Laserové rezacie zariadenie a jeho aplikácia pri výrobe perovskitových solárnych článkov

Pracovný princíp:

Laserové rycie zariadenie funguje tak, že využíva vysokú hustotu energie laserového lúča na rytie na povrchy materiálov.

Konkrétne, laserové písacie vybavenie zvyčajne pozostáva z laserového zdroja, optického systému, riadiaceho systému a pracovného stavu. Laserový zdroj generuje vysokoenergetický laserový lúč, ktorý je zameraný na povrch materiálu cez optický systém. Riadiaci systém presne reguluje skenovaciu cestu a parametre laserového lúča, ako je laserový výkon, rýchlosť skenovania a odstupy na písanie. Pracovná stránka sa používa na držanie a pohyb materiálu, čo umožňuje písanie na celom povrchu.

Počas procesu ryhovania spôsobuje vysoká hustota energie laserového lúča lokalizované, okamžité zahrievanie povrchu materiálu, čo vedie k vyparovaniu alebo roztaveniu a vytváraniu čistej rysovacej čiary. Riadením skenovacej dráhy a parametrov laserového lúča možno dosiahnuť rôzne tvary a veľkosti ryhovacích vzorov.

Úvod do zariadenia Perovskite Laser Scribing:

Toto zariadenie je vybavené nezávisle vyvinutým riadiacim softvérom a podporuje priamy import údajov CAD, spolu s polohovaním fotoaparátu CCD pre automatické laserové písanie, čím je prevádzka jednoduchá a efektívna. Prostredníctvom úprav softvéru softvéru v reálnom čase galvanometrového, lineárneho motora a elektrického zdvíhacieho zdvíhacieho pracovného stavu v kombinácii s dizajnom vákuovej adsorpčnej zásobníky efektívne zaisťuje stabilitu počas procesov laserového písacieho okna.

Solárny perovskitový batériový laserový škrabací stroj

Integráciou CNC technológie, laserovej technológie a softvérovej technológie toto zariadenie stelesňuje pokročilé výrobné vlastnosti, ako je vysoká flexibilita, presnosť a rýchlosť. Je schopný vykonávať presné, vysokorýchlostné ryhovanie rôznych vzorov a veľkostí v širokom rozsahu pri zachovaní vysokej výrobnej kapacity. Tento produkt je spoľahlivý, stabilný a ponúka vynikajúci pomer výkonu a ceny.

Primárnou funkciou laserového zariadenia v prípravách perovskitu je rozdelenie solárnych článkov vo veľkom oblastí do viacerých podbunk s rovnakou veľkosťou a povoliť sériové spojenia medzi týmito čiastkami. Laserové vybavenie môže navyše vyrábať sledovateľné informácie, ako sú znaky, QR kódy a logá spoločnosti, na substrát.

Kvôli obmedzeniam jednovlnových laserov pri spracovaní materiálu sme na ryhovanie každej vrstvy perovskitových solárnych článkov vybrali rôzne lasery, aby sme zaistili optimálne výsledky spracovania a kvalitu. Tieto lasery sú špeciálne prispôsobené pre vrstvy P1, P2, P3 a P4.

1. Vzorovanie elektród a funkčných vrstiev

Čistenie P1 (divízia prednej elektród):

Pri príprave perovskitových solárnych článkov musí predná elektróda najskôr prejsť vzorovaním. Laserové rycie zariadenie môže presne vykonávať rytie P1 na prednej elektródovej vrstve (napr. priehľadná vodivá oxidová elektróda), pričom rozdeľuje veľkoplošnú prednú elektródu na viacero nezávislých podelektród. Tento krok je rozhodujúci pre následné zapojenie viacerých podčlánkov do série, aby sa vytvoril modul s vyšším napäťovým výstupom. Napríklad presným riadením energie lasera a dráhy skenovania môže byť predná elektróda rozdelená na podelektródové oblasti s jednotnou šírkou, typicky v rozsahu niekoľkých milimetrov. Toto jemné delenie pomáha zvýšiť elektrický výkon batériového modulu.

Čistenie p2 (spracovanie strednej vrstvy):

Laserové rytie P2 primárne pôsobí na medzivrstvu bunky. Dokáže presne odstrániť alebo upraviť lokalizované oblasti medzivrstvy bez poškodenia spodnej prednej elektródy alebo prekrývajúcich funkčných vrstiev. To pomáha znižovať potenciálne problémy so skratmi medzi medzivrstvou a inými vrstvami a zároveň optimalizovať dráhy prenosu náboja medzi medziľahlou vrstvou a prednými/zadnými elektródami, čím sa zlepšuje účinnosť fotoelektrickej premeny článku.

