美国日益关注全球变暖和对国外能源依赖的问题，风能和太阳能等替代能源引起了人们的重视。当1954年“贝尔太阳能电池”发明的时候，太阳能技术就被誉为未来的电力。它比化石燃料更被认可，关键是其较低的可再生能源平准价格（LCOE）。此外，基于c-Si的平板太阳能光伏（PV）模块率先向市场推出，并已在世界各地得以部署，薄膜光伏（TFPV）太阳能板在促进太阳能的广泛应用方面取得了重大进展。
在制造平板太阳能光伏模块的时候，激光器可用于切割、钻孔、刻划和退火，加工各种不同的材料。特别是在TFPV制造过程中，调Q型DPSS激光器经常被用来去除薄膜层（激光刻划），使集成的太阳能电池单片之间绝缘。这一过程中，高度聚焦的激光束对玻璃面板进行照射，从而去除其他的薄膜材料，或玻璃面板本身的一层或多层的薄膜。成本更低、体积更小的脉冲光纤激光器近来频频崭露头角，而被作为激光刻划的下一代解决方案。然而，这些激光设备尚未在行业内得到广泛采用，由于其较低的光束质量（高M2值），可能会导致较差的刻划结果，从而降低产量，带来较差的投资回报率。脉冲光纤激光器的最新研发已经改善了光束质量，然而仍有待观察——好的光束质量、低廉的成本和紧凑的外形是否可以同时实现？
薄膜太阳能电池
薄膜太阳能电池通常由玻璃基板上的三个层面构成：透明导电氧化物（TCO）层，中间的半导体光伏层和薄金属层。图1显示了一个典型的TFPV的横截面示意图。薄膜太阳能电池的半导体材料包括硫化镉/碲化镉（CdS/CdTe），铜铟镓硒（CIGS），非晶硅（a-Si）或非晶硅与微晶硅（μc-Si）的组合层。
图1 一个典型的TFPV的横截面示意图。
在CIGS TFPV中，金属层是处在玻璃基板之上、半导体薄膜之下的位置；而在CdS/CdTe、a-Si和μc-Si TFPV中，金属层却在半导体薄膜之上。典型的TCO采用的材料有：铟锡氧化物（ITO）、锡氧化物（SnO2）和氧化锌（ZnO）；典型的金属层材料是铝（Al）、金（Au）、铜（Cu）和钼（Mo）。用于电池制造的玻璃基板包括数毫米厚的钠钙玻璃以及厚度在数十至数百微米范围的聚合物和金属。
这些材料被安排在一个分层结构中，有两个导电的“接触”面（“正面”面向太阳，“背面”导电）通过一个在它们之间作为太阳能吸收器的半导体（光伏）材料相连接。前端电接头采用了TCO材料，比如ITO或SnO2等，这让太阳光和电能都能传导，且仅有很低的损耗。
在生产TFPV的过程中，往往需要执行三个刻划过程（通常称为P1、P2和P3刻划），这些过程之间有多种薄膜沉积过程发生。P1刻划去除了玻璃基板上的第一层电接触薄膜；P2刻划去除了第一层接触薄膜上的太阳能吸收层；P3刻划既去除了太阳能吸收层，又从第一接触薄膜上去除第二层的电接触薄膜。激光刻划将大型的、数米长的太阳能电池板分割成几个狭长的PV电池块，以串联电路运行。这样能得到一个更实用和高效的低电流、高电压装置。
光束质量的影响
各种类型的激光器被用于薄膜刻划，其中最常见的是波长在1064nm和532nm的DPSS调Q型激光器。最近，成本更低、更紧凑的脉冲光纤激光器出现，被视为新一代的激光刻划工具。虽然DPSS激光器和光纤激光器都能提供短脉冲和可变重复率，两者之间的重要区别之一是他们的光束质量或M2因素。基本上，M2描述了激光束同理论高斯形状之间的偏差；对于一个真正的激光束来说，通常M2>1。一个典型的DPSS激光系统具有优越的TEM00光束轮廓，其光束质量M2小于1.2。典型的第一代脉冲光纤激光器M2值大于1.8，有的甚至高达4.1。新一代的脉冲光纤激光器改善了光束质量。然而，是否实现高质量光束、低成本和紧凑的尺寸且都可以在单个系统里实现，仍有待观察。
在TFPV加工中，大多数的刻划是由朝向加工薄膜的激光束完成。所以在基板中的任何偏差都会影响到激光束的紧密聚焦程度，接着影响加工现场的光束密度，最终影响整体的刻划质量。由于TFPV板尺寸有越来越大的发展趋势，生产商减少成本势必会影响到玻璃的质量和平整度。为确保稳定、高收益的刻划过程，光束质量将变得越来越重要，而该过程对玻璃基板的平整度、厚度变化以及其他一些表面缺陷来说，应该有更大程度的容忍。此外，为了达到更高的产量和降低制造成本，激光还必须提供更窄的刻划线宽，以增加电池效率，并以出色的刻划质量得到更佳的电绝缘性能。
有证据表明，短脉冲宽度和高峰值功率有助于减少不良的热反应，比如热影响区、材料重铸和基板的微裂缝，我们意识到，若要达到稳定的TFPV刻划，光束质量是选择激光系统时的重要决定因素。
图2显示了SnO2材料的激光刻划，通过光谱物理公司的DPSS HIPPO激光器完成，输出功率为17W，在50 kHz的15ns脉冲持续时间，M2值为1.2。同时显示的是使用20W、15ns脉冲光纤激光器所获得的刻划效果对比图，其M2值为1.8。激光束从玻璃面照射出来并聚焦在玻璃-SnO2表面。这两种激光看起来都能充分完成P1刻划，带来良好的电绝缘性能。nextpage
图2 SnO2材料的激光刻划效果图。
实验还研究了不同的M2对景深（DOF）的影响。因为DPSS激光器的M2值较低，为1.2，其对50微米光斑大小的理论DOF比脉冲光纤激光器大1.5倍——DPSS激光器为1542μm，脉冲光纤激光器为1025μm。为了研究玻璃厚度和平整度对刻划质量的影响，通过使用这两种激光器在光束传播方向的不同聚焦位置产生刻划。通过测量每一组刻划的电绝缘性来决定每个刻划的功能质量。如图3所示，研究结果清楚地显示了高质量的刻划都是激光系统以更长焦距和较低M2质量获得的。
图3 在不同聚焦位置的刻划，以及测量到的电绝缘电阻。
一旦加工发生在远超光束腰或焦平面的位置，则电绝缘性能将受到显著影响。因为更低M2值的光束有更大的Rayleigh范围，它们的加工区域更广阔。这样的话，有更低M2值的系统能够容忍更高的玻璃厚度、平整度和其他一些表面差异的变化，可以获得更好的激光刻划加工过程。
总结
由于薄膜太阳能电池板具有成本低廉的显著优势，在当前新能源兴起的情况下，将会赢得更多的市场份额。激光系统将在制造这些薄膜太阳能电池的过程中扮演着相当重要的角色。激光器多用来刻划薄膜层，基本上就是“刻划”导电层和半导体层上的装置。选择正确的激光系统对于获得高产的加工过程来说相当重要。
从本文所讲述的研究中，很容易看出选择具有更好的光束质量、更低M2值的激光系统能获得更好的焦深，从而可以在不同厚度的基板上从事精密加工，获得更高的产量。更好的光束质量能够保证更加稳定且高质量的刻划加工，这样就能提升整个加工过程的效率，最终减少了整体的制造成本。
