文/英穀激光

隨著工業(ye) 的不斷發展，生產(chan) 中對於(yu) 加工技術的要求也逐步提高，傳(chuan) 統工藝已無法滿足當今社會(hui) 工業(ye) 智能化、加工精密化的需求，激光技術應運而生。從(cong) 最初的納秒激光器，到現如今已趨於(yu) 國產(chan) 化的超快激光器，無一不體(ti) 現出激光加工技術在生產(chan) 領域的重要性、特殊性。隨著激光技術的不斷革新、完善，多元化市場也在持續被開拓。

超快激光器簡介

超快激光器是一種基於(yu) 半導體(ti) 可飽和吸收反射鏡（SESAM）、克爾透鏡等鎖模技術、脈衝(chong) 寬度在ps甚至fs量級的激光器。

超快激光器峰值功率高，單脈衝(chong) 能量大，在對材料進行加工時，可以有效減少熱效應，邊緣效果好，無熔邊，大大提高加工質量，提升加工效率。

圖1：激光器的分類方法。

超快激光器新應用：極片切割

國家目前正在大力推廣新能源汽車產(chan) 業(ye) 發展。根據行業(ye) 市場分析，截至2023年底，我國新能源汽車保有量為(wei) 2041萬(wan) 輛，占汽車保有量比重為(wei) 6.1%，較2022年底提升兩(liang) 個(ge) 百分點。新能源車前景樂(le) 觀，動力電池和電極極片作為(wei) 新能源汽車的核心部件，直接影響著汽車的性能與(yu) 續航，與(yu) 動力電池、電極極片有關(guan) 的技術創新和優(you) 化都備受行業(ye) 矚目。

（1）超快激光切割極片基本原理

激光切割的基本原理，是利用高功率密度激光束照射被切割的電池極片，使極片很快被加熱至很高的溫度，迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點而形成孔洞；隨著光束在極片上的移動，孔洞連續形成寬度很窄的切縫，從(cong) 而完成對極片的切割。

其中，激光能量和切割移動速度是兩(liang) 個(ge) 主要的工藝參數，對切割質量影響巨大。當激光功率太低或者移動速度太快時，極片不能完全切開；而當功率太高或移動速度太低時，激光對材料作用區域變大，切縫尺寸隨之增大。

鋰電池極片是雙麵塗層、中間為(wei) 集流體(ti) 金屬層的結構，而且塗層與(yu) 金屬箔材之間性質差異大，對激光作用的響應也不相同。激光作用在負極石墨層或正極活性物質層時，由於(yu) 它們(men) 具有很高的激光吸收率，導熱係數也很低，因此，塗層需要相對較低的熔化和汽化能量；而中間的金屬集流體(ti) 對激光具有反射作用，並且熱傳(chuan) 導快，因此金屬層的熔化和汽化需要的激光能量更高。

圖2：激光切割示意圖。

（2）切割案例

采用英穀激光300W皮秒紅外激光器（見圖3），分別對厚度10μm的鋁箔、厚度150μm負極材料、厚度150μm的三元鋰材料和厚度200μm的磷酸鐵鋰材料進行切割。切割效果顯示，各類材料邊緣（毛刺＋熱影響）≤40μm，斷麵毛刺≤10μm（見圖4a-d）。

圖3：英穀激光300W紅外皮秒激光器。

（a）鋁箔區切割效果。

（b）負極材料切割效果。

（c）磷酸鐵鋰材料切割效果。

（d）三元鋰材料切割效果。

圖4：英穀激光300W皮秒紅外激光器切割各類極片的效果。

皮秒激光的模切工藝，解決(jue) 了目前五金模切存在的問題，讓電極極片實現了高效高質量的切割。與(yu) 傳(chuan) 統的切割方式相比，激光切割具有無汙染、更環保、邊緣效果好、加工精度高、加工工具無損耗，運行成本低等優(you) 勢，能夠有效提升加工效率、降低企業(ye) 生產(chan) 成本，縮短新產(chan) 品的模切周期（見表1）。

表1：超快激光切割與(yu) 傳(chuan) 統切割的對比

同時具備窄脈寬和高重複頻率的激光器，是動力電池切割的理想選擇。英穀激光的高功率300W紅外皮秒激光器，平均功率大，重複頻率高，效率高，能夠替代傳(chuan) 統模具，為(wei) 動力電池的加工提供更柔性、更便捷的加工方式。激光切割一方麵節約了五金磨具的換刀片時間，另一方麵也省去了極片換型的時間，顯著提升了加工效率。從(cong) 成本角度看，皮秒激光器後續維護成本低，無需耗材，不會(hui) 出現五金模具切割修模、換模的情況，降低了企業(ye) 成本，性價(jia) 比更高。

鈣鈦礦刻蝕

除了極片切割這一新應用，鈣鈦礦刻蝕也是當下熱門的話題。

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs），是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體(ti) 作為(wei) 吸光材料的太陽能電池，是第三代高效薄膜電池的代表，也被稱作新概念太陽能電池。一般稱晶體(ti) 矽太陽能電池為(wei) 第一代太陽能電池，而將一般型的薄膜太陽能電池歸為(wei) 第二代。

第一代太陽能電池製作工藝簡單，但由於(yu) 關(guan) 鍵材料晶體(ti) 矽的價(jia) 格比較高，因此成本高；且單晶矽太陽能電池的光-電轉換效率已接近29.4%的理論極限，未來效率提升空間小。而第二代薄膜太陽能電池雖然材料和製作的成本較低，但其轉換效率低，僅(jin) 有6%-10%。