P3 ryhovanie (rozdelenie zadnej elektródy):

Na zadnej elektródovej vrstve sa vyžaduje aj ryhovanie P3. Laserové rycie zariadenie môže účinne odstrániť špecifické oblasti zadnej elektródovej vrstvy, rozdeliť ju na nezávislé celky a zároveň zabezpečiť dobré elektrické spojenie medzi zadnou elektródou, medzivrstvou a prednou elektródou. To umožňuje každému podčlánku správne fungovať a dosiahnuť sériové pripojenie, čím sa zvýši celkový výstup napätia batériového modulu.

2. Zlepšenie integrácie batériového modulu

Pripojenie batérií série:

Prostredníctvom viacerých ryhovacích procesov (P1-P3) vykonávaných laserovým ryhovacím zariadením je možné efektívne zapojiť viacero jednotiek perovskitových solárnych článkov do série. Toto sériové pripojenie zvyšuje výstupné napätie batériového modulu, čo umožňuje perovskitovým solárnym článkom lepšie spĺňať napäťové požiadavky praktických aplikácií. Napríklad v aplikáciách, ako je fotovoltaika integrovaná do budovy (BIPV), batériové moduly musia poskytovať vyššie napätie, aby zodpovedali elektrickým systémom budov. Sériová štruktúra dosiahnutá laserovým rytím dokáže efektívne splniť túto požiadavku.

Optimalizácia rozloženia batérie:

Laserové rytie možno použiť aj na optimalizáciu rozloženia batériových článkov v module. Na základe požiadaviek špecifických aplikácií, ako sú rôzne tvary, veľkosti a energetické nároky, laserové rycie zariadenie umožňuje flexibilné nastavenie veľkostí a usporiadania buniek. To pomáha integrovať viac batériových článkov do obmedzeného priestoru, čím sa zlepšuje hustota výkonu modulu a umožňuje väčší výstup energie z rovnakej oblasti.

3. Zlepšenie výkonu a stability batérie

Zníženie rekombinácie nosičov:

Presné laserové ryhovanie optimalizuje rozhrania medzi vrstvami batérie. Riadením laserovej energie a presnosti ryhovania počas procesu môže byť kontakt medzi vrstvami pevnejší a čistejší, čím sa znížia defekty a nečistoty na rozhraniach. To pomáha minimalizovať rekombináciu nosičov na rozhraniach, čo umožňuje efektívnemu prenosu viacerých fotogenerovaných nosičov na elektródy, čím sa zlepšuje skratový prúd batérie a účinnosť fotoelektrickej konverzie.

Ošetrenie izolácie okrajov (izolácia okrajov P4):

Pri príprave slnečných článkov perovskitu sa laserové písacie zariadenie používa aj na izoláciu okrajov P4. Tento proces odstraňuje vrstvu filmu približne 10 mm širokú blízko skleneného okraja, aby sa vytvorila izolačná oblasť. Táto prevádzka účinne zabraňuje únikovým prúdom na okrajoch batérie, čím sa zvyšuje stabilita a bezpečnosť batérie. Najmä pri dlhodobom používaní v prírode sa vyhýba degradácii výkonu a bezpečnostným rizikám spôsobeným únikom okraja.

Kľúčové technické špecifikácie

1. Presnosť písania:

Presnosť šírky riadku:Schopnosť presne ovládať šírku napísaných čiar je nevyhnutná, s minimálnou odchýlkou ​​v šírke čiary. Presnosť šírky šírky čiary by sa vo všeobecnosti mala dostať na úroveň mikrometrov, ako napríklad približne 10 mikrometrov alebo dokonca vyššia presnosť. To zaisťuje presné rozdelenie funkčných vrstiev v perovskitových solárnych článkoch a optimálny výkon čiastkových buniek. Nedostatočná presnosť šírky šírky vedenia môže viesť k vnútorným skratom alebo k otvoreným obvodom, čo ovplyvňuje účinnosť a stabilitu batérie.

Presnosť umiestnenia:Zabezpečenie presného umiestnenia narysovaných čiar je rozhodujúce pre sériové zapojenie podčlánkov a vedenie prúdu v perovskitových solárnych článkoch. Presnosť polohovania zvyčajne musí dosiahnuť úroveň mikrometrov s opakovateľnosťou riadenou v rozmedzí ±10 mikrometrov. To zaisťuje, že poloha každej narysovanej čiary je vysoko v súlade s konštrukčnými požiadavkami.

2. Rýchlosť písania:

Vysoké rýchlosti ryhy môžu zlepšiť efektivitu výroby a znížiť výrobné náklady. Pre veľké výrobné linky perovskitových solárnych článkov je kritickým ukazovateľom rýchlosť rytia laserového rycieho zariadenia. Vo všeobecnosti by rýchlosť rytia mala dosahovať niekoľko metrov za sekundu alebo viac. Niektoré zariadenia môžu napríklad dosiahnuť vysokorýchlostné spracovanie rýchlosťou 2,5 metra za sekundu.

