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      半導體激光器 激光切割 激光器
      工業應用
      高功率皮秒激光器加工電池極片及鈣鈦礦電池
      材料來源:ACT激光聚匯           錄入時間:2024/4/3 23:01:46

      文/英谷激光

      隨著工業的不斷發展,生產中對于加工技術的要求也逐步提高,傳統工藝已無法滿足當今社會工業智能化、加工精密化的需求,激光技術應運而生。從最初的納秒激光器,到現如今已趨于國產化的超快激光器,無一不體現出激光加工技術在生產領域的重要性、特殊性。隨著激光技術的不斷革新、完善,多元化市場也在持續被開拓。

      超快激光器簡介

      超快激光器是一種基于半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)、克爾透鏡等鎖模技術、脈沖寬度在ps甚至fs量級的激光器。

      超快激光器峰值功率高,單脈沖能量大,在對材料進行加工時,可以有效減少熱效應,邊緣效果好,無熔邊,大大提高加工質量,提升加工效率。

      圖1:激光器的分類方法。

      超快激光器新應用:極片切割

      國家目前正在大力推廣新能源汽車產業發展。根據行業市場分析,截至2023年底,我國新能源汽車保有量為2041萬輛,占汽車保有量比重為6.1%,較2022年底提升兩個百分點。新能源車前景樂觀,動力電池和電極極片作為新能源汽車的核心部件,直接影響著汽車的性能與續航,與動力電池、電極極片有關的技術創新和優化都備受行業矚目。

      (1)超快激光切割極片基本原理

      激光切割的基本原理,是利用高功率密度激光束照射被切割的電池極片,使極片很快被加熱至很高的溫度,迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點而形成孔洞;隨著光束在極片上的移動,孔洞連續形成寬度很窄的切縫,從而完成對極片的切割。

      其中,激光能量和切割移動速度是兩個主要的工藝參數,對切割質量影響巨大。當激光功率太低或者移動速度太快時,極片不能完全切開;而當功率太高或移動速度太低時,激光對材料作用區域變大,切縫尺寸隨之增大。

      鋰電池極片是雙面涂層、中間為集流體金屬層的結構,而且涂層與金屬箔材之間性質差異大,對激光作用的響應也不相同。激光作用在負極石墨層或正極活性物質層時,由于它們具有很高的激光吸收率,導熱系數也很低,因此,涂層需要相對較低的熔化和汽化能量;而中間的金屬集流體對激光具有反射作用,并且熱傳導快,因此金屬層的熔化和汽化需要的激光能量更高。

      圖2:激光切割示意圖。

      (2)切割案例

      采用英谷激光300W皮秒紅外激光器(見圖3),分別對厚度10μm的鋁箔、厚度150μm負極材料、厚度150μm的三元鋰材料和厚度200μm的磷酸鐵鋰材料進行切割。切割效果顯示,各類材料邊緣(毛刺+熱影響)≤40μm,斷面毛刺≤10μm(見圖4a-d)。

      圖3:英谷激光300W紅外皮秒激光器。

      (a)鋁箔區切割效果。

      (b)負極材料切割效果。

      (c)磷酸鐵鋰材料切割效果。

      (d)三元鋰材料切割效果。

      圖4:英谷激光300W皮秒紅外激光器切割各類極片的效果。

      皮秒激光的模切工藝,解決了目前五金模切存在的問題,讓電極極片實現了高效高質量的切割。與傳統的切割方式相比,激光切割具有無污染、更環保、邊緣效果好、加工精度高、加工工具無損耗,運行成本低等優勢,能夠有效提升加工效率、降低企業生產成本,縮短新產品的模切周期(見表1)。

      表1:超快激光切割與傳統切割的對比

      同時具備窄脈寬和高重復頻率的激光器,是動力電池切割的理想選擇。英谷激光的高功率300W紅外皮秒激光器,平均功率大,重復頻率高,效率高,能夠替代傳統模具,為動力電池的加工提供更柔性、更便捷的加工方式。激光切割一方面節約了五金磨具的換刀片時間,另一方面也省去了極片換型的時間,顯著提升了加工效率。從成本角度看,皮秒激光器后續維護成本低,無需耗材,不會出現五金模具切割修模、換模的情況,降低了企業成本,性價比更高。

      鈣鈦礦刻蝕

      除了極片切割這一新應用,鈣鈦礦刻蝕也是當下熱門的話題。

      鈣鈦礦太陽能電池(PSCs),是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池,是第三代高效薄膜電池的代表,也被稱作新概念太陽能電池。一般稱晶體硅太陽能電池為第一代太陽能電池,而將一般型的薄膜太陽能電池歸為第二代。

      第一代太陽能電池制作工藝簡單,但由于關鍵材料晶體硅的價格比較高,因此成本高;且單晶硅太陽能電池的光-電轉換效率已接近29.4%的理論極限,未來效率提升空間小。而第二代薄膜太陽能電池雖然材料和制作的成本較低,但其轉換效率低,僅有6%-10%。

