太阳电池激光划裂技术的发展趋势分析

2021-11-03徐兵，李燕

太阳能 2021年10期

徐兵，李燕

(1. 江苏科技大学，镇江 212000；2. 浙江大学昆山创新中心，昆山 215300)

0 引言

随着全球经济的发展，全球能源市场正在经历前所未有的变革。我国作为可再生能源产能大国，现已成为全球能源结构转型的主角，我国的节能减排理念与主张已得到多数国家的认可，开始从全球气候改善的参与者向引领者转变，也已成为全球可再生能源投资大国。根据相关资料显示，我国在可再生能源领域，尤其是在太阳能的光伏技术应用方面已趋于世界领先水平，光伏组件生产量占据全球70%以上的市场份额，“光伏应用”已成为“国家绿色名片”中的重要词汇。

从科研攻关到市场应用，从光伏利用大国到光伏利用强国，从光伏扶贫到“光伏+多种模式应用”的创新，我国光伏市场在全球光伏市场一路领跑。如今，通过光伏产业降本增效，以及“一带一路”、加强全球南北合作等的开展，我国光伏产业为广大发展中国家提高电力普及率，以及改善全球大气环境输出了“中国智慧”与“行动”。未来，在光伏技术与光伏市场发展的推动下，作为全球能源转型的重要力量，我国的光伏产业将发挥越来越重要的作用。

太阳电池是光伏组件中最核心的部件。随着光伏发电技术的进步，在太阳电池生产过程中，有时需要将1片完整的太阳电池切割成多片大小相同的小太阳电池，然后将切割后的小片太阳电池焊接成太阳电池串，从而可以提高最终制备的光伏组件的光电转换效率。太阳电池的切割通常采用划裂技术，以切割成不同尺寸规格的小片太阳电池为基础，可生产出种类繁多的新型光伏组件，例如：半片光伏组件、210太阳电池三分片光伏组件、多片叠瓦光伏组件、板块互联光伏组件、无缝焊接多主栅光伏组件等。因此，太阳电池切割已成为光伏组件产品迭代升级中不可或缺的工艺环节。

本文详细阐述了太阳电池激光划裂技术的原理，介绍了近年来市场中常用的太阳电池激光划裂技术的原理和发展情况，并对比分析了新型的无损伤激光划裂技术与常规激光划裂技术的主要区别和各自的优、缺点。

1 太阳电池激光划裂技术的原理

太阳电池切割时的划裂技术一般采用激光划裂技术，该技术的原理示意图如图1所示。

图1 太阳电池激光划裂技术的原理示意图Fig. 1 Principle schematic diagram of laser splitting technology for solar cell

太阳电池激光划裂技术均采用激光划裂机。如图1所示，技术原理为：以电子放电作为供给能源，通过He、N2、CO2等混合气体作为激发激光发射器发射的激光的媒介，利用激光振镜聚焦激光形成激光光束，并通过改变激光光束的路径使其照射到太阳电池上，此时激光光束的光能转换为热能，且其热量大幅超过被太阳电池反射、传导或扩散的那部分热量，太阳电池中被照射位置的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而使此处被刺穿并形成小孔；由于激光光束与太阳电池是沿一定的相对线性轨迹移动，使这些小孔能够连起来形成切缝，从而实现对太阳电池的切割。切割头(激光发射器与激光振镜组装后的总称)按照预定路线运动，可将整片太阳电池切割成半片太阳电池、三分片太阳电池、四分片太阳电池等。

2 常规太阳电池激光划裂技术的介绍

当前，在光伏产业采用的常规太阳电池激光划裂技术中，激光烧蚀配合机械掰片技术为主流技术。

2.1 激光烧蚀配合机械掰片技术的原理

激光烧蚀配合机械掰片技术的工艺原理是：首先利用激光光束在太阳电池背面或正面划裂出一条贯穿太阳电池表面的切割道，然后采用机械掰片法将太阳电池沿着切割道掰开。由于在常规激光划裂机中引入多刀激光划裂技术后，可将常规激光划裂机对太阳电池造成的损伤降至光伏企业可接受范围的损伤，因此激光烧蚀配合机械掰片技术是现阶段的主流技术。

2.2 机械掰片技术的种类及原理

常见的机械掰片技术包括2种：气缸组合式吸片机械手掰片技术、皮带输送式掰片技术。

2.2.1 气缸组合式吸片机械手掰片技术

气缸组合式吸片机械手掰片技术采用的是以气缸为动力源的机械式机构加吸盘。采用气缸组合式吸片机械手掰片技术对太阳电池进行激光切割时，为了减少对太阳电池的损伤，一般激光切割深度为太阳电池厚度的30%～50%。由于气缸组合式吸片机械手是由多个机械吸盘分片装置组成，沿着太阳电池表面划裂出的切割道进行掰片时利用的是外界力，导致掰片后的太阳电池的切割道会有明显的毛刺，如图2所示。

图2 太阳电池的切割道有明显的毛刺Fig. 2 There are obvious burrs on cutting line on solar cell

气缸组合式吸片机械手掰片技术的产能受到气缸动作速度的限制，一系列采用气缸组合式吸片机械手掰片技术的设备的产能极限一般为每小时划裂2500片整片太阳电池。

2.2.2 皮带输送式掰片技术的原理

常见的皮带输送式掰片技术包括2种：一种是曲面真空裂片技术；另一种是中间切割刀沿太阳电池表面的切割道划裂太阳电池的技术。这2种皮带输送式掰片技术的前段工序均是采用激光光束切割太阳电池，切割深度约为太阳电池厚度的40%～60%。皮带输送式掰片技术的产能与皮带输送速度有关，由于速度可调，该技术的掰片速度通常比气缸组合式吸片机械手掰片技术要快，因此具有产能增加的优势。

