銅銦鎵硒薄膜太陽能電池激光刻劃及串聯技術研究

王昌華，朱登華，張鑫根，賀琦琦，陳 濤，張 威

(凱盛光伏材料有限公司，蚌埠 233010)

受到地球暖化衍生的環保問題，以及化石燃料(石油、煤炭及天然氣等)資源有限的危機所影響，利用太陽能發電將成為人類未來能源的必然選擇。目前國內光伏市場主要以晶硅電池為主，但硅料制造過程存在高污染、高能耗等問題，高性能薄膜光伏技術研發逐漸成為熱點[1,2]。其中，CIGS薄膜電池因其理論效率高(高達33%)、弱光(散射光)性能好(吸收系數可達105cm-1數量級)、材料消耗少(核心層厚度<3 μm)、生產能耗低等特點逐步擴大了應用領域，其中玻璃基CIGS薄膜電池具有外觀均一、顏色可調以及抗震性好等優勢，能完美的契合光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)、屋頂發電、移動能源以及其他特殊領域等對太陽能電池的要求，在光伏發電領域日益受到重視[3-5]。

在薄膜太陽能組件生產工藝中,刻線是把連續的膜層細分為單個的子電池，然后在單個電池之間建立串聯連接的結構[6]；刻線的數量及結構，可根據薄膜太陽能電池的性能以及市場的具體需求設計。該文主要針對CIGS薄膜太陽能電池的刻線工藝進行試驗研究，結合最優子電池寬度，獲得最優激光刻線并應用于規模化生產。

1 材料和方法

該文所涉的基板尺寸為1 583 mm×660 mm普通浮法玻璃。P1刻線是利用1 064 nm皮秒低頻激光設備完全分隔Mo電極，并保證阻擋層和薄膜不能被刻蝕消融。P2刻線是利用1 064 nm皮秒高頻激光設備分隔CIGS吸收層，保證前電極TCO與背電極Mo形成良好接觸。P3刻線是利用機械刻劃設備完全分隔前電極TCO，如圖1所示。

主要測試設備:3D顯微鏡，萬能表，恒流源。

2 實 驗

2.1 激光刻線概述

產線激光設備相對實驗激光設備更加精密復雜，需要更高的系統集成。在工業生產中，不僅要獲得理想的激光刻線效果，還得保證快速生產。一般采用多個激光頭同時加工，即在同樣的工藝參數下，多個激光頭需具備相同的加工性能，整個大尺寸基板上所有刻線均勻，這對刻線系統及工藝調試提出了很高要求。圖2是某種薄膜太陽能電池激光刻劃系統結構示意圖，含9個激光頭。

激光加工方式有從襯底方向和從鍍膜面方向入射刻劃。實驗證明，激光束從襯底面入射刻劃優于從鍍膜面方向入射刻劃，主要表現在以下幾個方面：一是可以避免等離子體屏蔽現象，因為入射激光不經過等離子煙羽形成的區域[7]；二是消融所需要的能量低，由于爆炸過程的參與，去除材料時不需要將所有材料都熱蒸發；三是由于消融所用激光能量小，熱影響區也隨之減小。

2.2 P1刻線技術

鉬(Mo)是一種特殊的材料，在CIGS薄膜太陽電池的背電極材料中具有不可替代的作用。其熔點很高，高達2 912 K，而且不透光，具有很強的金屬性。P1的目的是完全去除Mo電極，保證子電池高絕緣，優選從襯底方向入射進行P1刻線加工。

根據CIGS產品性能確定需求P1刻線寬度。激光器選定后，波長、激光光束質量、焦距為固定值。依據式(1)調節激光擴束鏡，可獲得所需要的聚焦光斑直徑。

(1)

式中，d為焦點上的激光光斑直徑，λ為激光波長，M2為激光光束質量因子，f為焦距，D為聚焦前的激光光束直徑。

該文采用波長為1 064 nm的激光器，激光光束質量M2為1.1，焦距f為100 mm，D=3 mm，獲得所需的50 μm聚焦光斑。如工業生產中，整個工廠的節拍固定，為了滿足節拍需求，刻劃速度一般為固定值，該文所用設備的刻劃速度為1.5 m/s。可根據式(2)計算出所需要的重復頻率F，最后根據具體加工基板厚度優化激光焦點位置，可快速獲得理想的P1刻線，見圖3。

