，激光发生系统发射激光光束；分束衍射系统用于接收激光光束并将激光光束分为多束；大视场聚焦系统用于接收分束衍射系统的多束激光光束并输出多束平行光束，以使多束平行光束对待加工基板进行加工。

通过设置分束衍射系统，使得分束衍射系统能够将一束激光光束分成多束激光光束，进而通过大视场聚焦系统将多束激光光束聚焦并输出多束平行的激光光束，以对待加工基板进行加工，实现了多光束并行扫描加工的方式，使得本申请的激光多光束加工装置能够满足大尺寸太阳能电池片的加工，同时降低了对激光发生系统性能的高要求，降低了成本。同时提高了加工效率。

另外，通过分束衍射系统与扫描场镜的结合，大大增加了分束数量，以使分束数量高达100束以上，有效提高生产效率，且不受限于待加工基板的尺寸，解决了加工幅面与聚焦光斑大小的矛盾，同时降低了对激光发生系统的激光器最高频率的要求，同时这种光学搭配结构还降低了加工误差，提高了加工精度。本申请的激光多光束加工装置具有结构简洁、稳定性更好、成本低、加工效果一致性好的优点，为大尺寸的太阳能电池片的高质量低成本的加工提供了一种新的解决方案。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个可选实施例的激光多光束加工装置的结构示意图；

图2示出了本发明的分束衍射系统的分束示意图；

图3示出了本发明的分束衍射系统和大视场聚集系统的光路示意图；

图4示出了多束激光光束在滤波掩膜版上的示意图；

图5示出了本发明的装调夹具的结构示意图；

图6示出了本发明的激光多光束加工装置进行单轨加工时的示意图；

图7示出了本发明的激光多光束加工装置进行多轨加工时的示意图；

图8示出了本发明的晶硅电池片的钝化膜消融的方法的激光光斑扫描电镜图；

图9示出了现有技术中的振镜扫描场镜系统的激光光斑扫描电镜图；

图10示出了图8中经过钝化膜消融后的晶硅电池片的扫描电镜图；

图11示出了图8中的激光光斑绝对位置偏差曲线图；

图12示出了图8中的激光光斑点间距偏差曲线图；

图13示出了本发明的PERC电池片的钝化膜消融的方法的激光光斑的扫描电镜图；

图14示出了现有技术中的振镜扫描系统的激光光斑的扫描电镜图；

图15示出了本发明的激光选择性掺杂的方法的激光光斑的扫描电镜图；

图16示出了现有技术中的振镜扫描系统的激光光斑的扫描电镜图；

图17示出了本发明的分束衍射系统和大视场聚焦系统的配合关系图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、激光器；12、光闸；20、反射镜；30、分束衍射系统；40、大视场聚焦系统；50、待加工基板；61、半波片；62、偏振分束镜；63、遮光筒；70、扩束系统；80、加工平台；91、识别相机；92、二向色镜；100、滤波掩膜版；201、分束衍射系统镜架；202、大视场聚焦系统镜架；203、二向色镜承载架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的激光多光束加工装置存在加工效率差的问题，本发明提供了一种激光多光束加工装置和太阳能电池多光束加工方法。

如图1至图17所示，激光多光束加工装置包括激光发生系统、分束衍射系统30和大视场聚焦系统40。激光发生系统发射激光光束；分束衍射系统30用于接收激光光束并将激光光束分为多束；大视场聚焦系统40用于接收分束衍射系统30的多束激光光束并输出多束平行光束，以使多束平行光束对待加工基板50(或其他待加工器件)进行加工。

通过设置分束衍射系统30，使得分束衍射系统30能够将一束激光光束分成多束激光光束，进而通过大视场聚焦系统40将多束激光光束聚焦并输出多束平行的激光光束，以对待加工基板50(或其他待加工器件)进行加工，实现了多光束并行扫描加工的方式，使得本申请的激光多光束加工装置能够满足大尺寸太阳能电池片(或者其他待加工器件)的加工，同时降低了对激光发生系统性能的高要求，降低了成本，同时提高了加工效率。

需要说明的是，上述待加工基板50包括待加工太阳能电池片。

待加工基板50也可以为硅、蓝宝石、SiC、GaN等晶体或固体材料为薄片片材或小片材、硅电池、薄膜电池、钙钛矿叠层电池、金属或陶瓷基板工件。

具体的，上述激光发生系统可以包括激光器11和光闸12，光闸12设置在激光器11的出光侧并用于控制激光器11是否出射激光光束。激光器11用以发射波长为300nm至1500nm的单色激光。优选地，激光器11发射的激光波长为355nm或532nm。

