Nd:YAG激光聲光調(diào)Q頻率對(duì)Si太陽(yáng)能電池劃片的電性能影響

蘇蓓蓓

(無(wú)錫科技職業(yè)學(xué),江蘇無(wú)錫 214028)

Nd:YAG激光聲光調(diào)Q頻率對(duì)Si太陽(yáng)能電池劃片的電性能影響

蘇蓓蓓

(無(wú)錫科技職業(yè)學(xué),江蘇無(wú)錫 214028)

利用YAG-50型聲光調(diào)Q激光劃片機(jī)對(duì)156?156?0.18mm的多晶硅太陽(yáng)能電池片進(jìn)行劃片實(shí)驗(yàn),得到了不同調(diào)Q頻率和電池片電性能參數(shù)的關(guān)系,從而找出了Q開(kāi)關(guān)的最佳頻率范圍值,并從理論上探討分析了不同調(diào)Q頻率范圍劃片得到的太陽(yáng)能電池片電性能參數(shù)差異的原因。

調(diào)Q頻率;激光劃片;開(kāi)路電壓;短路電流;填充因子

為了得到所需的不同面積、不同形狀的太陽(yáng)能電池片,需要對(duì)一定尺寸的單體電池片進(jìn)行劃片、切割,相比其他劃片方式,激光光束能量密度高,劃片效果好。在計(jì)算機(jī)控制下,激光經(jīng)擴(kuò)束、聚焦后,在太陽(yáng)能電池片表面形成高密度光斑,使電池表面瞬間氣化,從而實(shí)現(xiàn)激光劃片的目的。這種非接觸式加工方式,對(duì)電池片本身無(wú)機(jī)械沖壓力,使得電池片不易損壞,同時(shí),由于激光劃片熱影響極小,劃片精度高,因而被廣泛應(yīng)用于光伏行業(yè)太陽(yáng)能電池片的劃片。目前,激光劃片中普遍采用的是聲光調(diào)QNd:YAG激光器。在劃片過(guò)程中,如果激光功率較低而造成切割深度不夠,沿著劃痕用手將電池掰斷時(shí),容易使太陽(yáng)能電池片破碎或隱裂而導(dǎo)致電池片電性能急劇下降。聲光調(diào)Q激光器的泵浦功率是不能無(wú)限制增加的,因?yàn)檩斎牍β侍?Q開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)不住而產(chǎn)生靜態(tài)激光,使巨脈沖的輸出特性變壞[1]。在一定泵浦功率下,可以通過(guò)調(diào)Q器件對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行腔內(nèi)調(diào)制,使輸出激光的脈沖時(shí)間寬度壓縮到萬(wàn)分之一,從而激光的峰值功率可提高到千倍以上。但是,激光峰值功率如果過(guò)高,則會(huì)造成切割深度過(guò)大而將電池片局部直接劃斷,容易使太陽(yáng)能電池正負(fù)極短路。因此,在泵浦功率一定的情況下,調(diào)Q頻率直接影響了激光劃片得到的太陽(yáng)能電池片的電性能。

實(shí)驗(yàn)將研究Nd:YAG激光器聲光調(diào)Q頻率對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池片劃片后電性能的影響,希望能找到晶硅太陽(yáng)能電池片激光劃片中,Q開(kāi)關(guān)的一個(gè)最佳頻率范圍值,有利于展開(kāi)其他問(wèn)題的討論。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用多晶N型硅太陽(yáng)能電池片作為實(shí)驗(yàn)材料,實(shí)驗(yàn)尺寸為:156×156×0.18mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用武漢三工光電設(shè)備制造有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的YAG-50數(shù)控激光劃片機(jī),該機(jī)使用聲光調(diào)QNd:YAG激光器,采用氪燈泵浦,激光波長(zhǎng)為1.064μm,工作在低階模方式,最大輸出功率大于等于50W,劃片速度最大值150mm/s。

激光器氪燈工作電流取 12 A,泵浦功率為12W,聲光射頻功率取50W,劃片速度取最佳值120 mm/s即最大切割速度的80%[2],改變聲光調(diào)Q頻率,進(jìn)行劃片實(shí)驗(yàn),將156×156×0.18 mm的多晶N型硅太陽(yáng)能電池片,劃成如圖1所示的156×52×0.18 mm的三片電池片。劃片后,取中間位置的太陽(yáng)能電池片,即圖1中A位置,進(jìn)行主要電性能參數(shù)的測(cè)試。通常用開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF這三個(gè)參數(shù)來(lái)描述太陽(yáng)能電池的輸出特性[3]。用于測(cè)試的儀器是陜西眾森電能科技有限公司生產(chǎn)的XJCM-9太陽(yáng)能單片電池測(cè)試儀,該測(cè)試儀采用氙燈給太陽(yáng)能電池提供模擬太陽(yáng)光,經(jīng)濾光片過(guò)濾,在400~1 100 nm范圍內(nèi)提供AM1.5的太陽(yáng)光譜,在光強(qiáng)為1 000W/m2的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下觀察太陽(yáng)能電池片的主要電性能參數(shù)開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF。

