徐 兵，李 燕

(1. 江蘇科技大學，鎮(zhèn)江 212000；2. 浙江大學昆山創(chuàng)新中心，昆山 215300)

0 引言

隨著全球經濟的發(fā)展，全球能源市場正在經歷前所未有的變革。我國作為可再生能源產能大國，現(xiàn)已成為全球能源結構轉型的主角，我國的節(jié)能減排理念與主張已得到多數國家的認可，開始從全球氣候改善的參與者向引領者轉變，也已成為全球可再生能源投資大國。根據相關資料顯示，我國在可再生能源領域，尤其是在太陽能的光伏技術應用方面已趨于世界領先水平，光伏組件生產量占據全球70%以上的市場份額，“光伏應用”已成為“國家綠色名片”中的重要詞匯。

從科研攻關到市場應用，從光伏利用大國到光伏利用強國，從光伏扶貧到“光伏+多種模式應用”的創(chuàng)新，我國光伏市場在全球光伏市場一路領跑。如今，通過光伏產業(yè)降本增效，以及“一帶一路”、加強全球南北合作等的開展，我國光伏產業(yè)為廣大發(fā)展中國家提高電力普及率，以及改善全球大氣環(huán)境輸出了“中國智慧”與“行動”。未來，在光伏技術與光伏市場發(fā)展的推動下，作為全球能源轉型的重要力量，我國的光伏產業(yè)將發(fā)揮越來越重要的作用。

太陽電池是光伏組件中最核心的部件。隨著光伏發(fā)電技術的進步，在太陽電池生產過程中，有時需要將1片完整的太陽電池切割成多片大小相同的小太陽電池，然后將切割后的小片太陽電池焊接成太陽電池串，從而可以提高最終制備的光伏組件的光電轉換效率。太陽電池的切割通常采用劃裂技術，以切割成不同尺寸規(guī)格的小片太陽電池為基礎，可生產出種類繁多的新型光伏組件，例如：半片光伏組件、210太陽電池三分片光伏組件、多片疊瓦光伏組件、板塊互聯(lián)光伏組件、無縫焊接多主柵光伏組件等。因此，太陽電池切割已成為光伏組件產品迭代升級中不可或缺的工藝環(huán)節(jié)。

本文詳細闡述了太陽電池激光劃裂技術的原理，介紹了近年來市場中常用的太陽電池激光劃裂技術的原理和發(fā)展情況，并對比分析了新型的無損傷激光劃裂技術與常規(guī)激光劃裂技術的主要區(qū)別和各自的優(yōu)、缺點。

1 太陽電池激光劃裂技術的原理

太陽電池切割時的劃裂技術一般采用激光劃裂技術，該技術的原理示意圖如圖1所示。

圖1 太陽電池激光劃裂技術的原理示意圖Fig. 1 Principle schematic diagram of laser splitting technology for solar cell

太陽電池激光劃裂技術均采用激光劃裂機。如圖1所示，技術原理為：以電子放電作為供給能源，通過He、N2、CO2等混合氣體作為激發(fā)激光發(fā)射器發(fā)射的激光的媒介，利用激光振鏡聚焦激光形成激光光束，并通過改變激光光束的路徑使其照射到太陽電池上，此時激光光束的光能轉換為熱能，且其熱量大幅超過被太陽電池反射、傳導或擴散的那部分熱量，太陽電池中被照射位置的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，從而使此處被刺穿并形成小孔；由于激光光束與太陽電池是沿一定的相對線性軌跡移動，使這些小孔能夠連起來形成切縫，從而實現(xiàn)對太陽電池的切割。切割頭(激光發(fā)射器與激光振鏡組裝后的總稱)按照預定路線運動，可將整片太陽電池切割成半片太陽電池、三分片太陽電池、四分片太陽電池等。

2 常規(guī)太陽電池激光劃裂技術的介紹

當前，在光伏產業(yè)采用的常規(guī)太陽電池激光劃裂技術中，激光燒蝕配合機械掰片技術為主流技術。

2.1 激光燒蝕配合機械掰片技術的原理

激光燒蝕配合機械掰片技術的工藝原理是：首先利用激光光束在太陽電池背面或正面劃裂出一條貫穿太陽電池表面的切割道，然后采用機械掰片法將太陽電池沿著切割道掰開。由于在常規(guī)激光劃裂機中引入多刀激光劃裂技術后，可將常規(guī)激光劃裂機對太陽電池造成的損傷降至光伏企業(yè)可接受范圍的損傷，因此激光燒蝕配合機械掰片技術是現(xiàn)階段的主流技術。

