Nd:YAG激光声光调Q频率对Si太阳能电池划片的电性能影响

苏蓓蓓

(无锡科技职业学,江苏无锡 214028)

Nd:YAG激光声光调Q频率对Si太阳能电池划片的电性能影响

苏蓓蓓

(无锡科技职业学,江苏无锡 214028)

利用YAG-50型声光调Q激光划片机对156∗156∗0.18mm的多晶硅太阳能电池片进行划片实验,得到了不同调Q频率和电池片电性能参数的关系,从而找出了Q开关的最佳频率范围值,并从理论上探讨分析了不同调Q频率范围划片得到的太阳能电池片电性能参数差异的原因。

调Q频率;激光划片;开路电压;短路电流;填充因子

为了得到所需的不同面积、不同形状的太阳能电池片,需要对一定尺寸的单体电池片进行划片、切割,相比其他划片方式,激光光束能量密度高,划片效果好。在计算机控制下,激光经扩束、聚焦后,在太阳能电池片表面形成高密度光斑,使电池表面瞬间气化,从而实现激光划片的目的。这种非接触式加工方式,对电池片本身无机械冲压力,使得电池片不易损坏,同时,由于激光划片热影响极小,划片精度高,因而被广泛应用于光伏行业太阳能电池片的划片。目前,激光划片中普遍采用的是声光调QNd:YAG激光器。在划片过程中,如果激光功率较低而造成切割深度不够,沿着划痕用手将电池掰断时,容易使太阳能电池片破碎或隐裂而导致电池片电性能急剧下降。声光调Q激光器的泵浦功率是不能无限制增加的,因为输入功率太大,Q开关会关不住而产生静态激光,使巨脉冲的输出特性变坏[1]。在一定泵浦功率下,可以通过调Q器件对连续激光进行腔内调制,使输出激光的脉冲时间宽度压缩到万分之一,从而激光的峰值功率可提高到千倍以上。但是,激光峰值功率如果过高,则会造成切割深度过大而将电池片局部直接划断,容易使太阳能电池正负极短路。因此,在泵浦功率一定的情况下,调Q频率直接影响了激光划片得到的太阳能电池片的电性能。

实验将研究Nd:YAG激光器声光调Q频率对晶硅太阳能电池片划片后电性能的影响,希望能找到晶硅太阳能电池片激光划片中,Q开关的一个最佳频率范围值,有利于展开其他问题的讨论。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

选用多晶N型硅太阳能电池片作为实验材料,实验尺寸为:156×156×0.18mm。

1.2 实验方法

实验中采用武汉三工光电设备制造有限公司开发生产的YAG-50数控激光划片机,该机使用声光调QNd:YAG激光器,采用氪灯泵浦,激光波长为1.064μm,工作在低阶模方式,最大输出功率大于等于50W,划片速度最大值150mm/s。

激光器氪灯工作电流取 12 A,泵浦功率为12W,声光射频功率取50W,划片速度取最佳值120 mm/s即最大切割速度的80%[2],改变声光调Q频率,进行划片实验,将156×156×0.18 mm的多晶N型硅太阳能电池片,划成如图1所示的156×52×0.18 mm的三片电池片。划片后,取中间位置的太阳能电池片,即图1中A位置,进行主要电性能参数的测试。通常用开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF这三个参数来描述太阳能电池的输出特性[3]。用于测试的仪器是陕西众森电能科技有限公司生产的XJCM-9太阳能单片电池测试仪,该测试仪采用氙灯给太阳能电池提供模拟太阳光,经滤光片过滤,在400~1 100 nm范围内提供AM1.5的太阳光谱,在光强为1 000W/m2的标准测试条件下观察太阳能电池片的主要电性能参数开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF。

图1 156×156×0.18mm多晶太阳能电池片的划片

2 实验结果和讨论

2.1 划片条件

激光划片后,沿划痕用手将电池掰断,太阳能电池不产生破碎的声光调Q频率范围进行实验研究。沿激光划痕用手将电池掰断后,导致太阳能电池片破碎而不再是完整电池片的情况,即无用频率值不在讨论范围。

2.2 划片结果

图2是划片后太阳能电池片开路电压VOC、短路电流ISC随声光调Q频率f的变化规律。

图2 开路电压VOC随调Q频率的变化

图3是划片后太阳能电池片填充因子FF随声光调Q频率f的变化规律。

图3 短路电流ISC随调Q频率的变化

从图2、图3可以看出调Q脉冲的重复频率在10.5 KHZ以上至15.5 KHZ时,激光划片得到的太阳能电池片的开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF数值都较低;调Q脉冲的重复频率在8HZ到10.5 KHZ之间(包括8 KHZ和10.5 HZ)时,激光划片得到的太阳能电池片的开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF数值都较高;调Q脉冲的重复频率在6 KHZ到8 KHZ之间(包括6 KHZ)时,激光划片得到的太阳能电池片主要电性能参数开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF都很差;此实验结果与调Q激光器输出的峰值功率有关。

图4 填充因子FF随调Q频率的变化

2.3 结果分析

(1)调Q机理

如图4所示,在一定的泵浦速率v下,声光Q开关作用于Nd:YAG激光器上时,用频率为f的矩形脉冲调制加在声光调Q器件换能器上的高频振荡信号,激光器即输出重复频率为f的调Q脉冲序列。高频信号输出时,谐振腔处于高损耗低Q值状态,关断激光;高频信号停止时,谐振腔处于低损耗高Q值状态,Q值交替变化一次,激光器输出一个调Q脉冲。在低Q值状态时,激光上能级的反转粒子数不断积累,直至高Q值状态,积累在上能级的大量反转粒子便雪崩式地跃迁到低能级,在反转粒子数Δn等于阈值反转粒子数Δnt时,形成峰值功率较大的巨脉冲输出。