圖1 156×156×0.18mm多晶太陽(yáng)能電池片的劃片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 劃片條件

激光劃片后,沿劃痕用手將電池掰斷,太陽(yáng)能電池不產(chǎn)生破碎的聲光調(diào)Q頻率范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。沿激光劃痕用手將電池掰斷后,導(dǎo)致太陽(yáng)能電池片破碎而不再是完整電池片的情況,即無(wú)用頻率值不在討論范圍。

2.2 劃片結(jié)果

圖2是劃片后太陽(yáng)能電池片開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC隨聲光調(diào)Q頻率f的變化規(guī)律。

圖2 開(kāi)路電壓VOC隨調(diào)Q頻率的變化

圖3是劃片后太陽(yáng)能電池片填充因子FF隨聲光調(diào)Q頻率f的變化規(guī)律。

圖3 短路電流ISC隨調(diào)Q頻率的變化

從圖2、圖3可以看出調(diào)Q脈沖的重復(fù)頻率在10.5 KHZ以上至15.5 KHZ時(shí),激光劃片得到的太陽(yáng)能電池片的開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF數(shù)值都較低;調(diào)Q脈沖的重復(fù)頻率在8HZ到10.5 KHZ之間(包括8 KHZ和10.5 HZ)時(shí),激光劃片得到的太陽(yáng)能電池片的開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF數(shù)值都較高;調(diào)Q脈沖的重復(fù)頻率在6 KHZ到8 KHZ之間(包括6 KHZ)時(shí),激光劃片得到的太陽(yáng)能電池片主要電性能參數(shù)開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF都很差;此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與調(diào)Q激光器輸出的峰值功率有關(guān)。

圖4 填充因子FF隨調(diào)Q頻率的變化

2.3 結(jié)果分析

(1)調(diào)Q機(jī)理

如圖4所示,在一定的泵浦速率v下,聲光Q開(kāi)關(guān)作用于Nd:YAG激光器上時(shí),用頻率為f的矩形脈沖調(diào)制加在聲光調(diào)Q器件換能器上的高頻振蕩信號(hào),激光器即輸出重復(fù)頻率為f的調(diào)Q脈沖序列。高頻信號(hào)輸出時(shí),諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài),關(guān)斷激光;高頻信號(hào)停止時(shí),諧振腔處于低損耗高Q值狀態(tài),Q值交替變化一次,激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。在低Q值狀態(tài)時(shí),激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累,直至高Q值狀態(tài),積累在上能級(jí)的大量反轉(zhuǎn)粒子便雪崩式地躍遷到低能級(jí),在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δn等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δnt時(shí),形成峰值功率較大的巨脈沖輸出。

激光的瞬時(shí)功率為:

其中φ為光子數(shù)密度,hυ為一個(gè)光子的能量,tc為光子在腔內(nèi)的壽命。

根據(jù)調(diào)Q激光形成的速率方程:

其中:Δni為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù),Δnt為閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù),可得輸出功率:

當(dāng)Δn=Δnt時(shí),輸出功率達(dá)到極大值,即激光的峰值功率:

在高Q值條件下,Δni?Δnt,得:

上式表明,提高初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δni可以增加激光的峰值功率。

(2)結(jié)果分析

結(jié)果區(qū)間1:圖2、圖3中,調(diào)Q頻率f在10.5 ~15.5 KHZ時(shí),由于頻率較高,脈沖之間并沒(méi)有足夠的時(shí)間使激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值,使得Δni的值較低,導(dǎo)致輸出激光的峰值功率Pm下降。激光劃片的峰值功率較小,切割深度不夠,沿著劃痕用手將電池掰斷時(shí)需要用力,會(huì)造成多處隱裂,隱裂會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池片電性能參數(shù)開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC、填充因子FF值的下降[4-5]。

結(jié)果區(qū)間2:減小調(diào)Q頻率f在8~10.5 HZ之間,在低Q值狀態(tài)時(shí),激光上能級(jí)能保證積累足夠多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δni,在高Q值突然到來(lái)時(shí),激光上能級(jí)積累的Δni在短時(shí)間內(nèi)釋放,產(chǎn)生的脈沖峰值功率Pm就比較大,能以合適的深度完成對(duì)太陽(yáng)能電池片進(jìn)行切割,沿著劃痕用手將電池掰斷不容易產(chǎn)生隱裂而影響電性能,所以調(diào)Q頻率在此范圍時(shí),激光劃片得到的電池片電性能參數(shù)開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC以及填充因子FF值是比較好的。

