新一代太阳能薄膜电池由于本身诸多优势，具有巨大的发展前景。就加工方式来看，由于激光具有非接触加工、区域选择性、加工精度高、可调节性强、提高材料利用率、可有效控制热影响区等优势，如今在薄膜电池的制备流程中不可或缺，应用场景持续拓展。本文主要介绍了近年来受到重点关注和研究的新型高效太阳能薄膜电池，相较于传统的晶体硅太阳能电池，新型薄膜电池具有更大的效率提升空间且生产成本更低；同时，本文还对激光在薄膜电池加工过程中的作用机理、工艺效果、发展趋势进行了阐述。
高效太阳能薄膜电池技术进展
太阳能电池技术从诞生至今已发展近两个世纪，太阳能电池作为一种高效、环保、可再生能源，在未来的能源领域发展趋势日趋重要。从太阳能电池的发展历程来看，产业界通常将太阳能电池主要分为以下三大类：1）第一代为晶硅电池（多晶硅、单晶硅电池）。目前该类电池的技术成熟度和商业化程度位列所有太阳能电池之首，晶硅电池本身也经历过多次迭代，从最早的铝背场电池，到后面的PERC电池，迅速占据市场，成为当之无愧的市场主流，如今已接近理论效率天花板。而自2021年起，与传统的P型单晶电池和P型多晶电池相比，N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点。从目前技术发展来看，P型PERC电池已经迫近效率天花板，降本速度也有所放缓。而N型电池效率天花板较高，电池工艺和效率提升明显加快，未来转换效率提升空间更大。P型电池开始向N型电池迭代；2022年可谓是N型电池的发展元年（以TOPCon和HJT为市场主导），目前TOPCon电池的扩产规模的规划约为800GW，远大于HJT。TOPCon电池的快速发展，主要也得益于激光工艺在其工艺链条中的应用。晶硅电池目前转换效率的记录峰值为26．8％，其理论极效率极限可达到29．4％。如何针对这一理论极限值进一步突破？未来的发展路线是为晶硅电池和钙钛矿电池设计叠层路线，这种叠层电池有望突破45％的理论转换效率。
2）第二代太阳能薄膜电池是基于对能够节省原材料，实现更好地经济效应应运而生的（包括碲化镉、铜铟镓硒、砷化镓等），这类电池的理论效率值可达到较高水平，并且轻质、应用场更灵活，但它们的活性层含有部分稀有元素和重金属元素，且在设备国产化程度低、材料储量有限、大面积效率低、膜层透光性较差等因素制约下，难以实现大规模量产，且对环境会造成一定污染，目前市场份额远小于晶硅电池。
图1． 晶硅电池的发展经历了几代的更新与迭代
3）第三代新型太阳能电池包括钙钛矿太阳能电池（PSC），染料敏化太阳能电池（DSSC），有机太阳能电池（OSC），量子点太阳能电池等。这类电池具有原料储量丰富、成本低、工艺简单且可柔性制备等优点，产业化发展潜力巨大，逐步走向量产的阶段，是目前最受关注的第三代光伏太阳能电池类型。
图2． 钙钛矿电池自2009年首次制备问世，最初其光电转换效率仅3．8％。随着材料、结构、工艺等方面的持续优化，在3年左右便将效率记录提升到了10％以上，6年左右达到了20％以上。2023年7月，单结钙钛矿电池的认证效率记录提升至26．1％，逼近今年所创造的晶硅电池26．81％的效率记录。
钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。相比于晶硅和其它薄膜电池而言，钙钛矿太阳能电池拥有显著优势。首先，它拥有更高的效率。钙钛矿为人工合成材料，缺陷容忍度高，热复合效率损失少，因此载流子寿命高，本身理论效率高，根据配方不同可调整带隙，能够提高光谱利用率，实现更高的光电转化效率。
图3． 钙钛矿电池能更好地吸收短波长，因此可作为顶电极与其它电池或其自身结合制备叠层电池，通过宽带隙＋窄带隙组合提高光谱利用率，以实现更高的效率突破。
其次，更低的成本，制备工艺简单，流程短，从玻璃、靶材、化工原料进入到组件成型仅需要45min且仅需在一个厂房内即可完成所有制备工序。相较之下，传统的晶硅组件分为硅料、硅片、电池片、组件四个生产环节，需要四个专门的工厂进行生产，即使所有环节无缝对接，也要耗时3天以上才能完成生产。同时，钙钛矿电池的材料杂质容忍度高，原料纯度要求远低于晶硅电池，材料成本低，无需高温生产。
