激光微納加工技術(shù)助力新一代高效太陽能薄膜電池產(chǎn)業(yè)化

新一代太陽能薄膜電池由于本身諸多優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展前景。就加工方式來看，由于激光具有非接觸加工、區(qū)域選擇性、加工精度高、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、提高材料利用率、可有效控制熱影響區(qū)等優(yōu)勢(shì)，如今在薄膜電池的制備流程中不可或缺，應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展。本文主要介紹了近年來受到重點(diǎn)關(guān)注和研究的新型高效太陽能薄膜電池，相較于傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池，新型薄膜電池具有更大的效率提升空間且生產(chǎn)成本更低；同時(shí)，本文還對(duì)激光在薄膜電池加工過程中的作用機(jī)理、工藝效果、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。高效太陽能薄膜電池技術(shù)進(jìn)展太陽能電池技術(shù)從誕生至今已發(fā)展近兩個(gè)世紀(jì)，太陽能電池作為一種高效、環(huán)保、可再生能源，在未來的能源領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)日趨重要。從太陽能電池的發(fā)展歷程來看，產(chǎn)業(yè)界通常將太陽能電池主要分為以下三大類：1）第一代為晶硅電池（多晶硅、單晶硅電池）。目前該類電池的技術(shù)成熟度和商業(yè)化程度位列所有太陽能電池之首，晶硅電池本身也經(jīng)歷過多次迭代，從最早的鋁背場(chǎng)電池，到后面的PERC電池，迅速占據(jù)市場(chǎng)，成為當(dāng)之無愧的市場(chǎng)主流，如今已接近理論效率天花板。而自2021年起，與傳統(tǒng)的P型單晶電池和P型多晶電池相比，N型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命更長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。從目前技術(shù)發(fā)展來看，P型PERC電池已經(jīng)迫近效率天花板，降本速度也有所放緩。而N型電池效率天花板較高，電池工藝和效率提升明顯加快，未來轉(zhuǎn)換效率提升空間更大。P型電池開始向N型電池迭代；2022年可謂是N型電池的發(fā)展元年（以TOPCon和HJT為市場(chǎng)主導(dǎo)），目前TOPCon電池的擴(kuò)產(chǎn)規(guī)模的規(guī)劃約為800GW，遠(yuǎn)大于HJT。TOPCon電池的快速發(fā)展，主要也得益于激光工藝在其工藝鏈條中的應(yīng)用。晶硅電池目前轉(zhuǎn)換效率的記錄峰值為26.8%，其理論極效率極限可達(dá)到29.4%。如何針對(duì)這一理論極限值進(jìn)一步突破？未來的發(fā)展路線是為晶硅電池和鈣鈦礦電池設(shè)計(jì)疊層路線，這種疊層電池有望突破45%的理論轉(zhuǎn)換效率。2）第二代太陽能薄膜電池是基于對(duì)能夠節(jié)省原材料，實(shí)現(xiàn)更好地經(jīng)濟(jì)效應(yīng)應(yīng)運(yùn)而生的（包括碲化鎘、銅銦鎵硒、砷化鎵等），這類電池的理論效率值可達(dá)到較高水平，并且輕質(zhì)、應(yīng)用場(chǎng)更靈活，但它們的活性層含有部分稀有元素和重金屬元素，且在設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度低、材料儲(chǔ)量有限、大面積效率低、膜層透光性較差等因素制約下，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，且對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定污染，目前市場(chǎng)份額遠(yuǎn)小于晶硅電池。圖1.晶硅電池的發(fā)展經(jīng)歷了幾代的更新與迭代3）第三代新型太陽能電池包括鈣鈦礦太陽能電池（PSC），染料敏化太陽能電池（DSSC），有機(jī)太陽能電池（OSC），量子點(diǎn)太陽能電池等。這類電池具有原料儲(chǔ)量豐富、成本低、工藝簡(jiǎn)單且可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿薮螅鸩阶呦蛄慨a(chǎn)的階段，是目前最受關(guān)注的第三代光伏太陽能電池類型。圖2.鈣鈦礦電池自2009年首次制備問世，最初其光電轉(zhuǎn)換效率僅3.8%。