結(jié)果區(qū)間3:如果繼續(xù)減小調(diào)Q頻率f,即f在6~8HZ之間時(shí),圖2、圖3中顯示太陽(yáng)能電池片的電性能隨著f的減小而變壞,這是由于激光上能級(jí)積累了過(guò)多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δni,在高Q值突然到來(lái)時(shí),激光上能級(jí)積累的Δni在短時(shí)間內(nèi)釋放,產(chǎn)生的脈沖峰值功率Pm過(guò)大而導(dǎo)致電池片劃片深度過(guò)深。劃片過(guò)深會(huì)引起太陽(yáng)能電池片刪狀電極產(chǎn)生不同程度損傷及電池體內(nèi)缺陷增加,使得電池串聯(lián)電阻RS增加,同時(shí)劃片過(guò)深造成上下電極局部短路會(huì)造成漏電流增加,從而減小分流電阻 RSH[6-7]。如圖5、圖6所示,通過(guò)XJCM-9太陽(yáng)能單片電池測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,調(diào)Q頻率f在6~8 HZ區(qū)間段,串聯(lián)電阻RS的值明顯高于f大于8 KHZ時(shí)的值,分流電阻RSH的值則低于f大于8 KHZ時(shí)的值。

圖5 Nd:YAG激光器調(diào)Q過(guò)程

圖6 串聯(lián)電阻RS隨調(diào)Q頻率的變化

圖7 分流電阻 RSH隨調(diào)Q頻率的變化

通常,太陽(yáng)能電池都存在寄生的串聯(lián)電阻RS和分流電阻 RSH,如圖7中太陽(yáng)能電池的等效電路所示。

圖8 太陽(yáng)能電池等效電路

式中,q為電子電量,k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度,Il為光生電流,I0為二極管飽和電流。當(dāng)負(fù)載短路時(shí),V=0,IS即為太陽(yáng)能電池的短路電流ISC,由于此時(shí)流經(jīng)二極管的飽和電流很小可以忽略,則得短路電流的值:

顯然,串聯(lián)電阻RS的增加和分流電阻 RSH的減小導(dǎo)致了短路電流ISC的減小。

太陽(yáng)能電池開(kāi)路時(shí),IS=0,理想情況下 RSH為無(wú)窮大,開(kāi)路電壓的值[3]:

然而,實(shí)際太陽(yáng)能電池中,開(kāi)路電壓不僅受二極管飽和電流 I0的影響,還受到漏電流的影響。由圖5可知,串聯(lián)電阻RS的改變不影響開(kāi)路電壓VOC,但是上下電極局部短路造成的漏電流增加引起分流電阻 RSH的減小,則減小了開(kāi)路電壓VOC的值。

串聯(lián)電阻RS越大和分流電阻 RSH越小會(huì)使得填充因子下降越多[8]。

調(diào)Q頻率過(guò)低即小于6 KHZ時(shí),由于自發(fā)輻射,部分反正粒子數(shù)損耗,會(huì)影響輸出功率[1],以及調(diào)Q頻率過(guò)低即大于15.5 KHZ時(shí),峰值功率太小,都會(huì)造成切割深度太小,在掰片時(shí)出現(xiàn)破片而不在文章討論范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

通過(guò)聲光調(diào)QNd:YAG激光器對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池劃片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),聲光調(diào)Q頻率f調(diào)大或者調(diào)小,都會(huì)影響劃片得到的太陽(yáng)能電池片的開(kāi)路電壓值、短路電流以及填充因子的數(shù)值。本實(shí)驗(yàn)中聲光調(diào)Q頻率取8KHZ到10.5KHZ之間進(jìn)行激光劃片,可以得到具有較好電性能參數(shù)的電池片,調(diào)Q頻率取9KHZ時(shí),則能得到最佳電性能參數(shù)。理論分析表明,在能劃開(kāi)電池片而不產(chǎn)生破碎的的聲光調(diào)Q頻率f條件下,頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致峰值功率Pm較小,切割深度不夠,掰片產(chǎn)生隱裂而降低電池片的開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC和填充因子FF;頻率過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致脈沖峰值功率Pm過(guò)大,劃片深度過(guò)深,增加串聯(lián)電阻RS、減小分流電阻 RSH,致使開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC和填充因子FF的值降低。因此,找到聲光調(diào)Q的最佳頻率范圍,對(duì)Si太陽(yáng)能電池激光劃片具有非常重要的意義。

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Effect of Q-sw itched Nd:YAG Laser Pulse Frequency on Electrical Properties of Si Solar Cell Scribing

SU Bei-bei
(Wuxi Professional College of Science and Technology,Jiangsu Wuxi214028)

Laser scribing too deep or too shallow will affect the electrical parameters of solar cell.Laser scribing of polycrystalline silicon solar cells in the size of 156?156?0.18mm with a acousto—optical Q-switched Nd:YAG laserwas studied in this paper and the relationship between repetition frequency and groove depth and width has been obtained.The best repetition frequency range has been found and the influence of the repetition frequency to the electrical parameters of solar cellwas also analyzed theoretically.

repetition frequency;laser scribing;open voltage;short current;fill factor

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.003

1007-2934(2015)05-0007-04

2015-06-05