2.2 機械掰片技術的種類及原理

常見的機械掰片技術包括2種：氣缸組合式吸片機械手掰片技術、皮帶輸送式掰片技術。

2.2.1 氣缸組合式吸片機械手掰片技術

氣缸組合式吸片機械手掰片技術采用的是以氣缸為動力源的機械式機構加吸盤。采用氣缸組合式吸片機械手掰片技術對太陽電池進行激光切割時，為了減少對太陽電池的損傷，一般激光切割深度為太陽電池厚度的30%～50%。由于氣缸組合式吸片機械手是由多個機械吸盤分片裝置組成，沿著太陽電池表面劃裂出的切割道進行掰片時利用的是外界力，導致掰片后的太陽電池的切割道會有明顯的毛刺，如圖2所示。

圖2 太陽電池的切割道有明顯的毛刺Fig. 2 There are obvious burrs on cutting line on solar cell

氣缸組合式吸片機械手掰片技術的產能受到氣缸動作速度的限制，一系列采用氣缸組合式吸片機械手掰片技術的設備的產能極限一般為每小時劃裂2500片整片太陽電池。

2.2.2 皮帶輸送式掰片技術的原理

常見的皮帶輸送式掰片技術包括2種：一種是曲面真空裂片技術；另一種是中間切割刀沿太陽電池表面的切割道劃裂太陽電池的技術。這2種皮帶輸送式掰片技術的前段工序均是采用激光光束切割太陽電池，切割深度約為太陽電池厚度的40%～60%。皮帶輸送式掰片技術的產能與皮帶輸送速度有關，由于速度可調，該技術的掰片速度通常比氣缸組合式吸片機械手掰片技術要快，因此具有產能增加的優(yōu)勢。

1)曲面真空裂片技術是利用真空吸附已劃裂出切割道的太陽電池，并將其通過輸送皮帶輸送至曲面真空，切割后的太陽電池因受到大曲徑的曲面真空吸附，太陽電池沿切割道斷裂，從而實現(xiàn)對太陽電池的切割。曲面真空裂片技術示意圖如圖3所示。

圖3 曲面真空裂片技術示意圖Fig. 3 Schematic diagram of curved surface vacuum splitting technology

2)放置在平帶線中間的切割刀沿太陽電池上已劃好的切割道劃裂太陽電池，具體如圖4所示。該方式一般是將整片太陽電池切割成半片太陽電池或三分片太陽電池。

圖4 放置在平帶線中間的切割刀沿太陽電池切割道 劃裂太陽電池Fig. 4 Cutter placed in middle of flat belt line splits solar cell along solar cell cutting line

3 太陽電池激光劃裂技術的發(fā)展趨勢

隨著超小太陽電池間距、大尺寸硅片和超低溫太陽電池等工藝的產生，常規(guī)太陽電池激光劃裂技術的工藝已無法滿足太陽電池及光伏組件高品質的需求。因此，新型的無損傷激光劃裂技術因需而生。

無損傷激光劃裂技術采用無損傷激光劃裂機，其解決了常規(guī)激光劃裂機會不可避免地損傷太陽電池的問題。

無損傷激光劃裂技術已成為太陽電池激光劃裂技術的發(fā)展趨勢，正在推向太陽電池主流市場，在不久的將來，該技術將主導太陽電池激光劃裂市場。

3.1 無損傷激光劃裂技術的原理

無損傷激光劃裂技術的核心原理是利用激光熱應力控制材料斷裂的技術，其工藝流程為：首先在太陽電池邊緣加工1個超小槽口；然后利用激光對太陽電池進行局部快速加熱，形成激光光斑，同時利用設備配套的冷卻裝置對太陽電池進行局部冷卻，如此會產生一個不均勻的溫度場，該溫度場會在太陽電池表面產生溫度梯度，從而誘發(fā)熱應力產生；其中激光光斑處于壓應力狀態(tài)，而激光光斑前、后處于拉應力狀態(tài)，由于太陽電池是脆性材料，其抗壓剛度遠大于抗拉強度，因此當拉應力達到太陽電池的斷裂強度時，會導致太陽電池發(fā)生斷裂；斷裂會隨著激光照射及后續(xù)冷卻的移動軌跡從最初在太陽電池邊緣加工的超小槽口開始穩(wěn)定擴張，最終完成對太陽電池的切割。

