工業(yè)皮秒激光器非常適合薄膜的劃線、切割和鉆孔。高平均激光功率、極高重復(fù)率和 24/7 可靠性相結(jié)合，可以為由金屬、半導(dǎo)體、塑料和電介質(zhì)制成的薄膜帶來卓越的質(zhì)量、更高的產(chǎn)量和更低的成本。在本文中，我們將研究光伏的一些應(yīng)用示例——這個行業(yè)需要傳統(tǒng)微電子的 24/7 處理和高產(chǎn)量，但只能維持十分之一的成本。

薄膜太陽能器件中的新興應(yīng)用

雖然晶體硅器件目前擁有最大的市場份額，但薄膜太陽能是一種重要的替代品，并且正在穩(wěn)步增長，因為它涉及較低的材料成本并提供了在彎曲和/或柔性表面上部署的承諾。有幾種不同類型的薄膜太陽能產(chǎn)品，各個制造商偏愛不同的半導(dǎo)體材料以及不同的面板尺寸。目前生產(chǎn)的所有薄膜都依賴于一系列劃線步驟，稱為 P1、P2 和 P3，這些步驟用于在氣相沉積后對各個層進行圖案化——見圖 1（所有剛性產(chǎn)品均基于具有厚度在 2-3 毫米范圍內(nèi)）。

通過交替使用氣相沉積和劃線，對半導(dǎo)體層和導(dǎo)體層進行圖案化，以創(chuàng)建 5-10 mm x >1000 mm 的有源條帶，這些條帶在物理上是并聯(lián)的，但在電氣上是串聯(lián)的。通過這種方式，整個面板能夠產(chǎn)生數(shù)百瓦的功率。

第一步是在玻璃上沉積一層均勻的（幾百納米）透明導(dǎo)電氧化物（TCO）層，這將形成正面電極，陽光穿過這些正面電極到達有源半導(dǎo)體層。然后由 P1 系列劃線器對 TCO 進行圖案化，該劃線器必須切割整個 TCO 厚度。隨后沉積 p 型和 n 型半導(dǎo)體，總厚度為 2-3 微米。然后，P2 劃線切割半導(dǎo)體層，將其分成有源條。然后在整個面板上沉積一層薄的（< 1 微米）金屬（鋁或鉬）層以形成后電極。這是由 P3 劃線圖案化的，該劃線穿過金屬層和半導(dǎo)體層。

為什么要進行皮秒激光加工？

光伏面板制造需要緊密間隔的窄劃線，以最大限度地減少浪費（非活動）面板的面積，如圖 1 所示。但這也意味著該應(yīng)用不能承受外圍熱或機械損傷，例如微裂紋或碎屑。

納秒激光已被證明非常適合去除數(shù)百納米 TCO 的 P1 劃線器。然而，P2 和 P3 劃線涉及較厚的層（半導(dǎo)體或金屬），挑戰(zhàn)在于完全切割這些層而不會對附近或下面的材料造成熱損壞。皮秒激光器非常適合這項任務(wù)，因為與熱擴散時間相比，脈沖寬度很短；通過冷皮秒消融將熱損傷降至最低，消除了短路的可能性。同樣重要的是，商用鎖模激光器提供極高的重復(fù)率和高平均功率（高達 100 W）。低脈沖能量和高重復(fù)率的結(jié)合還提供了高吞吐量，同時消除了對面板功能性損壞的機會。皮秒激光器現(xiàn)在也可用于多種波長，這允許對 P2 和 P3 使用稱為散裂的高效薄膜圖案化技術(shù)。在此過程中，選擇激光波長使其穿過玻璃和 TCO，但在與半導(dǎo)體（對于 P2）或金屬（對于 P3）的界面處被強烈吸收。這會蒸發(fā)材料的幾個原子層，在單個激光脈沖中完全去除覆蓋層（圖 2）。

皮秒處理在 c-Si 太陽能中得到驗證

皮秒激光劃片和切割先前已成功用于 c-Si 太陽能電池的生產(chǎn)，例如通過 SiN 鈍化層創(chuàng)建開口以允許與有源半導(dǎo)體層直接電連接。在某些情況下，應(yīng)用程序需要一個長的連續(xù)凹槽。這可以通過使用具有高斯輪廓的光束然后重疊脈沖來創(chuàng)建 - 參見圖 3（左）。然而，一些 SiN on Si 劃線應(yīng)用需要避免任何脈沖重疊，以完全避免對底層硅的任何損壞。圖 3（右）顯示了一個示例，該示例使用具有均勻輪廓的光束，該光束使用頂帽式光學(xué)元件成形。此處顯示的（<100 nm 厚度）SiN 中緊密間隔的方孔證實 ps 激光也不會對 SiN 造成橫向熱損傷。在這些單脈沖應(yīng)用中，ps 激光器的高重復(fù)頻率（高達 5 MHz）意味著限制因素是掃描速度。振鏡掃描儀可以提供高達 30 m/s 的速度，相當(dāng)于 100 萬個孔/秒。更快的多邊形掃描儀可以將速度提高到幾百萬個孔/秒。

切割玻璃模塊

太陽能設(shè)備的封裝也受益于皮秒激光器。具體來說，一種稱為智能切割的獨特玻璃切割成絲方法能夠在冷加工中快速切割強化玻璃，從而產(chǎn)生緊密的曲線和孔洞 - 參見圖 4 - 并且通常具有出色的邊緣質(zhì)量 (Ra < 0.5 μm)無需后處理。簡而言之，當(dāng)皮秒激光束穿過玻璃厚度時，它會自動在聚焦和非聚焦之間振蕩，在玻璃上鉆出一個狹窄的微穿孔。玻璃和/或激光的運動形成了這些細(xì)絲的簾幕，這些細(xì)絲限定了平滑的斷裂，在某些玻璃類型中甚至不需要任何類型的沖擊來分離。與機械切割不同，邊緣沒有微裂紋和殘余應(yīng)力，消除了薄玻璃面板的常見故障機制。

概括

與大多數(shù)其他電子相關(guān)行業(yè)一樣，光伏市場對提高性能、產(chǎn)量和成本的精密微加工的需求不斷增長。皮秒激光切割被證明是這一重要行業(yè)中多項任務(wù)的理想工具。