3. Šírka mŕtvej zóny:

V perovskitových solárnych článkoch sa mŕtva zóna vzťahuje na oblasť negenerujúcu energiu od najvzdialenejšieho okraja čiary P1 po najvzdialenejší okraj čiary P3 po laserovom ryhovaní. Menšia šírka mŕtvej zóny zvyšuje efektívnu oblasť generovania energie batérie, čím sa zvyšuje celková účinnosť batériového modulu. Preto je šírka mŕtvej zóny dôležitým ukazovateľom výkonu laserového rycieho zariadenia. Šírka mŕtvej zóny musí byť zvyčajne kontrolovaná v najmenšom možnom rozsahu, ako je jej stabilizácia pod 150 mikrometrov.

4. Teplom ovplyvnená zóna (HAZ):

Keďže perovskitové materiály sú citlivé na teplotu, teplo generované počas laserového ryhovania môže ovplyvniť výkon perovskitovej vrstvy. Preto je nevyhnutné minimalizovať tepelne ovplyvnenú zónu (HAZ) počas laserového ryhovania. Vo všeobecnosti by mal byť HAZ kontrolovaný do 2 mikrometrov a niektoré pokročilé zariadenia ho môžu dokonca znížiť pod 1 mikrometer, čím sa zabezpečí, že výkon perovskitovej batérie zostane neovplyvnený procesom ryhovania.

5. Výkon lasera:

Laserová sila:Laserový výkon sa musí presne upraviť na základe vlastností materiálu perovskitovej batérie a požiadaviek na písanie. Nadmerná energia môže poškodiť materiál batérie, zatiaľ čo nedostatočný výkon môže nedosiahnuť efektívne písanie. Napríklad pre perovskitové filmy s rôznymi hrúbkami sa musí zvoliť vhodná laserová energia, aby sa zabezpečila kvalita a hĺbka na písanie.

Šírka laserového impulzu:Šírka impulzu lasera tiež ovplyvňuje výsledky ryhovania. Kratšie šírky impulzov znižujú tepelný vplyv na materiál, čím zlepšujú presnosť a kvalitu ryhy. Bežné šírky laserových impulzov zahŕňajú nanosekundy, pikosekundy a femtosekundy. V perovskitovom laserovom zariadení so solárnymi článkami sa vhodná šírka impulzu vyberá na základe špecifických požiadaviek.

6. Stabilita a spoľahlivosť zariadenia:

Vo veľkej výrobe musí laserové písacie zariadenie fungovať stabilne po dlhú dobu, čo je rozhodujúca stabilita a spoľahlivosť. To zahŕňa stabilitu mechanickej štruktúry, optického systému a riadiaceho systému. Zariadenie by malo zachovať konzistentnú presnosť a rýchlosť písania počas predĺženej prevádzky s nízkymi mierami zlyhania a dlhou životnosťou.

7. Oblasť spracovania:

Na uspokojenie výrobných potrieb solárnych článkov perovskitu musí mať laserové písacie zariadenie dostatočne veľkú spracovateľskú plochu, aby sa prispôsobili komponentom rôznych veľkostí. Napríklad niektoré zariadenia dokážu spracovať komponenty solárnych slnečných buniek perovskitu s ultra veľkým množstvom merania 1,2 metra x 2,4 metra.

Špecifické prípady optimalizácie parametrov

1. Kontrola presnosti písania:

Požiadavka na presnosť na úrovni mikrónov: Perovskitové solárne články majú jemnú štruktúru, ktorá vyžaduje extrémne vysokú presnosť ryhy, zvyčajne na úrovni mikrónov. Napríklad presnosť šírky čiary musí byť kontrolovaná v rozmedzí niekoľkých mikrometrov alebo ešte viac, aby sa zabezpečilo presné oddelenie funkčných vrstiev a dobrý výkon podbuniek. Ak sa šírka linky príliš odchyľuje, môže to spôsobiť skraty alebo otvorené obvody v článku, čo ovplyvní účinnosť a stabilitu fotovoltaickej konverzie.

Výzva pre presnosť: Výzvou je aj zabezpečenie presnej polohy ryhy na veľkoplošných moduloch perovskitových buniek. Polohy každej rysovacej čiary (ako sú čiary P1, P2 a P3) musia prísne dodržiavať konštrukčné požiadavky; v opačnom prípade to ovplyvní sériové pripojenie podčlánkov a celkový výkon modulu článku. Okrem toho je ďalšou významnou výzvou zachovanie presnosti polohy počas vysokorýchlostného ryhovania.

