CN203636205U - 一种用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于刻划硅基薄膜太阳能电池的装置，属于太阳能电池设备技术领域。为解决现有激光刻划设备不能同时兼顾成本和刻划复杂图形的技术问题，设计一种用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，主要由支架及光学系统、除尘机构构成，其特征在于所述光学系统包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、振镜和聚焦镜，扩束镜连接激光器和分光镜，形成多束激光，且每束激光的传播方向上均依次设有振镜及聚光镜。本实用新型突破了传统具有分光飞行光学系统或偏振扫描光学系统的激光刻划装置的限制，刻划效率高，设备成本低。

Description

一种用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于刻划硅基薄膜太阳能电池的装置，属于太阳能电池设备技术领域。

背景技术

    激光刻划装置是硅基薄膜太阳能电池制造中必不可少的关键设备。激光刻划装置主要包括光学系统及其控制系统，其中光学系统是核心，目前应用在薄膜太阳能电池业内的主要有分光飞行光学系统和振镜扫描光学系统，分光飞行系统主要用于刻划大尺寸薄膜电池，如中国专利申请号200920106830.7《薄膜太阳能电池划线装置》，而振镜扫描光学系统主要用在小尺寸的复杂图形的刻划上。如中国专利200810236766.4《一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置》，通过光学元件（如分光镜）将激光分成能量近似相等的两束或四束，各个子光束通过光路传导至不同的激光头，激光头经聚焦后作用在需加工的基片膜层上，在刻划过程中，激光头组合做高速往返运动，而基片保持不动，刻划速度快，激光器数量少，但刻线间距由激光头间距确定，要在刻划前一次性调整好，在刻划过程中不可改变，造成无法刻划间距不等的复杂图形，不能满足薄膜太阳能电池产品的多样化要求，而且由于分光镜所分多束激光不完全一致，需要通过偏光镜进行角度校正，而这些校正均不可实时调整，容易造成刻划线出现误差，继而影响电池的电性能。振镜扫描光学系统稳定性高，可以实现任意间距的复杂的图形，且激光头利用率接近100%，但是由于激光束经聚焦后受焦深的限制，单个激光头的有效工作区域有限，所需激光器数量较多，设备及其维护成本高。

激光刻划装置中的除尘机构的功能是将被激光去除的膜层、颗粒有效的收集起来，一方面避免粉尘、颗粒对净化车间洁净度的影响，另一方面降低其对电池芯板电性能的负面影响。如中国专利201220015196.8《用于薄膜太阳能电池激光刻槽的除尘机构》，在激光作用位置及玻璃基板正上方安装除尘终端即吸嘴，吸嘴经柔性管道连接到抽风系统，在激光刻膜的过程中，除尘系统中具有特定抽速的风机开始工作，在管道内部产生负压，将吸嘴下方、玻璃基板上方空间含膜层颗粒、粉尘的空气经柔性管道吸入除尘系统内部，经过滤除尘后将尾气排出至厂务排风系统。此类除尘机构针对非晶硅单结薄膜太阳能电池P2/P3刻划是有效的，但针对非晶/微晶叠层薄膜太阳能电池P2/P3刻划，其除尘效果欠佳，原因在于：第一，非晶/微晶薄膜太阳能电池吸收层厚度一般超过1.3μm，其厚度远远大于非晶硅单结电池吸收层厚度（一般<500nm），由于厚度的增加导致P2/P3激光刻划的过程中产生更多的粉尘和颗粒，使除尘难度加大；第二，微晶硅膜层致密度低于非晶硅膜层，孔隙率高且晶粒呈柱状生长，导致刻划过程中产生的颗粒、粉尘的粒径偏小，一旦落在膜面上，很难将其去除，使除尘的难度加大，一般的除尘系统不能满足工艺的要求。根据现场测试的结果显示，残留在基板上的颗粒和粉尘中，影响太阳能电池电性能，而且超过90%的颗粒和粉尘可以通过气流吹扫被除去，说明现有激光设备的除尘效果不理想。

