作者：Wolfgang Horn，Joerg Neukum Dilas

現(xiàn)今，激光器已經(jīng)普遍應(yīng)用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)領(lǐng)域，如脈沖Nd:YAG激光器或Nd:YVO4激光器用于太陽(yáng)能電池的邊緣隔離。在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中，通過(guò)對(duì)硅片進(jìn)行激光鉆孔、激光切割、激光劃線來(lái)實(shí)現(xiàn)背部電連接，這些方法同樣被認(rèn)為是可行的激光處理方法。若要實(shí)現(xiàn)此法，則需使用具有較高峰值功率和良好光束質(zhì)量的脈沖激光器。

雖然高功率半導(dǎo)體激光器不能達(dá)到這些參量，但當(dāng)使用具有毫米級(jí)焦點(diǎn)的緊湊型連續(xù)光源時(shí)，高功率半導(dǎo)體激光器仍具有其優(yōu)勢(shì)。下面將著重描述激光器在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹它是如何實(shí)現(xiàn)焊接、再結(jié)晶或烘干功能的。所有這些應(yīng)用都有其共同點(diǎn)——在幾平方毫米的區(qū)域范圍內(nèi)可達(dá)到目標(biāo)熱值。

 半導(dǎo)體激光器——激光焊接

在光伏組件的生產(chǎn)中，單個(gè)太陽(yáng)能電池通過(guò)焊接連接帶互相電連接。焊接時(shí)，焊料必須與其同時(shí)達(dá)到一定程度的良好導(dǎo)電性能。因其不確定的熱輸入和應(yīng)用期間產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，業(yè)界很少采用Kolben焊，而是更偏向使用感應(yīng)、熱空氣焊或微型火焰釬焊等焊接方法。

因太陽(yáng)能電池越來(lái)越薄 (<200μm)，在其生產(chǎn)過(guò)程中，物美價(jià)廉的硅太陽(yáng)能電池對(duì)其晶圓處理的要求也就越來(lái)越高，應(yīng)盡可能地減小在處理過(guò)程中晶圓的報(bào)廢率和熱應(yīng)力。

采用高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行焊接有諸多優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于太陽(yáng)能電池的電連接是必不可少的。這是一種無(wú)接觸方法，是通過(guò)對(duì)空間和時(shí)間上輸入熱量的定義以及確保太陽(yáng)能電池本身的熱應(yīng)力最小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為提高過(guò)程的穩(wěn)定性，半導(dǎo)體激光器可以在一個(gè)閉環(huán)控制回路里（閉環(huán)）通過(guò)高溫計(jì)的作用，盡可能地控制和減小焊縫的熱量輸入(見(jiàn)圖1)。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)大批量重復(fù)生產(chǎn)，同時(shí)也提高了效益，實(shí)現(xiàn)了較高的光電效率。

圖1：掃描頭的工作方式

多數(shù)情況下，上述提及的高溫計(jì)被集成到激光加工頭中，其探測(cè)范圍靜態(tài)地通過(guò)激光焦距調(diào)節(jié)。Galvo掃描儀和高溫計(jì)的結(jié)合體現(xiàn)了軸上實(shí)時(shí)溫控的靈活優(yōu)勢(shì)，并在材料加工方面實(shí)現(xiàn)了最大可能的過(guò)程控制。單個(gè)太陽(yáng)能電池大小的加工區(qū)域可通過(guò)其相對(duì)應(yīng)的光學(xué)性來(lái)描述，且使得快速、靈活、溫度可控的太陽(yáng)能電池的電連接得以實(shí)現(xiàn)。

太陽(yáng)能電池的組裝或疊加是通過(guò)金屬絲連接實(shí)現(xiàn)的。在這里，長(zhǎng)而易斷的金屬絲與其他設(shè)備被固定在同一個(gè)位置。如果太陽(yáng)能電池通過(guò)薄片疊壓方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接，那么激光焊接過(guò)程的引入便可以省去額外的設(shè)備。

此類模型典型的層結(jié)構(gòu)是：

•玻璃

•乙烯醋酸乙烯酯（EVA）箔

•鍍錫帶

•太陽(yáng)能電池

•鍍錫帶

•透明泰德拉^®薄膜

 此類光伏模塊的前端面和后端面對(duì)于激光射線來(lái)說(shuō)都是透明的，這樣才能順利地焊接前后層壓面。后一種方法也叫做層壓激光焊接（ILLS，見(jiàn)圖2）。位于Hameln的太陽(yáng)能研究所(ISFH)表示，在此過(guò)程中該層壓薄膜不會(huì)遭破壞，該層壓薄膜也不可能是日后導(dǎo)致太陽(yáng)能電池?fù)p壞的潛在因素。

 圖2：ILLS方式下，太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)

 太陽(yáng)能電池的連接是一般的印刷或氣相沉積，層結(jié)構(gòu)為典型的15μm的鋁(Al)層和1～3μm的銀層(Ag)組成。鍍錫帶的厚度約為50～150μm（見(jiàn)圖3）。

圖3：Al（5μm）/Ag（5μm）層太陽(yáng)能電池在冶金工業(yè)的剖面圖

激光功率和曝光時(shí)間參數(shù)相同的前提下，ISFH得出無(wú)鉛絲(Sn96.5Ag3.5)和含鉛絲（Sn60Pb40）的可比結(jié)論。通過(guò)截面連接質(zhì)量顯示出其良好的沾粘性和接觸同質(zhì)性。