為(wei) 了尋找以上兩(liang) 種太陽能電池的替代品，鈣鈦礦太陽能電池應運而生。它憑借著良好的吸光性、電荷傳(chuan) 輸速率、巨大的開發潛力和綠色環保的加工過程，實現了高效率、高柔性、低成本，被稱為(wei) “光伏領域的新一代革命者”。隨著鈣鈦礦原材料的量產(chan) 化，成本正在大幅降低；與(yu) 此同時，鈣鈦礦太陽能電池還可以通過與(yu) 晶矽電池疊層，形成晶矽/鈣鈦礦疊層電池技術路線，為(wei) 光-電轉換效率帶來質的飛躍，目前全球最高紀錄已達33.2%，未來應用市場潛力較大。

鈣鈦礦電池雖然優(you) 勢很突出，但它的工藝精度要求到0.3~0.5μm，對於(yu) 激光設備的技術指標、加工精度要明顯高於(yu) 晶矽電池。

鈣鈦礦電池結構一般被認為(wei) 包含P1、P2、P3三層，P1為(wei) FTO導電玻璃層，P2為(wei) ITO或鈣鈦礦層，P3為(wei) 鍍金材料或度銀材料，也有些項目組使用碳粉材料。

激光刻蝕作為(wei) 鈣鈦礦電池製造工藝中的關(guan) 鍵環節，其作用在於(yu) 對P1、P2、P3進行激光劃線，阻斷導通，確保電池間的絕緣性，使整個(ge) 鈣鈦礦麵板形成一道道的子電池，實現增大電壓和串聯電池的效果，並負責P4的清邊，從(cong) 而完成最後的封裝環節。該工藝的難點主要體(ti) 現在以下兩(liang) 方麵：

第一，劃線工藝控製

激光劃線非常容易損傷(shang) 電池，對於(yu) 激光器的功率、脈衝(chong) 寬度的要求極高。需要保證在對下一層激光刻蝕的同時不傷(shang) 及上一層級，尤其是P3層襯底為(wei) 鈣鈦礦薄膜，厚度僅(jin) 百納米量級，能否做到精準劃線，直接影響著鈣鈦礦電池的良品率和壽命。

第二，劃線線寬

在鈣鈦礦太陽能電池生產(chan) 過程中，有三個(ge) 步驟需要激光劃線，可稱之為(wei) P1線、P2線和P3線。這三條線所包圍的區域是不能用來發電的，故而被稱為(wei) 死區。死區越大，光能轉化為(wei) 電能的效率就越低；死區越小，發電有效麵積越大，光能轉化為(wei) 電能的效率也就越大。由於(yu) 死區麵積和P1、P2、P3的線寬直接相關(guan) ，因此提升激光刻蝕線寬、激光刻蝕線間距的精確度，成為(wei) 了鈣鈦礦電池技術突破的首要任務。

激光器作為(wei) 激光設備的核心零部件，更是重中之重。隨著鈣鈦礦太陽能電池的迅速發展，對於(yu) 加工的精度和效率要求越來越高，現有的納秒激光器已無法滿足需求。皮秒激光器成為(wei) 新的刻蝕工具。根據每家公司的情況不同，可選擇皮秒紫外、綠光或者紅外激光器進行刻蝕。目前，英穀激光的皮秒紫外激光器功率最高可達100W，綠光最高達200W，紅外最高達300W，可按需選擇。

采用英穀皮秒激光器進行實驗，將激光器光斑通過DOE整形成方平頂光進行單次劃線測試。以國內(nei) 某家的反式鈣鈦礦電池測試為(wei) 例，皮秒激光器用來去除鈣鈦礦電池中的P2＋P3層。

刻劃P2，去除鈣鈦礦層，厚度為(wei) 400~600nm（空穴傳(chuan) 輸層＋鈣鈦礦吸收層＋電子傳(chuan) 輸層以及其他鈍化層），暴露底電極且不損傷(shang) 底電極；刻劃的線槽為(wei) 相鄰的兩(liang) 節子電池正負極提供通道。測試結果顯示，劃刻線寬度為(wei) 30~60μm（可選），熱影響區≤1μm，火山口≤8nm。

刻劃P3，將P2層、傳(chuan) 輸層、頂電極層全部劃開，厚度為(wei) 600~1000nm；刻劃形成子電池之間的相互獨立，並通過上下電子層形成相連的結構。測試結果顯示，劃刻線寬為(wei) 20~60μm（可選），熱影響區≤6μm，火山口≤60nm。

圖5：英穀激光皮秒激光器。

鈣鈦礦的發展前景

2023年9月，國家能源局發布《關(guan) 於(yu) 組織開展可再生能源發展試點示範的通知》，將鈣鈦礦及疊層太陽能電池列入示範工程。2023年11月，工信部等五部門發布《關(guan) 於(yu) 開展第四批智能光伏試點示範活動的通知》，優(you) 先考慮方向中包括鈣鈦礦及疊層太陽能電池。國家一係列利好政策的出台，持續助力鈣鈦礦電池行業(ye) 的發展。據中商產(chan) 業(ye) 研究院分析師預測，2024年中國鈣鈦礦電池滲透率將達到0.5%，2030年將增長至30%。2024年中國鈣鈦礦電池新增產(chan) 能將達2GW，2030年將達161GW，市場前景廣闊。

超快激光器正在朝著更高功率、更大單脈衝(chong) 能量的趨勢發展，促進光伏、新能源等行業(ye) 的蓬勃發展。近年來，超快激光器也在逐漸由國外進口轉向國產(chan) 化，國產(chan) 高功率超快激光器市場覆蓋率不斷提高，打破了國外壟斷，為(wei) 光伏、新能源等行業(ye) 帶來大幅度的降本增效。

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