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1、激光劃線設備工作原理

2、結構組成

3、制備鈣鈦礦電池中的作用

4、激光工藝要求與配置

5、關鍵技術指標

6、技術挑戰

1、激光器：

作用：是激光劃線設備的核心部件，產生高能量的激光束，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、半導體激光器等，在功率、波長、光束質量等方面有所差異，可根據具體的劃線需求進行選擇。例如，在對一些高硬度材料進行劃線時，可能需要高功率的激光器；對于精細劃線作業，就需要光束質量好的激光器。

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

2、光學系統：

透鏡組合：用于對激光器發出的激光進行聚焦、準直等處理，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微小的光點，以實現高精度的劃線；或者將激光束擴束，使其覆蓋更大的劃線區域。

反射鏡：可以改變激光的傳播方向，使激光能夠按照設計的光路傳輸到劃線位置。反射鏡通常具有高反射率和良好的光學性能，能夠保證激光在傳輸過程中的能量損失最小化。在一些復雜的激光劃線設備中，可能會使用多個反射鏡來實現激光的多次反射和轉向，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元件，通常由兩個相互垂直的反射鏡和驅動電機組成。通過控制驅動電機的轉動，可以使振鏡反射鏡快速旋轉，從而使激光束在二維平面內快速掃描，實現復雜的劃線圖案或對大面積的材料進行快速劃線。

擴束鏡：位于激光器和后續光學元件之間，用于擴大激光束的直徑，減小激光束的發散角，提高激光的能量密度和穩定性。擴束鏡的擴束比例可以根據實際需要進行選擇，常見的擴束比例有 2X、5X、10X 等。

3、控制系統：

控制器：是激光劃線設備的大腦，負責對整個設備的運行進行控制和管理。控制器可以接收來自各種傳感器和輸入設備的信號，如位置傳感器、速度傳感器、操作面板等，并根據預設的程序和參數，發出控制指令，控制激光器的開關、功率調節、光學系統的動作、工作臺的移動等。常見的控制器有 PLC（可編程邏輯控制器）、工業計算機等。

驅動系統：根據控制器的指令，驅動各個運動部件，如工作臺的移動、振鏡的轉動等。驅動系統通常由電機、驅動器、傳動裝置等組成。電機可以是步進電機、伺服電機等，具有高精度、高速度、高可靠性等特點；驅動器用于控制電機的轉速、轉向和位置；傳動裝置可以是絲桿、皮帶、鏈條等，將電機的旋轉運動轉化為工作臺或其他部件的直線運動或旋轉運動。

4、工作臺：

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定。工作臺的精度和穩定性對劃線的質量和精度有著重要的影響。

結構形式：工作臺的結構形式多種多樣，常見的有平面工作臺、旋轉工作臺等。平面工作臺適用于對平面材料進行劃線；旋轉工作臺則適用于對圓形或圓柱形材料進行劃線，通過旋轉工作臺的轉動，可以實現對材料的圓周劃線。

5、輔助系統：

冷卻系統：激光器在工作過程中會產生大量的熱量，如果不及時冷卻，會影響激光器的性能和壽命。冷卻系統通常采用水冷或風冷的方式，對激光器進行冷卻。水冷系統具有冷卻效果好、穩定性高的優點，但需要配備專門的水冷設備和管道；風冷系統則結構簡單、維護方便，但冷卻效果相對較差。

吸塵系統：激光劃線過程中會產生一些煙塵和碎屑，如果不及時清除，會影響劃線的質量和設備的正常運行。吸塵系統通常由吸塵器、吸塵管道、吸塵罩等組成，可以將劃線過程中產生的煙塵和碎屑吸入吸塵器中，保持工作環境的清潔。

傳感器系統：包括位置傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，用于實時監測設備的運行狀態和工作參數，如工作臺的位置、激光束的功率、設備的溫度等，并將監測到的信息反饋給控制器，以便控制器及時調整設備的運行狀態，保證劃線的質量和精度。