分束衍射系统30包括衍射光栅和衍射分光镜中的一种。更为细节的，分束衍射系统30包括石英、其他光学玻璃等不同基底材料的衍射光栅或衍射分光镜。衍射光栅或衍射分光镜的形状可以是圆形、方形或其他形状，可根据实际情况进行选择。具体的，所述的分束衍射系统30最大衍射全角范围可以是0.01°至65°，优选的，最大衍射全角范围可以是0.01°至30°，优选地，根据不同的加工器件，衍射角全角范围可选0.01°-7°、7°-15°、15°-30°，30°-45°，45°-65°或其他的中间范围值。分束衍射系统30的分束数量范围为2束至51束，可选的，5-15束，更为优选地，15-30束，或者30束至51束，51束至80束，80束至120束，或者其他的中间范围值。

大视场聚焦系统40具有±15°到±33°，或者±15°到±20°的视场范围，或者±15°的视场范围，或其他的中间值，焦距为F125-F350，即焦距为125mm-350mm，优选地，焦距为125-255mm，或者其他的中间值，可以为扫描场镜、球面聚焦透镜组、非球面透镜及透镜组中的一种。

其中，大视场聚焦系统40优选为扫描场镜。也可以为聚焦透镜组，其包括多个透镜，聚焦透镜组中的透镜为球面透镜和非球面透镜中的一种或多种，聚焦透镜组可以是动态聚焦透镜组。

作为一种非限制的实施方式，球面透镜组可以由物侧至像侧依次包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，形成焦距为F125-F350的平场镜头组，即焦距为125mm-350mm，其中，第一透镜的物侧面为平面，第一透镜的像侧面为凸面；第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为平面；第三透镜的物侧面为凹面，第三透镜的像侧面为平面。需要说明的是，聚焦透镜组实际上结构类型有很多种，透镜数量和透镜两表面的形状实际上有很多种，此处列出的只是其中一种结构，本申请不限这一种聚焦透镜组，可根据实际应用需求设置不同的透镜组。

本发明的激光多光束加工装置，通过大视场聚焦系统40与分束衍射系统30的结合，大大增加经分束衍射系统30的分束并通过大视场聚焦系统40聚焦到待加工器件上的可用光束的数量，经分束衍射系统30分束得多束激光光束经过大视场聚焦系统40聚焦至待加工基板50表面，并和待加工基板50的多个待加工图形一一对应，此处的一一对应指的是，聚焦的多束激光光束分别照射在一部分待加工图形上，然后，通过移动待加工基板50，使聚焦的多束激光光束分别沿对应的待加工图形移动，完成对相应图形的加工。

如图17所示，本发明的分束衍射系统30和大视场聚焦系统40配合使用时，其设置如图17中所示。其中θ₁为分束衍射系统30的全衍射角，θ₀为相邻两束激光光束的夹角，N为分束数量，F为大视场聚焦系统40的焦距，d为聚焦到待加工基板50的多光束的相邻两束激光光束的间距，其中上述参数满足如下公式：

d＝F*θ₀；                                公式一

θ₀＝θ₁/N；                                公式二

本发明的激光多光束加工装置，可根据实际需求，按照以上公式一和公式二，选择与需求匹配的分束衍射系统30和大视场聚焦系统40的光学参数，使得分束衍射系统30和大视场聚焦系统40满足实际需求的分束效果。需要说明的是，分束衍射系统30的具体参数包括分光数量N、全衍射角θ₁(或者相邻两束激光光束的夹角θ₀)和分光能量均匀性，包括但不限于上述参数。

本申请的激光多光束加工装置，通过上述设置，以使分束衍射系统30搭配大视场聚焦系统40可实现分束数量范围为2束至51束，可选的，分束数量范围为5束至15束，更为优选的，分束数量范围为15束至30束，或者30束至51束，51束至80束，80束至120束，或者其他的中间范围值。尤其在15束至30束，或者30束至51束的范围内，预定间隔的激光光束，且保证激光光斑位置最大偏差小于0.03mm，更优选的激光光斑位置最大偏差小于25μm。

具体的，本发明的激光多光束加工装置，其多束激光光束的平行度偏差小于0.02°，任意相邻两个激光光束之间的距离差不超过0.006mm，聚焦光斑的绝对位置精度最大误差小于0.03mm，任意两个激光光束的能量差不超过10％，优选的不超过8％，更优选的不超过6％，最优选的不超过3％。

本发明的激光多光束加工装置，通过分束衍射系统30与扫描场镜的结合，大大增加了分束数量，以使分束数量可以高达120束，有效提高生产效率，且不受限于待加工基板50的尺寸，解决了加工幅面与聚焦光斑大小的矛盾，同时降低了对激光发生系统的激光器11最高频率的要求，同时还降低了加工误差，提高了加工精度。本申请的激光多光束加工装置具有结构简洁、稳定性更好、成本低、加工效果一致性好的优点，为大尺寸的太阳能电池片的高质量低成本的加工提供了一种新的解决方案。

