脉冲光纤激光器在光伏太阳能产业中的典型应用

 脉冲光纤激光器在光伏太阳能产业中的典型应用

  激光技术在太阳能产业中的应用主要包括激光钻孔、刻槽、划片、薄膜太阳能电池激光划线系统等，脉冲光纤激光器在上述应用中均有上佳表现。

  对于新型的背接触型硅电池，激光打孔是目前唯一的技术手段，使用激光背面打孔作被接触的单晶硅及多晶硅电池，效率可超过20%。采用平均功率80 W，重复频率80 kHz，脉冲宽度700 ns的脉冲光纤激光器，获得了理想效果，如图2。每秒钟可打孔4000~5000个，每个孔需要15~20个脉冲。通过缩小激光脉冲宽度，提高峰值功率，打孔速率可进一步提高，达到每秒钟1.5万个孔的典型要求。
 

图2 脉冲光纤激光打孔的典型结果
 

  高峰值功率的脉冲光纤激光器可用于硅片切割或划线，用20 W平均功率脉冲光纤激光器，在重复频率65 kHz、脉冲宽度为75 ns时（对应峰值功率4.1 kW），以200 mm/min的速度就可对200 μm厚的晶圆进行高质量切割。
 

  下一代薄膜太阳能器件技术可以获得更高效率，并降低对硅原料的消耗，从而降低制造成本。高重复频率的脉冲光纤激光及其倍频绿光激光的光束质量好，聚焦光斑小，易于实现50 μm的线宽要求，在大型阵列互联型电池板的制备方面优势明显。图3为20 W脉冲光纤激光器在玻璃上的钼层(用于CIGS背电极)高速扫描的显微图，脉冲重频250 kHz，扫描速度达到4 m/s。

图3 20 W脉冲光纤激光器对钼层高速扫描显微图

  对于MOPA结构的脉冲光纤激光器，在尽可能保持光束质量的前提下，提高脉冲能量和峰值功率的有效途径是设计和采用新型大模场直径的有源双包层光纤。目前，在欧盟资助的“用于强化太阳能工业加工的高级激光器”计划(ALPINE)中，光子晶体光纤激光器已被作为要实现低成本CdTe and CIS电池而主要发展的一种新型激光器。同纳秒量级，波长在1μm波段的激光相比，皮秒超短脉冲和绿光甚至紫外波段波长的激光，可以提高划线精度，同时减少由于热效应造成的损伤(或微裂)。掺镱光纤在超短脉冲激光输出方面优势明显，高平均功率的超短脉冲光纤激光器及倍频绿光光纤激光器近年来发展迅速，将在高效率晶体硅太阳能电池制造领域发挥重要作用。

作者简介：周军，男，中科院上海光学精密机械研究所研究员，主要从事光纤激光器方面的研究。