工業(yè)皮秒激光器非常適合薄膜的劃線(xiàn)、切割和鉆孔。高平均激光功率、極高重復率和 24/7 可靠性相結合，可以為由金屬、半導體、塑料和電介質(zhì)制成的薄膜帶來(lái)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用示例——這個(gè)行業(yè)需要傳統微電子的 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(yáng)能器件中的新興應用

雖然晶體硅器件目前擁有最大的市場(chǎng)份額，但薄膜太陽(yáng)能是一種重要的替代品，并且正在穩步增長(cháng)，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(lèi)型的薄膜太陽(yáng)能產(chǎn)品，各個(gè)制造商偏愛(ài)不同的半導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(lài)于一系列劃線(xiàn)步驟，稱(chēng)為 P1、P2 和 P3，這些步驟用于在氣相沉積后對各個(gè)層進(jìn)行圖案化——見(jiàn)圖 1（所有剛性產(chǎn)品均基于具有厚度在 2-3 毫米范圍內）。

通過(guò)交替使用氣相沉積和劃線(xiàn)，對半導體層和導體層進(jìn)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(guò)這種方式，整個(gè)面板能夠產(chǎn)生數百瓦的功率。

第一步是在玻璃上沉積一層均勻的（幾百納米）透明導電氧化物（TCO）層，這將形成正面電極，陽(yáng)光穿過(guò)這些正面電極到達有源半導體層。然后由 P1 系列劃線(xiàn)器對 TCO 進(jìn)行圖案化，該劃線(xiàn)器必須切割整個(gè) TCO 厚度。隨后沉積 p 型和 n 型半導體，總厚度為 2-3 微米。然后，P2 劃線(xiàn)切割半導體層，將其分成有源條。然后在整個(gè)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(xiàn)圖案化的，該劃線(xiàn)穿過(guò)金屬層和半導體層。

為什么要進(jìn)行皮秒激光加工？

光伏面板制造需要緊密間隔的窄劃線(xiàn)，以最大限度地減少浪費（非活動(dòng)）面板的面積，如圖 1 所示。但這也意味著(zhù)該應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百納米 TCO 的 P1 劃線(xiàn)器。然而，P2 和 P3 劃線(xiàn)涉及較厚的層（半導體或金屬），挑戰在于完全切割這些層而不會(huì )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(shí)間相比，脈沖寬度很短；通過(guò)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率和高平均功率（高達 100 W）。低脈沖能量和高重復率的結合還提供了高吞吐量，同時(shí)消除了對面板功能性損壞的機會(huì )。皮秒激光器現在也可用于多種波長(cháng)，這允許對 P2 和 P3 使用稱(chēng)為散裂的高效薄膜圖案化技術(shù)。在此過(guò)程中，選擇激光波長(cháng)使其穿過(guò)玻璃和 TCO，但在與半導體（對于 P2）或金屬（對于 P3）的界面處被強烈吸收。這會(huì )蒸發(fā)材料的幾個(gè)原子層，在單個(gè)激光脈沖中完全去除覆蓋層（圖 2）。

皮秒處理在 c-Si 太陽(yáng)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(yáng)能電池的生產(chǎn)，例如通過(guò) SiN 鈍化層創(chuàng )建開(kāi)口以允許與有源半導體層直接電連接。在某些情況下，應用程序需要一個(gè)長(cháng)的連續凹槽。這可以通過(guò)使用具有高斯輪廓的光束然后重疊脈沖來(lái)創(chuàng )建 - 參見(jiàn)圖 3（左）。然而，一些 SiN on Si 劃線(xiàn)應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(gè)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(shí) ps 激光也不會(huì )對 SiN 造成橫向熱損傷。在這些單脈沖應用中，ps 激光器的高重復頻率（高達 5 MHz）意味著(zhù)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，相當于 100 萬(wàn)個(gè)孔/秒。更快的多邊形掃描儀可以將速度提高到幾百萬(wàn)個(gè)孔/秒。

切割玻璃模塊

太陽(yáng)能設備的封裝也受益于皮秒激光器。具體來(lái)說(shuō)，一種稱(chēng)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(xiàn)和孔洞 - 參見(jiàn)圖 4 - 并且通常具有出色的邊緣質(zhì)量 (Ra < 0.5 μm)無(wú)需后處理。簡(jiǎn)而言之，當皮秒激光束穿過(guò)玻璃厚度時(shí)，它會(huì )自動(dòng)在聚焦和非聚焦之間振蕩，在玻璃上鉆出一個(gè)狹窄的微穿孔。玻璃和/或激光的運動(dòng)形成了這些細絲的簾幕，這些細絲限定了平滑的斷裂，在某些玻璃類(lèi)型中甚至不需要任何類(lèi)型的沖擊來(lái)分離。與機械切割不同，邊緣沒(méi)有微裂紋和殘余應力，消除了薄玻璃面板的常見(jiàn)故障機制。

概括

與大多數其他電子相關(guān)行業(yè)一樣，光伏市場(chǎng)對提高性能、產(chǎn)量和成本的精密微加工的需求不斷增長(cháng)。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。