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(ti) 物質轉變為(wei) 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(wei) “光伏電池”。在過去的5年裏，太陽能電池的開發應用已逐步走向商業(ye) 化和產(chan) 業(ye) 化；太陽能電池已經在我國和一些國家大批量生產(chan) 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(men) 的生產(chan) 、生活中很可能成為(wei) 替代煤和石油的重要能源之一。

圖1： 圖2：非晶矽薄膜太陽能電池的層疊結構

圖3：非晶矽薄膜太陽能電池生產(chan) 的主要設備和工藝流程

圖4：將連續的膜層細分為(wei) 單個(ge) 電池

圖5：在單個(ge) 電池之間建立串聯連接結構

非晶矽薄膜太陽能電池a非晶矽薄膜太陽能電池簡目前可生產(chan) 的太陽能電池主要有多晶矽太陽能電池、單晶矽太陽能電池和非晶矽薄膜太陽能電池。多晶矽太陽能電池和單晶矽太陽能電池受上遊晶體(ti) 矽材料供應的短缺，導致越來越多的晶矽太陽能電池生產(chan) 設備產(chan) 量不足，不斷上漲的晶矽價(jia) 格也限製了晶矽太陽能電池的發展。僅(jin) 以矽原材料的消耗計算，生產(chan) 1兆瓦晶體(ti) 矽太陽電池，需要10～12噸高純矽，但是如果消耗同樣的矽材料用以生產(chan) 非晶矽薄膜太陽能電池，則產(chan) 出可以超過200兆瓦。盡管非晶矽薄膜太陽能電池的轉換效率（6％左右）不如晶矽太陽能電池的轉換效率（15％～16％）高，但是其厚度（700nm）卻要比晶矽太陽能電池（厚度為(wei) 180μm）薄很多。換句話說，非晶矽薄膜太陽能電池的總效能要比晶矽太陽能電池高很多。對於(yu) 同樣功率的太陽電池陣列，非晶矽太陽電池比單晶矽、多晶矽電池發電要多約10%，而且非晶矽太陽電池的能源回收期僅(jin) 1-1.5年。非晶矽的原料是晶矽太陽能電池生產(chan) 中西門子法生產(chan) 多晶矽之前的矽烷氣體(ti) ，通過在矽烷（SiH4）中摻雜乙硼烷（B2H6）和磷化氫（PH3）等氣體(ti) ，在低成本基板上（玻璃、不鏽鋼）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，直接將矽烷氣體(ti) 進行玻璃鍍膜，然後製作電極和封裝。太陽能電池組件的成本在整個(ge) 光伏係統成本中占有很高的比例，組件價(jia) 格直接影響係統成本，進而影響光伏發電的成本。按目前的組件售價(jia) 計算，等量的資金，購買(mai) 非晶矽產(chan) 品可以比晶矽產(chan) 品多獲得接近30%的組件功率。非晶矽太陽能電池工藝已趨於(yu) 成熟、製造成本低，且不受晶矽原料瓶頸的製約，已成為(wei) 太陽能電池中最成熟的產(chan) 品，對潔淨可再生能源的發展起到了巨大的推動作用。非晶矽薄膜太陽能電池（見圖1）采用普通浮法玻璃作為(wei) 載體(ti) 。在玻璃上塗有透明導電膜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；另一方麵，TCO是導電的，可作為(wei) 電池的一個(ge) 電極。太陽能電池就是以TCO薄膜為(wei) 襯底生長的，用等離子體(ti) 增強化學氣相沉積法（PECVD）生長的太陽能電池層也稱為(wei) 有效層。有效層包括兩(liang) 個(ge) pin串聯的雙結結構。與(yu) TCO薄膜連接的第一結稱為(wei) 頂層非晶矽層a- Si:H，能吸收短波長光子，與(yu) 非晶矽層連接的第二結稱為(wei) 底層微晶矽層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矽層，陽光中的短波長光子被頂層非晶矽層吸收，而長波長光子透過頂層非晶矽層到達底層微晶矽層、並被底層微晶矽層吸收，這種結構有較高的光電轉換效率。通過磁控濺射製作的Al/Ag電極連接著有效層的背電極。最後，用防護玻璃罩密封EVA(乙烯醋酸乙烯)箔進行疊層組件，這種結構的非晶矽薄膜太陽能電池也被稱為(wei) 層疊電池，如圖2所示。 非晶矽薄膜太陽能電池生產(chan) 的主要工藝流程：生產(chan) 非晶矽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技術在非矽襯底上製備晶粒較小的多晶矽薄膜的一種方法。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矽的本征層（i層）。其製備溫度很低（100～200℃）。日本科尼卡公司在 1994年提出這一方法，目前用這種方法製備的電池，試驗室最高效率已達10.7％。薄膜沉積後，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(wei) 一個(ge) 功能強大的生產(chan) 性工具，已廣泛應用於(yu) 製造、表麵處理和材料加工領域。在非晶矽薄膜太陽能組件生產(chan) 裏，激光設備在“劃刻”過程中發揮兩(liang) 大作用：第一，它把連續的膜層細分為(wei) 單個(ge) 電池（見圖4）；第二，在單個(ge) 電池之間建立串聯連接結構（見圖5）。這需要由兩(liang) 個(ge) 不同的係統來完成：第一步用紅外激光，用於(yu) 第一層TCO層的劃刻，因為(wei) 透明的TCO層不吸收可見光；第二步用綠激光來劃刻非晶矽層；第三步用綠激光，同時處理非晶矽層和背電極。這些線條非常緊密並且精確地間隔開，之間隻有幾十微米的距離（<50μm），這樣最大限度地減少了發電層麵積的損失。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的距離裏保持筆直和均勻，並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

激光劃線完成之後，之前連續的膜層被細分為(wei) 單個(ge) 太陽能電池並組成了串聯結構，此時，太陽能電池已經能將太陽光能轉化成電能了。在後麵的工序裏，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，最終完成非晶矽薄膜太陽能的生產(chan) 。在薄膜太陽能組件生產(chan) 裏，激光劃線設備是必不可少的重要生產(chan) 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，對太陽能非晶矽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，由工作台帶動電池板與(yu) 激光頭作相對運動。 X-Y工作台采用進口直線電機與(yu) 高分辨率光柵尺組成全閉環控製係統，確保運動精度。四路精密分光係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：刻蝕後的效果

本項目產(chan) 品可替代美國和德國在銷售的同類設備。在薄膜太陽能電池製造行業(ye) 中有廣泛應用，如：玻璃基底上薄膜處理、非晶矽電池、銅銦镓二硒電池以及鎘碲薄膜電池等領域。此設備已於(yu) 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(wei) 代表的國產(chan) 薄膜太陽能電池激光精密切割係統具有成本優(you) 勢、品種優(you) 勢和服務優(you) 勢。通常，國產(chan) 設備價(jia) 格將是進口設備價(jia) 格的一半左右，如果今後在核心激光器方麵能進一步降低成本，客戶購買(mai) 成本將會(hui) 降到進口設備的1/3，用戶將受益更多。