(2)

其中，u為刻劃速度，F為重復頻率，d為聚焦光斑直徑，Overlap為重復疊率，P1刻線在20%～30%為佳。

2.3 P2刻線技術

P2刻線的目的是去除掉CIGS，形成良好的前電極、背電極連接通道。CIGS層沉積在Mo電極上，只能選擇從鍍膜面方向入射刻劃。CIGS厚度為1.5～1.8 μm，需要層層剝離掉，為了避免等離子體屏蔽現象，該文選擇15 ps的高頻激光器進行P2刻化。圖4是P2刻線3D效果圖，刻線完全暴露Mo背電極，溝槽無殘留的CIGS，內寬約為11 μm，刻線邊緣有不可避免約5 μm的熔融區域，但不會影響P2刻線質量。

為了評估P2刻線溝槽的質量，我們通過互聯測試結構(ITS)確定了AZO/Mo界面接觸電阻，ITS的設計及原理，如圖5所示。每個單元包含兩個P2溝槽，由一個P1溝槽隔開，一個電池的兩個P2溝槽之間的距離(b)可變化。電流通過鉬層注入，并從第一P2溝槽流過AZO層到達第二P2溝槽，在兩個單電池之間測量電壓，通過式(3)計算評估P2刻化電學性能接觸針之間的電壓降取決于AZO層的電阻和Mo/AZO界面的接觸電阻。Mo/AZO界面的接觸電阻為固定值，隨著ZnO路徑的長度b變化，可以擬合出電壓降相對于P2-P2溝槽距離線性圖如圖6所示。當b=0，擬合曲線與y軸交點值，即Mo/AZO界面的接觸電阻。傳統的機械刻劃電壓降約為12 mV[8]，該文使用的激光刻劃技術使電壓降為6 mV左右，因此，皮秒激光高頻工藝技術不僅可以提供良好的界面接觸電阻，也可以極大的降低刻線寬度，為減少“死區”寬度提供有利基礎。

R=U/I=R(ZnO)+2·R(P2)+R(Mo)

(3)

2.4 子電池串聯技術

電池的串聯區域(即P1、P2和P3所在區域)通常也叫做“死區”，這是由于該區域不對光生電流做出貢獻，如圖7所示。

圖7中分別標識出了P1，P2和P3刻線的位置；死區寬度是Wd，有源區的寬度是Wa。子電池面積越小，產生的電流也就越小，從而太陽電池內部的電阻性損耗就越低。然而，減小子電池面積而增加子電池數目的同時，用于電池連接的“死區”面積也會隨之增加。所以，對于太陽電池組件的效率存在一個最佳子電池寬度，即組件的電阻性損耗和“死區”損耗總和最小。

1979年文獻第一次報道了非晶硅薄膜電池組件的單片串聯方法。在此理論的基礎上演算出適用于CIGS薄膜太陽能電池最優子電池寬度的計算公式

(3)

式中，Ptotal為單節電池損失的功率；Wd為“死區”寬度；Wa為電池有源區寬度；Jmpp為子電池的電流密度；Vmpp為電池的工作電壓；RTCO為前電極的方阻。可根據CIGS電池性能參數，根據式(3)計算出理論的CIGS薄膜太陽電池的最優子電池寬度，如圖8所示。

從圖8中可以發現理論的CIGS薄膜太陽能電池的最優子電池寬度在3.8 mm，但在最優子電池寬度附近區域(3.2～4.7 mm)，電池的功率損失相差較小。在實際生產中，子電池寬度越小對“死區”的要求越苛刻，而且為了滿足生產節拍的要求，會傾向選擇子電池偏寬，目的是為了減少刻線的數量，減少生產節拍，降低單片電池整體開路電壓。該文選擇的最優子電池寬度為4.5 mm(有源區Wa4.3 mm+死區Wd0.2 mm=4.5 mm)，保證最優功率的同時，增加產能。

3 結 語

該文提供了優質的CIGS薄膜太陽能電池P1&P2工業生產刻線技術，并結合現有CIGS工藝技術路線，闡述了最優內部串聯結構的理論依據，為CIGS薄膜太陽能電池進一步發展提供有力幫助。