一般来说，扫描场镜是与振镜结合使用的，但在本申请中，突破了扫描场镜的常规使用方法，将扫描场镜与振镜分离，仅单独使用扫描场镜，而不用振镜，从而能够实现衍射分束系统与扫描场镜光学参数的优化匹配，能够显著提高分光数量，并且能保证足够多的分束情况下，最终出射的多束激光光束中相邻两束激光光束的间距偏差仍然足够小，因此该方法克服了普通分束系统分光数量和分光精度的固有矛盾，同时保障了加工效率和加工精度。

在一些实施方式中，为了得到不同形状的光斑，在分束衍射系统30前，还设置有整形装置，例如将高斯光束整形成帽形、方形光斑的整形装置，非限制性的，整形装置可以为整形衍射光学器件，或者是整形镜片等。

如图1所示，激光多光束加工装置还包括衰减系统，衰减系统位于激光发生系统与分束衍射系统30之间，衰减系统用于调节激光光束的能量，以使调节后激光光束的能量满足实际加工要求。

具体的，衰减系统包括半波片61、偏振分束镜62和遮光筒63，半波片61与偏振分束镜62间隔设置，且半波片61相对于偏振分束镜62靠近激光发生系统；遮光筒63位于偏振分束镜62的一侧，且遮光筒63和偏振分束镜62的连线与偏振分束镜62和半波片61的连线垂直。

如图1所示，激光多光束加工装置还包括扩束系统70，扩束系统70位于激光发生系统与分束衍射系统30之间，具体的，扩束系统70位于衰减系统与分束衍射系统30之间，以使扩束系统70对激光光束进行缩放调整，扩束系统70为扩束镜，扩束镜可以是电动扩束镜。

具体的，激光多光束加工装置还包括反射镜20，反射镜20为一个或多个，激光发生系统与衰减系统之间、衰减系统与分束衍射系统30之间中的至少一个设置有至少一个反射镜20。在本申请中，激光发生系统与衰减系统之间、衰减系统与扩束系统70之间各设置了一个反射镜20，以使反射镜20实现对激光光束的转折，有效规划了激光光束的传输方向，提高了反射镜20的使用可靠性，同时通过激光光束的转折对激光多光束加工装置中各系统的设置位置进行合理分配，有效压缩激光多光束加工装置的内部空间，保证激光多光束加工装置尺寸和形状的合理性。

具体的，激光多光束加工装置还包括和加工平台80、移动装置和机器视觉系统，加工平台80用于承载待加工基板50，移动装置与加工平台80驱动连接，以带动加工平台80移动。机器视觉系统用于识别加工平台80上的待加工基板50，根据待加工基板50位置，驱动移动装置带动加工平台80延至少两个方向进行移动，以使加工平台80能够带动待加工基板50在水平面内进行二维移动。

或者移动装置与装调夹具驱动连接，以及与加工平台80驱动连接，分别实现其一维方向的移动，完成扫描加工。

需要说明的是，上述机器视觉系统可以是同轴机器视觉系统，也可以是旁轴机器视觉系统。

如图1所示，机器视觉系统包括识别相机91和二向色镜92，识别相机91和二向色镜92间隔设置在分束衍射系统30的上游位置，二向色镜92位于识别相机91与分束衍射系统30之间，识别相机91与分束衍射系统30同轴设置。这样设置使得二向色镜92起到了滤波的作用，识别相机91起到了视觉定位的作用，二向色镜92倾斜设置且与分束衍射系统30呈45度设置，以使识别相机91与二向色镜92之间的连线与扩束系统70与二向色镜92之间的连线垂直。

具体的，激光多光束加工装置还包括滤波掩膜版100，滤波掩膜版100位于大视场聚焦系统40的出光侧，以对激光光束进行滤光处理，以过滤杂散光，避免杂散光对待加工基板50的影响。滤波掩膜版100包括圆孔型低通滤波器和矩形滤波器中的一种或多种。

