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1、激光劃線設(shè)備工作原理

2、結(jié)構(gòu)組成

3、制備鈣鈦礦電池中的作用

4、激光工藝要求與配置

5、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

6、技術(shù)挑戰(zhàn)

1、激光器：

作用：是激光劃線設(shè)備的核心部件，產(chǎn)生高能量的激光束，為劃線提供能量來源。不同類型的激光器，如二氧化碳激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等，在功率、波長(zhǎng)、光束質(zhì)量等方面有所差異，可根據(jù)具體的劃線需求進(jìn)行選擇。例如，在對(duì)一些高硬度材料進(jìn)行劃線時(shí)，可能需要高功率的激光器；對(duì)于精細(xì)劃線作業(yè)，就需要光束質(zhì)量好的激光器。

組成部分：包括激光二極管、發(fā)光晶體等元件，有的激光器還配備有高溫保護(hù)裝置等輔助部件，以確保激光器在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

2、光學(xué)系統(tǒng)：

透鏡組合：用于對(duì)激光器發(fā)出的激光進(jìn)行聚焦、準(zhǔn)直等處理，使激光束能夠以合適的形狀、尺寸和能量分布作用于待劃線材料表面。例如，通過透鏡組合可以將激光束聚焦成一個(gè)微小的光點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的劃線；或者將激光束擴(kuò)束，使其覆蓋更大的劃線區(qū)域。

反射鏡：可以改變激光的傳播方向，使激光能夠按照設(shè)計(jì)的光路傳輸?shù)絼澗€位置。反射鏡通常具有高反射率和良好的光學(xué)性能，能夠保證激光在傳輸過程中的能量損失最小化。在一些復(fù)雜的激光劃線設(shè)備中，可能會(huì)使用多個(gè)反射鏡來實(shí)現(xiàn)激光的多次反射和轉(zhuǎn)向，以滿足不同的劃線需求。

振鏡：一種可以快速改變激光束傳播方向的光學(xué)元件，通常由兩個(gè)相互垂直的反射鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使振鏡反射鏡快速旋轉(zhuǎn)，從而使激光束在二維平面內(nèi)快速掃描，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的劃線圖案或?qū)Υ竺娣e的材料進(jìn)行快速劃線。

擴(kuò)束鏡：位于激光器和后續(xù)光學(xué)元件之間，用于擴(kuò)大激光束的直徑，減小激光束的發(fā)散角，提高激光的能量密度和穩(wěn)定性。擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束比例可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，常見的擴(kuò)束比例有 2X、5X、10X 等。

3、控制系統(tǒng)：

控制器：是激光劃線設(shè)備的大腦，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制和管理。控制器可以接收來自各種傳感器和輸入設(shè)備的信號(hào)，如位置傳感器、速度傳感器、操作面板等，并根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和參數(shù)，發(fā)出控制指令，控制激光器的開關(guān)、功率調(diào)節(jié)、光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)作、工作臺(tái)的移動(dòng)等。常見的控制器有 PLC（可編程邏輯控制器）、工業(yè)計(jì)算機(jī)等。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：根據(jù)控制器的指令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，如工作臺(tái)的移動(dòng)、振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)裝置等組成。電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，具有高精度、高速度、高可靠性等特點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)器用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置；傳動(dòng)裝置可以是絲桿、皮帶、鏈條等，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)或其他部件的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4、工作臺(tái)：

作用：用于承載和固定待劃線的材料，使其在劃線過程中保持穩(wěn)定。工作臺(tái)的精度和穩(wěn)定性對(duì)劃線的質(zhì)量和精度有著重要的影響。

結(jié)構(gòu)形式：工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的有平面工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。平面工作臺(tái)適用于對(duì)平面材料進(jìn)行劃線；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)則適用于對(duì)圓形或圓柱形材料進(jìn)行劃線，通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的圓周劃線。

5、輔助系統(tǒng)：

冷卻系統(tǒng)：激光器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時(shí)冷卻，會(huì)影響激光器的性能和壽命。冷卻系統(tǒng)通常采用水冷或風(fēng)冷的方式，對(duì)激光器進(jìn)行冷卻。水冷系統(tǒng)具有冷卻效果好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但需要配備專門的水冷設(shè)備和管道；風(fēng)冷系統(tǒng)則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但冷卻效果相對(duì)較差。

