太陽電池激光劃裂技術(shù)的發(fā)展趨勢分析

徐 兵，李 燕

(1. 江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江 212000；2. 浙江大學(xué)昆山創(chuàng)新中心，昆山 215300)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源市場正在經(jīng)歷前所未有的變革。我國作為可再生能源產(chǎn)能大國，現(xiàn)已成為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主角，我國的節(jié)能減排理念與主張已得到多數(shù)國家的認(rèn)可，開始從全球氣候改善的參與者向引領(lǐng)者轉(zhuǎn)變，也已成為全球可再生能源投資大國。根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國在可再生能源領(lǐng)域，尤其是在太陽能的光伏技術(shù)應(yīng)用方面已趨于世界領(lǐng)先水平，光伏組件生產(chǎn)量占據(jù)全球70%以上的市場份額，“光伏應(yīng)用”已成為“國家綠色名片”中的重要詞匯。

從科研攻關(guān)到市場應(yīng)用，從光伏利用大國到光伏利用強(qiáng)國，從光伏扶貧到“光伏+多種模式應(yīng)用”的創(chuàng)新，我國光伏市場在全球光伏市場一路領(lǐng)跑。如今，通過光伏產(chǎn)業(yè)降本增效，以及“一帶一路”、加強(qiáng)全球南北合作等的開展，我國光伏產(chǎn)業(yè)為廣大發(fā)展中國家提高電力普及率，以及改善全球大氣環(huán)境輸出了“中國智慧”與“行動”。未來，在光伏技術(shù)與光伏市場發(fā)展的推動下，作為全球能源轉(zhuǎn)型的重要力量，我國的光伏產(chǎn)業(yè)將發(fā)揮越來越重要的作用。

太陽電池是光伏組件中最核心的部件。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，在太陽電池生產(chǎn)過程中，有時(shí)需要將1片完整的太陽電池切割成多片大小相同的小太陽電池，然后將切割后的小片太陽電池焊接成太陽電池串，從而可以提高最終制備的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽電池的切割通常采用劃裂技術(shù)，以切割成不同尺寸規(guī)格的小片太陽電池為基礎(chǔ)，可生產(chǎn)出種類繁多的新型光伏組件，例如：半片光伏組件、210太陽電池三分片光伏組件、多片疊瓦光伏組件、板塊互聯(lián)光伏組件、無縫焊接多主柵光伏組件等。因此，太陽電池切割已成為光伏組件產(chǎn)品迭代升級中不可或缺的工藝環(huán)節(jié)。

本文詳細(xì)闡述了太陽電池激光劃裂技術(shù)的原理，介紹了近年來市場中常用的太陽電池激光劃裂技術(shù)的原理和發(fā)展情況，并對比分析了新型的無損傷激光劃裂技術(shù)與常規(guī)激光劃裂技術(shù)的主要區(qū)別和各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。

1 太陽電池激光劃裂技術(shù)的原理

太陽電池切割時(shí)的劃裂技術(shù)一般采用激光劃裂技術(shù)，該技術(shù)的原理示意圖如圖1所示。

圖1 太陽電池激光劃裂技術(shù)的原理示意圖Fig. 1 Principle schematic diagram of laser splitting technology for solar cell

太陽電池激光劃裂技術(shù)均采用激光劃裂機(jī)。如圖1所示，技術(shù)原理為：以電子放電作為供給能源，通過He、N2、CO2等混合氣體作為激發(fā)激光發(fā)射器發(fā)射的激光的媒介，利用激光振鏡聚焦激光形成激光光束，并通過改變激光光束的路徑使其照射到太陽電池上，此時(shí)激光光束的光能轉(zhuǎn)換為熱能，且其熱量大幅超過被太陽電池反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的那部分熱量，太陽電池中被照射位置的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，從而使此處被刺穿并形成小孔；由于激光光束與太陽電池是沿一定的相對線性軌跡移動，使這些小孔能夠連起來形成切縫，從而實(shí)現(xiàn)對太陽電池的切割。切割頭(激光發(fā)射器與激光振鏡組裝后的總稱)按照預(yù)定路線運(yùn)動，可將整片太陽電池切割成半片太陽電池、三分片太陽電池、四分片太陽電池等。

2 常規(guī)太陽電池激光劃裂技術(shù)的介紹

當(dāng)前，在光伏產(chǎn)業(yè)采用的常規(guī)太陽電池激光劃裂技術(shù)中，激光燒蝕配合機(jī)械掰片技術(shù)為主流技術(shù)。

2.1 激光燒蝕配合機(jī)械掰片技術(shù)的原理

激光燒蝕配合機(jī)械掰片技術(shù)的工藝原理是：首先利用激光光束在太陽電池背面或正面劃裂出一條貫穿太陽電池表面的切割道，然后采用機(jī)械掰片法將太陽電池沿著切割道掰開。由于在常規(guī)激光劃裂機(jī)中引入多刀激光劃裂技術(shù)后，可將常規(guī)激光劃裂機(jī)對太陽電池造成的損傷降至光伏企業(yè)可接受范圍的損傷，因此激光燒蝕配合機(jī)械掰片技術(shù)是現(xiàn)階段的主流技術(shù)。