发明内容

本实用新型解决现有激光刻划装置不能同时兼顾成本和刻划复杂图形的技术问题，同时克服传统激光刻划装置在工作运行中产生一些较小径粒的颗粒，影响太阳能电池电性能等问题。

为了实现以上任务，本实用新型全新概念地设计一种硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，主要由支架及光学系统、除尘机构构成，其特征在于所述光学系统包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、振镜和聚焦镜，扩束镜连接激光器和分光镜，形成多束激光，且每束激光的传播方向上均依次设有振镜及聚光镜。

扩束镜连接分光镜，激光由分光镜分成反射光和折射光，所述折射光或反射光经过反射镜与反射光或折射光形成平行的激光束，每束激光的传播方向上均设有振镜及聚光镜，即每束激光均由振镜偏振处理进入聚光镜聚焦，刻划膜层。

分光镜和振镜之间装有挡光装置，在不需要刻划对应刻线时可通过挡光装置将激光挡住，振镜包括由电机控制自由转动的X轴振镜和Z轴振镜。

挡光装置前面设有反射镜，可以根据需要改变激光方向。

聚焦镜为F-θ聚焦镜，该聚焦镜的端口有保护镜，以防刻划过程中灰尘污染聚焦镜。

光学系统至少有两套，每套光学系统内至少有两个振镜，多束激光同时对基片进行刻划，有效提高激光刻划效率。

为了去除激光刻划装置在工作运行中产生一些较小径粒的颗粒，本实用新型设计的激光刻划装置的除尘机构安装在支架上，位于光学系统上方，除尘机构主要由除尘罩、粉尘过滤机构和抽气风机及辅助吹扫构件组成。辅助吹扫构件包括依次连接的吹扫气体源、气体过滤单元、电磁控制阀、气体压力控制单元、气体管道和气体吹扫单元，气体管道连通到气体吹扫单元。除尘罩为倒三角形和梯形叠加形状的空腔，梯形位于倒三角形下端，呈底端敞口状，在敞口内侧有半圆，在倒三角形顶端依次连接粉尘过滤装置和抽气风机。气体吹扫单元为中空圆管，其上分布多个内径为1~1.5mm的气孔，该气孔的末端为圆锥形扩孔。气体吹扫单元的中空圆管为不锈钢管或氯化聚氯乙烯管。气体吹扫单元为两个，分别位于除尘罩的底端敞口的两外侧，中空圆管上的气孔朝向除尘罩下端的内侧。

本实用新型的积极效果：

1. 激光刻划装置对激光先分光后偏振，将分光后的激光进行偏振，不仅可以刻划大尺寸的复杂图形的电池，还能减少激光器使用数量，有效降低设备成本，提高生产效率。突破了传统具有分光飞行光学系统或偏振扫描光学系统的激光刻划装置的限制。 

2. 本实用新型设计的激光刻划装置还能实时准确校正，保证刻划线高度一致，提高产品质量，克服现有激光刻划装置分光飞行光学系统分光后需要校正补偿的缺陷。

3. 激光刻划装置的除尘机构设有辅助吹扫构件，可以对激光刻划后留在膜面上的较小径粒的颗粒和粉尘进行更好的再次吹扫，使得电池芯板不会因为残留这些颗粒和粉尘而降低电性能。

附图说明

图1：本实用新型硅基薄膜太阳能电池激光刻划装置的结构示意图。

图2：激光刻划装置的除尘机构的结构示意图。

图3：实施例一的示意图。

图4：实施例二的示意图。

图5：实施例三的示意图。

图6：图5中激光刻划装置的局部剖面示意图。

图7：激光刻划装置中除尘机构的气体吹扫单元19的吹气孔结构示意图。

图1至图7中：1、激光器，2、扩束镜，3、分光镜，4、Z轴振镜， 5、X轴振镜， 6、聚焦镜，7、保护镜，8、反射镜，9、挡光装置，10、Z轴转动电机，11、X轴转动电机，12、支架，13、激光系统固定板，14、振镜罩，15、基片工作台，16、吸尘罩支架，17、吸尘罩，18、基片，19、气体吹扫单元，20、气体管道，21、气体压力控制单元，22、电磁控制阀，23、气体过滤单元，24、吹扫气体源，25、抽气管，26、粉尘过滤装置，27、抽气风机。

