阅读说明：本技术 一种太阳能电池快速光衰方法及设备 (Solar cell rapid light attenuation method and device ) 是由 朱俊 朱凡 黄海平 李志刚 陆红艳 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种太阳能电池快速光衰方法及设备,在一定温度下对太阳能电池采用激光光源进行照射,使得太阳能电池进行快速光衰,其中激光光源发出的激光照射在太阳能电池上的光斑为平顶光斑,且覆盖太阳能电池。本发明用稳定的、高光强的、长寿命的激光器作为光源,大大减少了太阳能电池的光衰时间,使得快速、及时反映太阳能电池光衰检验结果成为可能；同时也极大地提高工作效率,减少电能消耗、减少设备维护费用,节约了成本。(The invention provides a method and equipment for quickly attenuating light of a solar cell, wherein the solar cell is irradiated by a laser light source at a certain temperature to realize quick attenuation of the light of the solar cell, and light spots emitted by the laser light source and irradiated on the solar cell are flat-top light spots and cover the solar cell. The invention uses a stable, high-light-intensity and long-life laser as a light source, thereby greatly reducing the light decay time of the solar cell and making it possible to quickly and timely reflect the light decay test result of the solar cell; meanwhile, the working efficiency is greatly improved, the electric energy consumption is reduced, the equipment maintenance cost is reduced, and the cost is saved.)

一种太阳能电池快速光衰方法及设备

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种太阳能电池快速光衰方法及设备。

背景技术

硼(B)掺杂的P型单晶硅电池的光衰现象早在1973年已发现，该光衰之后被发现可一定程度恢复的。Jan Scht发现了该光衰主要是“B-O对”引起的并给出了该缺陷的结构。Axel Herguth提出了“再生态”理论解释初始光衰后功率恢复并保持稳定的原理。P型多晶硅电池的衰减则因氧含量相对少而恢复过程不明显，该衰减被认为不仅与B-O对相关，同时也与金属杂质相关。

B-O引起的光衰经过一段时间的光照可有一定程度的恢复，如P型单晶硅组件在最初户外运行的2~3个月，会经历较明显的衰减与部分恢复过程，商业化产品首年的衰减可保持在3%以内，P型多晶组件的首年衰减则一般按2.5%来质保。

目前含有正背面双层钝化膜的晶体硅太阳能电池（PERC）已经得到商业化量产；单晶PERC电池的平均量产转换效率已经突破22.5%,使得晶体硅太阳能电池对于体材料的要求日益严苛，具体就表现在晶体硅太阳能电池的光致衰减方面。这种衰减通常发生在有载流子注入的情况下。由于太阳能池经过光照后便会自身产生载流子，因此这种衰减也就称之为光致衰减（光衰）。之前的太阳能电池，通常背面没有进行表面钝化，直接由硅片与金属电极接触，故载流子的复合速率很高，远远大于材料内部硼氧复合体带来的载流子复合速率。因此之前的太阳能电池存在光衰，但是光衰幅度并不是太大。正常情况下经过5H氙灯模拟日光照射（1kW/m²），单晶太阳能电池效率相对光衰率也就2%左右，多晶则更小。但是经过正背面双面钝化后，电池表面的复合速率大幅度降低，以至于硼氧复合体形成后的硅片体内复合速率成为影响材料少子寿命和电池转换效率的主要因素。一般情况下，PERC电池经过5H氙灯模拟日光照射（1kW/m²）效率衰减比例可以达到5%甚至更高。

光衰需要一个过程，一般当太阳能电池表面总辐照能量达到5kW·h/m²时，电池效率可以衰减到最低。因此常规光衰炉是在金卤灯或氙灯光源辐照下，辐照功率达到1kW/m²时，电池表面温度控制在60度以下，照射5小时，可达到总辐照能量为5kW·h/m²的要求。

为保证太阳电池的品质，光衰率是一个必须频繁抽检的指标之一。但是每次数个小时的辐照，占有较长时间，很难做到检验结果的及时化；另外由于金卤灯和氙灯的光比较分散，照射到太阳能电池表面的光只有光源总辐照的很少一部分，因此必须使用多根金卤灯或氙灯管同时照射，才能使太阳能电池表面的辐照功率达到1kW/m²，因此常规光衰炉的能耗很高。并且，金卤灯或氙灯光源的使用寿命一般在2个月，需要频繁地更换灯管，维护成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种太阳能电池快速光衰方法及设备，能够大大减少太阳能电池的光衰时间，快速及时反映太阳能电池光衰检测结果，减少设备维护成本。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种太阳能电池快速光衰方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