隨著材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的持續(xù)優(yōu)化，在3年左右便將效率記錄提升到了10%以上，6年左右達(dá)到了20%以上。2023年7月，單結(jié)鈣鈦礦電池的認(rèn)證效率記錄提升至26.1%，逼近今年所創(chuàng)造的晶硅電池26.81%的效率記錄。鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池。相比于晶硅和其它薄膜電池而言，鈣鈦礦太陽能電池?fù)碛酗@著優(yōu)勢(shì)。首先，它擁有更高的效率。鈣鈦礦為人工合成材料，缺陷容忍度高，熱復(fù)合效率損失少，因此載流子壽命高，本身理論效率高，根據(jù)配方不同可調(diào)整帶隙，能夠提高光譜利用率，實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率。圖3.鈣鈦礦電池能更好地吸收短波長(zhǎng)，因此可作為頂電極與其它電池或其自身結(jié)合制備疊層電池，通過寬帶隙+窄帶隙組合提高光譜利用率，以實(shí)現(xiàn)更高的效率突破。其次，更低的成本，制備工藝簡(jiǎn)單，流程短，從玻璃、靶材、化工原料進(jìn)入到組件成型僅需要45min且僅需在一個(gè)廠房?jī)?nèi)即可完成所有制備工序。相較之下，傳統(tǒng)的晶硅組件分為硅料、硅片、電池片、組件四個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需要四個(gè)專門的工廠進(jìn)行生產(chǎn)，即使所有環(huán)節(jié)無縫對(duì)接，也要耗時(shí)3天以上才能完成生產(chǎn)。同時(shí)，鈣鈦礦電池的材料雜質(zhì)容忍度高，原料純度要求遠(yuǎn)低于晶硅電池，材料成本低，無需高溫生產(chǎn)。第三，更多的應(yīng)用場(chǎng)景。鈣鈦礦材料具備良好的吸光性能，膜層可以做得很薄，其材料特性給電池外觀提供了豐富的開發(fā)空間，譬如顏色可調(diào)、透光、柔性可彎曲等方面，同時(shí)也能保證一定的發(fā)電效率。同時(shí)，鈣鈦礦電池更強(qiáng)的弱光發(fā)電能力也能在室內(nèi)、早晚等常見場(chǎng)景體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。目前，鈣鈦礦電池在光伏汽車一體化，光伏建筑一體化、柔性可穿戴、戶外電站、室內(nèi)光伏等應(yīng)用場(chǎng)景尋覓到廣闊的發(fā)展空間。圖4.鈣鈦礦電池在光伏汽車一體化，光伏建筑一體化、柔性可穿戴、戶外電站、室內(nèi)光伏等應(yīng)用場(chǎng)景尋覓到廣闊的發(fā)展空間（從左至右）。自2009年起，鈣鈦礦電池的發(fā)展經(jīng)歷了多輪技術(shù)革新和迭代。2009-2012年為技術(shù)孕育期：每年全球有數(shù)十篇鈣鈦礦領(lǐng)域論文發(fā)表，鈣鈦礦逐漸從染料敏化電池演變成全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，效率處于較低水平約10%左右。2013-2019年為技術(shù)成長(zhǎng)期：通過不斷改進(jìn)鈣鈦礦薄膜制備工藝、吸光層組分及調(diào)整器件結(jié)構(gòu)等方式，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率由10%至25%的提升。2020-2024年為技術(shù)過渡期：隨著研究者對(duì)鈣鈦礦認(rèn)識(shí)的深入和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的到來，它在轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性方面不斷突破；而實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的逐漸成熟為產(chǎn)業(yè)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，逐步開始進(jìn)行示范性項(xiàng)目，大尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)、驗(yàn)證。除了受益于國(guó)內(nèi)鈣鈦礦科研成果突破，鈣鈦礦電池的快速發(fā)展也得益于國(guó)內(nèi)雙碳相關(guān)政策對(duì)該賽道的加持背書。例如，工信部等六部門推出的《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》在聚焦鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展的前提下，進(jìn)一步明確了對(duì)規(guī)?