如图5所示，激光多光束加工装置还包括装调夹具，分束衍射系统30、大视场聚焦系统40和二向色镜92设置在装调夹具上，装调夹具包括分束衍射系统镜架201、大视场聚焦系统镜架202和二向色镜承载架203，分束衍射系统30可调节地设置在分束衍射系统镜架201上；大视场聚焦系统40可调节地设置在大视场聚焦系统镜架202上，大视场聚焦系统镜架202与分束衍射系统镜架201连接且同轴设置；二向色镜92可调节地设置在二向色镜承载架203上，二向色镜承载架203位于分束衍射系统镜架201远离大视场聚焦系统镜架202的一侧且与分束衍射系统镜架201呈45度设置，也就是说，二向色镜92以与光轴方向45°倾角固定在分束衍射系统30的上方。这样设置使得装调夹具为分束衍射系统30、大视场聚焦系统40和二向色镜92提供了安装位置，提高了分束衍射系统30、大视场聚焦系统40和二向色镜92的使用可靠性，同时有利于分束衍射系统30、大视场聚焦系统40和二向色镜92位置的调整，以保证分束衍射系统30与大视场聚焦系统40相对位置处于对准的状态，以保证分束衍射系统30、大视场聚焦系统40和二向色镜92的相对位置与光学设计保持一致。

如图6和图7所示，加工平台80的操作台面可以是单工位台面，也可以是并列多工位台面。单工位台面是指操作台面上只有一个待加工基板50的固定工位，一次只对一片待加工基板50进行加工。并列多工位台面是指操作台面上有多个并排的待加工基板50固定工位，一次可对多片待加工基板50进行加工。

对应的，当加工平台80为单工位台面时，大视场聚焦系统40为一个时，激光多光束加工装置进行单轨加工；加工平台80为多工位台面时，大视场聚焦系统40为多个，多个大视场聚焦系统40与多工位台面一一对应设置，以使激光多光束加工装置进行多轨加工，以实现多片待加工基板50的同时加工。当然，大视场聚焦系统40为多个的意思就是激光多光束加工装置可以是多套的意思，每个大视场聚焦系统40具有对应的激光发生系统、分束衍射系统30、衰减系统、扩束系统70和滤波掩膜版100。

需要说明的是，上述加工平台80的移动装置包括交互电机系统，主要用于配合机器视觉系统进行角度补偿，待加工基板50吸附在加工平台80上。交互电机系统的运动方向包括X方向和Y方向两种。具备PSO功能，可以精确控制待加工基板50上激光线的长度，以及组成激光线的激光光斑的间距，并实现图形化。交互电机系统的移动距离大于等于600mm，可同时加工两张M12硅片。优选地，交互电机系统的移动距离大于等1200mm，可同时加工四张M12硅片。移动速度大于1000mm/s，甚至可达2000mm/s，加速度大于2g，定位精度小于1μm。

当然，激光多光束加工装置还包括软件控制系统、传输系统和上下料系统，以实现自动化的太阳能电池片加工。待加工基板50包括晶体硅太阳能电池片、砷化镓、钙钛矿、二氧化钛、有机薄膜电池。

本发明的激光多光束加工装置相比其他多光束的加工方案，以上光学系统的结构设计和参数匹配优化能够保证足够多的分束数量，并且同时保证良好的激光光束质量和精度，且可以保证激光光斑的焦点和加工幅面的关系。在一种实施方式中，参见图11和12，采用波长为532纳米的绿光皮秒脉冲激光器11作为激光多光束加工装置中的激光器11，绿光皮秒脉冲激光器11的光束质量因子M²＝1.1。分束衍射系统30衍射全角范围为10.2°，分光数目31束。大视场聚焦系统40选用焦距为170毫米的石英制成的扫描场镜，视场范围为±27°，最大视场远心度小于5°。调整分束衍射系统30和大视场聚焦系统40，以使分束衍射系统30分出的31束中的相邻两束激光光束之间的间距为1毫米。在扫描场镜的焦平面上观测多束光斑的质量和位置精度，由观测结果可知：31个激光光斑的形貌良好，激光光斑直径为8μm；多个激光光斑之间的能量一致性误差小于8.5％；激光光斑绝对位置精度最大误差小于0.03mm；激光光斑间距偏离理论值最大误差小于0.006mm。如图8所示，为激光光斑的绝对位置偏差曲线图，单位为毫米。如图12所示，为激光光斑点间距偏差曲线图，单位为毫米。

以下为上述激光多光束加工装置在太阳能电池激光加工技术领域的典型应用。

需要说明的是，作为在太阳能电池片激光加工领域的应用，例如PERC电池的激光激光的PERC消融、电池的选择性重掺杂(SE)、太阳能电池电镀无损激光消融等加工时，其加工图形为多个间隔设置的条形。

加工时，激光光束经过分束衍射系统30被分为多束，多束激光光束经过大视场聚焦系统40聚焦至待加工基板50的表面，相邻两束激光光束聚焦的激光光斑的间距和待加工图形的间距相等。优选地，激光光斑的大小基本等于条形的待加工图形的宽度，然后，通过沿着条形的待加工图形的长度方向移动待加工基板50，完成相应图形的加工。对于目前的大尺寸的待加工基板50来说，待加工基板50上条形的待加工图形一般为几十个且间隔设置，相应的，分束衍射系统30分束得到的激光光束的数量可以等于待加工图形的数量，这样一次移动，就可以完成整个太阳能电池片的加工。