在一定温度下对太阳能电池采用激光光源进行照射，使得太阳能电池进行快速光衰，其中激光光源发出的激光照射在太阳能电池上的光斑为平顶光斑，且覆盖太阳能电池。

按上述方法，所述的一定温度为50-300℃。

按上述方法，激光照射在太阳能电池表面的光强≥20kW/m²。

按上述方法，激光为红外激光。

按上述方法，在激光光源进行照射过程中，对太阳能电池进行温控，使太阳能电池维持在一定温度上下一定波动范围内。

按上述方法，激光光源的照射时间为10s-200s。

按上述的一种太阳能电池快速光衰方法，包含以下步骤。

S1、对太阳能电池进行预热，达到所述的一定温度；

S2、对预热后的太阳能电池，在一定温度下采用激光光源进行照射，使得太阳能电池进行快速光衰，其中激光光源发出的激光照射在太阳能电池上的光斑为平顶光斑，且覆盖太阳能电池；

S3、对太阳能电池进行冷却。

一种用于实现所述的太阳能电池快速光衰方法的设备，其特征在于：本设备包括激光装置、载物台和控温装置；其中，

所述的太阳能电池放置于载物台上，控温装置用于使太阳能电池处于一定温度下，激光装置用于向所述的太阳能电池照射经过平顶整形的激光；

所述的激光装置包括激光器和激光整形装置，激光器用于发出激光，激光整形装置用于将激光器发出的激光进行平顶整形至合适尺寸，覆盖太阳能电池片的表面。

按上述设备，所述的激光整形装置为衍射光学器件或光纤激光匀化器。

按上述设备，还包括上料装置，用以将待加工电池片放置到载物台上。

按上述设备，还包括下料装置，用以将加工完成的太阳能电池片从载物台移走。

按上述设备，所述的载物台包含3个工位，按照加工顺序依次为上料工位、激光照射工位和下料工位，分别进行太阳能电池片上料、激光照射和下料。

按上述设备，所述的上料工位、激光照射工位和下料工位沿周向布设，由3个台面通过旋转机构旋转到达。

按上述设备，所述的上料工位、激光照射工位和下料工位沿直线布设，通过传送带传送到达。

按上述设备，还包括设置在激光照射工位之前的预热工位，所述预热工位上设置有加热装置，用以对太阳能电池片进行预热。

本发明的有益效果为：

1、用稳定的、高光强的、长寿命的激光器作为光源，大大减少了太阳能电池的光衰时间，使得快速、及时反映太阳能电池光衰检验结果成为可能；同时也极大地提高工作效率，减少电能消耗、减少设备维护费用，节约了成本。

2、在光衰时对太阳能电池进行恒温控制，可以防止电池片温度波动过大，从而提高光衰工艺效果的稳定性。同时可以激活太阳能电池内部硼原子和氧原子的活性，提高扩散速率，使得太阳能电池效率能够更快地衰减,有效减小太阳能电池光衰所需的总光强（即太阳能电池表面接受的总辐照能量小于5kW·h/m²亦可达到普通光衰炉的衰减效果）。

3、在光衰之前对太阳能电池进行预热，能够防止由于激光照射导致太阳能电池表面温度急剧升高、破坏电池结构。

附图说明

图1为本发明一实施例的光衰过程示意图。

图2为本发明一实施例的方法流程图。

图3为本发明一实施例的设备机构示意图及上下料过程示意图，其中（a）为（b）的俯视角度。

图4为本发明又一实施例的设备结构示意图及上下料过程示意图，其中（a）为（b）的俯视角度。

图5为本发明又一实施例的设备结构及上下料过程示意图。

图6为本发明又一实施例的设备结构及上下料过程示意图。

图7为本发明又一实施例的设备结构示意图及上下料过程示意图，其中（a）为（b）的俯视角度。

图8为太阳能电池光衰后效率衰减效果对比图。

图中：1-太阳能电池，2-载物台，3-激光光源，4-上料工位，5-预热工位，6-激光照射工位，7-下料工位，8-上料装置，9-下料装置，10-第一工位，11-第二工位，12-旋转电机，13-旋转臂，14-上下料装置。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种太阳能电池快速光衰方法，本方法所述的太阳能电池可以为常规BSF电池、MWT电池、PERC电池、PERL电池、PERT电池等。