激光的瞬时功率为:

其中φ为光子数密度,hυ为一个光子的能量,tc为光子在腔内的寿命。

根据调Q激光形成的速率方程:

其中:Δni为初始反转粒子数,Δnt为阈值反转粒子数,可得输出功率:

当Δn=Δnt时,输出功率达到极大值,即激光的峰值功率:

在高Q值条件下,Δni≫Δnt,得:

上式表明,提高初始反转粒子数Δni可以增加激光的峰值功率。

(2)结果分析

结果区间1:图2、图3中,调Q频率f在10.5 ~15.5 KHZ时,由于频率较高,脉冲之间并没有足够的时间使激光上能级的反转粒子数达到最大值,使得Δni的值较低,导致输出激光的峰值功率Pm下降。激光划片的峰值功率较小,切割深度不够,沿着划痕用手将电池掰断时需要用力,会造成多处隐裂,隐裂会导致太阳能电池片电性能参数开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF值的下降[4-5]。

结果区间2:减小调Q频率f在8~10.5 HZ之间,在低Q值状态时,激光上能级能保证积累足够多的反转粒子数Δni,在高Q值突然到来时,激光上能级积累的Δni在短时间内释放,产生的脉冲峰值功率Pm就比较大,能以合适的深度完成对太阳能电池片进行切割,沿着划痕用手将电池掰断不容易产生隐裂而影响电性能,所以调Q频率在此范围时,激光划片得到的电池片电性能参数开路电压VOC、短路电流ISC以及填充因子FF值是比较好的。

结果区间3:如果继续减小调Q频率f,即f在6~8HZ之间时,图2、图3中显示太阳能电池片的电性能随着f的减小而变坏,这是由于激光上能级积累了过多的反转粒子数Δni,在高Q值突然到来时,激光上能级积累的Δni在短时间内释放,产生的脉冲峰值功率Pm过大而导致电池片划片深度过深。划片过深会引起太阳能电池片删状电极产生不同程度损伤及电池体内缺陷增加,使得电池串联电阻RS增加,同时划片过深造成上下电极局部短路会造成漏电流增加,从而减小分流电阻 RSH[6-7]。如图5、图6所示,通过XJCM-9太阳能单片电池测试仪进行测试得到的实验结果,调Q频率f在6~8 HZ区间段,串联电阻RS的值明显高于f大于8 KHZ时的值,分流电阻RSH的值则低于f大于8 KHZ时的值。

图5 Nd:YAG激光器调Q过程

图6 串联电阻RS随调Q频率的变化

图7 分流电阻 RSH随调Q频率的变化

通常,太阳能电池都存在寄生的串联电阻RS和分流电阻 RSH,如图7中太阳能电池的等效电路所示。

图8 太阳能电池等效电路

式中,q为电子电量,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,Il为光生电流,I0为二极管饱和电流。当负载短路时,V=0,IS即为太阳能电池的短路电流ISC,由于此时流经二极管的饱和电流很小可以忽略,则得短路电流的值:

显然,串联电阻RS的增加和分流电阻 RSH的减小导致了短路电流ISC的减小。

太阳能电池开路时,IS=0,理想情况下 RSH为无穷大,开路电压的值[3]:

然而,实际太阳能电池中,开路电压不仅受二极管饱和电流 I0的影响,还受到漏电流的影响。由图5可知,串联电阻RS的改变不影响开路电压VOC,但是上下电极局部短路造成的漏电流增加引起分流电阻 RSH的减小,则减小了开路电压VOC的值。

串联电阻RS越大和分流电阻 RSH越小会使得填充因子下降越多[8]。

调Q频率过低即小于6 KHZ时,由于自发辐射,部分反正粒子数损耗,会影响输出功率[1],以及调Q频率过低即大于15.5 KHZ时,峰值功率太小,都会造成切割深度太小,在掰片时出现破片而不在文章讨论范围内。

3 结 论

通过声光调QNd:YAG激光器对多晶硅太阳能电池划片的实验结果发现,声光调Q频率f调大或者调小,都会影响划片得到的太阳能电池片的开路电压值、短路电流以及填充因子的数值。本实验中声光调Q频率取8KHZ到10.5KHZ之间进行激光划片,可以得到具有较好电性能参数的电池片,调Q频率取9KHZ时,则能得到最佳电性能参数。理论分析表明,在能划开电池片而不产生破碎的的声光调Q频率f条件下,频率过高会导致峰值功率Pm较小,切割深度不够,掰片产生隐裂而降低电池片的开路电压VOC、短路电流ISC和填充因子FF;频率过低则会导致脉冲峰值功率Pm过大,划片深度过深,增加串联电阻RS、减小分流电阻 RSH,致使开路电压VOC、短路电流ISC和填充因子FF的值降低。因此,找到声光调Q的最佳频率范围,对Si太阳能电池激光划片具有非常重要的意义。

[1] 蓝信钜.激光技术[M].北京:科学出版社, 2009:103.

[2] 李亚江,李嘉宁.激光焊接/切割/熔覆技术[M].北京:化学工业出版社,2012:158.

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[5] 李长岭,戴丽丽,张海磊,等.隐裂对光伏组件性能影响的研究[J].上海有色金属,2012(4).

[6] 邱冬冬,王睿,程湘爱,等.连续激光对太阳能电池的损伤机理研究[J].中国激光,2011(3).

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[8] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2009:52.

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