1)曲面真空裂片技术是利用真空吸附已划裂出切割道的太阳电池，并将其通过输送皮带输送至曲面真空，切割后的太阳电池因受到大曲径的曲面真空吸附，太阳电池沿切割道断裂，从而实现对太阳电池的切割。曲面真空裂片技术示意图如图3所示。

图3 曲面真空裂片技术示意图Fig. 3 Schematic diagram of curved surface vacuum splitting technology

2)放置在平带线中间的切割刀沿太阳电池上已划好的切割道划裂太阳电池，具体如图4所示。该方式一般是将整片太阳电池切割成半片太阳电池或三分片太阳电池。

图4 放置在平带线中间的切割刀沿太阳电池切割道划裂太阳电池Fig. 4 Cutter placed in middle of flat belt line splits solar cell along solar cell cutting line

3 太阳电池激光划裂技术的发展趋势

随着超小太阳电池间距、大尺寸硅片和超低温太阳电池等工艺的产生，常规太阳电池激光划裂技术的工艺已无法满足太阳电池及光伏组件高品质的需求。因此，新型的无损伤激光划裂技术因需而生。

无损伤激光划裂技术采用无损伤激光划裂机，其解决了常规激光划裂机会不可避免地损伤太阳电池的问题。

无损伤激光划裂技术已成为太阳电池激光划裂技术的发展趋势，正在推向太阳电池主流市场，在不久的将来，该技术将主导太阳电池激光划裂市场。

3.1 无损伤激光划裂技术的原理

无损伤激光划裂技术的核心原理是利用激光热应力控制材料断裂的技术，其工艺流程为：首先在太阳电池边缘加工1个超小槽口；然后利用激光对太阳电池进行局部快速加热，形成激光光斑，同时利用设备配套的冷却装置对太阳电池进行局部冷却，如此会产生一个不均匀的温度场，该温度场会在太阳电池表面产生温度梯度，从而诱发热应力产生；其中激光光斑处于压应力状态，而激光光斑前、后处于拉应力状态，由于太阳电池是脆性材料，其抗压刚度远大于抗拉强度，因此当拉应力达到太阳电池的断裂强度时，会导致太阳电池发生断裂；断裂会随着激光照射及后续冷却的移动轨迹从最初在太阳电池边缘加工的超小槽口开始稳定扩张，最终完成对太阳电池的切割。

3.2 无损伤激光划裂技术与常规激光划裂技术的对比

下文从太阳电池的表面形貌、加工产生的粉尘量、加工温度、太阳电池性能测试4个方面对无损伤激光划裂技术与常规激光划裂技术的主要区别和各自的优、缺点进行对比分析。

3.2.1 太阳电池的表面形貌

1)常规激光划裂技术会在太阳电池表面烧蚀形成切割道，该切割道的宽度为30 μm、深度为60～90μm，同时太阳电池表面的横向热影响区宽度会扩展到70～80μm。

2)无损伤激光划裂技术切割的太阳电池的截断面干净、不存在损伤点，主要原因在于无损伤激光划裂技术在对太阳电池进行切割时不存在激光烧蚀的过程。

3.2.2 加工产生的粉尘量

1)采用常规激光划裂技术时需去除太阳电池表面切割道内的硅粉尘。由于该技术在对太阳电池切割时会产生大量的硅粉尘，因此需要配置经过特殊设计的除尘装置，否则容易引起火灾。

2)采用无损伤激光划裂技术时产生的硅粉尘数量很少，可忽略不计。

3.2.3 加工温度

1)采用常规激光划裂技术切割太阳电池时，激光光斑温度可达400～500 ℃。

2)采用无损伤激光划裂技术切割太阳电池时，加工温度需控制在150～250 ℃范围内，属于低温加工工艺。

3.2.4 太阳电池性能测试

分别对采用无损伤激光划裂技术与常规激光划裂技术切割的太阳电池进行性能测试，并对测试结果进行对比分析。

1)三点抗弯强度测试。与整片太阳电池的三点抗弯强度相比，采用无损伤激光划裂技术切割后的太阳电池的三点抗弯强度几乎保持不变，而采用常规激光划裂技术切割后的太阳电池的三点抗弯强度下降了10%以上。

该数据进一步证明了无损伤激光划裂技术解决了常规激光划裂技术在切割过程中对太阳电池造成的损伤问题，采用无损伤激光划裂技术有利于实现光伏组件加工过程中破片率的控制和返修率的控制，同时可加强光伏组件在长期户外应用环境下的可靠性，进而可降低光伏发电企业的成本。无损伤激光划裂技术的上述优点有利于大尺寸硅片和切割成三分片及更小尺寸电池等新工艺在光伏产业内的导入。

2)太阳电池电性能测试。相对于常规激光划裂技术，无损伤激光划裂技术的热损伤降低，使采用无损伤激光划裂技术切割的太阳电池制备的光伏组件的功率有小幅提升，提升幅度约为2%～3%。