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，首先需要對前電極進行圖案化處理。激光劃線設備能夠精準地在前電極層（如透明導電氧化物電極）上進行 P1 劃線，將大面積的前電極劃分成多個獨立的子電極。這一步驟對于后續串聯多個子電池形成具有更高電壓輸出的電池模塊至關重要。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域，寬度通常在幾毫米左右，這種精細的劃分有助于提高電池模塊的電學性能。

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

P3 劃線（后電極劃分）：在電池的后電極層也需要進行 P3 劃線。激光劃線設備能夠有效地去除后電極層的特定區域，從而劃分出獨立的電池單元，同時保證后電極與中間層和前電極之間的良好電學連接，使每個子電池能夠正常工作并且實現串聯連接，提高整個電池模塊的輸出電壓。

2、提高電池模塊集成度

串聯電池單元：通過激光劃線設備進行的多次劃線（P1 - P3），可以將多個鈣鈦礦太陽能電池單元有效地串聯起來。這種串聯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際應用中的電壓需求。例如，在光伏建筑一體化（BIPV）等應用場景中，需要電池模塊提供較高的電壓來適配建筑電氣系統，激光劃線實現的串聯結構就能夠很好地滿足這一需求。

優化電池布局：激光劃線還可以用于優化電池模塊內電池單元的布局。根據實際應用的需求，如不同的形狀、尺寸和功率要求，利用激光劃線設備可以靈活地調整電池單元的大小和排列方式。這有助于在有限的空間內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、提升電池性能和穩定性

減少載流子復合：精確的激光劃線能夠優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。這有助于減少載流子在界面處的復合，使得更多的光生載流子能夠有效地傳輸到電極，從而提高電池的短路電流和光電轉換效率。

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，形成絕緣區域。這一操作可以有效防止電池邊緣部分出現漏電現象，提高電池的穩定性和安全性。尤其是在長期戶外使用的情況下，能夠避免因邊緣漏電導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，線寬精度應達到微米級別，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確劃分和子電池的良好性能。如果線寬精度不夠，可能會導致電池內部的短路或斷路等問題，影響電池的效率和穩定性。

位置精度：確保劃線的位置準確無誤，這對于鈣鈦礦電池中各子電池的串聯以及電流的導通非常重要。位置精度通常也需要達到微米級別，例如重復定位精度可控制在 ±10 微米以內，以保證每次劃線的位置與設計要求高度一致。

2、劃線速度：

較高的劃線速度可以提高生產效率，降低生產成本。對于大規模生產的鈣鈦礦太陽能電池生產線，激光劃線設備的劃線速度是一個關鍵指標。一般來說，劃線速度應達到每秒數米甚至更高，比如有的設備可以實現 2.5 米 / 秒的高速加工效果。

3、死區寬度：

在鈣鈦礦太陽能電池中，激光劃線后的死區是指從 p1 線最外側到 p3 線最外側的不能發電的區域。死區寬度越小，電池的有效發電面積越大，電池組件的發電效率越高。因此，死區寬度是衡量激光劃線設備性能的重要指標之一，一般需要將死區寬度控制在盡可能小的范圍內，如有的設備能夠將死區寬度穩定控制在 150 微米以內。

4、熱影響區：

由于鈣鈦礦材料對溫度比較敏感，激光劃線過程中產生的熱量可能會對鈣鈦礦層的性能產生影響。因此，需要控制激光劃線的熱影響區，使其盡可能小。通常要求熱影響區在 2 微米以內，甚至有的設備可以將熱影響區控制在 1 微米以內，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：激光功率需要根據鈣鈦礦電池的材料特性和劃線要求進行精確調節。功率過高可能會損壞電池材料，功率過低則可能無法實現有效的劃線。例如，對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量和深度。

激光脈沖寬度：激光的脈沖寬度也會影響劃線的效果。較短的脈沖寬度可以減少對材料的熱影響，提高劃線的精度和質量。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備中，可能會根據具體需求選擇合適的脈沖寬度。