      為了尋找以上兩種太陽能電池的替代品,鈣鈦礦太陽能電池應運而生。它憑借著良好的吸光性、電荷傳輸速率、巨大的開發潛力和綠色環保的加工過程,實現了高效率、高柔性、低成本,被稱為“光伏領域的新一代革命者”。隨著鈣鈦礦原材料的量產化,成本正在大幅降低;與此同時,鈣鈦礦太陽能電池還可以通過與晶硅電池疊層,形成晶硅/鈣鈦礦疊層電池技術路線,為光-電轉換效率帶來質的飛躍,目前全球最高紀錄已達33.2%,未來應用市場潛力較大。

      鈣鈦礦電池雖然優勢很突出,但它的工藝精度要求到0.3~0.5μm,對于激光設備的技術指標、加工精度要明顯高于晶硅電池。

      鈣鈦礦電池結構一般被認為包含P1、P2、P3三層,P1為FTO導電玻璃層,P2為ITO或鈣鈦礦層,P3為鍍金材料或度銀材料,也有些項目組使用碳粉材料。

      激光刻蝕作為鈣鈦礦電池制造工藝中的關鍵環節,其作用在于對P1、P2、P3進行激光劃線,阻斷導通,確保電池間的絕緣性,使整個鈣鈦礦面板形成一道道的子電池,實現增大電壓和串聯電池的效果,并負責P4的清邊,從而完成最后的封裝環節。該工藝的難點主要體現在以下兩方面:

      第一,劃線工藝控制

      激光劃線非常容易損傷電池,對于激光器的功率、脈沖寬度的要求極高。需要保證在對下一層激光刻蝕的同時不傷及上一層級,尤其是P3層襯底為鈣鈦礦薄膜,厚度僅百納米量級,能否做到精準劃線,直接影響著鈣鈦礦電池的良品率和壽命。

      第二,劃線線寬

      在鈣鈦礦太陽能電池生產過程中,有三個步驟需要激光劃線,可稱之為P1線、P2線和P3線。這三條線所包圍的區域是不能用來發電的,故而被稱為死區。死區越大,光能轉化為電能的效率就越低;死區越小,發電有效面積越大,光能轉化為電能的效率也就越大。由于死區面積和P1、P2、P3的線寬直接相關,因此提升激光刻蝕線寬、激光刻蝕線間距的精確度,成為了鈣鈦礦電池技術突破的首要任務。

      激光器作為激光設備的核心零部件,更是重中之重。隨著鈣鈦礦太陽能電池的迅速發展,對于加工的精度和效率要求越來越高,現有的納秒激光器已無法滿足需求。皮秒激光器成為新的刻蝕工具。根據每家公司的情況不同,可選擇皮秒紫外、綠光或者紅外激光器進行刻蝕。目前,英谷激光的皮秒紫外激光器功率最高可達100W,綠光最高達200W,紅外最高達300W,可按需選擇。

      采用英谷皮秒激光器進行實驗,將激光器光斑通過DOE整形成方平頂光進行單次劃線測試。以國內某家的反式鈣鈦礦電池測試為例,皮秒激光器用來去除鈣鈦礦電池中的P2+P3層。

      刻劃P2,去除鈣鈦礦層,厚度為400~600nm(空穴傳輸層+鈣鈦礦吸收層+電子傳輸層以及其他鈍化層),暴露底電極且不損傷底電極;刻劃的線槽為相鄰的兩節子電池正負極提供通道。測試結果顯示,劃刻線寬度為30~60μm(可選),熱影響區≤1μm,火山口≤8nm。

      刻劃P3,將P2層、傳輸層、頂電極層全部劃開,厚度為600~1000nm;刻劃形成子電池之間的相互獨立,并通過上下電子層形成相連的結構。測試結果顯示,劃刻線寬為20~60μm(可選),熱影響區≤6μm,火山口≤60nm。

      圖5:英谷激光皮秒激光器。

      鈣鈦礦的發展前景

      2023年9月,國家能源局發布《關于組織開展可再生能源發展試點示范的通知》,將鈣鈦礦及疊層太陽能電池列入示范工程。2023年11月,工信部等五部門發布《關于開展第四批智能光伏試點示范活動的通知》,優先考慮方向中包括鈣鈦礦及疊層太陽能電池。國家一系列利好政策的出臺,持續助力鈣鈦礦電池行業的發展。據中商產業研究院分析師預測,2024年中國鈣鈦礦電池滲透率將達到0.5%,2030年將增長至30%。2024年中國鈣鈦礦電池新增產能將達2GW,2030年將達161GW,市場前景廣闊。

      超快激光器正在朝著更高功率、更大單脈沖能量的趨勢發展,促進光伏、新能源等行業的蓬勃發展。近年來,超快激光器也在逐漸由國外進口轉向國產化,國產高功率超快激光器市場覆蓋率不斷提高,打破了國外壟斷,為光伏、新能源等行業帶來大幅度的降本增效。


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