Статья поступила в редакцию 30.09.15. Ред. рег. № 2369
The article has entered in publishing office 30.09.15. Ed. reg. No. 2369
УДК 621.383
ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО СКРАЙБИРОВАИИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ
Ф. С. Егоров, В.Л. Мукин, Г.П. Охоткин
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова РФ 428015, Чувашская Республика, Чебоксары, Московский пр-т, 15 тел.: +7(917)656-88-82; e-mail: egorovfs1990@gmail.com
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.012 Заключение совета рецензентов: 07.10.15 Заключение совета экспертов: 12.10.15 Принято к публикации: 19.10.15
В работе представлен механизм поглощения двухтактного импульсного лазерного излучения тонкой пленкой солнечного модуля на основе ZnO, a-Si:H.
Теоретически обоснована возможность использования двухтактного режима лазерного скрайбирования тонкопленочного солнечного модуля (ТПСМ) на этапе производства. Рассмотрена реализация двухатктного режима лазерного скрайбирования ТПСМ: двухтактность создается за счёт одного дополнительного канала задержки одноактного лазерного импульса, а каналом задержки служит оптоволокно.
Проанализировано поглощение первого и второго такта лазерного импульса тонкой пленкой ТПСМ. Первый такт импульса необходим для разогрева пленки, чтобы уменьшить градиент температуры во время поглощения второго такта импульса. Условия поглощения второго такта изменяются из-за подогрева первым. Изменение этого условия для второго такта лежит в диапазоне поглощения лазерного излучения.
Ключевые слова: тонкие пленки, двухтактное скрайбирование, солнечная энергетика, солнечные панели, оксид цинка, аморфный гидрогенизированный кремний.
OPTIMIZATION OF LASER SCRIBING IN MANUFACTURING OF THIN FILM SOLAR MODULES
F.S. Egorov, V.A. Mukin, G.P. Ohotkin
Chuvash State University named after I.N. Ulyanov 15 Moskovsky ave., Cheboksary, Chuvash Republic, 428015 Russian Federation ph.: +7(917)656-88-82, e-mail: egorovfs1990@gmail.com
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.012 Referred 7 October 2015 Received in revised form 12 October 2015 Accepted 19 October 2015
The paper presents the mechanism of absorption of dual laser pulse radiation by thin film of the ZnO, a-Si:H-based solar module. The authors of this paper theoretically justify the possibility of using mode of dual laser scribing of thin-film solar module (TFSM) at production stage and consider implementation of TFSM dual laser scribing. The duality is created by an additional channel of single laser pulse delay. Optic fiber serves as the delay channel.
Moreover, the authors analyze the absorption of the first and second cycle of the laser pulse by TFSM thin film. The first pulse cycle is required for heating up the film to reduce the temperature gradient during the second pulse cycle absorption. The conditions of the second cycle absorption change due to the heating up by the first one. The change of this condition for the second cycle is in the laser radiation absorption range.
Keywords: thin film, two-stroke scribing, solar energy, solar panels, zinc oxide, amorphous hydrogenated silicon.
Егоров Федор Сергеевич Fedor S. Egorov
Сведения об авторе: аспирант, ассистент ЧГУ им. И.Н. Ульянова.
Образование: СПбГЭТУ.
Область научных интересов: взаимодействие лазерного излучения с веществом, вакуумное осаждение, динамика нелинейных систем в силовой электронике.
Публикации: 17.
Information about the author: graduate student, assistant, Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Education: Saint-Petersburg Electrotech-nical University.
Research area: interaction of laser beam wth the material, vacuum deposition, nonlinear systems dynamics in power electronics.
Publications: 17.
4
ШШ
Мукин Владимир Антонович Vladimir A. Mukin
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент ЧГУ им. И.Н. Ульянова.
Образование: физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.
Область научных интересов: физика горения и взрывов, физическая газодинамика, плазма и кинетические процессы в неравновесных средах.
Публикации: 93.
Information about the author: PhD
(physics and mathematics), assistant professor of Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Education: Physics department of M.V. Lomonosov Moscow State University.
Research area: physics of combustion and explosions, physical gas dynamics, plasma and critical processes in nonequili-brium media.
Publications: 93.
M, - С -'м1
«i
Охоткин Григорий Петрович Grigoriy P. Okhotkin
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор ЧГУ им. И.Н. Ульянова.
Образование: ЧГУ им. И.Н. Ульянова.
Область научных интересов: динамика нелинейных систем в силовой электронике.
Публикации: 115.
Information about the author: DSc
(engineering), professor of Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Education: Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Research area: nonlinear systems dynamics in power electronics. Publications: 115.