吸塵系統(tǒng)：激光劃線過程中會(huì)產(chǎn)生一些煙塵和碎屑，如果不及時(shí)清除，會(huì)影響劃線的質(zhì)量和設(shè)備的正常運(yùn)行。吸塵系統(tǒng)通常由吸塵器、吸塵管道、吸塵罩等組成，可以將劃線過程中產(chǎn)生的煙塵和碎屑吸入吸塵器中，保持工作環(huán)境的清潔。

傳感器系統(tǒng)：包括位置傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)，如工作臺(tái)的位置、激光束的功率、設(shè)備的溫度等，并將監(jiān)測(cè)到的信息反饋給控制器，以便控制器及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證劃線的質(zhì)量和精度。

1、圖案化電極和功能層

P1 劃線（前電極劃分）：在鈣鈦礦太陽能電池制備中，首先需要對(duì)前電極進(jìn)行圖案化處理。激光劃線設(shè)備能夠精準(zhǔn)地在前電極層（如透明導(dǎo)電氧化物電極）上進(jìn)行 P1 劃線，將大面積的前電極劃分成多個(gè)獨(dú)立的子電極。這一步驟對(duì)于后續(xù)串聯(lián)多個(gè)子電池形成具有更高電壓輸出的電池模塊至關(guān)重要。例如，通過精確控制激光的能量和掃描路徑，可以將前電極劃分成寬度均勻的子電極區(qū)域，寬度通常在幾毫米左右，這種精細(xì)的劃分有助于提高電池模塊的電學(xué)性能。

P2 劃線（中間層處理）：激光用于 P2 劃線主要是對(duì)電池的中間層進(jìn)行操作。它能夠在不損壞下層前電極和上層其他功能層的情況下，精確地對(duì)中間層進(jìn)行局部去除或改性。這有助于減少中間層與其他層之間可能出現(xiàn)的短路問題，并且可以優(yōu)化中間層與前后電極之間的電荷傳輸路徑，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

P3 劃線（后電極劃分）：在電池的后電極層也需要進(jìn)行 P3 劃線。激光劃線設(shè)備能夠有效地去除后電極層的特定區(qū)域，從而劃分出獨(dú)立的電池單元，同時(shí)保證后電極與中間層和前電極之間的良好電學(xué)連接，使每個(gè)子電池能夠正常工作并且實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接，提高整個(gè)電池模塊的輸出電壓。

2、提高電池模塊集成度

串聯(lián)電池單元：通過激光劃線設(shè)備進(jìn)行的多次劃線（P1 - P3），可以將多個(gè)鈣鈦礦太陽能電池單元有效地串聯(lián)起來。這種串聯(lián)方式能夠增加電池模塊的輸出電壓，使得鈣鈦礦太陽能電池能夠更好地滿足實(shí)際應(yīng)用中的電壓需求。例如，在光伏建筑一體化（BIPV）等應(yīng)用場(chǎng)景中，需要電池模塊提供較高的電壓來適配建筑電氣系統(tǒng)，激光劃線實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)就能夠很好地滿足這一需求。

優(yōu)化電池布局：激光劃線還可以用于優(yōu)化電池模塊內(nèi)電池單元的布局。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，如不同的形狀、尺寸和功率要求，利用激光劃線設(shè)備可以靈活地調(diào)整電池單元的大小和排列方式。這有助于在有限的空間內(nèi)集成更多的電池單元，提高電池模塊的功率密度，從而在相同的面積上獲取更多的電能。

3、提升電池性能和穩(wěn)定性

減少載流子復(fù)合：精確的激光劃線能夠優(yōu)化電池各層之間的界面。在劃線過程中，通過控制激光能量和劃線精度，可以使各層之間的接觸更加緊密和純凈，減少界面處的缺陷和雜質(zhì)。這有助于減少載流子在界面處的復(fù)合，使得更多的光生載流子能夠有效地傳輸?shù)诫姌O，從而提高電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

邊緣絕緣處理（P4 清邊）：在鈣鈦礦太陽能電池制備過程中，激光劃線設(shè)備還用于 P4 清邊操作。將靠近玻璃邊緣約 10mm 寬度的膜層清除，形成絕緣區(qū)域。這一操作可以有效防止電池邊緣部分出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，提高電池的穩(wěn)定性和安全性。尤其是在長(zhǎng)期戶外使用的情況下，能夠避免因邊緣漏電導(dǎo)致的電池性能下降和安全隱患。

