（讲稿）薄膜太阳能电池激光解决方案

1、Laser Solutions2022-3-5薄膜太阳能电池激光解决方案刘良清光学工程师武汉凌云光电2010年10月武汉凌云光电http:/ 3太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势，是理想的替代能源。 1全球石油、天然气、煤、铀储量利用年限分别为40、50、200、60年。武汉凌云光电http:/ 自自 2000 年以来，全球经济的繁荣推动了对能源的巨大的需年以来，全球经济的繁荣推动了对能源的巨大的需求，原油价格一度在求，原油价格一度在 2008 年暴涨到年暴涨到 147 美元美元/桶，今天亦在桶，今天亦在 70美元美元/桶之上。于此同时，在全球气候变暖的压力之下，

2、各国政桶之上。于此同时，在全球气候变暖的压力之下，各国政府都积极寻求合适的替代能源，以达到减排的目的。太阳能作府都积极寻求合适的替代能源，以达到减排的目的。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源具有非常大的发展潜力。在为取之不尽、用之不竭的清洁能源具有非常大的发展潜力。在各国政府的政策支持下，太阳能产业近年来发展十分迅速，根各国政府的政策支持下，太阳能产业近年来发展十分迅速，根据据 EPIA 数据，全球累计装机容量从数据，全球累计装机容量从 2000 年的年的 1.4GW 增长到增长到 2009 年的年的 。其中，。其中，2009 年的装机容量更是达到年的装机容量更是达到政府扶持政府扶持高速发

3、展高速发展武汉凌云光电http:/ 尽管经历了金融危机的冲击，尽管经历了金融危机的冲击，2009 年全球市场还是同比增长年全球市场还是同比增长 15%，取得，取得了了7.2GW 的装机容量。其中，德国是全球最大的市场，达到的装机容量。其中，德国是全球最大的市场，达到 ，同比增长了，同比增长了109%，占据整个市场的半壁江山，占据整个市场的半壁江山,约为约为 52%；排名次席是意大利市场的；排名次席是意大利市场的 711MW；欧洲其他国家像捷克、比利时和法国则各自安装了；欧洲其他国家像捷克、比利时和法国则各自安装了 411MW、292MW 和和 285MW；但是；但是 2008 年的市场份额最大

4、的国家西班牙因政策调整，年的市场份额最大的国家西班牙因政策调整，2009 年装机容量从年装机容量从 2008年的年的 2600MW 骤降到骤降到 69MW。欧洲以外，主要贡。欧洲以外，主要贡献来自于日本和美国，分别安装了献来自于日本和美国，分别安装了 484MW和和474MW。武汉凌云光电http:/ 50%左右份额左右份额 在供给一端，其中产业链的上游太阳能级多晶硅方面，美国约占在供给一端，其中产业链的上游太阳能级多晶硅方面，美国约占 39%，欧洲和中国则各占欧洲和中国则各占 18%，日本占，日本占 12%，亚洲，亚洲 其他国家占其他国家占 13%；而晶片方面，；而晶片方面，中国大陆则是最大

5、的生产国，约占全球产能的中国大陆则是最大的生产国，约占全球产能的 47%，欧洲以，欧洲以 17%的份额占据的份额占据次席，中国台湾地区和日本分别占次席，中国台湾地区和日本分别占 12%和和 9%；在多晶硅组件方面，中国和欧；在多晶硅组件方面，中国和欧洲各占据洲各占据 54%和和 28%的份额；薄膜组件方面，欧洲占的份额；薄膜组件方面，欧洲占 31%，中国和日本各占，中国和日本各占16%，美国占，美国占11%。武汉凌云光电http:/ 年起市场份额逐渐超过年起市场份额逐渐超过单晶硅单晶硅铜铟镓硒薄膜电池铜铟镓硒薄膜电池制造工艺较难控制，潜力还制造工艺较难控制，潜力还很大很大 碲化镉薄膜电池碲化镉

6、薄膜电池考虑毒性及环境影响，发考虑毒性及环境影响，发展较慢展较慢柔性薄膜电池柔性薄膜电池前景不错，正在逐步发展前景不错，正在逐步发展 发端于研发、获权于法律，而价值来自于市场发端于研发、获权于法律，而价值来自于市场以经营为核心以经营为核心武汉凌云光电http:/ 太阳能电池发电原理太阳能电池发电原理利用特定半导体材料的光伏效应利用特定半导体材料的光伏效应太阳能电池分类太阳能电池的分类太阳能电池的分类武汉凌云光电http:/ 太阳能电池的分类太阳能电池的分类武汉凌云光电http:/ 不同材料类型薄膜太阳能电池的特点不同材料类型薄膜太阳能电池的特点晶硅（c-Si）非晶硅（a-Si）铜铟(镓)硒（C

7、IS/CIGS）碲化镉（CdTe）砷化镓（GaAs）制造成本预期成本$2.4-2.7/瓦 $1.75/瓦$2.0/瓦$1.25/瓦$2.4-2.7/瓦$1.0-2.0/瓦$1.14/瓦（First Solar，2008）$0.6/瓦非常高效率15-20%6-10%10-14%(19.5%-NREL)9-11%30-35%主要优势技术成熟产品稳定市场活跃灵活性强效率高，灵活性强，材料稳定效率较高，灵活性强技术成熟可集成主要不足价格高，原料消耗大效率低长期老化有毒气体成本高（In）原料储量有限公众认可度较低（毒性）（Te）储量有限成本高太阳能电池的分类太阳能电池的分类武汉凌云光电http:/ l薄

