大功率飛秒激光器高效助推BC電池大面積圖形化低成本量產(chǎn)

近年來，電池技術(shù)研發(fā)一直是光伏行業(yè)發(fā)展的焦點，為了追求更高的電池轉(zhuǎn)換效率，BC電池技術(shù)作為當(dāng)前光伏行業(yè)備受關(guān)注的技術(shù)路線，被認(rèn)為是未來3－5年晶硅電池新的主流產(chǎn)品。近期市場一系列熱議和爭論，BC電池概念不斷升溫。

值得注意的是，盡管BC電池技術(shù)有顯著的優(yōu)勢，但其技術(shù)難題和設(shè)備成本仍是我們當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，BC電池每GW產(chǎn)線需要2－3道激光工藝，設(shè)備總值6000－7000萬元。在此背景下，BC電池的核心工藝——激光圖形化加工的重要性尤為凸顯。激光技術(shù)憑借其優(yōu)異性能，將會參與到BC電池的各種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)技術(shù)中。飛秒／皮秒激光與BC電池技術(shù)的融合，將成為新一輪光伏電池激光設(shè)備的發(fā)展機遇。

金字塔尖的BC電池有哪些優(yōu)勢？

BC技術(shù)早在1975年就有科學(xué)家提出這一概念，而在這48年間，發(fā)展一直較為緩慢，主要受限于太陽能電池結(jié)構(gòu)所用的光刻工藝成本非常高，導(dǎo)致普及應(yīng)用受限。而所謂的BC電池，即Back Contact（背接觸）電池，是當(dāng)前各類背接觸結(jié)構(gòu)晶硅太陽能電池的泛稱。主要包括IBC、HBC、TBC、ABC、HPBC等。

BC電池的原理主要是其表面沒有柵線，正負(fù)極采用交叉排列的方式被制備在電池背面，從而減少電極柵線帶來的遮光損失，能做到最大限度利用陽光。

BC電池結(jié)構(gòu)的三大優(yōu)勢

01效率高，提升空間大

電池正面的PN結(jié)和電極柵線轉(zhuǎn)移到電池背面，從而減少電極柵線對3－5％的入射光遮擋，正面材料能更好發(fā)揮吸光和鈍化性能，提高整體光電轉(zhuǎn)換效率；

02純凈外觀，提升美感

電池正面沒有柵線，純凈外觀，提升美感，形成產(chǎn)品差異化，適用于分布式光伏場景；進一步完善背面結(jié)構(gòu)提升雙面率后也適用于主流大型電站，市場廣闊。

03通用性好，提效降本

BC技術(shù)平臺通用性好，可以結(jié)合各種材料體系（PERC、TOPCON、HJT、疊層電池等）持續(xù)提效降本。

憑借這三大優(yōu)勢，BC組件近期占據(jù)了業(yè)內(nèi)主要組件效率對比平臺——Taiyang News的排行榜前列，效率最高達到24％；國內(nèi)BC電池組件從2022年開始進行量產(chǎn)，已有40GW＋的產(chǎn)能，即將進入快速增長期。隨著龍頭廠商量產(chǎn)推進，產(chǎn)業(yè)鏈上下游成熟度日漸提高，已經(jīng)有越來越多的TOPCON和HJT實力廠商將BC技術(shù)列入研發(fā)和中試計劃，行業(yè)風(fēng)向明晰。

盡管BC電池一直占據(jù)技術(shù)的金字塔尖，但其以背面大面積復(fù)雜高精度圖形化為核心的工藝門檻和高昂成本一定程度上制約了這一技術(shù)的普及。激光圖形化處理工藝是當(dāng)下最經(jīng)濟的加工方法，這也意味著激光加工技術(shù)將成為實現(xiàn)BC電池量產(chǎn)工藝路上的最大受益者。

BC電池對激光技術(shù)的要求及挑戰(zhàn)

之所以BC電池工藝一直未能得到普及，主要原因是其工藝流程較為復(fù)雜，關(guān)鍵在于電池背面局域摻雜以及金屬電極。而隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展也讓人們看到了其在工業(yè)加工中的潛力。激光憑借精確、快速、零接觸以及良好的熱控制效應(yīng)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為了BC電池工藝的主要工藝手段。

目前，主流的TOPCON poly－Si＼HJT a－Si材料體系，在制作BC電池結(jié)構(gòu)時需要對背面多層nm膜層進行多次圖形化刻蝕處理，因此對處理工藝要求具有nm級的刻蝕精度和熱擴散控制、um級的圖形控制精度和秒級的單片處理時間（處理時間主要與光斑尺寸、激光頻率成反比）。

