快速成長的光伏產業需要設備供應商們提供許多解決方案，包括提高產出、成品率和降低擁有成本。激光的應用在這些方面起著越來越重要的作用。 粗看太陽能產業的設備供應與已成熟的微電子和顯示產業相似。然而，太陽能產業的快速成長和不斷動態變化向所有企圖在太陽能產業的供應鏈中站穩腳跟的設備供應商們呈現出一系列新的挑戰。大量電池和面板制造商涌入這個行業，進一步加劇了問題的復雜性，已有的半導體設備供應商對這些新入行的制造商并不熟悉。 盡管許多太陽能終端用戶使用激光工具已有一段時間，激光工具的有關工藝對于太陽能產業是特定的，擁有一套非常不同的工藝參數。我們在本文中回顧已有的和新出現的激光應用，并討論激光加工將怎樣以及為何在太陽能技術路線中起到越來越重要的推動作用。我們還特別研究那些目前從事或即將進入設備供應鏈的供應商們所面臨的新挑戰。 由于多種太陽能電池技術在相互爭奪市場份額，人們研究各種方案降低最終模塊對消費者的每瓦特成本（$/W），因此取決于所研究的終端使用物的類型不同（晶體硅或薄膜），設備供應商們可能面臨著非常不同的需求。但是，我們可以泛泛地將這些產品分成一些普通種類（圖1）。一般終端使用物專用的設備由這些類別的子集來驅動，受到特定的電池技術及其成本縮減技術藍圖的綜合作用。高效概念 提高太陽能電池和面板的效率幾乎是全球每位太陽能廠商最急于實現的愿望。大多數已提出的技術藍圖清晰指出，5年后晶體硅（c-Si）太陽能電池的效率將增長3-5%，平均值將達到16-20%。對于薄膜太陽能面板，總體效率較低，但也有望獲得相應提高。比如，從單結非晶硅（a-Si）結構向串聯結a-Si/mc-Si（微非晶）結構轉化，通過提高光譜吸收率可將電池效率約提升4%，面板總體效率將提升至10%1。 現在c-Si電池產商追求高效電池概念最積極，這是他們在現有產品線及產能擴張方案中需要反復提高的部分。激光技術將在新型上表面和背面加工階段起重要作用2。比如，在金屬環繞穿通（MWT）器件中，較薄的金屬接觸“手指”被移到背面。在發射極環繞穿通（EWT）器件中，傳遞功率的母線也被轉移至背面，使得上表面完全沒有金屬。通過鉆微型通孔，將上表面與下表面接觸連接起來，就可以實現這一點。利用WMT，每塊硅片需要鉆約200個通孔。而EWT要求每塊硅片上有高達2萬個這種通孔。激光鉆孔是唯一可能滿足商業規模速度的工藝。同時激光器還可用于形成新型結構，如激光燒制接觸（LFC），這種結構對于支持某些先進的薄硅片產品是必須的。為完全滿足這些不同工藝，設備供應商們應集成平均功率大（高達數十瓦特）的激光器，可選擇輸出紅外光（IR）、可見光或紫外（UV）光，擁有納秒或皮秒脈沖性質以及優異的光束性質，M2參數約為1.1（M2約等于1.0代表理論上可完全聚焦的激光束）。 “綠色”設備 當前太陽能生產線的設備供應包括各種各樣的競爭方案，部分方案利用有毒化學物質，制造有毒廢物。如現在工廠廣泛應用絲網印刷和濕法刻蝕，它們利用現有適用于太陽能生產的成套生產線設備。不過太陽能是一種替代能源和“可再生”的能源類型，碳排放量幾乎為零，因此只要可能，就有采用綠色生產設備的強烈動力。 利用DPSS激光進行邊緣隔離不僅更加環保，還提高了成品率和器件效率。特別由于晶體硅在這些較短的波長處可以吸收更多光，電流產生系統現在更加依賴工作在可見光（532 nm）或紫外（355 nm）波段的DPSS激光器4。硅對355 nm光波的吸收量比對紅外（1064 nm）光波的吸收量大四到五個數量級，因此利用Q-轉換UV DPSS激光器（圖3）可以實現高度本地化的上表面刻蝕。除射入深度較淺外，紫外波長還可以在較低的溫度下獲得較窄的溝槽，對外圍溫度損傷如微裂紋盡可能少，微裂紋可能會大大影響成品率。這就使溝槽能置于距離器件邊緣較近的地方，減少“死”區，從而使電池的效率最大化。 擁有成本 太陽能電池和面板的制造成本是永恒的話題，因為它對傳遞至最終的太陽能裝置的成本$/W有很大影響。人們通常通過降低原材料成本或通過采用具有最低資本支出和運行成本的生產線設備，來降低成本。 DPSS激光器提供了一種理想的解決方案，主要是由于這種激光器的運行成本很低。此外，太陽能產業還可立即從已在半導體生產線中大規模采用的實業驗證激光器設計上獲益。這些繼承應用為正常運行時間、備用部件的可得性和現場服務相應樹立了目標水平。