6、設備穩定性和可靠性：

在大規模生產過程中，激光劃線設備需要長時間穩定運行，因此設備的穩定性和可靠性非常重要。這包括設備的機械結構穩定性、光學系統的穩定性、控制系統的穩定性等方面。設備應能夠在長時間運行過程中保持劃線精度和速度的穩定性，同時具有較低的故障率和較長的使用壽命。

7、加工幅面：

根據鈣鈦礦太陽能電池的生產需求，激光劃線設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：

微米級精度要求：鈣鈦礦太陽能電池結構精細，對劃線精度要求極高，通常需要達到微米級別。例如，線寬精度要控制在幾微米甚至更高的精度范圍內，以保證各功能層的準確劃分和子電池的良好性能。如果線寬偏差過大，可能會導致電池內部短路或斷路，影響電池的光電轉換效率和穩定性。

位置精度挑戰：在大面積的鈣鈦礦電池組件上，確保劃線的位置精度準確無誤也是一個難點。各道劃線（如 P1、P2、P3 劃線）的位置需要嚴格按照設計要求進行，否則會影響子電池的串聯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定性也是一大挑戰。

2、熱影響控制：

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

熱應力問題：激光劃線產生的局部高溫會在鈣鈦礦薄膜中產生熱應力，可能導致薄膜出現裂紋、變形等問題，影響電池的結構完整性和性能。如何在劃線過程中有效地釋放熱應力，是需要解決的技術難題。

3、死區寬度減小：

死區是指激光劃線后的從 P1 線最外側到 P3 線最外側的不能發電的區域。死區寬度越大，電池中發電無效區占比越大，子電池的效率也就越低。在鈣鈦礦生產中，需要盡可能減小死區寬度，以提高電池的有效發電面積和整體效率。這就要求激光劃線設備具有高精度的控制能力和穩定的加工性能，同時還需要優化電池的設計和劃線工藝。

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的發展，對大尺寸組件的需求日益增加。在大尺寸組件上進行激光劃線，要保證劃線的均勻性和一致性是非常困難的。例如，在平米級的組件上，激光能量的分布、掃描速度的均勻性等因素都會影響劃線的質量，需要開發先進的激光掃描技術和能量控制系統。

對焦難度增加：大尺寸組件的表面平整度往往較低，這使得激光對焦變得更加困難。激光焦點的穩定性和準確性對于劃線質量至關重要，需要采用高精度的焦點控制系統來適應大尺寸組件的加工需求，確保在整個加工過程中激光能夠始終聚焦在正確的位置。

5、設備穩定性和可靠性：

長時間連續運行：鈣鈦礦太陽能電池的生產通常是大規模、連續化的過程，激光劃線設備需要長時間穩定運行。這就對設備的機械結構、光學系統、控制系統等各個部件的穩定性和可靠性提出了很高的要求。例如，激光器的壽命、光學元件的抗磨損性、控制系統的抗干擾能力等都需要經過嚴格的測試和驗證。

工藝兼容性：激光劃線設備需要與鈣鈦礦電池的其他生產工藝（如鍍膜、封裝等）相兼容，確保整個生產流程的順暢進行。這就要求設備的設計和參數設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致的生產效率降低或產品質量問題。

6、激光參數優化：

激光功率選擇：激光功率的選擇需要根據鈣鈦礦材料的特性、薄膜厚度、劃線速度等因素進行精確調整。功率過高會導致材料過度損傷，功率過低則無法實現有效的劃線。因此，需要建立準確的激光功率與材料加工效果之間的關系模型，以便快速、準確地選擇合適的激光功率參數2。

脈沖寬度和頻率：激光的脈沖寬度和頻率也會影響劃線的質量和效果。不同的鈣鈦礦材料和結構可能需要不同的脈沖寬度和頻率參數，以實現最佳的劃線效果。因此，需要對激光的脈沖參數進行深入研究和優化，以滿足鈣鈦礦生產的需求。

文章來源：“鈣鈦礦學習與交流”公眾號

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