采用本申请中的激光多光束加工装置对待加工基板50进行加工时，多束激光光束的数量范围为2束至120束，可选的，5-15束，更为优选的，15-30束，或者30束至51束，51束至80束，80束至120束。做为一种非限制性的实施方式，多束激光光束的平行度偏差小于0.02°，任意相邻两个激光光束之间的距离差不超过0.006mm，聚焦光斑的绝对位置精度最大误差小于0.03mm，任意两个激光光束的能量差不超过10％，优选的不超过8％，更优选的不超过6％，最优选的不超过3％。

具体的，聚焦光斑的外径大于等于8μm且小于等于10μm；聚焦光斑的瑞利长度为±170.4μm；实际焦深范围为±(40μm-57μm)；加工移动速度在200mm/s至1200mm/s的范围内。(瑞利长度和焦深是随着扩束镜的倍数可调的，不是固定值，以上是典型值)

电镀工艺作为晶硅太阳能电池金属化工艺的一种，可替代丝网印刷银栅线及电极，极大降低生产成本。加工时，镀膜后，晶硅电池片使用激光选择性去除电镀金属栅线处的钝化膜，然后在去除区域电镀金属栅线及电极。因为表面栅线宽度会遮挡太阳光的吸收，因此栅线越窄越好，同时为了保证电流传输损耗要小，栅线的电阻不能过大，因此栅线高度不能过低，否则截面积太小，电阻过大。由于电镀栅线的宽度与激光光斑的直径呈正比，或者等于激光光斑的直径，因此激光光斑直径越小越好。如图8至图10所示，为电镀工艺中晶硅电池片(包括PERC、topcon、HJT等)的钝化膜消融的方法，采用上述的激光多光束加工装置对待加工晶硅电池片上的钝化膜进行消融处理。

具体的，电镀工艺中晶硅电池片的钝化膜消融的方法包括：使用皮秒激光器11作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器11，其中，皮秒激光器11的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米，优选地，波长为355纳米；光束质量因子M²＜1.2；调整激光多光束加工装置的分束衍射系统30和大视场聚焦系统40，以使分束衍射系统30出射41束激光光束且相邻两束激光光束之间的间距为1毫米(对应电池片的待加工图形)；选用焦距为100毫米-200毫米石英制成的扫描场镜作为大视场聚焦系统40的扫描场镜；晶硅电池片的表面包括123根间距1毫米的直线的待加工图形，晶硅电池片上加工尺寸为164mm*164mm，加工分三次进行，设定激光多光束加工装置的平均加工速度为600毫米/秒，设定激光器11的工作频率大于200K，同时可加工2pcs，平均单片的加工时间为0.95秒。

理论模拟结果显示，激光光斑之间的能量一致性误差小于8.5％；激光光斑绝对位置精度最大误差小于0.03mm；激光光斑间距偏离理论值最大误差小于0.006mm。

如图8和图9所示，分别为本实施例和现有技术的电镀工艺中晶硅电池片的钝化膜消融后产品的显微镜照片，其中可见光斑加工的形貌(其中图8为了方便观测对比，将光斑集合在同一图片内)。可知：41个激光光斑的形貌良好，激光光斑直径8μm左右(适应待加工图形，具体的光斑直径选择，本领域的技术人员可以根据加工图形进行选择)，激光光斑尺寸差异约为5％。而现有技术的最大加工幅面为100*100，且激光光斑尺寸差异大于10％，且热影响区域均匀性差。采用本申请的方案远远优于现有技术的方案。

如图10所示，为本实施例中晶硅电池片加工后的外观图。

其优点还在于：1.激光器11频率及功率要求低，迭代升级时不会成为产能瓶颈。2.激光光斑可进一步缩小，且不影响加工幅面。3.晶硅电池片任意位置的激光光斑形貌接近一致，不受场镜场曲等影响。

电镀工艺中晶硅电池片的钝化膜消融的方法中，可以根据待加工图形进行设置，作为一种典型的应用，光斑尺寸可以为6-50μm，分束数量可以为10-50束。优选的，光斑尺寸为6-10μm，分束数量可以为30-50束。

PERC电池激光消融方法。采用上述的激光多光束加工装置对待加工PERC电池片上的钝化膜进行消融处理。PERC消融工艺，激光光斑直径在20μm至40μm的范围内。待加工图形的数量在100至200根之间。电机行程大于250mm，可兼容230mm以下所有尺寸的电池片，单片加工时间小于等于1s。