比如，有種在紫外波段工作的高功率激光器擁有數十瓦的輸出，當以全功率工作時，五年內每周工作七天，每天24小時時，這種激光器的全負載運行成本通常為3-5美元/小時。 成品率 盡管太陽能電池生產僅需較低的技術和較少的工藝步驟，由于多方面原因，電池成品率還是落后于半導體的生產水平。其中包括由于在大批量生產環境中安裝和優化新型精密設備工具帶來的問題，以及來自保持合理的正常運行時間、無故障運行的挑戰。因此以往在太陽能產業，成品率優化對于較長的設備交貨期和由此導致的倉促安裝設備及生產太陽能電池來滿足市場需要等問題，起著第二位的作用。底線是：在太陽能行業成品率水平低于90%并非不同尋常，頂尖的供應商們現在開始公布成品率水平大于95%。但是很明顯，光伏（PV）制造工藝并未進步到半導體生產要求達到的成品率水平。 還有一個方面會影響成品率，在未來3至5年生產設備的選擇轉向加工更薄和更大的硅片。硅片厚度很快就會低于200 μm，硅片的機械性能要比以往任何時候都要脆弱。簡單來說，這些易碎硅片所采用的接觸技術將承受著近一步降低成品率水平的風險。因此，激光加工的非接觸性質提供了極大的內在優勢，它對于減少硅片的破損率和微裂紋都有好處，微裂紋是目前導致獲得不合格產品的主要問題之一。 產率 過去PV產業中制造成本的縮減是靠提高工廠的產率，從而通過經濟規模降低成本，這與微電子產業中觀察到的現象相似。過去十年來，每次全球制造產量加倍，就會實現模塊成本減少20%。從這方面講，今天一個高性能的c-Si電池生產線可以擁有超過3000 wph的小時產量。工廠一般擁有幾條平行生產線，全年度總產能高達數百兆瓦，且會很快突破劃時代的吉瓦級工廠規模。成本預計會隨著薄膜面板的面積從Gen 5增大到Gen 8甚至更大，出現類似的降低。對于激光工藝設備供應商而言，這意味著什么？許多c-Si激光工藝，生產線的產出規模幾乎直接與激光平均功率水平一致。因此，此處重要的推動力是由脈沖DPSS激光器提高平均功率水平，同時保持決定工藝產率和操作成本的特征。這包括光束的質量、產品的壽命和脈沖之間的穩定水平。圖4顯示出Q-開關355和532nmDPSS激光器的功率是如何獲得提高，與不斷增加的產率需求保持同步。對于薄膜面板的生產，DPSS激光器一般用于形成分立電池隔離和互連線的剝離，它在面板生產階段，在每一層沉積的薄膜上都刻蝕多達數百條薄線條。這種刻蝕工藝通常用P1、P2、P3指代，統稱為激光圖形結構（圖5）。此處不能僅僅通過提高平均激光功率就能實現產能產率的增加，而是它們也需要具備在不同材料的薄層上高度均勻刻蝕、掃掠大型面板的功能6。光學掃描技術的速度有限，意味著必須同時使用多個激光束，因此平均功率要求是適中的。更關鍵的要求是脈沖重復頻率（PRF）。對大面板的目標掃描速率為2 米/秒時，PRF必須非常高（高達100 kHz甚至更高）才能獲得想要的貝殼狀輪廓（圖6），同時保持關鍵特征，如較短的脈沖寬度和優異的脈沖之間的重復性。 設備兼容性、開發時間太陽能電池和面板終端用戶們現在擁有購買選擇，既可以購買來自全球部分供應商的完整生產線，也可以購買配置不同線內工具組成一條完整生產線，這種生產線可以為其太陽能電池品牌高度定制。這種決策對于使用設備的類型和供應商有極大的意義，包括激光器的類型和供應商。此外，過去幾年太陽能的增長速率連同新進入市場的廠家數目，已對最初太陽能產商們青睞的完整線制造系統供應商們帶來了極大需求。因此，不時出現了送貨周期較長和生產開發時間較慢的報道。展望未來，認識到激光器系統是下一代推動工具是相當重要的，隨著太陽能產業的升級，這種工具要和未來技術兼容。相反，基于修正刻蝕或絲網印刷設備類型的工具已經到了某些應用線路的盡頭。這對于薄硅片加工是絕對真實的，需要接觸的工藝已經到了當前產能的極限邊緣，因此這種工藝不能滿足硅片厚度低于180 μm的技術目標7。雖然新型的激光工藝可以進一步降低業界的成本和提高性能的技術藍圖，激光器本身并不是新事物。實際上，適用于微電子產業的激光器已經開始大規模生產，交貨周期短，并且有全球的服務和支持網絡提供支持。 總結 如本文所指出的那樣，PV生產線的激光器設備的最終選擇要求設備與專門的工藝需求特別匹配。下表總結了太陽能產業五年技術藍圖的重大變化，絕大多數與激光設備的供應商有關。隨著供應鏈不斷擴大來滿足這些需求，太陽能產業中的激光加工有望從當前的競爭技術晉升為廣為接受的、不可或缺的技術，并將成為快速實現技術目標和促進太陽能產業整體持續增長的重要動力。