在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中，需對(duì)不同功能膜層進(jìn)行精確定位劃線。目前，劃刻工藝主要包括掩模板法、化學(xué)蝕刻、機(jī)械劃片與激光劃片等方式，其中激光劃片因能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的劃區(qū)逐漸成為主流技術(shù)，引入美能鈣鈦礦大面積影像測(cè)試儀，對(duì)劃線形貌、材料殘留及界面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析。

本研究采用532 nm波長(zhǎng)、300 fs脈沖寬度的光纖飛秒激光系統(tǒng)，成功完成了P1、P2及P3全部劃線的制備。經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化，最終確定P1劃線的最佳參數(shù)為劃片速度2000 mm/s、激光功率1.8 W，實(shí)現(xiàn)了縫寬小于10 μm的高質(zhì)量劃線。結(jié)果表明，激光劃片技術(shù)在提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件互聯(lián)性能方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)部分

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實(shí)驗(yàn)材料

激光刻劃的鈣鈦礦組件由 P1、P2、P3 三層構(gòu)成；P1層：厚度約500 nm的ITO玻璃；P2層：約800 nm的混合膜層，包含SnO?（ETL）、FA?.??Cs?.??PbI?鈣鈦礦吸收層和Spiro-OMeTAD（HTL）；P3層：厚度約80 nm的納米金（Au）層。

實(shí)驗(yàn)裝置

選用脈沖寬度300 fs、波長(zhǎng)532 nm的飛秒激光器，最大平均功率40 W，最大重復(fù)頻率500 kHz。光束直徑2 mm，使用2–10倍擴(kuò)束器。激光可工作于單脈沖或脈沖串模式（ 1–10個(gè)脈沖可調(diào)），光束垂直照射樣品，樣品置于XY電動(dòng)平臺(tái)上，定位精度達(dá)微米級(jí)。

表征手段

通過(guò)視頻顯微鏡觀察樣品微觀形貌與結(jié)構(gòu)，激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行劃區(qū)三維成像與劃痕深度測(cè)量，使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量樣品電阻率。

P1劃線工藝優(yōu)化

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不同功率范圍下的激光P1劃線顯微圖像與電阻測(cè)量圖

P1劃線的目標(biāo)是完全去除ITO層而不損傷玻璃基板，當(dāng)激光功率低于1.8 W時(shí)，劃線不徹底，兩側(cè)電阻仍導(dǎo)通（17.3 Ω）；功率高于2.4 W則導(dǎo)致玻璃基板損傷，出現(xiàn)黑色灼燒區(qū)域；在1.8–2.4 W范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)清晰隔離且無(wú)基底損傷。

不同激光劃線速度下的P1劃線區(qū)域顯微圖像

激光功率為2.4W時(shí)，不同速度下的P1劃線顯微圖像

激光功率為2.1W時(shí)，不同速度下的P1劃線顯微圖像

激光功率為1.8W時(shí)，不同速度下的P1劃線顯微圖像

劃片速度也對(duì)加工質(zhì)量有顯著影響。速度超過(guò)2500 mm/s時(shí)熱影響區(qū)明顯增大，因此推薦速度控制在2500 mm/s以下。在固定功率為2.4 W、2.1 W和1.8 W條件下，分別測(cè)試500–2500 mm/s速度范圍內(nèi)的劃線效果。

P1劃線寬度與加工速度的關(guān)系圖

結(jié)果表明，隨著速度提高，劃線形貌由粗糙、邊緣撕裂逐漸變?yōu)榫鶆驐l紋，平均縫寬分別從11.74 μm、11.42 μm、10.83 μm下降至10.03 μm、9.52 μm、9.16 μm。在500 mm/s時(shí)存在明顯熱影響，其他條件下熱影響區(qū)寬度均控制在1 μm以?xún)?nèi)。

綜合功率與速度的影響，確定P1最優(yōu)工藝參數(shù)為：功率1.8 W，速度2000 mm/s，頻率1000 kHz，單脈沖模式，零離焦。此條件下縫寬最小、熱影響可控，滿足高效組件對(duì)“死區(qū)”寬度的嚴(yán)苛要求。

P2劃線工藝

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激光P2劃線的 (a) 顯微圖像 與 (b) 三維成像深度測(cè)試圖

P2需穿透Perovskite / HTL / Au多層結(jié)構(gòu)而不損傷P1層的ITO，技術(shù)難度最高。實(shí)驗(yàn)采用填充劃線模式（線寬100 μm），在功率0.46 W、速度4000 mm /s條件下，劃深858 nm，剛好完全去除P2層而不損傷底層ITO。

P3劃線工藝

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激光P3劃線的 (a) 顯微圖像 與 (b) 三維成像深度測(cè)試圖

P3需去除金電極并隔離相鄰單元，優(yōu)化參數(shù)為功率0.2 W、速度6000 mm/s，劃深534 nm。雖略深于金層厚度，但未損傷P1層，滿足電學(xué)隔離要求。

本研究系統(tǒng)優(yōu)化了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件飛秒激光劃片工藝，明確了P1劃線應(yīng)在1.8–2.4 W功率和低于2500 mm/s速度范圍內(nèi)進(jìn)行，既可完全隔離ITO層又避免損傷玻璃基板，同時(shí)發(fā)現(xiàn)提高速度或降低功率可有效減小縫寬及熱影響區(qū)，最終確定P1最優(yōu)參數(shù)為功率1.8 W、速度2000 mm/s、頻率1000 kHz的單脈沖模式；P2和P3劃線則分別在0.46 W/4000 mm/s和0.2 W/6000 mm/s條件下實(shí)現(xiàn)精確刻蝕且不損傷底層結(jié)構(gòu)。該工藝為鈣鈦礦組件實(shí)現(xiàn)高效互聯(lián)、最小化死區(qū)提供了可靠的技術(shù)路徑。

美能鈣鈦礦大面積影像測(cè)試儀

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美能鈣鈦礦大面積影像測(cè)試儀是一種基于CCD數(shù)位影像和顯微圖像技術(shù)的精密測(cè)量?jī)x器，通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)物體進(jìn)行高倍率光學(xué)放大成像，然后通過(guò)CCD攝像系統(tǒng)將影像送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量和分析，在線檢測(cè)P1\P2\P3激光劃線尺寸與缺陷。

功能多元：尺寸識(shí)別+表面缺陷二合一

更高精度：可實(shí)現(xiàn)劃線寬度及間距±3um精度

更快檢測(cè)速度：單點(diǎn)尺寸檢測(cè)≤3.5s，掃描整面電池<120s

數(shù)據(jù)庫(kù)支持：圖像尺寸自動(dòng)標(biāo)注，并形成ecl數(shù)據(jù)文檔，方便研發(fā)人員取用

采用美能鈣鈦礦大面積影像測(cè)試儀的高倍率光學(xué)放大與CCD數(shù)字成像技術(shù)，對(duì)劃刻形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)精密測(cè)量與分析，顯著提升劃刻工藝的重復(fù)性與可靠性，推動(dòng)鈣鈦礦組件產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

原文參考：The study of laser scribing for the perovskite solar cells module

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