具体的，PERC电池片的钝化膜消融的方法包括：使用纳秒脉冲激光器11作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器11，其中，纳秒脉冲激光器11的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米，光束质量因子M²＜1.2，优选波长为532纳米、频率范围1K至100K、功率大于等于45W的纳秒脉冲激光器11；调整分束衍射系统30和大视场聚焦系统40，以使分束衍射系统30分束50束且50束中相邻两束激光光束之间的间距为1.1毫米(对应加工图形)；选用焦距为330毫米石英制成的扫描场镜作为大视场聚焦系统40的扫描场镜；PERC电池片的表面包括150根间距1.1毫米的直线的待加工图形，PERC电池片上加工尺寸为164mm*164mm，加工分三次进行，设定激光多光束加工装置的平均加工速度为800毫米/秒，激光器11的工作频率大于等于30K，同时可加工2pcs，平均单片的加工时间为0.725秒。

理论模拟结果显示，激光光斑之间的能量一致性误差小于8.5％；激光光斑绝对位置精度最大误差小于0.03mm；激光光斑间距偏离理论值最大误差小于0.006mm。

图13和图14分别为本实施例的加工产品和现有技术加工产品的扫描电镜图，其显示了光斑加工后的形貌。如图13和图14所示，分别为本实施例和现有技术的PERC电池激光消融后产品的显微镜照片，其中可见光斑加工的形貌。

如图13所示，50个激光光斑加工的形貌良好，激光光斑直径30μm左右，优选激光光斑的直径大于等于27μm且小于等于28μm(适应待加工图形，具体的光斑直径选择，本领域的技术人员可以根据加工图形进行选择)。

如图14所示，采用现有技术中的振镜扫描系统加工(在不同视场下)，可见光斑加工后的形貌。振镜扫描速度大于等于45m/s，激光器11频率需要大于等于1500K，加工时间约为0.75s。如果进一步迭代升级产能，激光器11将成为瓶颈。

PERC电池片的钝化膜消融的方法中，可以根据待加工图形进行设置，作为一种典型的应用，光斑尺寸可以为20-50μm，分束数量可以为10-50束，优选的，光斑尺寸可以为20-40μm，分束数量可以为30-50束。

激光选择性掺杂(LDSE)方法。采用上述的激光多光束加工装置对待加工PERC电池片进行激光选择性掺杂。激光光斑尺寸为100μm*100μm的激光进行激光选择性掺杂。待加工图形的数量在100根到200根之间。电机行程大于等于250mm，可兼容230mm以下所有尺寸的PERC电池片，单片加工时间小于等于1s。

具体的，激光选择性掺杂的方法包括：使用纳秒脉冲激光器11作为激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器11，其中，纳秒脉冲激光器11的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米，光束质量因子M²＜1.2，优选波长为532纳米、激光频率在0至10KHZ之间、功率大于等于40W的纳秒脉冲激光器11；调整激光多光束加工装置的分束衍射系统30和大视场聚焦系统40，以使分束衍射系统30分束40束且40束中相邻两束激光光束之间的间距为1.367毫米(对应待加工图形)；选用焦距为330毫米石英制成的扫描场镜作为大视场聚焦系统40的扫描场镜；PERC电池片表面包括120根间距1.367mm的直线的待加工图形，PERC电池片上加工尺寸为164mm*164mm，加工分三次进行，设定激光多光束加工装置的平均加工速度为800毫米/秒。设定激光器11的工作频率大于等于8KHZ，同时可加工2pcs，平均单片的加工时间为0.725秒。

图15和图16分别为本实施例的加工产品和现有技术加工产品的扫描电镜图，其显示了光斑加工后的形貌。如图15和图16所示，分别为本实施例和现有技术的激光选择性掺杂后产品的显微镜照片，其中可见光斑加工的形貌。

如图15所示，可知：40个激光光斑加工的形貌良好，激光光斑直径100μm*100μm左右，优选激光光斑的尺寸大于等于95μm且小于等于100μm(适应待加工图形，具体的光斑直径选择，本领域的技术人员可以根据加工图形进行选择)。

如图16所示，采用现有技术中的振镜扫描系统加工(在不同视场下)，可见光斑加工后的形貌。振镜扫描速度大于等于40m/s，激光器11频率需要大于等于400K，加工时间约为0.75s。如果进一步迭代升级产能，激光器11可能成为瓶颈。且需要更换更高扫描速度的振镜，以及更大幅面的场镜。并且场镜边缘激光光斑较中间区域的激光光斑略差，且有一定的倾向角度。