；慨a(chǎn)能力的需求。太陽能薄膜電池的具體發(fā)展目標(biāo)為：2025年實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域低碳關(guān)鍵核心技術(shù)的重大突破:2030年，進(jìn)一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術(shù)研發(fā)，其中包括高效穩(wěn)定的鈣鈦礦技術(shù)。預(yù)測(cè)2025年之后可迎來技術(shù)成熟期：產(chǎn)線完整，產(chǎn)品生產(chǎn)形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品穩(wěn)定性，壽命，質(zhì)量過關(guān)，產(chǎn)能提高，市場(chǎng)全面鋪開，技術(shù)走向成熟。現(xiàn)有的鈣鈦礦技術(shù)路線主要有三種，分別是剛性單結(jié)電池為大多數(shù)，未來主要走電站、BIPV路線；疊層電池，主要由晶硅玩家入局，與晶硅電池相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，工藝難度大；柔性電池，走消費(fèi)電子、室內(nèi)光伏、柔性可穿戴路線，占少數(shù)。激光在新一代薄膜電池中的應(yīng)用在鈣鈦礦薄膜電池制備的過程中，主要涉及4道激光加工工藝，分別為3次選擇性膜層刻蝕，即劃線工藝（稱為P1、P2和P3），以及一次全膜層去除，即激光清邊工藝（稱為P4）。整片電池分割成n個(gè)子電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，旨在減少因?yàn)殁}鈦礦材料的不均勻性而引起不同區(qū)域的性能差異對(duì)組件產(chǎn)生的影響，同時(shí)能夠增加組件的輸出電壓，減小組件的輸出電流，降低子電池間串聯(lián)電阻和外電路電阻熱損耗。激光P1劃線：激光刻蝕底部TCO膜層，形成相互獨(dú)立的TCO襯底；激光P2劃線：激光刻蝕TCO以上其它膜層，提供相鄰兩節(jié)子電池的正負(fù)電極提供傳輸通道；激光P3劃線：沉積背電極后，激光刻蝕TCO以上其它膜層，將子電池之間分離開；激光P4清邊工藝：激光清除掉電池邊緣的沉積膜，防止漏電，保證電池封裝可靠性。圖5.反式結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池制造基本工序圖6.P1劃線和P3劃線之間的距離稱為“死區(qū)”，死區(qū)對(duì)電池的發(fā)電沒有貢獻(xiàn)，激光要發(fā)揮的作用是要盡可能減小死區(qū)的寬度，以增加有效區(qū)域。鈣鈦礦電池采用激光進(jìn)行劃刻的必要性：機(jī)械劃刻作為傳統(tǒng)的電池互連方式之一，盡管具有較高的效率，在銅銦鎵硒電池的P2P3工序廣泛應(yīng)用。但也存在明顯的局限性，其中包括機(jī)械劃刻為接觸式，機(jī)械針針頭會(huì)持續(xù)受到磨損，壽命短，需要定期更換、邊緣碎屑崩邊嚴(yán)重、深度控制精確度不夠、線條一致性不好、死區(qū)大等劣勢(shì)。因此，這種劃線方式完全不適用于膜層總厚度不到1μm的鈣鈦礦薄膜電池。相較之下，激光劃刻具有非接觸式、易于維護(hù)、邊緣熱影響小、易于控制刻劃深度、線條一致性好、死區(qū)能做到更小等優(yōu)點(diǎn)，從而能夠更精確、更清潔、更高效的完成劃線工藝，并且可以精確控制膜層的去除，且槽底部和邊緣干凈平滑。圖7.機(jī)械劃刻（左）和激光劃刻（右）的效果對(duì)比圖針對(duì)脈沖長(zhǎng)短的選擇，納秒激光器加工時(shí)熱效應(yīng)明顯，存在邊緣粗糙、表面碎屑、加工速度慢等缺點(diǎn)；而采用以皮秒激光器為代表的超短脈沖能夠展現(xiàn)出高峰值功率、熱影響小、刻劃邊緣光滑，精度高等優(yōu)勢(shì)。在激光刻蝕過程中，皮秒激光能聚焦到超細(xì)微空間區(qū)域，快速將材料汽化蒸發(fā)，避免了材料對(duì)激光的線性吸收，能量轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化以及熱量的存在和熱擴(kuò)散，可以做到幾乎無熱影響，實(shí)現(xiàn)激光“冷”加工。圖8.皮秒激光加工效果就激光器波長(zhǎng)的選擇來看，不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收率各不相同，吸收率越高，所產(chǎn)生的熱影響越小。圖9.這是FTO材料的光譜吸收率圖，通常采用短波長(zhǎng)的紫外光時(shí)吸收率很高，更為合適。然而，由于355nm的綠激光一般是將1064nm的紅外激光通過倍頻晶體倍頻而來，在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生40~50%左右的功率損失，因此，從成本經(jīng)濟(jì)性角度考慮，P1劃刻工藝會(huì)選擇使用1064nm的紅外激光，而FTO對(duì)紅外光也有一定的吸收。