基于激光熔融法與熱裂法對晶硅電池片切割影響研究 ①

張姜飛，郭繼霄，王燕飛，宋蘇斌，杜成新，劉占雄

(晶澳(邢臺)太陽能有限公司，河北 邢臺 054000)

1 引言

2021年隨著“碳達峰”“碳中和”概念進入兩會，標明中國正在統籌于2030年實現碳達峰、碳中和的工作，面對化石能源的過度開采現狀與環境污染危機，綠色能源經濟越來越受到重視，正在逐步成為世界共識。晶體硅太陽能電池能將太陽光輻射轉換成直流電，其作為清潔能源受到人們的青睞，目前中國市場快速發展，占據全球太陽能組件產能的絕大部分份額，自2013年開始迎來爆發式增長，截止2021年6月，中國光伏發電累計裝機2.68億kW，因此越來越多的科研人員投入到晶硅電池組件的研究中，為實現光伏平價用電，對光伏電池和組件的提效、降本成為各大光伏企業的重中之重。

目前光伏行業內主流產品為半片組件，是采用激光將全片電池片進行半切或多切，半切后流經電池片主柵的電流降為原來整片的1/2，整體電阻不變，降低了組件的內損耗。采用激光切片有著破片率低、產能大、兼容性好以及對電池片損傷較小的優點，因此廣泛受到各家組件企業應用。方彩平等人[1]研究了熔融法下激光切割晶硅電池片的激光切割速度、激光輸出功率等參數對晶硅電池片的影響，當切割深度在60%時，半片電池片電性能與破片率效果最好，但在實際應用中，由于熔融切割法會對切割邊緣造成損傷以及形成熔渣凸起，半片電池片在生產過程中仍有一定破片率及隱裂率，汪旭煌等人[2]研究了激光熱裂法對于液晶玻璃的切割技術，研究指出激光熱裂法相對于機械切割能夠基本消除切割邊緣的碎屑與微裂紋，得到較好的切割面質量，以及趙春洋等[3]研究了裂紋控制法激光切割的原理，文中不再贅述。

液晶玻璃與晶體硅同屬于脆性材料，因此晶硅使用熱裂法切割也存在理論可能性，目前市面已出現初代熱裂法切割晶體硅電池片，探討激光熔融法與熱裂法在晶硅電池片對比切割的良率及切半后的電池片做成組件的可靠性、功率對比。

2 實驗部分

2.1 S實驗材料與設備

P型單晶硅電池片(9主柵)158.75 mm×158.75 mm×170 μm，熔融法激光劃片機ATW-S40A(波長1 064 nm)，激光功率50 W，熱裂法激光劃片機ATW-LTS100C(開槽激光波長1 064 nm，加熱激光直徑2 mm)，開槽激光功率50 W，加熱激光功率400 W，IEC61215-2016靜態機械載荷機(HIPV-08-S，220 V 50 HZ)，I-V測試儀(Pasan)，EL測試儀(ASICCN EV-J12)，倍特嘉顯微鏡(XDC-10A-550HS)。

2.2 實驗過程

使用兩種劃片機對同一批次、同一功率電池片進行半片劃片，以72版型組件各劃約500塊共計72 000片，其中熔融法劃片采取深度60%方式，熱裂法劃片采取兩端開槽1.5 mm，加熱部分采用水冷方式。分別使用同一產線進行生產，進行EL圖像檢測、機械載荷靜態測試以及組件功率對比。

其中熔融切割，直接在電池片背面進行垂直于主柵方向的整體切割，熱裂法采用如下方式，首先在電池片中間垂直于主柵兩側進行熔融法切縫長度為1.5 mm的縫隙，兩個縫隙之間使用加熱激光進行加熱，水霧噴嘴在加熱激光后沿同一軌跡進行冷卻，如圖1。

圖1 熔融法與熱裂法激光軌跡Fig.1 Laser track diagram of melting method and thermal cracking method.

兩種方式分別生產后投入同一產線，使用同一工藝進行組件制作。

3 結果與討論

3.1 熔融法與熱裂法切割電池片斷裂面形貌對比

熔融法激光切割單晶硅電池片斷裂面的上部為激光切割，存在激光燒蝕后留下的痕跡，主要以硅渣、粉形式，下部為機械掰斷痕跡，中間連接部形成機械斷裂的“貝殼紋”區域，主要是因為激光熔融切割時，切縫成“V”或“U”型，切縫寬度約40 μm，熱損傷寬度約100～150 μm。

熱裂法激光切割只在電池片兩側進行長度約1.5 mm的熔融切割裂縫，中間剩余區域使用加熱激光進行加熱，不進行燒融切割，加熱激光后跟隨高壓噴頭柱狀水霧冷卻，使得單晶硅電池片切割位置產生一個不均勻的溫度場，最高溫度小于200 ℃，產生溫度梯度，誘發熱應力的產生，當熱應力大于單晶硅電池片的斷裂強度后，會產生沿著兩條熔融法切割的縫隙產生裂紋，從而達到分離單晶硅電池片的目的。

熱裂法切割單晶硅電池片斷裂面較熔融法切割形貌更為平整，無機械斷裂紋路產生，沒有貝殼紋區域，無熔渣凸起，切割質量較好。

兩種方法切割完畢后的批量斷裂面形貌對比，熱裂法切割形貌較熔融法切割，整體更為光滑、平整。

3.2 半成品單晶硅電池片制程碎片率對比

兩種方法，先后投產于同一產線，在層壓前，需要進行缺陷返修，主要是針對隱裂，表1為碎片率對比，可見熱裂法在碎片率和返修率上存在優勢。

表1 制程碎裂率對比Table 1 Comparison of process fragmentation rate.

3.3 成品隱裂率對比

9主柵單晶硅電池片層壓后成品切面邊緣的微隱裂較多，為激光切割的熱損傷降低了電池片邊緣機械強度。此微隱裂產出對比如表2，可見熱裂法較熔融法在切面微隱裂上存在優勢。

表2 成品隱裂率對比Table 2 Comparison of crack rate of finished products.

3.4 成品組件封裝功率對比

成品組件針對兩種激光切割方式進行封裝功率對比，熱裂法較熔融法偏高約1 W，熱裂法較熔融法在封裝功率上存在優勢。

3.5 成品機械載荷可靠性對比

成品組件針對激光切割需要進行機械載荷可靠性檢測，如圖2為熔融法切割與熱裂法切割機械載荷檢測后EL(光伏組件內部缺陷電致發光檢測設備)圖對比。熔融法載荷后破片數量較熱裂法明顯偏多，可見熱裂法在成品組件的機械載荷上存在優勢。

圖2 熔融法載荷后(a)熱裂法載荷后(b)Fig.2 After load by melting method (a) after load by hot cracking method (b).

4 結論

熱裂法激光切割在單晶硅電池片上較熔融法在制程碎片率、成品切面邊緣微隱裂率、成品封裝功率以及機械載荷方面均有一定優勢，主要是因為熱裂法較熔融法在切割形貌、切割后機械強度，以及切割損失面積、熱損傷方面存在優勢，綜上，熱裂法激光切割在光伏單晶硅電池片上優于熔融法激光切割。