第三，更多的应用场景。钙钛矿材料具备良好的吸光性能，膜层可以做得很薄，其材料特性给电池外观提供了丰富的开发空间，譬如颜色可调、透光、柔性可弯曲等方面，同时也能保证一定的发电效率。同时，钙钛矿电池更强的弱光发电能力也能在室内、早晚等常见场景体现出优势。目前，钙钛矿电池在光伏汽车一体化，光伏建筑一体化、柔性可穿戴、户外电站、室内光伏等应用场景寻觅到广阔的发展空间。
图4． 钙钛矿电池在光伏汽车一体化，光伏建筑一体化、柔性可穿戴、户外电站、室内光伏等应用场景寻觅到广阔的发展空间（从左至右）。
自2009年起，钙钛矿电池的发展经历了多轮技术革新和迭代。2009－2012年为技术孕育期：每年全球有数十篇钙钛矿领域论文发表，钙钛矿逐渐从染料敏化电池演变成全固态的电池结构，效率处于较低水平约10％左右。2013－2019年为技术成长期：通过不断改进钙钛矿薄膜制备工艺、吸光层组分及调整器件结构等方式，实现了转换效率由10％至25％的提升。
2020－2024年为技术过渡期：随着研究者对钙钛矿认识的深入和产业化进程的到来，它在转换效率和稳定性方面不断突破；而实验室技术的逐渐成熟为产业化打下了坚实的基础，逐步开始进行示范性项目，大尺寸产品生产、验证。除了受益于国内钙钛矿科研成果突破，钙钛矿电池的快速发展也得益于国内双碳相关政策对该赛道的加持背书。例如，工信部等六部门推出的《关于推动能源电子产业发展的指导意见》在聚焦钙钛矿技术发展的前提下，进一步明确了对规模化量产能力的需求。太阳能薄膜电池的具体发展目标为：2025年实现重点行业和领域低碳关键核心技术的重大突破： 2030年，进一步研究突破一批碳中和前沿和颠覆性技术研发，其中包括高效稳定的钙钛矿技术。
预测2025年之后可迎来技术成熟期：产线完整，产品生产形成标准规范，产品稳定性，寿命，质量过关，产能提高，市场全面铺开，技术走向成熟。现有的钙钛矿技术路线主要有三种，分别是刚性单结电池为大多数，未来主要走电站、BIPV路线；叠层电池，主要由晶硅玩家入局，与晶硅电池相结合，实现更高的转换效率，工艺难度大；柔性电池，走消费电子、室内光伏、柔性可穿戴路线，占少数。
激光在新一代薄膜电池中的应用
在钙钛矿薄膜电池制备的过程中，主要涉及4道激光加工工艺，分别为3次选择性膜层刻蚀，即划线工艺（称为P1、P2和P3），以及一次全膜层去除，即激光清边工艺（称为P4）。整片电池分割成n个子电池串联结构，旨在减少因为钙钛矿材料的不均匀性而引起不同区域的性能差异对组件产生的影响，同时能够增加组件的输出电压，减小组件的输出电流，降低子电池间串联电阻和外电路电阻热损耗。
激光P1划线：激光刻蚀底部TCO膜层，形成相互独立的TCO衬底；
激光P2划线：激光刻蚀TCO以上其它膜层，提供相邻两节子电池的正负电极提供传输通道；
激光P3划线：沉积背电极后，激光刻蚀TCO以上其它膜层，将子电池之间分离开；
激光P4清边工艺：激光清除掉电池边缘的沉积膜，防止漏电，保证电池封装可靠性。
图5． 反式结构的薄膜太阳能电池制造基本工序
图6． P1划线和P3划线之间的距离称为“死区”，死区对电池的发电没有贡献，激光要发挥的作用是要尽可能减小死区的宽度，以增加有效区域。
钙钛矿电池采用激光进行划刻的必要性：
机械划刻作为传统的电池互连方式之一，尽管具有较高的效率，在铜铟镓硒电池的P2P3工序广泛应用。但也存在明显的局限性，其中包括机械划刻为接触式，机械针针头会持续受到磨损，寿命短，需要定期更换、边缘碎屑崩边严重、深度控制精确度不够、线条一致性不好、死区大等劣势。因此，这种划线方式完全不适用于膜层总厚度不到1μm的钙钛矿薄膜电池。
相较之下，激光划刻具有非接触式、易于维护、边缘热影响小、易于控制刻划深度、线条一致性好、死区能做到更小等优点，从而能够更精确、更清洁、更高效的完成划线工艺，并且可以精确控制膜层的去除，且槽底部和边缘干净平滑。
图7． 机械划刻（左）和激光划刻（右）的效果对比图
针对脉冲长短的选择，纳秒激光器加工时热效应明显，存在边缘粗糙、表面碎屑、加工速度慢等缺点；而采用以皮秒激光器为代表的超短脉冲能够展现出高峰值功率、热影响小、刻划边缘光滑，精度高等优势。在激光刻蚀过程中，皮秒激光能聚焦到超细微空间区域，快速将材料汽化蒸发，避免了材料对激光的线性吸收，能量转移，转化以及热量的存在和热扩散，可以做到几乎无热影响，实现激光“冷”加工。
图8． 皮秒激光加工效果
就激光器波长的选择来看，不同材料对不同波长的激光吸收率各不相同，吸收率越高，所产生的热影响越小。