如图1和图2所示，本方法包括以下步骤：

在一定温度下对太阳能电池1，采用激光光源3进行照射，使得太阳能电池1进行快速光衰，其中激光光源3发出的激光照射在太阳能电池1上的光斑为平顶光斑，且覆盖太阳能电池1表面（上表面，即）。该一定温度为50-300℃，优选的为50-200℃，更为优选的80-150℃。太阳能电池1表面的光强≥20kW/m²,更优选的≥60kW/m²。激光为红外激光,激光的波长优选为800nm-1100nm，也可以采用其它波长的激光，例如紫外、绿光等。光强=功率/面积，因此在确定光强后，由于太阳能电池的面积已知，能够确定激光的功率，大约为500W-5000W。激光光源3的照射时间为10-200s,优选的为25-90s。本实施例中，太阳能电池1设置在载物台2上。激光光斑可以为圆形、方形、不规则形状，只要激光在台面上的照射区域必须将太阳能电池全部覆盖即可。使用上述大功率激光对太阳能电池表面进行照射，使得太阳能电池表面受到足够的光照，只需极短的时间便能够达到普通光衰炉5小时的衰减效果。

本发明以高功率激光为太阳能电池光衰光源，由于激光方向性好，激光光束聚集到太阳能电池表面，可以将太阳能电池表面的光强提高到20kW/m²甚至60kW/m²以上，因此可以在很短的时间内达到电池效衰减到最低时需要的总辐照量，极大地缩短了太阳能电池光衰时间；并且激光稳定性好，寿命长，激光能量和光照强度可以实时监控，基本不需要进行备品备件更换，维护成本低。另外，由于激光光束能量全部聚集到太阳能电池表面，能量浪费很少，因此激光快速光衰的能耗远远低于传统光衰炉，更加节能环保。激光快速光衰的时间很短，减少了太阳能电池在高温下与空气接触时间，防止太阳能电池金属电极的氧化，保护了太阳能电池。

由于激光的光强高，直接照射在太阳能电池上会对太阳能电池有损坏，因此首先对太阳能电池进行预热操作。通过对太阳能电池进行预热，还可以激活太阳能电池内部硼原子和氧原子的活性，提高扩散速率，使得太阳能电池效率能够更快地衰减，有效减小太阳能电池光衰所需的总光强（即太阳能电池表面接受的总辐照能量小于5kW·h/m²亦可达到普通光衰炉的衰减效果）。

此外，在激光光源进行照射过程中，对太阳能电池进行温控，使太阳能电池维持在所述一定温度上下一定波动范围内，即在预热达到所述的一定温度后，维持一定温度±5℃，优选±1℃，这样能够防止电池片温度波动过大，从而提高光衰工艺效果的稳定性。

参见图2，本方法包括优选的，还包括对太阳能电池1进行预热，达到一定温度的预处理步骤。该一定温度为50-300℃，优选的为50-200℃，更为优选的80-150℃。太阳能电池1从室温预热到所述的一定温度很快，预计达到1-2s。

优选的，激光照射后，还包括对电池片进行冷却的后处理步骤。可以为自然冷却，也可以采用风冷、水冷的方式进行冷却。

本发明还提供一种用于实现所述的太阳能电池快速光衰方法的设备，本设备包括激光装置、载物台和控温装置；其中，所述的太阳能电池放置于载物台上，控温装置用于使太阳能电池处于一定温度下，优选的，维持维持一定温度±5℃，优选±1℃，激光装置用于向所述的太阳能电池照射经过平顶整形的激光；所述的激光装置包括激光器和激光整形装置，激光器用于发出激光，激光整形装置用于将激光器发出的激光进行平顶整形至合适尺寸，覆盖太阳能电池片的表面。

所述的激光器可以为连续或者脉冲激光器，脉冲宽度是微秒、纳秒、皮秒或者飞秒。

所述的激光器可以为红外、紫外或者绿光激光器，优选的为红外激光器。

所述的激光整形装置为光学衍射器件或光纤激光匀化器。对激光器的的出射光进行整形并放大时，可以根据实际需求来设计光路，从而控制光斑的形状、大小和能量分布。激光功率可以实时、准确监控，并且快捷方便，而普通光衰炉的光照强度必须将全部灯光打开后关闭炉门进行长时间测试。