2. Kontrola tepelného efektu:

Tepelné poškodenie: Perovskitové materiály sú citlivé na teplotu a teplo generované počas laserového ryhovania môže poškodiť výkonnosť perovskitovej vrstvy. Nadmerné teploty môžu spôsobiť rozklad, fázové zmeny alebo defekty v perovskitovom materiáli, čím sa zníži účinnosť fotovoltaickej konverzie. Preto je potrebné presne riadiť energiu lasera a expozičný čas, aby sa minimalizoval rozsah a dosah tepelne ovplyvnenej zóny.

Problémy s tepelným stresom: Lokalizované vysoké teploty generované počas laserového ryhovania môžu vytvárať tepelné napätie v perovskitovom filme, čo vedie k problémom, ako je praskanie alebo deformácia, ktoré ovplyvňujú štrukturálnu integritu a výkon bunky. Účinné uvoľnenie tepelného napätia počas procesu ryhovania je technickou výzvou, ktorú je potrebné riešiť.

3. Minimalizácia mŕtvych zón:

Definícia mŕtvych zón: Mŕtva zóna sa vzťahuje na oblasť negenerujúcu energiu od vonkajšej strany čiary P1 po vonkajšiu stranu čiary P3 po laserovom ryhovaní. Čím väčšia je šírka mŕtvej zóny, tým vyšší je podiel oblastí, ktoré negenerujú energiu v článku, a tým nižšia je účinnosť podčlánkov. Pri výrobe perovskitu je potrebné minimalizovať šírku mŕtvej zóny, aby sa zvýšila efektívna plocha na výrobu energie a celková účinnosť článku. To si vyžaduje laserové rycie zariadenie s vysoko presnými riadiacimi schopnosťami a stabilným výkonom spracovania, ako aj optimalizovaný dizajn buniek a ryhovacie procesy.

4. Spracovanie rozsiahleho modulu:

Veľkoplošná uniformita: S rozvojom technológie perovskitových solárnych článkov sa zvyšuje dopyt po rozsiahlych moduloch. Zabezpečenie jednotnosti a konzistentnosti laserového ryhovania na veľkoplošných moduloch je veľmi náročné. Napríklad na moduloch na úrovni štvorcových metrov môžu kvalitu ryhy ovplyvniť faktory, ako je distribúcia energie lasera a rovnomernosť rýchlosti skenovania. Je potrebné vyvinúť pokročilé technológie laserového skenovania a riadenia energie.

Zvýšené ťažkosti so zaostrením: Plochosť povrchu veľkých modulov je často nízka, čo sťažuje laserové zaostrovanie. Stabilita a presnosť laserového zaostrenia sú rozhodujúce pre kvalitu ryhy. Na prispôsobenie sa požiadavkám spracovania veľkých modulov sú potrebné vysoko presné riadiace systémy zaostrovania, ktoré zabezpečia, že laser zostane zaostrený v správnej polohe počas celého procesu.

5. Stabilita a spoľahlivosť zariadenia:

Dlhodobá nepretržitá prevádzka: Výroba perovskitových solárnych článkov je zvyčajne rozsiahly kontinuálny proces, ktorý si vyžaduje, aby zariadenie na laserové rytie fungovalo stabilne po dlhú dobu. To kladie vysoké nároky na stabilitu a spoľahlivosť rôznych komponentov, vrátane mechanickej konštrukcie, optického systému a riadiaceho systému. Napríklad životnosť lasera, odolnosť optických komponentov proti opotrebeniu a schopnosť riadiaceho systému proti rušeniu musia prejsť prísnym testovaním a overovaním.

Kompatibilita procesov: Laserové rycie zariadenie musí byť kompatibilné s inými výrobnými procesmi perovskitových článkov, ako je poťahovanie a balenie, aby sa zabezpečil hladký tok výroby. Konštrukcia a nastavenie parametrov zariadenia musia zodpovedať požiadavkám procesov na začiatku a v smere výroby, aby sa predišlo zníženej efektívnosti výroby alebo problémom s kvalitou v dôsledku nekompatibility procesov.

6. Optimalizácia parametrov laserom:

Výber výkonu lasera: Výber laserovej energie musí byť presne upravený podľa charakteristík perovskitových materiálov, hrúbky filmu a rýchlosti písania. Nadmerná energia môže spôsobiť nadmerné poškodenie materiálu, zatiaľ čo nedostatočná sila nedosiahne efektívne písanie. Preto je potrebné stanoviť presný model vzťahu medzi laserovým výkonom a efektmi spracovania materiálu, aby sa rýchlo a presne vybrali vhodné parametre laserového výkonu.

Šírka a frekvencia pulzu: Šírka impulzu a frekvencia lasera tiež ovplyvňujú kvalitu a efektivitu ryhovania. Rôzne perovskitové materiály a štruktúry môžu vyžadovať rôzne parametre šírky impulzu a frekvencie, aby sa dosiahli najlepšie výsledky ryhovania. Preto je potrebný hĺbkový výskum a optimalizácia parametrov laserových impulzov, aby sa splnili požiadavky výroby perovskitu.