图9． 这是FTO材料的光谱吸收率图，通常采用短波长的紫外光时吸收率很高，更为合适。然而，由于355nm的绿激光一般是将1064nm的红外激光通过倍频晶体倍频而来，在转换过程中会产生40～50％左右的功率损失，因此，从成本经济性角度考虑，P1划刻工艺会选择使用1064nm的红外激光，而FTO对红外光也有一定的吸收。P2膜层应当在FTO不被损伤的情况下采用532nm的绿光进行划刻。P3工艺则可根据膜层材料的吸收率和厚度来选择合适的光源波长类型，通常也可采用532nm波长的光源去除膜层。
就划刻方向的选择，一般有两种方式：膜面直接划刻以及透过玻璃面划刻。前者指的是将激光束聚焦于待去除膜层上方，材料吸收激光能量气化后形成刻线，这种方法热影响效应较大，容易形成“火山口”，需要精准控制工艺。透过玻璃划刻是将激光束聚焦于玻璃与去除膜层的交界面，交界面吸收能量后将膜层气化，体积迅速膨胀，形成“爆炸冲击波”，从而形成刻线。这种工艺热影响区域较小，不易形成“火山口”，但需要的激光能量更强，工艺窗口要求更高。
激光划线在保证薄膜组件实现整片电池分成n多个子电池串联的前提下，应尽可能的压缩死区的宽度，而激光在作用于膜层时，可能会产生热影响区明显、火山口、底部碎渣毛刺、薄膜分层等工艺不良效果。
图10． 激光加工电池膜层时可能出现的工艺不良影响包括热影响区明显（左上）、火山口（右上）、底部碎渣毛刺（左下）、薄膜分层（右下）等
因此，死区控制以及对加工效果产生影响的一系列因素除了上述提及的激光脉宽（ns／ps／fs）；激光波长（355／532／1064nm）；加工方式（膜面加工／玻璃面加工）外，还涵盖了相应的激光参数包括功率、光束质量、聚焦光斑大小以及重叠率的选择等，以及后续的工艺效果如划线宽度、热影响效应、火山口、P123的线条划刻一致性、平行度等。此外还要考虑的因素有光束整形以及加工时的粉尘处理等。
薄膜电池激光精密微纳加工解决方案
近年来，杰普特与产业伙伴联合创新，针对不同产能需求和产品种类，成功开发出一系列用于薄膜电池高精度划线的激光智能装备和精密微纳加工解决方案。其中包括：实验室及小试线设备，百MW中试量产线设备等。
首先，薄膜光伏激光划线机（四合一设备）是钙钛矿行业实验、小试线激光设备的首选。通过产品开发中前期阶段的小幅面尺寸薄膜电池产品验证，能够实现低火山口、无热影响等优质的加工效果。通过此薄膜光伏激光划线机可验证制备薄膜组件的技术移植到大尺寸量产线上的可行性。此设备兼容膜面及玻璃面出光P1～P3激光划线和P4清边；采用科研级大理石高速运动平台，保证系统稳定性、加工精度与效率；并且可根据客户膜层材料的光谱吸收特性来选择不同波长的激光光源。
图11． 薄膜光伏激光划线机（四合一设备）是钙钛矿行业实验、小试线激光设备的首选
图12． 激光划线效果（左上P1、右上P2、左下P3），以及激光清边效果（右下P4）
其次，百MW／GW级别的薄膜光伏激光微加工划线机应用于钙钛矿产品开发的中期阶段，大规模量产前中试线，适用于产能要求高、加工范围大的大尺寸刚性钙钛矿电池组件的P1，P2，P3划线作业，可选红外、绿光与紫外皮秒光源，通过光学系统的机械分多束光同时加工，极大缩短划线CT，附带多个辅助功能，有效确保划线质量。100MW产能的中试线需要P1／P2／P3／P4各一台独立的自动化激光划线设备，杰普特百MW激光划线设备根据产能不同可提供单台设备8－16路激光分束同时加工。
该设备的其他核心优势包括：激光加工过程中产品静止，保证加工区域平面度；各光路焦点、间距自动调节，精度±1μm；加工速度0．8－3m／s，3g加速度；机械分光的光学设计能够保证各光路的功率一致性，差异远小于3％，能够在大幅提高加工效率的同时保证划线效果的一致性和稳定性；搭配高度跟踪、轨迹追踪、功率检测、死区监测等辅助功能，保证大幅面划线的工艺效果，最大程度降低死区宽度，自研软件UI界面友好，功能齐全操作便捷，能根据客户需求进行迭代升级；对于P2线宽要求较宽的客户，也有自研空间光整形技术，可实现大线宽快速划刻，压缩CT。
值得一提的是，2023年杰普特成功赢得了首个百兆瓦级别的订单，与某钙钛矿光伏电池领军企业合作，为其打造100MW钙钛矿光伏电池量产线激光划线全套设备，这标志着杰普特钙钛矿光伏电池激光划线技术进入新的里程碑。