2.2 機(jī)械掰片技術(shù)的種類及原理

常見的機(jī)械掰片技術(shù)包括2種：氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)、皮帶輸送式掰片技術(shù)。

2.2.1 氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)

氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)采用的是以氣缸為動力源的機(jī)械式機(jī)構(gòu)加吸盤。采用氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)對太陽電池進(jìn)行激光切割時(shí)，為了減少對太陽電池的損傷，一般激光切割深度為太陽電池厚度的30%～50%。由于氣缸組合式吸片機(jī)械手是由多個機(jī)械吸盤分片裝置組成，沿著太陽電池表面劃裂出的切割道進(jìn)行掰片時(shí)利用的是外界力，導(dǎo)致掰片后的太陽電池的切割道會有明顯的毛刺，如圖2所示。

圖2 太陽電池的切割道有明顯的毛刺Fig. 2 There are obvious burrs on cutting line on solar cell

氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)的產(chǎn)能受到氣缸動作速度的限制，一系列采用氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)的設(shè)備的產(chǎn)能極限一般為每小時(shí)劃裂2500片整片太陽電池。

2.2.2 皮帶輸送式掰片技術(shù)的原理

常見的皮帶輸送式掰片技術(shù)包括2種：一種是曲面真空裂片技術(shù)；另一種是中間切割刀沿太陽電池表面的切割道劃裂太陽電池的技術(shù)。這2種皮帶輸送式掰片技術(shù)的前段工序均是采用激光光束切割太陽電池，切割深度約為太陽電池厚度的40%～60%。皮帶輸送式掰片技術(shù)的產(chǎn)能與皮帶輸送速度有關(guān)，由于速度可調(diào)，該技術(shù)的掰片速度通常比氣缸組合式吸片機(jī)械手掰片技術(shù)要快，因此具有產(chǎn)能增加的優(yōu)勢。

1)曲面真空裂片技術(shù)是利用真空吸附已劃裂出切割道的太陽電池，并將其通過輸送皮帶輸送至曲面真空，切割后的太陽電池因受到大曲徑的曲面真空吸附，太陽電池沿切割道斷裂，從而實(shí)現(xiàn)對太陽電池的切割。曲面真空裂片技術(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 曲面真空裂片技術(shù)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of curved surface vacuum splitting technology

2)放置在平帶線中間的切割刀沿太陽電池上已劃好的切割道劃裂太陽電池，具體如圖4所示。該方式一般是將整片太陽電池切割成半片太陽電池或三分片太陽電池。

圖4 放置在平帶線中間的切割刀沿太陽電池切割道 劃裂太陽電池Fig. 4 Cutter placed in middle of flat belt line splits solar cell along solar cell cutting line

3 太陽電池激光劃裂技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著超小太陽電池間距、大尺寸硅片和超低溫太陽電池等工藝的產(chǎn)生，常規(guī)太陽電池激光劃裂技術(shù)的工藝已無法滿足太陽電池及光伏組件高品質(zhì)的需求。因此，新型的無損傷激光劃裂技術(shù)因需而生。

無損傷激光劃裂技術(shù)采用無損傷激光劃裂機(jī)，其解決了常規(guī)激光劃裂機(jī)會不可避免地?fù)p傷太陽電池的問題。

無損傷激光劃裂技術(shù)已成為太陽電池激光劃裂技術(shù)的發(fā)展趨勢，正在推向太陽電池主流市場，在不久的將來，該技術(shù)將主導(dǎo)太陽電池激光劃裂市場。

3.1 無損傷激光劃裂技術(shù)的原理

無損傷激光劃裂技術(shù)的核心原理是利用激光熱應(yīng)力控制材料斷裂的技術(shù)，其工藝流程為：首先在太陽電池邊緣加工1個超小槽口；然后利用激光對太陽電池進(jìn)行局部快速加熱，形成激光光斑，同時(shí)利用設(shè)備配套的冷卻裝置對太陽電池進(jìn)行局部冷卻，如此會產(chǎn)生一個不均勻的溫度場，該溫度場會在太陽電池表面產(chǎn)生溫度梯度，從而誘發(fā)熱應(yīng)力產(chǎn)生；其中激光光斑處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而激光光斑前、后處于拉應(yīng)力狀態(tài)，由于太陽電池是脆性材料，其抗壓剛度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到太陽電池的斷裂強(qiáng)度時(shí)，會導(dǎo)致太陽電池發(fā)生斷裂；斷裂會隨著激光照射及后續(xù)冷卻的移動軌跡從最初在太陽電池邊緣加工的超小槽口開始穩(wěn)定擴(kuò)張，最終完成對太陽電池的切割。

