李軼 武漢華工激光工程有限責任公司技術中心
太陽能電池是利用光電轉換原理將太陽的輻射光通過半導體物質轉變為電能的一種器件，這種光電轉換過程通常叫做“光生伏特效應”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”。在過去的5年里，太陽能電池的開發應用已逐步走向商業化和產業化；太陽能電池已經在我國和一些國家大批量生產和應用；同時科研人員正在開發光電轉換率更高、成本更低的太陽能電池。可以預見，太陽能電池在人們的生產、生活中很可能成為替代煤和石油的重要能源之一。
圖1：非晶硅薄膜太陽能電池 圖2：非晶硅薄膜太陽能電池的層疊結構
圖3：非晶硅薄膜太陽能電池生產的主要設備和工藝流程
圖4：將連續的膜層細分為單個電池
圖5：在單個電池之間建立串聯連接結構
非晶硅薄膜太陽能電池a非晶硅薄膜太陽能電池簡目前可生產的太陽能電池主要有多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池。多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池受上游晶體硅材料供應的短缺，導致越來越多的晶硅太陽能電池生產設備產量不足，不斷上漲的晶硅價格也限制了晶硅太陽能電池的發展。僅以硅原材料的消耗計算，生產1兆瓦晶體硅太陽電池，需要10～12噸高純硅，但是如果消耗同樣的硅材料用以生產非晶硅薄膜太陽能電池，則產出可以超過200兆瓦。盡管非晶硅薄膜太陽能電池的轉換效率（6％左右）不如晶硅太陽能電池的轉換效率（15％～16％）高，但是其厚度（700nm）卻要比晶硅太陽能電池（厚度為180μm）薄很多。換句話說，非晶硅薄膜太陽能電池的總效能要比晶硅太陽能電池高很多。對于同樣功率的太陽電池陣列，非晶硅太陽電池比單晶硅、多晶硅電池發電要多約10%，而且非晶硅太陽電池的能源回收期僅1-1.5年。非晶硅的原料是晶硅太陽能電池生產中西門子法生產多晶硅之前的硅烷氣體，通過在硅烷（SiH4）中摻雜乙硼烷（B2H6）和磷化氫（PH3）等氣體，在低成本基板上（玻璃、不銹鋼）低溫成膜，避開了成本最高和技術難度最大的西門子法工藝，直接將硅烷氣體進行玻璃鍍膜，然后制作電極和封裝。太陽能電池組件的成本在整個光伏系統成本中占有很高的比例，組件價格直接影響系統成本，進而影響光伏發電的成本。按目前的組件售價計算，等量的資金，購買非晶硅產品可以比晶硅產品多獲得接近30%的組件功率。非晶硅太陽能電池工藝已趨于成熟、制造成本低，且不受晶硅原料瓶頸的制約，已成為太陽能電池中最成熟的產品，對潔凈可再生能源的發展起到了巨大的推動作用。非晶硅薄膜太陽能電池（見圖1）采用普通浮法玻璃作為載體。在玻璃上涂有透明導電膜TCO，主要成分是SnO2。光穿過透明的TCO被電池吸收，要求有較高的透過率；另一方面，TCO是導電的，可作為電池的一個電極。太陽能電池就是以TCO薄膜為襯底生長的，用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）生長的太陽能電池層也稱為有效層。有效層包括兩個pin串聯的雙結結構。與TCO薄膜連接的第一結稱為頂層非晶硅層a- Si:H，能吸收短波長光子，與非晶硅層連接的第二結稱為底層微晶硅層ucSi:H，能吸收長波長光子。陽光首先透過頂層玻璃和透明導電薄膜到達頂層非晶硅層，陽光中的短波長光子被頂層非晶硅層吸收，而長波長光子透過頂層非晶硅層到達底層微晶硅層、并被底層微晶硅層吸收，這種結構有較高的光電轉換效率。通過磁控濺射制作的Al/Ag電極連接著有效層的背電極。最后，用防護玻璃罩密封EVA(乙烯醋酸乙烯)箔進行疊層組件，這種結構的非晶硅薄膜太陽能電池也被稱為層疊電池，如圖2所示。 非晶硅薄膜太陽能電池生產的主要工藝流程：生產非晶硅薄膜太陽能電池的主要設備和工藝流程如圖3所示。其中pin膜的沉積是利用PECVD技術在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法。該薄膜是一種p-i-n結構，主要特點是在p層和n層之間有一層較厚的多晶硅的本征層（i層）。其制備溫度很低（100～200℃）。日本科尼卡公司在 1994年提出這一方法，目前用這種方法制備的電池，試驗室最高效率已達10.7％。薄膜沉積后，采用激光設備對沉積膜進行高速、精確地劃刻。隨著技術的發展，激光作為一個功能強大的生產性工具，已廣泛應用于制造、表面處理和材料加工領域。在非晶硅薄膜太陽能組件生產里，激光設備在“劃刻”過程中發揮兩大作用：第一，它把連續的膜層細分為單個電池（見圖4）；第二，在單個電池之間建立串聯連接結構（見圖5）。這需要由兩個不同的系統來完成：第一步用紅外激光，用于第一層TCO層的劃刻，因為透明的TCO層不吸收可見光；第二步用綠激光來劃刻非晶硅層；第三步用綠激光，同時處理非晶硅層和背電極。這些線條非常緊密并且精確地間隔開，之間只有幾十微米的距離（<50μm），這樣最大限度地減少了發電層面積的損失。在激光劃線工藝中，通過調整劃刻的線條數，將電池串聯起來形成最佳的電壓和電流。劃切技術難點是要在達到1m/s的劃刻速度下，劃切線在超過1.3m的距離里保持筆直和均勻，并且三次劃刻總寬度不超過250μm（見圖6），三次劃切線不能相交。
圖6：劃刻總寬度不超過250μm
激光劃線完成之后，之前連續的膜層被細分為單個太陽能電池并組成了串聯結構，此時，太陽能電池已經能將太陽光能轉化成電能了。在后面的工序里，劃切完的太樣能電池要經過退火、匯流、層壓和測試進行封裝，最終完成非晶硅薄膜太陽能的生產。在薄膜太陽能組件生產里，激光劃線設備是必不可少的重要生產設備之一。華工激光新推出的激光刻膜機LDY1040 / LDG540采用先進的激光刻蝕技術，對太陽能非晶硅薄膜電池板的電極層和發電層進行刻蝕。整機采用龍門式結構，由工作臺帶動電池板與激光頭作相對運動。 X-Y工作臺采用進口直線電機與高分辨率光柵尺組成全閉環控制系統，確保運動精度。四路精密分光系統將激光能量均分成四路輸出，可同時刻蝕四路電極（見圖 7、圖8）。#p#分頁標題#e#
圖7：華工激光的激光刻膜機可同時刻蝕四路電極
圖8：刻蝕后的效果
本項目產品可替代美國和德國在銷售的同類設備。在薄膜太陽能電池制造行業中有廣泛應用，如：玻璃基底上薄膜處理、非晶硅電池、銅銦鎵二硒電池以及鎘碲薄膜電池等領域。此設備已于2009年4月通過了科技成果鑒定。和國外設備相比較，以華工激光為代表的國產薄膜太陽能電池激光精密切割系統具有成本優勢、品種優勢和服務優勢。通常，國產設備價格將是進口設備價格的一半左右，如果今后在核心激光器方面能進一步降低成本，客戶購買成本將會降到進口設備的1/3，用戶將受益更多。
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