BC電池對激光加工裝備的核心五大要求

01光斑尺寸大

光斑尺寸大，需要強大的激光脈沖能量；

02掃描速度快

掃描速度快，需要使用脈沖頻率高、總功率大的激光器；

03光斑均勻性好

光斑均勻性好，需要提高激光出光的質(zhì)量，并確保光路系統(tǒng)的精度高；

04熱影響及損傷低

精度高、損傷低和熱影響小，需要超短激光脈沖、超高峰值功率；

05成本與升級

低成本與升級迭代速度快，要求激光器國產(chǎn)化率高。

以上1、2點指向大功率高產(chǎn)能，3、4點指向高精度高性能，第5點保證整個技術(shù)的開發(fā)和運行效率。從第一性原理出發(fā)，激光工藝設(shè)備的核心是激光器，只有自主研發(fā)、技術(shù)及成本可控的大功率激光器才能滿足。

超快激光在BC電池高效刻蝕開膜

超快激光是指輸出脈沖寬度在10－12s以下的激光類型，包括皮秒、飛秒、 阿秒等。早期光伏人員嘗試用納秒（10－9s）激光加工，利用激光能量的熱堆積使材料熔化，脈沖持續(xù)時間長，但由于材料中產(chǎn)生熱堆積傳導(dǎo)，加工材料邊緣熱影響大，容易產(chǎn)生殘渣、碎屑、微裂紋等損傷，無法滿足BC電池量產(chǎn)工藝的需求。因此這一工藝未能大規(guī)模推廣。但據(jù)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前已有企業(yè)提出了全新的解決方案并取得一定成果。

今年5月在上海SNEC光伏展，東莞市盛雄激光先進裝備股份有限公司重磅發(fā)布了90W綠光皮秒大光斑刻蝕設(shè)備，該設(shè)備為雙線雙激光器結(jié)構(gòu)，最高產(chǎn)能可達5000uph。從技術(shù)原理上來說，皮秒激光由于脈寬極窄，能夠依靠自身極高的峰值功率，使大部分材料瞬間氣化。與納秒激光的熱加工不同，皮秒激光屬于氣化消融或改質(zhì)加工，熱效應(yīng)及產(chǎn)生熔珠很少，加工邊緣整齊，打破了納秒激光熱影響和熔化區(qū)大的困局。

而在近日，得益于核心大功率飛秒激光器的技術(shù)突破，盛雄激光再次做出升級，推出了雙線4激光器（飛秒／皮秒）大產(chǎn)能機型，雙線四激光器的結(jié)構(gòu)，使其能匹配使用不同的激光器，整機產(chǎn)能最高可達10000uph。毋庸置疑，飛秒激光憑借GW級別的峰值功率，帶來明顯的非線性吸收效應(yīng)，可在波長吸收特性的基礎(chǔ)上進一步壓縮材料吸收深度，實現(xiàn)nm級的刻蝕精度和更低的材料損傷控制。

兩款產(chǎn)品的核心在于自研的紫外／綠光飛秒／皮秒激光器，盛雄激光引進國家級專業(yè)團隊經(jīng)過多年研發(fā)，該系列激光器在總功率、脈沖能量、性能穩(wěn)定性等方面達到行業(yè)領(lǐng)先水平。其綠光飛秒激光器平均功率達到100W，綠光皮秒激光器達到200W；紫外飛秒激光器平均功率達到60W，紫外皮秒激光器達到100W。核心激光器的持續(xù)升級使其能輸出更大光斑，做到更高精度、更低損傷的加工效果，助力新一代BC電池達到更高效率（≥27％）、更高產(chǎn)能（≥10000uph）。

可以說，飛秒／皮秒激光的BC電池刻蝕工藝，相較于傳統(tǒng)刻蝕設(shè)備具備多項優(yōu)勢，適合大面積膜層去除圖形化工藝制備，可以有效助推BC電池更快進入量產(chǎn)。筆者將提升的實際應(yīng)用效果進行了對比總結(jié)如下：

圖1 （a）藍膜片大光斑刻蝕樣品、（b）大光斑相切大面積刻蝕樣品、（c）拋光面膜層大光斑刻蝕樣品 綠光皮秒大光斑刻蝕樣品顯微圖

圖1展示了綠光皮秒激光大光斑（＞200um）對絨面和拋光面的膜層刻蝕樣品顯微圖片，可見整體的形貌規(guī)則完整，內(nèi)部均勻性一致性優(yōu)，從拋光面的形貌對比看，對膜層下方的硅基底形貌基本沒有破壞。

皮秒激光在很大程度上已經(jīng)可以滿足BC電池對圖形化的要求，但是在精度和損傷控制方面，飛秒激光有著更佳的表現(xiàn)。

圖2 綠光皮秒（a）、綠光飛秒（b）、紫外飛秒（c）刻蝕絨面氮化硅膜層SEM圖像

從圖中對比可以看出飛秒激光對金字塔的形貌保存有明顯優(yōu)勢

圖3 綠光納秒（a）、綠光皮秒（b）、綠光飛秒（c）、紫外飛秒（d）刻蝕拋光面氮化硅膜層SEM圖像

從圖中對比可見飛秒激光刻蝕對硅基底表面的影響明顯最小

a 綠光皮秒大光斑刻蝕效果

b 綠光飛秒大光斑刻蝕效果

c 紫外飛秒大光斑刻蝕效果

圖4 TCO膜層綠光皮秒（a）、綠光飛秒（b）、紫外飛秒（c）刻蝕／非刻蝕區(qū)域成分分析對比

圖4 成分測試表明皮秒和飛秒激光都實現(xiàn)對目標(biāo)膜層的完全去除

圖5 TCO膜層綠光納秒（a）、綠光皮秒（b）、綠光飛秒（c）、紫外飛秒（d）激光刻蝕效果對比

圖5 對比顯示綠光納秒刻蝕存在大量殘留顆粒，紫外飛秒比綠光飛秒在邊緣過渡區(qū)控制上有更好表現(xiàn)