激光选择性掺杂的方法中，可以根据待加工图形进行设置，作为一种典型的应用，光斑尺寸可以为50-120μm，分束数量可以为10-50束，优选的，光斑尺寸可以为80-100μm，分束数量可以为30-50束。

作为对比例，提供现有技术的电镀工艺中晶硅电池片(含PERC、topcon、HJT等)的钝化膜消融的方法，和实施的区别在于使用振镜和场镜扫描聚焦。当激光光斑尺寸范围为6μm至10μm，配合使用的场镜加工幅面需要小于等于100mm*100mm，其无法直接加工完整的166/182/210电池片，需要采用拼图的方案，即将加工幅面分成多个部分，一部分一部分的进行加工，最后形成完成的图案加工。以25m/s的速度进行加工，加工晶硅电池片的钝化膜消融的方法中相同图形时间约1.2s左右。当激光光斑小于5μm时，需要使用焦距更小的场镜，工作幅面小于50*50mm，拼接难度高，加工效率低，加工时间大于2s。同时，激光器11频率要求大于等于8000KHZ，进一步提升产能时激光器11将成为瓶颈。

以上为上述激光多光束加工装置的典型应用，具体的，应用场景包括但不限于，分离硅、蓝宝石、SiC、GaN等晶体或固体材料为薄片片材或小片材、硅电池、薄膜电池、钙钛矿叠层电池、光伏组件的切割、焊接、掺杂、消融等工件近表面处理工艺，金属或陶瓷工件的切割、焊接、表面改性等处理工艺。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种激光多光束加工装置，其特征在于，包括：

激光发生系统，所述激光发生系统发射激光光束；

分束衍射系统(30)，所述分束衍射系统(30)用于接收所述激光光束并将所述激光光束分为多束；

大视场聚焦系统(40)，所述大视场聚焦系统(40)用于接收所述分束衍射系统(30)的多束所述激光光束并输出多束平行光束，以使所述多束平行光束对待加工基板(50)进行加工。

2.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述分束衍射系统(30)包括衍射光栅和衍射分光镜中的一种。

3.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述大视场聚焦系统(40)包括扫描场镜、球面聚焦透镜组、非球面透镜及透镜组中的一种。

4.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述激光多光束加工装置还包括：

加工平台(80)，所述加工平台(80)用于承载所述待加工基板(50)；

移动装置，所述移动装置驱动所述加工平台(80)相对于所述大视场聚焦系统(40)进行移动。

5.根据权利要求4所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述大视场聚焦系统(40)为一个或多个，所述加工平台(80)和所述大视场聚焦系统(40)对应设置，当所述大视场聚焦系统(40)为多个时，所述加工平台(80)具有多个工位台面，多个所述工位台面上均对应设置有所述待加工基板(50)，多个所述大视场聚焦系统(40)与多个所述工位台面一一对应设置，以实现多个所述待加工基板(50)的同时加工。

6.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述激光多光束加工装置还包括：

衰减系统，所述衰减系统位于所述激光发生系统与所述分束衍射系统(30)之间，所述衰减系统用于调节所述激光光束的能量；和/或

扩束系统(70)，所述扩束系统(70)位于所述激光发生系统与所述分束衍射系统(30)之间；和/或

反射镜(20)，所述反射镜(20)为一个或多个，所述激光发生系统与所述衰减系统之间、所述衰减系统与所述分束衍射系统(30)之间中的至少一个设置有至少一个所述反射镜(20)；和/或

滤波掩膜版(100)，所述滤波掩膜版(100)位于所述大视场聚焦系统(40)的出光侧，以对所述激光光束进行滤光处理。

7.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述激光多光束加工装置还包括机器视觉系统，所述机器视觉系统用于识别所述待加工基板(50)的位置。

8.根据权利要求7所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述机器视觉系统包括识别相机(91)和二向色镜(92)，所述识别相机(91)和所述二向色镜(92)间隔设置在所述分束衍射系统(30)的上游位置，所述二向色镜(92)位于所述识别相机(91)与所述分束衍射系统(30)之间，所述识别相机(91)与所述分束衍射系统(30)同轴设置。

9.根据权利要求8所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述激光多光束加工装置还包括装调夹具，所述分束衍射系统(30)、所述大视场聚焦系统(40)和所述二向色镜(92)设置在所述装调夹具上，所述装调夹具包括：

分束衍射系统镜架(201)，所述分束衍射系统(30)可调节地设置在所述分束衍射系统镜架(201)上；

大视场聚焦系统镜架(202)，所述大视场聚焦系统(40)可调节地设置在所述大视场聚焦系统镜架(202)上，所述大视场聚焦系统镜架(202)与所述分束衍射系统镜架(201)连接且同轴设置；

