一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置的制作方法

本技术涉及太阳能电池生产设备，特别涉及了一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置。

背景技术：

1、单片串联结构是广泛使用的薄膜太阳能电池结构，如铜铟镓硒组件和碲化镉组件，也是未来钙钛矿电池组件量产可选择的结构之一。激光刻蚀可有选择性地移除材料，完成单片串联结构，并精确控制切割线宽，减小死区面积。但钙钛矿电池由多层材料堆叠而成，各层材料拥有不同的光学特性，现有技术普遍使用不同波长的激光器完成三道切割工序，钙钛矿电池制备过程中相对镀膜工序而言激光刻蚀工序所需时间极短，使用多台激光刻蚀设备会大幅增加制造成本。且钙钛矿有热不稳定性，主流技术都使用超快激光进行冷切割，如皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光，增加了设备成本，且超快激光在长时间运行时稳定性不佳。

2、另外，钙钛矿组件制作需要先进行p1刻蚀，随后进行镀膜， p2刻蚀，电极制作和p3刻蚀。进行后两道刻蚀工序时需要重新定位，以控制三条刻蚀线之间的相对位置和距离。不同批次的电池基底厚度难以保持一致，需重新校准电池表面与激光器之间的距离。但机械治具定位精度有限，且易受电池基底边缘的平整度影响，难以满足不同形状电池的制作。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是克服现有技术中太阳能电池钙钛矿组件激光刻蚀设备成本高、定位精度低、不能满足不同形状电池的制作的问题，提供了一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，可适用于不同形状、厚度及尺寸的电池，同时兼容柔性钙钛矿电池，显著降低大面积钙钛矿电池的生产成本。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：包括底座以及安装在底座上的移动组件与驱动组件，所述移动平台上安装有真空吸附平台以及一台激光设备，所述移动平台上还安装有测距传感器以及ccd相机。

3、提供一台单波长纳秒脉冲激光刻蚀设备，可选择性移除钙钛矿电池中不同层材料，完成p1，p2，p3三道高精度刻蚀工序。在电池进行p1加工前，激光设备在待加工电池表面刻蚀做好标记，ccd相机自动识别标记并记忆形成虚拟坐标系。后续进行p2，p3加工时，将电池吸附于平台上，ccd相机自动识别标记，调用记忆的坐标系进行定位和切割。不同于机械限位，ccd相机定位具有高精度、高兼容性的特点，可兼容不同形状和尺寸的电池，做到三条切割线完全平行，尽可能缩小p1，p2，p3之间的间隔以减小死区宽度。高精度测距仪可实时监测与待加工电池表面的距离，检测待加工电池与激光器之间的垂直度。若电池表面和激光光束垂直度不佳，会影响刻蚀深度和刻蚀线宽。通过实时监测垂直高度变化，可由z轴马达进行补偿，保证加工过程中电池表面处于激光光束的瑞利距离之间，提高产品良品率。可使机器在同一批次内加工多种厚度的电池，无需重新优化参数并校准机器。

4、作为优选，所述移动组件包括xy移动平台以及与xy移动平台垂直的z轴，所述xy移动平台包括安装在底座上的y轴以及安装在y轴上的x轴，所述x轴与y轴垂直，所述z轴安装在底座上。

5、xy轴平台由一个x轴和两个y轴组成，y轴直接固定于基座上，x轴固定于y轴上，与y轴垂直，x轴长度为10 c m-500 cm，y轴长度为10 c m-500 cm。真空吸附平台固定于x轴上，由x轴驱动进行左右移动，由y轴驱动进行前后移动。z轴固定于底座上，长度为1 cm-100cm，与x轴、y轴相互独立，激光设备、ccd相机、测距传感器均安装在z轴上，ccd相机、测距安装在激光器两侧，可调节与待加工电池表面的垂直距离。

6、作为优选，所述x轴和y轴由线性马达驱动，所述z轴由伺服马达驱动。

7、y轴由两台线性马达同步驱动，x轴由一台线性马达驱动，线性马达重复定位精度小于10 μm，驱动速度为0.1 mm/s-1000 mm/s；伺服马达重复定位精度小于5 μm。三台线性马达可使真空吸附平台可在xy平面上进行直线、斜线以及弧形移动，满足不同刻蚀需求。

8、作为优选，所述真空吸附平台表面平整且分布有气孔，真空吸附平台通过其内部腔体连接真空泵。

9、真空吸附平台拥有非常平整的表面，可选用不锈钢、聚甲基丙烯酸甲酯、大理石、陶瓷材料中的一种材料制作，可吸附待加工的电池。

10、作为优选，所述内部腔体包括三个互不相连的区域，每个区域都由一根气动管与真空泵相连，气动管上设有手阀。

11、通过手阀开关可让三个区域分别保持真空，互不影响，可吸附不同尺寸的组件。且不同尺寸的待加工电池均可被吸附在平台上，在平台高速运动过程中电池和平台不会产生位移，提高刻蚀精度。