圖6 拋光面TCO膜層 綠光飛秒樣品EDS成分分析

圖2－6通過SEM圖像呈現(xiàn)的刻蝕細節(jié)，可以直觀地比較飛秒激光和皮秒激光之間的效果差異。對比絨面和拋光面對氮化硅層的刻蝕效果，飛秒激光（500fs）與皮秒激光（10ps）相比，對刻蝕表面的熔化和形貌改變更小。特別是使用紫外飛秒激光時，其在SEM圖像的微米尺度上幾乎看不到邊緣過渡區(qū)，因此具有最佳的刻蝕效果。

飛秒激光脈沖之所以能在保持能量相當(dāng)?shù)那闆r下將脈寬壓縮到皮秒的1／20，是因為其峰值功率提高了20倍，達到了GW級別。這種高功率帶來了更強的非線性吸收，導(dǎo)致材料吸收深度降低，更多的激光能量使材料形成等離子體并被氣化。這一過程使得刻蝕的熱影響和熔化區(qū)域變小，從而實現(xiàn)了更平整的刻蝕表面，并顯著減少了殘渣、熔珠和微裂紋等缺陷。

飛秒激光刻蝕效果四大優(yōu)勢

01提升刻蝕精度

高性能飛秒激光，可以將刻蝕精度控制到nm量級，比皮秒提高1－2個數(shù)量級；邊緣寬度精度控制在um或亞um量級；

02減少材料損傷

飛秒激光的峰值功率高，且吸收強，其刻蝕熱影響區(qū)和熔化深度相比皮秒激光更小，因此對刻蝕底層的影響更小，可以顯著減少材料損傷，甚至實現(xiàn)無損傷；

03避免對底層材料的破壞

采用紫外皮秒／飛秒激光刻蝕透明膜層，可以避免對底層材料的破壞；

04高效完成工藝需求

通過不同激光配合，可以高效完成BC電池各種膜層復(fù)雜圖形制作工藝要求。

對于電池工藝而言，采用飛秒激光器可以減少材料損傷，簡化清洗工藝，從而實現(xiàn)降本增效。高性能的飛秒激光器在保持不低于皮秒的加工速度的同時，能夠更好地確保XBC電池的高效量產(chǎn)，使效率高達26－27％。

盛雄激光以自主研發(fā)激光器為核心整合成套設(shè)備，每GW產(chǎn)線的激光設(shè)備總值可比現(xiàn)有產(chǎn)線設(shè)備降低20－30％。

小結(jié)

長久來看，在BC電池技術(shù)領(lǐng)域，超快激光解決方案能完全滿足工藝要求，并成為推動BC電池量產(chǎn)工藝普及的關(guān)鍵點之一，恰如“超快激光的一小步，BC電池的一大步”。當(dāng)然，新產(chǎn)品的問世沒有一蹴而就，皮秒／飛秒激光的解決方案能否讓各大光伏電池制造商認(rèn)可，真正實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定量產(chǎn)也需要時間驗證。

早在2012年，盛雄激光便率先引進了全球領(lǐng)先的德國大功率工業(yè)皮秒以及飛秒激光器，廣泛應(yīng)用于高端精密電子器件、顯示面板等精細加工，2021年因在超快激光技術(shù)方面的突出成績獲評為國家工信部第一批專精特新小巨人企業(yè)。憑借豐富的技術(shù)積累和市場洞察，盛雄激光決意長期投入皮秒、飛秒激光器的自主研發(fā)。如今，已基本實現(xiàn)進口替代，年產(chǎn)超過1000臺，獨占國內(nèi)工業(yè)超快激光設(shè)備領(lǐng)域的鰲頭。

近年來，盛雄激光緊扣產(chǎn)業(yè)熱點，將光伏電池和鋰電池行業(yè)的高端制造需求作為戰(zhàn)略培育項目。通過自主研發(fā)的大功率（百W級）工業(yè)皮秒、飛秒激光器，為這兩個行業(yè)帶來創(chuàng)新價值。經(jīng)過近兩年的設(shè)備開發(fā)及與重點客戶的工藝合作試用，設(shè)備性能已達到部分客戶的工藝路線要求。盛雄激光成功推出雙線雙激光器5000uph產(chǎn)能機型和雙線4激光器10000uph產(chǎn)能的最新機型。這些大功率激光器相比已有競品在產(chǎn)能上具備顯著優(yōu)勢，即將進入量產(chǎn)階段。
審核編輯：湯梓紅