具体实施方式

实施例一

见图3，本实施例的激光刻划装置采用单套光学系统，包括激光器1、扩束镜2、分光镜3、Z轴振镜4、X轴振镜5、聚焦镜6、保护镜7和反射镜8，激光器1发出的一束激光经过扩束镜2后由分光镜3分成X轴向的折射光和Y轴向的反射光，折射光经Z轴振镜4偏振后再经过X轴振镜5，使激光向上再经聚焦镜6到达基片膜层表面，进行刻划，而同时另一束反射光再经过一个反射镜8将光路反射成和折射光一致的X轴向后，反射光经另一Z轴振镜4偏振后再经过X轴振镜5，使激光向上再经聚焦镜6到达基片膜层表面，进行刻划，由一个激光器实现两束激光同时刻划。

工作时，基片18放置在基片工作台15上，膜面朝上，激光光学系统在计算机控制下协同工作。

工作过程中刻划X轴向刻划线（垂直于激光头排列方向）时，通过计算机控制Z轴转动电机10带动Z轴振镜4沿Z轴转动到一定初始位置停止，X轴转动电机11带动X轴振镜5沿X轴偏转到第一组刻划线的起始位置，由机械手夹持住基片18的两边进行X轴前后运动（垂直于激光头排列方向），完成第一组六条X轴向刻划线，第一组X轴向刻划线完成后，基片18停止运动，然后X轴转动电机11带动X轴振镜5沿X轴偏转到第二组刻划线的起始位置，然后机械手夹持住基片18的两边开始下一个行程，完成第二组六条X轴向刻划线，依次类推，直至实现各种间距的刻划，完成对基片18的X轴向刻划线的加工。

工作过程中刻划Y轴向刻划线（平行于激光头排列的方向）时，机械手夹持住基片18的两边将玻璃移至第一Y轴向刻划线的坐标位置，基片位置保持不变，通过计算机控制Z轴转动电机10带动Z轴振镜4和X轴转动电机11带动X轴振镜5偏转至初始位置，然后再通过计算机控制在X轴转动电机11带动X轴振镜5在定义的角度范围内从初始位置开始按照一定的速度连续、快速转动，使激光束在Y轴向方向上平移，完成各激光头刻划区域内Y轴向方向刻划线的刻划，之后挡光装置9关闭（不出光），X轴振镜5回到初始位置，三套激光光学系统同时工作，6个激光头独立完成的6条Y轴向方向刻划线左右拼接成一条Y轴向刻划线，完成一条Y轴向刻划线刻划后，机械手夹持住基片18的两边将玻璃移至下一条横向刻划线的坐标位置，各激光光学模块内挡光装置9打开，使光束通过，重复上述过程完成下一条Y轴向刻划线，依次类推，直到完成最后一条Y轴向刻划线，至此，完成基片18的刻划加工。

实施例二

见图4，本实施例的激光刻划装置的光学系统包括激光器1、扩束镜2、分光镜3、Z轴振镜4、 X轴振镜5、聚焦镜6、保护镜7、反射镜8和挡光装置9，激光器1发出的一束激光经过扩束镜2后由分光镜3分成X轴向的折射光和Y轴向的反射光，折射光先由反射镜8反射成和反射光一致的Y轴向光路，两束光路再分别由反射镜8反射成X轴向的光路，通过分光装置9再经Z轴振镜4偏振后再经过X轴振镜5，使激光向上再经聚焦镜6到达基片膜层表面，进行刻划。

工作时，基片18放置在基片工作台15上，位于除尘机构和光学系统中间，膜面朝上，激光光学系统在计算机控制下协同工作。

激光刻划装置的运作同实施例1，在此不再赘述。

实施例三

见图5，本实施例的激光刻划装置包括三套光学系统，三套光学系统Y轴向并排安装在支架12的激光系统固定板13上，振镜罩14共有六个，分别将聚焦镜6、X轴振镜5和X轴转动电机11罩在内部，聚焦镜6为F-θ聚焦镜，保护镜7伸出到振镜罩14上端、振镜罩14固定在激光系统固定板13上，基片工作台15也安装在支架12上，并在激光刻划光学系统上方留有刻划间隙，且激光刻划装置上装有除尘机构。

工作时，基片18放置在基片工作台15上，位于除尘机构和光学系统装置中间，膜面朝上，三套激光光学系统相对独立，在计算机控制下协同工作，激光刻划过程同实施例1，在此不再赘述，以下重点说明激光刻划装置商的除尘机构及其工作原理：