3.2 無損傷激光劃裂技術(shù)與常規(guī)激光劃裂技術(shù)的對比

下文從太陽電池的表面形貌、加工產(chǎn)生的粉塵量、加工溫度、太陽電池性能測試4個方面對無損傷激光劃裂技術(shù)與常規(guī)激光劃裂技術(shù)的主要區(qū)別和各自的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析。

3.2.1 太陽電池的表面形貌

1)常規(guī)激光劃裂技術(shù)會在太陽電池表面燒蝕形成切割道，該切割道的寬度為30 μm、深度為60～90μm，同時(shí)太陽電池表面的橫向熱影響區(qū)寬度會擴(kuò)展到70～80μm。

2)無損傷激光劃裂技術(shù)切割的太陽電池的截?cái)嗝娓蓛簟⒉淮嬖趽p傷點(diǎn)，主要原因在于無損傷激光劃裂技術(shù)在對太陽電池進(jìn)行切割時(shí)不存在激光燒蝕的過程。

3.2.2 加工產(chǎn)生的粉塵量

1)采用常規(guī)激光劃裂技術(shù)時(shí)需去除太陽電池表面切割道內(nèi)的硅粉塵。由于該技術(shù)在對太陽電池切割時(shí)會產(chǎn)生大量的硅粉塵，因此需要配置經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的除塵裝置，否則容易引起火災(zāi)。

2)采用無損傷激光劃裂技術(shù)時(shí)產(chǎn)生的硅粉塵數(shù)量很少，可忽略不計(jì)。

3.2.3 加工溫度

1)采用常規(guī)激光劃裂技術(shù)切割太陽電池時(shí)，激光光斑溫度可達(dá)400～500 ℃。

2)采用無損傷激光劃裂技術(shù)切割太陽電池時(shí)，加工溫度需控制在150～250 ℃范圍內(nèi)，屬于低溫加工工藝。

3.2.4 太陽電池性能測試

分別對采用無損傷激光劃裂技術(shù)與常規(guī)激光劃裂技術(shù)切割的太陽電池進(jìn)行性能測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1)三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試。與整片太陽電池的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度相比，采用無損傷激光劃裂技術(shù)切割后的太陽電池的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度幾乎保持不變，而采用常規(guī)激光劃裂技術(shù)切割后的太陽電池的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度下降了10%以上。

該數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了無損傷激光劃裂技術(shù)解決了常規(guī)激光劃裂技術(shù)在切割過程中對太陽電池造成的損傷問題，采用無損傷激光劃裂技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)光伏組件加工過程中破片率的控制和返修率的控制，同時(shí)可加強(qiáng)光伏組件在長期戶外應(yīng)用環(huán)境下的可靠性，進(jìn)而可降低光伏發(fā)電企業(yè)的成本。無損傷激光劃裂技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)有利于大尺寸硅片和切割成三分片及更小尺寸電池等新工藝在光伏產(chǎn)業(yè)內(nèi)的導(dǎo)入。

2)太陽電池電性能測試。相對于常規(guī)激光劃裂技術(shù)，無損傷激光劃裂技術(shù)的熱損傷降低，使采用無損傷激光劃裂技術(shù)切割的太陽電池制備的光伏組件的功率有小幅提升，提升幅度約為2%～3%。

3.3 無損傷激光劃裂技術(shù)的瓶頸

由于無損傷激光劃裂技術(shù)是近幾年才興起的新技術(shù)，技術(shù)尚未成熟，還存在一些技術(shù)瓶頸，比如：劃裂不到位、產(chǎn)能不高等。造成這些技術(shù)瓶頸的原因主要在于：

1)與無損傷激光劃裂機(jī)配套的冷卻裝置一般采用冷卻水，并將其噴灑到太陽電池加熱區(qū)域附近，但由此產(chǎn)生的溫度梯度有時(shí)會不太明顯，從而導(dǎo)致太陽電池劃裂不到位。

2)噴灑的冷卻水會殘留在太陽電池表面，需要進(jìn)行相應(yīng)的加熱過程，以蒸發(fā)這些殘留的冷卻水，但這一工序較耗時(shí)，會影響采用無損傷激光劃裂技術(shù)的設(shè)備的產(chǎn)能。

4 結(jié)論

本文闡述了切割太陽電池時(shí)常用的激光劃裂技術(shù)的原理，并分析和對比了常規(guī)激光劃裂技術(shù)和無損傷激光劃裂技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)。根據(jù)分析結(jié)果，相對于現(xiàn)在業(yè)界采用的常規(guī)激光劃裂技術(shù)，無損傷激光劃裂技術(shù)具有較多的技術(shù)優(yōu)勢。隨著無損傷激光劃裂技術(shù)的逐漸成熟，其將在未來光伏產(chǎn)業(yè)設(shè)備中得到大規(guī)模應(yīng)用。