8、膜太阳能技术，最主要的竞争优势是在成本。薄膜材料需要的反应温度低，可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积，易于大面积生产。目前，在平板显示领域，基于大面积有源矩阵驱动的TFT-LCD工艺已十分成熟，可借鉴其大面积非晶硅均匀性成膜的工艺和设备，来生产薄膜硅太阳能电池。美国、欧洲和日本的半导体设备供应商，都在积极努力角逐这一市场。从5代线(基板规格米米)起步，到代(基板规格米米)生产线。目前，中国已有京东方、上广电、龙腾光电三家厂商的三条5代TFT-LCD面板生产线实现量产，因此，我国在相关技术与设备上也已作了一定准备。当然，薄膜太阳能的特性是基于大量量产后的成本降低，成本竞争优势是长期的

9、。 太阳能电池的发展趋势太阳能电池的发展趋势武汉凌云光电http:/ l根据PVNET的估算，2010年薄膜太阳能电池将占全体太阳能电池产量的8%，而至2015年将上升至13%，到2020年时，薄膜太阳能电池的产量将占当年度太阳能电池总产量的30%。 太阳能电池的发展趋势太阳能电池的发展趋势武汉凌云光电http:/ 1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。 从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。 非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。 CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一； CIS电池

10、的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素； Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速。太阳能电池的商业化趋势太阳能电池的商业化趋势武汉凌云光电http:/ 目前，虽然薄膜电池具有转换效率低的劣势，却也同时具备成本低廉的优势。多晶硅是整个晶体硅电池产业链中技术壁垒最为复杂的一环，但长期的高净利率水平必然不会长期维持，而现在多晶硅价格出现暴跌，市场一度十分悲观。而薄膜电池将具有广阔的发展前景。薄膜电池基本上分为：非/微晶硅薄膜电池、CIGS薄膜电池和CdTe薄膜电池三种。其中，GIGS的转换效率最高，约为1012%，CdTe的转换效率次之，约为8.5%10.5%，

11、非/微晶电池最低，一般为68%；但从原材料的可获取性来看，非/微晶电池的原材料为硅烷，最为普遍，而另外两种电池的原材料中均包含稀有元素化合物，可获取性较低。 太阳能电池的发展趋势太阳能电池的发展趋势武汉凌云光电http:/ (玻璃等)系统薄膜型光伏电池价值链武汉凌云光电http:/ Contact）。透明导电层具有导电和透光特性；有源层（例如非晶硅a-Si）吸收光能并转换为电能；背电极层作为电池单元的另一个导电电极。而基底材料可以是玻璃、金属板或者塑料等。武汉凌云光电http:/ Technology Presentation page 25薄膜太阳能电池组件生产线模型图薄膜太阳能电池组件生产

12、线模型图Technology产品序列产品序列 镀膜工序 活化 溅射沉积 封装武汉凌云光电http:/ shows the basic geometry and functioning of a thin-film solar cell.P1刻线工艺对激光功率的要求依据刻线的宽度与刻线工艺对激光功率的要求依据刻线的宽度与刻线速度而定。通常，对于刻线宽度小于刻线速度而定。通常，对于刻线宽度小于70um，刻线速度小于刻线速度小于1000mm/s而言，需要的红外激光而言，需要的红外激光功率为功率为5-8W（脉冲）。（脉冲）。刻线速度的计算公式为：刻线速度的计算公式为：刻线速度刻线速度=线宽线宽*频率频

13、率*（1-30%） 武汉凌云光电http:/ (top) and 3D depth profile (bottom) images of tandem-junction a-Si P2 scribe generated at 12 m/sec speedP2工序要清除的是有源层（非晶硅），其厚度为左右。而TCO和背电极层的厚度均为几百纳米。武汉凌云光电http:/ image of a-Si P3 scribe generated with Explorer 532-2 laser system at 1.5 m/sec speedP3激光刻线工艺与P2激光刻线工艺几乎相同。P3工艺清除的膜层

14、为背电极金属层（例如铝膜），用激光直接清除金属层需要较大的功率，且工艺控制难度较大，则成本更高。因此，通常从背面通过清除非晶硅的方式，由非晶硅的微爆炸机制将金属层去掉。不足之处是使得三线宽度产生的死区范围增大，电池板的有效面积较小。武汉凌云光电http:/ -Si+ITO薄膜太阳能电池的制作工艺薄膜太阳能电池的制作工艺清边清边武汉凌云光电http:/ Spot sizes of typical 1 to 1.6 mm- Line shift of 90 % of the spot size- Ablation speed from 3,500 mm/s to7,000 mm/s ( 6,000

15、 Hz)- Ablation rate from 25 cm2/s to 50 cm2/s- Resistance from 30 MOhm to 100 TOhm薄膜太阳能电池的制作工艺薄膜太阳能电池的制作工艺清边清边薄膜电池基板清边工序，需要清除的边缘宽度通常为10mm-15mm，工作方式可选：可以是激光不动，平台往复运动；也可以是平台单向运动，配合激光扫描（振镜方式）。两种方式各有优劣。武汉凌云光电http:/ 更高的工作效率需要振镜速度更快，但振镜存在上限速度，且寿命受到影响。武汉凌云光电http:/ 薄膜太阳能电池可用于薄膜太阳能电池可用于建设办公大楼幕墙光伏建设办公大楼幕墙光伏发电，也可用于移动设发电，也可用于移动设施发电，例如汽车，手施发电，例如汽车，手提电脑，电子表，电动提电脑，电子表，电动玩具等。玩具等。薄膜太阳能电池的应用薄膜太阳能电池的应用武汉凌云光电http:/ 4000mm/s)2W (2000mm/s)4W (4000mm/s)2W (2000mm/s)4W (4000mm/s)8W (300um)15W(400um)300W(0.6mm)500W(0.8mm)激光模式基模基模基模基模多模脉冲宽度20ns20ns20ns20ns100ns稳定性3%3%3%3%8%光束整形选配