с о
Введение
В данной работе исследуется возможность уменьшения размеров кратеров в тонкоплёночных солнечных модулях (ТПСМ) путём двухтактного воздействия в ходе лазерного скрайбирования. Для этого очередной импульс делится на две части и оказывает на выжигаемую площадь двухтактное воздействие. Небольшое смещение не влияет на ширину скрайба, поскольку происходит вдоль полосы разделения. Первый такт импульса разогревает выжигаемую площадь, но сублимации не происходит. А второй такт сублимирует этот участок, формируя кратер и унося выжигаемое вещество. Поскольку выжигание в однотактном режиме происходит при достаточно большом градиенте температуры выжигаемого вещества, то оно в условиях фазового перехода сопровождается микровзрывом в образующемся кратере, что увеличивает его размеры, а следовательно, и размеры ширины скрайба. Авторы данной статьи полагают, что двухтактное воздействие позволяет
избежать микровзрыва, поскольку градиент температуры при фазовом переходе сублимируемого вещества незначителен.
Целью исследования является теоретическое обоснование использования двухтактного режима и разработка идеи обеспечения этого режима с использованием элементов силовой электроники в технологии скрайбирования ТПСМ.
Кроме того, особый интерес представляет взаимодействие импульсного лазерного излучения с веществом в технологических условиях лазерного скрайби-рования при изготовлении ТПСМ, а также двухтактный режим воздействия импульсного лазерного излучения на скрайбируемый материал для разработки принципа регулирования длительности тактов в автоматическом режиме подслеживания за обработкой с помощью устройств силовой электроники.
Актуальность проведения НИР обусловлена расширением практического использования альтернативных источников энергии в виде ТПСМ и состоит в уменьшении стоимости генерируемой электроэнер-
<0 N
гии. В этой сфере имеются различные проекты, нацеленные на повышение КПД ТПСМ в производственном масштабе, которые требуют миллиарды рублей, что приведёт к увеличению стоимости генерируемой электроэнергии. В данной работе исследуется возможность снижения её стоимости с применением двухтактного лазерного скрайбирования. Для этой цели по ходу лазерного излучения ставится оптический блок, в котором происходит пространственно-временное разделение лазерного импульса, при этом сохраняется совокупная энергетическая характеристика. Новизна исследования заключается в решении задачи увеличения КПД ТПСМ с минимальными материально-ресурсными затратами, путём исключения из процесса скрайбирования микровзрывов, вызывающих сильное расширение кратеров взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым веществом.
Получение двухтактного режима с помощью одноимпульсного оптического генератора
Для выжигания разделительной полосы (скрайба) на плёнке ТПСМ от оптического квантового генератора (ОКГ) идут импульсы с определённым интервалом, связанным со скоростью подачи головки, фокусирующей луч на материал, который не перемещается. От жёсткости их корреляции зависит качество скрайба. При этом практически одновременно происходят два фазовых перехода: вещество сначала
переходит из твёрдого состояния в жидкое, а потом из жидкого состояния - в парообразное. Процесс завершается уносом вещества с разогреваемой зоны. В некоторых случаях наблюдается сублимация, т.е. унос вещества, минуя фазовые переходы. Главной проблемой в этом процессе является микровзрыв, происходящий вследствие большого градиента температуры на участке выжигания. Он приводит к росту кратера, образующегося ввиду уноса вещества, что увеличивает ширину скрайбирования. Предложенный в работе принцип двухтактного воздействия на вещество, как ожидается, должен позволить уменьшить эффект взрыва или вовсе его избежать, поскольку в таком режиме уменьшается градиент температуры, ответственный за эффект взрыва. Предлагается разделить импульс, используемый в обычном режиме, на два импульса с помощью оптических приспособлений (рис. 1).
Реализация разделения лазерного импульса на два импульса, представляющие собой два такта одного удара, осуществляется с помощью разделителя лазерного луча РЛ. Один импульс попадает в блок с варьируемой длиной оптоволокна (рис. 1), а другой без задержки попадает в место обработки, где образуется «двугорбый» импульс со скважностью между двумя максимумами от 10 нс до 120 нс. Получается, что первым доходит лазерный импульс, который прошел через Аттенюатр 2, а вторым - через оптоволокно и Аттенюатр 1.
Рис. 1. Схема реализации двухтактного лазерного излучения: РЛ 1, РЛ2 - разделители луча;
31 и 32 - зеркала; К - коллиматор; Д - диафрагма; ПС - поляризационный светоделитель; А, А1, А2 - аттенюаторы; Е, Е1 и Е2- энергия лазерных импульсов Fig. 1. The scheme of realization of the two stroke cycle of the laser radiation: РЛ1, РЛ2-the beam splitter; 31, 32 - mirror; К -the collimator; Д - diaphragm, ПС - polarizing beam splitter; A, A1, A2 - attenuators; E, E1 and E2 - energy laser pulses
Из практики использования лазерного излучения известно, что двухимпульсное воздействие на материал применялось в области спектроскопии, н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.