P2膜層應(yīng)當(dāng)在FTO不被損傷的情況下采用532nm的綠光進(jìn)行劃刻。P3工藝則可根據(jù)膜層材料的吸收率和厚度來選擇合適的光源波長(zhǎng)類型，通常也可采用532nm波長(zhǎng)的光源去除膜層。就劃刻方向的選擇，一般有兩種方式：膜面直接劃刻以及透過玻璃面劃刻。前者指的是將激光束聚焦于待去除膜層上方，材料吸收激光能量氣化后形成刻線，這種方法熱影響效應(yīng)較大，容易形成“火山口”，需要精準(zhǔn)控制工藝。透過玻璃劃刻是將激光束聚焦于玻璃與去除膜層的交界面，交界面吸收能量后將膜層氣化，體積迅速膨脹，形成“爆炸沖擊波”，從而形成刻線。這種工藝熱影響區(qū)域較小，不易形成“火山口”，但需要的激光能量更強(qiáng)，工藝窗口要求更高。激光劃線在保證薄膜組件實(shí)現(xiàn)整片電池分成n多個(gè)子電池串聯(lián)的前提下，應(yīng)盡可能的壓縮死區(qū)的寬度，而激光在作用于膜層時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)明顯、火山口、底部碎渣毛刺、薄膜分層等工藝不良效果。圖10.激光加工電池膜層時(shí)可能出現(xiàn)的工藝不良影響包括熱影響區(qū)明顯（左上）、火山口(右上）、底部碎渣毛刺（左下）、薄膜分層（右下）等因此，死區(qū)控制以及對(duì)加工效果產(chǎn)生影響的一系列因素除了上述提及的激光脈寬（ns/ps/fs）；激光波長(zhǎng)（355/532/1064nm）；加工方式（膜面加工/玻璃面加工）外，還涵蓋了相應(yīng)的激光參數(shù)包括功率、光束質(zhì)量、聚焦光斑大小以及重疊率的選擇等，以及后續(xù)的工藝效果如劃線寬度、熱影響效應(yīng)、火山口、P123的線條劃刻一致性、平行度等。此外還要考慮的因素有光束整形以及加工時(shí)的粉塵處理等。薄膜電池激光精密微納加工解決方案近年來，杰普特與產(chǎn)業(yè)伙伴聯(lián)合創(chuàng)新，針對(duì)不同產(chǎn)能需求和產(chǎn)品種類，成功開發(fā)出一系列用于薄膜電池高精度劃線的激光智能裝備和精密微納加工解決方案。其中包括：實(shí)驗(yàn)室及小試線設(shè)備，百M(fèi)W中試量產(chǎn)線設(shè)備等。首先，薄膜光伏激光劃線機(jī)（四合一設(shè)備）是鈣鈦礦行業(yè)實(shí)驗(yàn)、小試線激光設(shè)備的首選。通過產(chǎn)品開發(fā)中前期階段的小幅面尺寸薄膜電池產(chǎn)品驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)低火山口、無熱影響等優(yōu)質(zhì)的加工效果。通過此薄膜光伏激光劃線機(jī)可驗(yàn)證制備薄膜組件的技術(shù)移植到大尺寸量產(chǎn)線上的可行性。此設(shè)備兼容膜面及玻璃面出光P1～P3激光劃線和P4清邊；采用科研級(jí)大理石高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、加工精度與效率；并且可根據(jù)客戶膜層材料的光譜吸收特性來選擇不同波長(zhǎng)的激光光源。圖11.薄膜光伏激光劃線機(jī)（四合一設(shè)備）是鈣鈦礦行業(yè)實(shí)驗(yàn)、小試線激光設(shè)備的首選圖12.激光劃線效果（左上P1、右上P2、左下P3），以及激光清邊效果（右下P4）其次，百M(fèi)W/GW級(jí)別的薄膜光伏激光微加工劃線機(jī)應(yīng)用于鈣鈦礦產(chǎn)品開發(fā)的中期階段，大規(guī)模量產(chǎn)前中試線，適用于產(chǎn)能要求高、加工范圍大的大尺寸剛性鈣鈦礦電池組件的P1,P2,P3劃線作業(yè)，可選紅外、綠光與紫外皮秒光源，通過光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械分多束光同時(shí)加工，極大縮短劃線CT，附帶多個(gè)輔助功能，有效確保劃線質(zhì)量。100MW產(chǎn)能的中試線需要P1／P2／P3／P4各一臺(tái)獨(dú)立的自動(dòng)化激光劃線設(shè)備，杰普特百M(fèi)W激光劃線設(shè)備根據(jù)產(chǎn)能不同可提供單臺(tái)設(shè)備8－16路激光分束同時(shí)加工。該設(shè)備的其他核心優(yōu)勢(shì)包括：激光加工過程中產(chǎn)品靜止，保證加工區(qū)域平面度；各光路焦點(diǎn)、間距自動(dòng)調(diào)節(jié)，精度±1μm；加工速度0.8-3m/s，3g加速度；機(jī)械分光的光學(xué)設(shè)計(jì)能夠保證各光路的功率