12、作为优选，所述激光设备为纳秒脉冲激光器，所述纳秒脉冲激光器的激光光束与xy移动平台表面垂直。

13、纳秒脉冲激光设备成本相对较低，进一步降低了设备成本，且其产品较为成熟，可长时间稳定运行。

14、作为优选，所述纳秒脉冲激光器波长为355 nm-1064 nm，重复频率为5 khz-500000 hz，脉冲持续时间为1 ns-100 ns，输出功率为100 mw-10 w。

15、钙钛矿电池对可见光有较高的吸收率，使用可见光波段的激光进行刻蚀有较高效率。其次，重复频率越高、脉冲持续时间越小，刻蚀的精度越高，但相应激光器也越昂贵，长时间运行也不够稳定；而脉冲持续时间变长会增加热影响区域。本发明对纳秒脉冲激光器参数进行限定，保证了成本与稳定性的均衡。具体功率可以根据所刻蚀的材料来进行选择。

16、作为优选，所述z轴仅可在z方向上移动。

17、此设计是因为z轴平台载荷较大，若与xy平面轨道结合会引起轨道弯折，降低刻蚀精度。

18、作为优选，所述装置刻蚀的钙钛矿太阳能电池的电池基地为玻璃、pet、pi、pdms、pen、铜箔、金箔中的一种。

19、本实用新型提供的激光刻蚀装置，可对刚性和柔性的钙钛矿太阳能电池进行刻蚀。

20、因此，本实用新型具有如下有益效果：

21、1、使用单一波长的纳秒脉冲激光设备完成太阳能电池钙钛矿组件p1、p2、p3三道切割工序的方法，大幅降低钙钛矿组件生产的设备成本；

22、2、利用ccd相机定位和虚拟坐标系统可使设备兼容不同形状和尺寸的电池；

23、3、利用测距传感器实时监测待加工电池表面和z轴平台的距离，保证表面在激光光束的瑞利距离内，以提高产品的良品率并增加切割设备的普适性，以兼容不同环境温度条件和不同厚度的电池。

技术特征：

1.一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，包括底座以及安装在底座上的移动组件与驱动组件，所述移动组件上安装有真空吸附平台以及一台激光设备，所述移动组件上还安装有测距传感器以及ccd相机。

2.根据权利要求1所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述移动组件包括xy移动平台以及与xy移动平台垂直的z轴，所述xy移动平台包括安装在底座上的y轴以及安装在y轴上的x轴，所述x轴与y轴垂直，所述z轴安装在底座上。

3.根据权利要求2所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述x轴和y轴由线性马达驱动，所述z轴由伺服马达驱动。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述真空吸附平台表面平整且分布有气孔，真空吸附平台通过其内部腔体连接真空泵。

5.根据权利要求4所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述内部腔体包括三个互不相连的区域，每个区域都由一根气动管与真空泵相连，气动管上设有手阀。

6.根据权利要求2或3所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述激光设备为纳秒脉冲激光器，所述纳秒脉冲激光器的激光光束与xy移动平台表面垂直。

7. 根据权利要求6所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述纳秒脉冲激光器波长为355 nm-1064 nm，重复频率为5 khz-500000 hz，脉冲持续时间为1 ns-100 ns，输出功率为100 mw-10 w。

8.根据权利要求2或3所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述z轴仅可在z方向上移动。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，其特征在于，所述装置刻蚀的钙钛矿太阳能电池的电池基地为玻璃、pet、pi、pdms、pen、铜箔、金箔中的一种。

技术总结
本技术公开了一种用于钙钛矿组件生产的激光刻蚀装置，克服现有技术中太阳能电池钙钛矿组件激光刻蚀设备成本高、定位精度低、不能满足不同形状电池的制作的问题，包括底座以及安装在底座上的移动组件与驱动组件，所述移动平台上安装有真空吸附平台以及一台激光设备，所述移动平台上还安装有测距传感器以及CCD相机。可适用于不同形状、厚度及尺寸的电池，同时兼容柔性钙钛矿电池，显著降低大面积钙钛矿电池的生产成本。

技术研发人员：黄超鹏,寿春晖,贺海晏,孙靖淞,黄绵吉,金胜利,丁莞尔,彭浩,纪培栋,朱钦辰,滕卫明,范海东,孙士恩
受保护的技术使用者：浙江省白马湖实验室有限公司
技术研发日：20230414
技术公布日：2024/1/15