实现激光束整形（beam shaper）的技术手段较多，衍射光学元件（DOE）是其中之一，通过衍射器件对激光的相位进行调制获得能量分布均匀、边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑，也可称为平顶帽式（Top-hat）光斑。光斑形状可以是圆形，矩形，正方形，直线，椭圆或可以根据客户需求进行定制。当激光光束经过平顶光束整形器后，它能使光斑的能量分布得到均匀的处理，达到平顶光的效果。

光纤激光匀化器的原理为：高斯光以一定的发散角入射，通过光纤激光匀化器后输出准直的平顶激光。

其他可以实现激光整形的整形器件，只要能够将光斑整形成平顶光斑即可。

本领域的技术人员可知的，在激光装置中，还包括设置在激光器和光束整形器件之间的准直装置，以及设置在整形器件后的聚焦装置。

当然，也可以增加其他部件，包括扩束镜、反射镜等，优化光路。

所述的控温装置为设置在载物台上的控温板，也可以使用设置在载物台外的腔体控温。控温装置也可以用以对太阳能电池片进行预热，预热完成后进行控温，在一定温度下完成激光照射步骤。

优选的，本设备还包括用于将太阳能电池移送至载物台的上料装置，可以为带吸盘机械手上料等方式。

进一步优选的，本设备还包括用于将太阳能电池从载物台移走的下料装置。所述的下料装置可以为带吸盘的机械手等方式，吸盘优选的为金属吸盘。所述的金属吸盘上设有水冷或风冷装置。如此设置，可以在下料的过程中，利用金属吸盘的导热性对太阳能电池进行散热，另外采用水冷或风冷进行辅助，使得太阳能电池光衰后能够在下料过程中迅速降至室温。

在工位的设置上，可以设置多个工位，主要是为了将激光照射和上料、下料等分成单独的工位，这样在一个太阳能电池片激光照射时，下一片太阳能电池片在上料的过程中，实现连续化生产，从而节约整体时间。

作为一种工位的设置，如图3所示，所述的载物台包含3个工位，按照加工顺序为上料工位4、激光照射工位6和下料工位7，激光光源3设置在激光照射工位6上方。上料工位4、激光照射工位6和下料工位7沿周向布设，由3个台面通过旋转机构旋转到达。上料工位4与上料装置8对应，下料工位7与下料装置9对应。

优选的，还可以包括单独设置在上料工位和照射工位之间的预热工位5，用以进行预热。

作为一种工位的设置，如图4所示，所述的载物台包括4个工位，按照加工顺序依次为上料工位4、预热工位5、激光照射工位6和下料工位7；激光光源3设置在激光照射工位6上方。上料工位4、预热工位5、激光照射工位6和下料工位7沿周向布设，由4个台面通过旋转机构旋转到达。上料工位4与上料装置8对应，下料工位7与下料装置9对应。

作为另一种工位的设置，作为第一种工位设置的优化方案，上料工位和下料工位可以为同一个工位。

作为另一种工位的设置，如图5所示，载物台包含3个工位，照加工顺序依次为上料工位4、激光照射工位6和下料工位7；上料工位4、激光照射工位6和下料工位7，在传送带上依次排列，通过传送带传送到达。上料工位4与上料装置8对应，下料工位7与下料装置9对应。

作为另一种工位的设置，如图6所示，载物台包括4个工位，按照加工顺序依次为上料工位4、预热工位5、激光照射工位6和下料工位7；上料工位4、预热工位5、激光照射工位6和下料工位7，在传送带上依次排列，通过传送带传送到达。

作为另一种工位的设置，如图7所示，载物台包括2个工位，其中第二工位11用于上下料，第一工位10用于激光照射，由2个台面通过旋转机构旋转到达。旋转机构包括中间的旋转电机12和旋转电机两边设置的旋转臂13，两个旋转臂13分别连接两个台面。此设置下，上下料装置14为一体化结构，可以为同一个吸盘。

实施例1

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为156.75mm×156.75mm。

一种以激光为光源的太阳能电池快速光衰方法，按照如下方法进行：

在50℃下，对太阳能电池表面进行激光照射，所述激光器为红外连续激光器，波长为808nm，光强为20kw/m²，照射时间为200s，激光光斑为160mm×160mm方形光斑，覆盖电池片表面，激光能量在光斑内均匀分布。高功率的激光照射到预热完成的太阳能电池上，可以加快硼原子和氧原子结合形成硼氧复合体，形成少子复合中心，造成光致衰减，得到平均效率衰减1.67%。