除尘机构安装在光学系统上方，除尘机构中的吸尘罩17的中间部位正对聚焦镜9上方的保护镜10，吸尘罩17固定安装在支架上的两侧的吸尘罩支架15上，吸尘罩17上部通有抽气管25，抽气管25经过粉尘过滤装置26与抽气风机27相连通，在吸尘罩17下端部两侧边分别固定有气体吹扫单元19，气体吹扫单元19通过气体管道20依次经过气体压力控制单元21和电磁控制阀22后再经气体过滤单元23与吹扫气体源24相连通，其中，吹扫气体源24为无油压缩空气或氮气，气体过滤单元25由两部分组成，一级过滤系统主要过滤气体中的颗粒，二级过滤系统用活性炭吸附气体中的水分子和油分子；气体压力控制单元21由手动球阀控制，将气体压力控制在6bar，控制气体导入/切断的电磁控制阀22，其控制信号为+24V直流信号，由机台控制系统控制该触发信号，气体通过三通接头将气体由一路分为两路气体管道20，分别连接到固定在除尘吸嘴上的两个气体吹扫单元19上，高压气体通入气体吹扫单元19的由CPVC制成的中空管道后，在管道内外的压差作用下，气体将从中空管道上密排的直径为1.5mm小孔中喷出，形成较快速的线形气流，气流作用在基片18的膜面上，气流方向与基板法线方向的夹角约15~30°，膜面上的粉尘、颗粒在外部气流的扰动作用下被再次吹离基片18表面，然后被上方的除尘吸嘴吸入除尘系统内部。

除尘机构的具体操作过程：基片18被定位夹紧后，除尘系统的抽气风机27开始启动，设备控制系统（CNC或运动控制卡）控制电磁控制阀22打开，使气体通入气体吹扫单元19形成线形的气流，之后，设备控制系统控制光学系统的各子系统开始刻划程序，刻划过程中，激光束作用在玻璃基片18的膜层上时，被去除的膜层材料形成大量的小尺寸颗粒和粉尘，大部分颗粒和粉尘在离开膜层的过程中被除尘系统吸入、过滤收集起来，小部分颗粒和粉尘未及时被吸入除尘系统，在重力作用下重新落回到基板膜面上，在辅助吹扫构件的气流的吹扫、扰动作用下，被气流吹扫到的基片18的膜层上的粉尘、颗粒将重新离开基片18的表面，然后被吸入除尘系统后排出收集起来 

Claims (10)

1.一种用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，主要由支架及光学系统、除尘机构构成，其特征在于所述光学系统包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、振镜和聚焦镜，扩束镜连接激光器和分光镜，形成多束激光，且每束激光的传播方向上均依次设有振镜及聚光镜。

2.根据权利要求1所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述分光镜和振镜之间装有挡光装置或反射镜，振镜包括由电机控制自由转动的X轴振镜和Z轴振镜。

3.根据权利要求2所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述挡光装置前面安装有反射镜。

4.根据权利要求1所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述聚焦镜为F-θ聚焦镜，在聚焦镜端口安装有保护镜。

5.根据权利要求1所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述除尘机构安装在支架上，主要由除尘罩、粉尘过滤机构和抽气风机及辅助吹扫构件组成。

6.根据权利要求5所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述辅助吹扫构件包括依次连接的吹扫气体源、气体过滤单元、电磁控制阀、气体压力控制单元、气体管道和气体吹扫单元，气体管道连通到气体吹扫单元。

7.根据权利要求6所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述除尘罩为倒三角形和梯形叠加形状的空腔，梯形位于倒三角形下端，呈底端敞口状，在敞口内侧有半圆，在倒三角形顶端连接依次安装粉尘过滤装置和抽气风机。

8.根据权利要求6所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述气体吹扫单元为中空圆管，其上分布多个内径为1~1.5mm的气孔，该气孔的末端为圆锥形扩孔。

9.根据权利要求6所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述气体吹扫单元的中空圆管为不锈钢管或氯化聚氯乙烯管，中空圆管上的气孔朝向除尘罩下端的内侧。

10.根据权利要求6所述的用于硅基薄膜太阳能电池的激光刻划装置，其特征在于所述气体吹扫单元有两个，分布在除尘罩的底端敞口的两外侧。

Images