激光工藝要求與配置

1、劃線精度：

線寬精度：要求能夠精確控制劃線的寬度，線寬的誤差需要盡可能小。一般來說，線寬精度應(yīng)達(dá)到微米級(jí)別，例如在 10 微米左右甚至更高精度，這樣才能保證鈣鈦礦電池各功能層的準(zhǔn)確劃分和子電池的良好性能。如果線寬精度不夠，可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的短路或斷路等問題，影響電池的效率和穩(wěn)定性。

位置精度：確保劃線的位置準(zhǔn)確無誤，這對(duì)于鈣鈦礦電池中各子電池的串聯(lián)以及電流的導(dǎo)通非常重要。位置精度通常也需要達(dá)到微米級(jí)別，例如重復(fù)定位精度可控制在 ±10 微米以內(nèi)，以保證每次劃線的位置與設(shè)計(jì)要求高度一致。

2、劃線速度：

較高的劃線速度可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)線，激光劃線設(shè)備的劃線速度是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。一般來說，劃線速度應(yīng)達(dá)到每秒數(shù)米甚至更高，比如有的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn) 2.5 米 / 秒的高速加工效果。

3、死區(qū)寬度：

在鈣鈦礦太陽能電池中，激光劃線后的死區(qū)是指從 p1 線最外側(cè)到 p3 線最外側(cè)的不能發(fā)電的區(qū)域。死區(qū)寬度越小，電池的有效發(fā)電面積越大，電池組件的發(fā)電效率越高。因此，死區(qū)寬度是衡量激光劃線設(shè)備性能的重要指標(biāo)之一，一般需要將死區(qū)寬度控制在盡可能小的范圍內(nèi)，如有的設(shè)備能夠?qū)⑺绤^(qū)寬度穩(wěn)定控制在 150 微米以內(nèi)。

4、熱影響區(qū)：

由于鈣鈦礦材料對(duì)溫度比較敏感，激光劃線過程中產(chǎn)生的熱量可能會(huì)對(duì)鈣鈦礦層的性能產(chǎn)生影響。因此，需要控制激光劃線的熱影響區(qū)，使其盡可能小。通常要求熱影響區(qū)在 2 微米以內(nèi)，甚至有的設(shè)備可以將熱影響區(qū)控制在 1 微米以內(nèi)，以保證鈣鈦礦電池的性能不受激光劃線過程的影響。

5、激光器性能：

激光功率：激光功率需要根據(jù)鈣鈦礦電池的材料特性和劃線要求進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。功率過高可能會(huì)損壞電池材料，功率過低則可能無法實(shí)現(xiàn)有效的劃線。例如，對(duì)于不同厚度的鈣鈦礦薄膜，需要選擇合適的激光功率來保證劃線的質(zhì)量和深度。

激光脈沖寬度：激光的脈沖寬度也會(huì)影響劃線的效果。較短的脈沖寬度可以減少對(duì)材料的熱影響，提高劃線的精度和質(zhì)量。常見的有納秒、皮秒、飛秒等不同脈沖寬度的激光器，在鈣鈦礦太陽能電池激光劃線設(shè)備中，可能會(huì)根據(jù)具體需求選擇合適的脈沖寬度。

6、設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性：

在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，激光劃線設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。這包括設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面。設(shè)備應(yīng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中保持劃線精度和速度的穩(wěn)定性，同時(shí)具有較低的故障率和較長(zhǎng)的使用壽命。

7、加工幅面：

根據(jù)鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)需求，激光劃線設(shè)備需要具備足夠大的加工幅面，以滿足不同尺寸電池組件的劃線要求。例如，有的設(shè)備可以加工 1.2 米 ×2.4 米的超大尺寸鈣鈦礦太陽能電池組件。

1、劃線精度控制：

微米級(jí)精度要求：鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)精細(xì)，對(duì)劃線精度要求極高，通常需要達(dá)到微米級(jí)別。例如，線寬精度要控制在幾微米甚至更高的精度范圍內(nèi)，以保證各功能層的準(zhǔn)確劃分和子電池的良好性能。如果線寬偏差過大，可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部短路或斷路，影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