3.2 無損傷激光劃裂技術與常規(guī)激光劃裂技術的對比

下文從太陽電池的表面形貌、加工產生的粉塵量、加工溫度、太陽電池性能測試4個方面對無損傷激光劃裂技術與常規(guī)激光劃裂技術的主要區(qū)別和各自的優(yōu)、缺點進行對比分析。

3.2.1 太陽電池的表面形貌

1)常規(guī)激光劃裂技術會在太陽電池表面燒蝕形成切割道，該切割道的寬度為30 μm、深度為60～90μm，同時太陽電池表面的橫向熱影響區(qū)寬度會擴展到70～80μm。

2)無損傷激光劃裂技術切割的太陽電池的截斷面干凈、不存在損傷點，主要原因在于無損傷激光劃裂技術在對太陽電池進行切割時不存在激光燒蝕的過程。

3.2.2 加工產生的粉塵量

1)采用常規(guī)激光劃裂技術時需去除太陽電池表面切割道內的硅粉塵。由于該技術在對太陽電池切割時會產生大量的硅粉塵，因此需要配置經過特殊設計的除塵裝置，否則容易引起火災。

2)采用無損傷激光劃裂技術時產生的硅粉塵數量很少，可忽略不計。

3.2.3 加工溫度

1)采用常規(guī)激光劃裂技術切割太陽電池時，激光光斑溫度可達400～500 ℃。

2)采用無損傷激光劃裂技術切割太陽電池時，加工溫度需控制在150～250 ℃范圍內，屬于低溫加工工藝。

3.2.4 太陽電池性能測試

分別對采用無損傷激光劃裂技術與常規(guī)激光劃裂技術切割的太陽電池進行性能測試，并對測試結果進行對比分析。

1)三點抗彎強度測試。與整片太陽電池的三點抗彎強度相比，采用無損傷激光劃裂技術切割后的太陽電池的三點抗彎強度幾乎保持不變，而采用常規(guī)激光劃裂技術切割后的太陽電池的三點抗彎強度下降了10%以上。

該數據進一步證明了無損傷激光劃裂技術解決了常規(guī)激光劃裂技術在切割過程中對太陽電池造成的損傷問題，采用無損傷激光劃裂技術有利于實現(xiàn)光伏組件加工過程中破片率的控制和返修率的控制，同時可加強光伏組件在長期戶外應用環(huán)境下的可靠性，進而可降低光伏發(fā)電企業(yè)的成本。無損傷激光劃裂技術的上述優(yōu)點有利于大尺寸硅片和切割成三分片及更小尺寸電池等新工藝在光伏產業(yè)內的導入。

2)太陽電池電性能測試。相對于常規(guī)激光劃裂技術，無損傷激光劃裂技術的熱損傷降低，使采用無損傷激光劃裂技術切割的太陽電池制備的光伏組件的功率有小幅提升，提升幅度約為2%～3%。

3.3 無損傷激光劃裂技術的瓶頸

由于無損傷激光劃裂技術是近幾年才興起的新技術，技術尚未成熟，還存在一些技術瓶頸，比如：劃裂不到位、產能不高等。造成這些技術瓶頸的原因主要在于：

1)與無損傷激光劃裂機配套的冷卻裝置一般采用冷卻水，并將其噴灑到太陽電池加熱區(qū)域附近，但由此產生的溫度梯度有時會不太明顯，從而導致太陽電池劃裂不到位。

2)噴灑的冷卻水會殘留在太陽電池表面，需要進行相應的加熱過程，以蒸發(fā)這些殘留的冷卻水，但這一工序較耗時，會影響采用無損傷激光劃裂技術的設備的產能。

4 結論

本文闡述了切割太陽電池時常用的激光劃裂技術的原理，并分析和對比了常規(guī)激光劃裂技術和無損傷激光劃裂技術的優(yōu)、缺點。根據分析結果，相對于現(xiàn)在業(yè)界采用的常規(guī)激光劃裂技術，無損傷激光劃裂技術具有較多的技術優(yōu)勢。隨著無損傷激光劃裂技術的逐漸成熟，其將在未來光伏產業(yè)設備中得到大規(guī)模應用。