实施例2

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为156.75mm×156.75mm。

本实施例方法与实施例1相同，具体参数为：温度80℃，光强40 kw/m²，激光器波长为980nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间90s，平均效率衰减1.55%。

实施例3

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为156.75mm×156.75mm。

本实施例方法与实施例1相同，具体参数为：温度110℃，光强60 kw/m²，激光器波长为1030nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间55s，平均效率衰减1.64%。

实施例4

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为158.75mm×158.75mm。

本实施例方法与实施例1相同，具体参数为：温度150℃，光强100 kw/m²，激光器波长为1064nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间32s，平均效率衰减1.63%。

实施例5

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为158.75mm×158.75mm。

本实施例方法与实施例1相同，具体参数为：温度200℃，光强200 kw/m²，激光器波长为1080nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间15s，平均效率衰减1.83%。

实施例6

本实施例以单晶PERC太阳能电池为例，其尺寸为158.75mm×158.75mm。

本实施例方法与实施例1相同，具体参数为：温度300℃，光强300 kw/m²，激光器波长为1080nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间10s，平均效率衰减1.72%。

实施例7

本实施例和实施例5类似，区别在于还包括预热和冷却步骤，具体的，一种以激光为光源的太阳能电池快速光衰方法，按照如下方法进行：

1、对太阳能电池进行预热，预热时间10s（加热至预热温度所需时间很短,大约1-2s，大部分时间为在预热工位恒温等待激光照射工位完成照射后进入照射工位，因此预热时间与照射时间相同,当预热工位和加工工位为同一工位时,预热1-2s也可实现相同效果），使太阳能电池温度达到20℃；该步骤可以在对太阳能电池进行分选之后，将分选出的太阳能电池放于恒温加热台面上进行预热。通过对太阳能电池进行预热，在光衰之前对太阳能电池进行预热，能够防止由于激光照射导致太阳能电池表面温度急剧升高、破坏电池结构。

2、对太阳能电池表面进行激光照射，温度200℃，光强200 kw/m²，激光器波长为1080nm，光斑尺寸160mm×160mm方形光斑，照射时间10s。

3、对电池片进行冷却。

本实施例的平均效率衰减2.06%。

本实施例增加预热后，可以充分激活太阳能电池内部硼原子和氧原子的活性，提高扩散速率，增加激光快速光衰的效果和稳定性。

使用本发明提供的激光快速光衰方法，太阳能电池的效率衰减比例与业内常规光衰炉5小时光衰的效率衰减比例相当。如表1所示，激光快速光衰单片平均加工时间1分钟，远低于常规光衰炉15分钟的加工时间，极大地提高了光衰测试的速度，为光衰的及时监控提供了可行的解决方案；并且，由于激光快速光衰的时间远远少于普通光衰炉，电池片不易被氧化，可消除其他因素对电池性能的影响。另外，使用本发明的快速光衰方法，能耗和设备维护成本远低于常规光衰炉，极大地降低了太阳能电池生产成本和检测成本。

采用本发明的方法(激光光强60 kW/m²为例),和现有技术的金卤灯或者氙灯光衰炉进行对比,实验结果如下:

现有技术和本发明的方法的光衰减比例分别为1.69%和1.64%-1.83%；

现有技术和本发明的方法的每次光照时间分别为300min和约1min；

现有技术和本发明的方法的每次光衰片数分别为20片和1片；

现有技术和本发明的方法的单片平均加工时间分别为15min和1min；

现有技术和本发明的方法的产能/天分别为96片/天和1440片/天；

现有技术和本发明的方法的5GW电池产能所需台数分别为3台和1台；

现有技术和本发明的方法的总能耗分比为19.8kW和2.16kW；

现有技术和本发明的方法的总维护费用分别为25.5万元/年和6万元/年。

图7为太阳能电池光衰后效率衰减效果对比图。从数据来看，使用本发明的快速光衰，太阳能电池光衰后效率衰减分布与普通光衰炉无明显差异，说明本发明的激光快速光衰稳定性正常。激光快速光衰后，太阳能电池外观无明显损伤，测试EL未发现污染或隐裂，可认为采用本发明的方法激光快速光衰对太阳能电池无损伤。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。