位置精度挑戰(zhàn)：在大面積的鈣鈦礦電池組件上，確保劃線的位置精度準(zhǔn)確無誤也是一個(gè)難點(diǎn)。各道劃線（如 P1、P2、P3 劃線）的位置需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，否則會(huì)影響子電池的串聯(lián)效果和電池模塊的整體性能。并且，在高速劃線過程中保持位置精度的穩(wěn)定性也是一大挑戰(zhàn)。

2、熱影響控制：

材料熱損傷：鈣鈦礦材料對(duì)溫度敏感，激光劃線過程中產(chǎn)生的熱量可能會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦層的性能受損1。過高的溫度會(huì)使鈣鈦礦材料發(fā)生分解、相變或產(chǎn)生缺陷，從而降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，需要精確控制激光的能量和作用時(shí)間，以減小熱影響區(qū)的范圍和程度2。

熱應(yīng)力問題：激光劃線產(chǎn)生的局部高溫會(huì)在鈣鈦礦薄膜中產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋、變形等問題，影響電池的結(jié)構(gòu)完整性和性能。如何在劃線過程中有效地釋放熱應(yīng)力，是需要解決的技術(shù)難題。

3、死區(qū)寬度減小：

死區(qū)是指激光劃線后的從 P1 線最外側(cè)到 P3 線最外側(cè)的不能發(fā)電的區(qū)域。死區(qū)寬度越大，電池中發(fā)電無效區(qū)占比越大，子電池的效率也就越低。在鈣鈦礦生產(chǎn)中，需要盡可能減小死區(qū)寬度，以提高電池的有效發(fā)電面積和整體效率。這就要求激光劃線設(shè)備具有高精度的控制能力和穩(wěn)定的加工性能，同時(shí)還需要優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和劃線工藝。

4、大尺寸組件加工：

大面積均勻性：隨著鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大尺寸組件的需求日益增加。在大尺寸組件上進(jìn)行激光劃線，要保證劃線的均勻性和一致性是非常困難的。例如，在平米級(jí)的組件上，激光能量的分布、掃描速度的均勻性等因素都會(huì)影響劃線的質(zhì)量，需要開發(fā)先進(jìn)的激光掃描技術(shù)和能量控制系統(tǒng)。

對(duì)焦難度增加：大尺寸組件的表面平整度往往較低，這使得激光對(duì)焦變得更加困難。激光焦點(diǎn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)于劃線質(zhì)量至關(guān)重要，需要采用高精度的焦點(diǎn)控制系統(tǒng)來適應(yīng)大尺寸組件的加工需求，確保在整個(gè)加工過程中激光能夠始終聚焦在正確的位置。

5、設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性：

長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行：鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)通常是大規(guī)模、連續(xù)化的過程，激光劃線設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。這就對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各個(gè)部件的穩(wěn)定性和可靠性提出了很高的要求。例如，激光器的壽命、光學(xué)元件的抗磨損性、控制系統(tǒng)的抗干擾能力等都需要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證。

工藝兼容性：激光劃線設(shè)備需要與鈣鈦礦電池的其他生產(chǎn)工藝（如鍍膜、封裝等）相兼容，確保整個(gè)生產(chǎn)流程的順暢進(jìn)行。這就要求設(shè)備的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置能夠與前后道工藝的要求相匹配，避免因工藝不兼容而導(dǎo)致的生產(chǎn)效率降低或產(chǎn)品質(zhì)量問題。

6、激光參數(shù)優(yōu)化：

激光功率選擇：激光功率的選擇需要根據(jù)鈣鈦礦材料的特性、薄膜厚度、劃線速度等因素進(jìn)行精確調(diào)整。功率過高會(huì)導(dǎo)致材料過度損傷，功率過低則無法實(shí)現(xiàn)有效的劃線。因此，需要建立準(zhǔn)確的激光功率與材料加工效果之間的關(guān)系模型，以便快速、準(zhǔn)確地選擇合適的激光功率參數(shù)2。

脈沖寬度和頻率：激光的脈沖寬度和頻率也會(huì)影響劃線的質(zhì)量和效果。不同的鈣鈦礦材料和結(jié)構(gòu)可能需要不同的脈沖寬度和頻率參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的劃線效果。因此，需要對(duì)激光的脈沖參數(shù)進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，以滿足鈣鈦礦生產(chǎn)的需求。

文章來源：“鈣鈦礦學(xué)習(xí)與交流”公眾號(hào)

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