二向色镜承载架(203)，所述二向色镜承载架(203)位于所述分束衍射系统镜架(201)远离所述大视场聚焦系统镜架(202)的一侧且与所述分束衍射系统镜架(201)呈角度设置。

10.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，

所述分束衍射系统(30)最大衍射全角范围为0.01°至65°，分束数量范围为2束至120束；和/或

所述大视场聚焦系统(40)具有±15°至±33°的视场范围，所述大视场聚焦系统(40)的焦距为125mm-350mm。

11.根据权利要求1所述的激光多光束加工装置，其特征在于，

所述分束衍射系统(30)最大衍射全角范围为0.01°至30°，分束数量范围为2束至51束；和/或

所述大视场聚焦系统(40)具有±15°的视场范围，所述大视场聚焦系统(40)的焦距为125mm-350mm。

12.根据权利要求10或11所述的激光多光束加工装置，其特征在于，所述分束衍射系统(30)和所述大视场聚焦系统(40)的光学参数满足：

d＝F*θ₀；     公式一

θ₀＝θ₁/N；     公式二

其中，θ₁为所述分束衍射系统(30)的全衍射角，θ₀为相邻两束所述激光光束的夹角，N为分束数量，F为所述大视场聚焦系统(40)的焦距，d为聚焦到所述待加工基板(50)的多束所述激光光束的相邻两束所述激光光束的间距。

13.根据权利要求10或11所述的激光多光束加工装置，其特征在于，

所述分束衍射系统(30)搭配所述大视场聚焦系统(40)以将所述激光光束分为2束至51束；和/或

多束所述激光光束中相邻两束所述激光光束的间隔在0.5毫米到1.5毫米的范围内；和/或

多束所述激光光束在所述待加工基板(50)上的多个激光光斑的位置最大偏差小于0.03mm；和/或

多束所述激光光束在所述待加工基板(50)上的多个激光光斑的外径大于等于8μm且小于等于10μm；和/或

多束所述激光光束的平行度偏差小于0.02°；和/或

多束所述激光光束中相邻两个所述激光光束之间的距离差不超过0.006mm；和/或

多束所述激光光束中至少两个所述激光光束的能量差不超过10％。

14.一种太阳能电池多光束加工方法，其特征在于，采用权利要求1至13中任一项所述的激光多光束加工装置对待加工基板(50)进行激光加工处理，使所述激光多光束加工装置的激光光斑大小适应所述待加工基板(50)的待加工图形，相邻所述激光光斑的间距等于所述待加工图形的间距。

15.根据权利要求14所述的太阳能电池多光束加工方法，其特征在于，所述激光加工处理为电镀工艺中晶硅电池片的钝化膜消融，

使用脉冲激光器作为所述激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，所述脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或

调整所述激光多光束加工装置的分束衍射系统(30)和大视场聚焦系统(40)，以使相邻两束激光光束之间的间距在1毫米到1.5毫米的范围内；和/或

所述激光光束的激光光斑尺寸为6μm-50μm；和/或

分束数量为10束-50束；和/或

选用焦距在100毫米至200毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为所述激光多光束加工装置的大视场聚焦系统(40)的扫描场镜；和/或

设定所述激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

16.根据权利要求14所述的太阳能电池多光束加工方法，其特征在于，所述激光加工处理为PERC电池激光消融，

使用脉冲激光器作为所述激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，所述脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或

调整所述激光多光束加工装置的分束衍射系统(30)和大视场聚焦系统(40)，以使相邻两束激光光束之间的间距在1毫米到1.5毫米的范围内；和/或

所述激光光束的激光光斑尺寸为20μm-50μm；和/或

分束数量为10束-50束；和/或

选用焦距在300毫米至350毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为所述激光多光束加工装置的大视场聚焦系统(40)的扫描场镜；和/或

设定所述激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

17.根据权利要求14所述的太阳能电池多光束加工方法，其特征在于，所述激光加工处理为激光选择性掺杂，

使用脉冲激光器作为所述激光多光束加工装置的激光发生系统的激光器，其中，所述脉冲激光器的波长大于等于355纳米且小于等于1064纳米；和/或

调整所述激光多光束加工装置的分束衍射系统(30)和大视场聚焦系统(40)，以使相邻两束激光光束之间的间距在1.1毫米到1.4毫米的范围内；和/或

所述激光光束的激光光斑尺寸为50μm-120μm；和/或

分束数量为10束-50束；和/或

选用焦距在300毫米至350毫米的范围内和/或石英制成的扫描场镜作为所述激光多光束加工装置的大视场聚焦系统(40)的扫描场镜；和/或

设定所述激光多光束加工装置的平均加工速度在200mm/s至2000mm/s的范围内。

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