工業(yè)皮秒激光器非常適合薄膜的劃線、切割和鉆孔。高平均激光功率、極高重復(fù)率和 24/7 可靠性相結(jié)合，可以為由金屬、半導(dǎo)體、塑料和電介質(zhì)制成的薄膜帶來卓越的質(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(yīng)用示例——這個行業(yè)需要傳統(tǒng)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。

薄膜太陽能器件中的新興應(yīng)用

雖然晶體硅器件目前擁有最大的市場份額，但薄膜太陽能是一種重要的替代品，并且正在穩(wěn)步增長，因?yàn)樗婕拜^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。有幾種不同類型的薄膜太陽能產(chǎn)品，各個制造商偏愛不同的半導(dǎo)體材料以及不同的面板尺寸。目前生產(chǎn)的所有薄膜都依賴于一系列劃線步驟，稱為 P1、P2 和 P3，這些步驟用于在氣相沉積后對各個層進(jìn)行圖案化——見圖 1（所有剛性產(chǎn)品均基于具有厚度在 2-3 毫米范圍內(nèi)）。

通過交替使用氣相沉積和劃線，對半導(dǎo)體層和導(dǎo)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。通過這種方式，整個面板能夠產(chǎn)生數(shù)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(dǎo)電氧化物（TCO）層，這將形成正面電極，陽光穿過這些正面電極到達(dá)有源半導(dǎo)體層。然后由 P1 系列劃線器對 TCO 進(jìn)行圖案化，該劃線器必須切割整個 TCO 厚度。隨后沉積 p 型和 n 型半導(dǎo)體，總厚度為 2-3 微米。然后，P2 劃線切割半導(dǎo)體層，將其分成有源條。然后在整個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 劃線圖案化的，該劃線穿過金屬層和半導(dǎo)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，以最大限度地減少浪費(fèi)（非活動）面板的面積，如圖 1 所示。但這也意味著該應(yīng)用不能承受外圍熱或機(jī)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(shù)百納米 TCO 的 P1 劃線器。然而，P2 和 P3 劃線涉及較厚的層（半導(dǎo)體或金屬），挑戰(zhàn)在于完全切割這些層而不會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(xiàng)任務(wù)，因?yàn)榕c熱擴(kuò)散時間相比，脈沖寬度很短；通過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(fù)率和高平均功率（高達(dá) 100 W）。低脈沖能量和高重復(fù)率的結(jié)合還提供了高吞吐量，同時消除了對面板功能性損壞的機(jī)會。皮秒激光器現(xiàn)在也可用于多種波長，這允許對 P2 和 P3 使用稱為散裂的高效薄膜圖案化技術(shù)。在此過程中，選擇激光波長使其穿過玻璃和 TCO，但在與半導(dǎo)體（對于 P2）或金屬（對于 P3）的界面處被強(qiáng)烈吸收。這會蒸發(fā)材料的幾個原子層，在單個激光脈沖中完全去除覆蓋層（圖 2）。

皮秒處理在 c-Si 太陽能中得到驗(yàn)證

皮秒激光劃片和切割先前已成功用于 c-Si 太陽能電池的生產(chǎn)，例如通過 SiN 鈍化層創(chuàng)建開口以允許與有源半導(dǎo)體層直接電連接。在某些情況下，應(yīng)用程序需要一個長的連續(xù)凹槽。這可以通過使用具有高斯輪廓的光束然后重疊脈沖來創(chuàng)建 - 參見圖 3（左）。然而，一些 SiN on Si 劃線應(yīng)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 激光也不會對 SiN 造成橫向熱損傷。在這些單脈沖應(yīng)用中，ps 激光器的高重復(fù)頻率（高達(dá) 5 MHz）意味著限制因素是掃描速度。振鏡掃描儀可以提供高達(dá) 30 m/s 的速度，相當(dāng)于 100 萬個孔/秒。更快的多邊形掃描儀可以將速度提高到幾百萬個孔/秒。

切割玻璃模塊

太陽能設(shè)備的封裝也受益于皮秒激光器。具體來說，一種稱為智能切割的獨(dú)特玻璃切割成絲方法能夠在冷加工中快速切割強(qiáng)化玻璃，從而產(chǎn)生緊密的曲線和孔洞 - 參見圖 4 - 并且通常具有出色的邊緣質(zhì)量 (Ra < 0.5 μm)無需后處理。簡而言之，當(dāng)皮秒激光束穿過玻璃厚度時，它會自動在聚焦和非聚焦之間振蕩，在玻璃上鉆出一個狹窄的微穿孔。玻璃和/或激光的運(yùn)動形成了這些細(xì)絲的簾幕，這些細(xì)絲限定了平滑的斷裂，在某些玻璃類型中甚至不需要任何類型的沖擊來分離。與機(jī)械切割不同，邊緣沒有微裂紋和殘余應(yīng)力，消除了薄玻璃面板的常見故障機(jī)制。

概括

與大多數(shù)其他電子相關(guān)行業(yè)一樣，光伏市場對提高性能、產(chǎn)量和成本的精密微加工的需求不斷增長。皮秒激光切割被證明是這一重要行業(yè)中多項(xiàng)任務(wù)的理想工具。