良好接觸的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是其剪力和接觸電阻。

金屬絲加工所需的最小剪力可達(dá)10N/cm。對(duì)于只有20～40J能量輸入的情況下，這一數(shù)值在激光焊接處理中是偏高的（相應(yīng)的功率密度大約為5x10³W/cm²）。最大可測(cè)剪力大約為30N/cm。當(dāng)高于200J的能量輸入時(shí)，金屬絲會(huì)被燒壞。

激光焊接面的接觸電阻只有約0.1mΩ/cm²，且只存在很小可能性會(huì)達(dá)到如傳統(tǒng)焊面那么大的接觸電阻。

簡(jiǎn)化用激光焊接技術(shù)來(lái)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池組的另一種方法是層壓激光焊接方法(見(jiàn)圖4)。其優(yōu)點(diǎn)是：

l 單元背面的連接可以通過(guò)激光器對(duì)太陽(yáng)能電池單元的一面進(jìn)行加工來(lái)實(shí)現(xiàn)

l 將耗時(shí)的電池加工過(guò)程的時(shí)間最小化

l 完全不需使用金屬絲（由帶連接單元）

l 易碎超薄型太陽(yáng)能電池的加工將會(huì)更方便

圖4：通過(guò)層壓激光焊接法實(shí)現(xiàn)背連接單元的激光焊接

OLLS過(guò)程中，先將連接封裝劑放置于玻璃前端和第一片片狀薄膜前，通過(guò)用激光射線輕微熔化薄膜的方式將其固定。此后，太陽(yáng)能電池板將被有序排列并都附帶封裝劑。太陽(yáng)能電池、封裝劑和連接封裝劑通過(guò)局部激光焊接連接起來(lái)。典型的焊接時(shí)間為每個(gè)焊點(diǎn)約0.3s。焊接后，第二片層壓薄膜將會(huì)疊加到模塊的背面。太陽(yáng)能模塊的層壓工藝就完成了。 

配合高溫計(jì)，在最佳溫度范圍內(nèi)通過(guò)使用激光焊接方法實(shí)現(xiàn)電連接，如果沒(méi)有周邊硅晶粒的影響，還可改善接觸電阻。再與Galvo掃描儀配合，便可充分體現(xiàn)激光焊接對(duì)于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的靈活性及可控的優(yōu)勢(shì)。

硅的烘干

目前采用的是大型烘箱來(lái)烘干所生產(chǎn)的薄膜太陽(yáng)能電池。此類烤箱具有較高的購(gòu)置性和經(jīng)營(yíng)成本，但唯一的用途只是均勻地烘干每一片薄膜。

此處，激光射線被作為最有效的光源使用，并且整個(gè)烘干過(guò)程可通過(guò)半導(dǎo)體激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這既可以用常規(guī)的激光束掃描太陽(yáng)能電池，或者從一開(kāi)始就使用線型激光，也符合太陽(yáng)能電池的幾何特性并能得出均勻光強(qiáng)分布。通過(guò)均勻的線聚焦法可達(dá)到較均勻的烘干效果。

 這樣，既可以使用光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)和相應(yīng)的光斑均化線性光學(xué)，或者使用激光半導(dǎo)體組件并且在其光斑均勻化和光學(xué)成像后，將多個(gè)激光半導(dǎo)體bar條排列成整齊的水平陣列。

一個(gè)簡(jiǎn)單的光斑均勻強(qiáng)度分布例子如圖6所示。這一即將投入使用的線性激光器其功率在幾百瓦范圍內(nèi)，且據(jù)其進(jìn)給速度得線寬約為160 mm。

因其適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件，使得光強(qiáng)均一性可高達(dá)>90%。

再結(jié)晶

在薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)過(guò)程中硅層會(huì)沉積在玻璃基板上。為獲取大面積、無(wú)缺陷的再結(jié)晶硅層，須嚴(yán)格符合規(guī)定的晶粒尺寸（對(duì)于硅層的進(jìn)一步增長(zhǎng)是很重要的），這與光強(qiáng)均勻的半導(dǎo)體激光有關(guān)。

 例如，400W光功率的線狀光斑(見(jiàn)圖5和圖6)和約12mm x 400μm尺寸的硅層掃描圖。

圖6：寬170mm的激光譜線

 小結(jié)

半導(dǎo)體激光器在超脈沖狀態(tài)下沒(méi)有足夠的能量，因其本身不理想的光束質(zhì)量及特性，對(duì)于許多消融方面的應(yīng)用并不適合，但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，在太陽(yáng)能電池的焊接和烘干以及薄膜硅的制作方面，半導(dǎo)體激光器將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

半導(dǎo)體激光器通過(guò)與如高溫計(jì)或者Galvo掃描儀等附件的結(jié)合來(lái)獲得一個(gè)使用較靈活、同時(shí)可調(diào)控的熱源，這還使得太陽(yáng)能電池的薄化處理得以實(shí)現(xiàn)，從而提高了太陽(yáng)能電池的靈敏度。此外，還可以利用半導(dǎo)體激光模塊的光強(qiáng)均一性，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的均勻熱處理以及其他更多應(yīng)用。