Fotowoltaika

Panele słoneczne są coraz bardziej popularnym źródłem dodatkowej energii odnawialnej, która może posłużyć np. do ogrzewania budynków. Prowadzone w ostatnich dekadach badania w zakresie inżynierii materiałowej znacznie usprawniły transformację fotonów w prąd elektryczny. Jednakże dopiero zastosowanie techniki laserowej jako narzędzia do obróbki ogniw fotowoltaicznych sprawiło, że panele stały się łatwiej dostępne i są obecnie powszechnie wykorzystywane przy budowie ekologicznych domów.



Cięcie


Materiałem bazowym do produkcji ogniw słonecznych jest monokrystaliczny lub polikrystaliczny wafel krzemowy. Dzięki zastosowaniu techniki laserowej wafel może zostać precyzyjnie pocięty przy minimalnym obciążeniu cieplnym i z zachowaniem wysokiej jakości krawędzi. Co więcej, dodatkowe badania związane z samym procesem cięcia umożliwiły osiągnięcie jeszcze lepszych rezultatów (z punktu widzenia wykończenia powierzchni) dzięki zastosowaniu cięcia w kilku przejściach.

Mówiąc o cięciu laserowym, należy wspomnieć o metodzie zwanej trasowaniem, czyli tworzeniu zarysowań na powierzchni materiału. Przez odpowiednie sterowanie mocą wiązka lasera dokonuje penetracji na około 50% grubości materiału, zaś powstałe w ten sposób nacięcia umożliwiają łatwe przerwanie jego struktury przy wykorzystaniu mniejszej ilości energii i zachowaniu pełnej kontroli nad procesem. Takie rozwiązanie sprawdza się przede wszystkim w obróbce szkła używanego do pokrywania paneli słonecznych.

Cięcie szkła hartowanego stanowi bez wątpienia duże wyzwanie ze względu na charakterystykę materiału: dużą kruchość i bardzo słabą przewodność cieplną. Aby przezwyciężyć te trudności, firma COHERENT-ROFIN opatentowała technologię SmartCleaveTM, która do rozdzielenia elementów wykorzystuje lasery o bardzo krótkich impulsach. Dzięki tej metodzie można do minimum zredukować mikropęknięcia oraz zadziory powstające w procesie obróbki.



Strukturyzacja


Produkcja paneli słonecznych obejmuje nanoszenie na siebie kolejnych warstw przewodzących i fotoaktywnych, które razem tworzą ogniwo. Zastosowanie technologii laserowych sprawia, że rozmiar pojedynczego ogniwa może zostać zredukowany do kilkudziesięciu lub kilkuset mikrometrów, co zwiększa wydajność pojedynczej komórki, a w efekcie wpływa pozytywnie na moc uzyskiwaną z całego modułu.

Z drugiej strony strukturyzacja powierzchni to także tworzenie połączeń pomiędzy warstwami: wąskie kanały utworzone na etapie nanoszenia pierwszej warstwy są wypełniane materiałem drugiej warstwy, dzięki czemu możliwe staje się zachowanie kontaktu elektrycznego. Zastosowanie lasera pozwala na tworzenie wąskich i smukłych rowków, które w porównaniu do tradycyjnych metod wytwarzania zapewniają jednocześnie lepszą przewodność i niższą rezystancję.



Usuwanie warstw


Celem zastosowania izolacji elektrycznej krawędzi panelu słonecznego jest zapobieganie stratom związanym z rekombinacją elektronową zachodzącą przy powierzchni materiału, a tym samym zwiększenie wydajności całej instalacji. W procesie tym – ze względu na dużą szybkość i precyzję – coraz powszechniej wykorzystuje się technikę laserową, w której generowane impulsy o dużej energii odparowują warstwę zewnętrzną detalu. Ze względu na bardzo małe obciążenie cieplne nie występuje tu zjawisko topienia materiału, co mogłoby doprowadzić do wysysania domieszek ze strefy obróbki.

Jednym z etapów produkcji panelu słonecznego jest laminowanie szkła ochronnego ogniw słonecznych w celu zapewnienia hermetyczności i większej odporności na warunki środowiskowe, a tym samym i wyższej trwałości ogniwa. Aby przygotować powierzchnię do montażu stosuje się ablację laserową, która oczyszcza powłoki fotoelektryczne w obszarze łączenia, a zarazem pozwala na łatwą automatyzację i integrację z liniami produkcyjnymi. Szybkość procesu jest dostatecznie duża, aby sprostać prędkości produkcji, co stanowi istotną przewagę tej techniki nad konwencjonalnymi metodami, takimi jak obróbka strugą ścierną, szlifowanie czy trawienie plazmą.



Mikrowiercenie


Moc panelu słonecznego można zwiększyć przez zastosowanie z tyłu specjalnych styków, pozwalających również na łatwiejsze połączenie wiele mniejszych modułów w całość. Dzięki zastosowaniu mikrowiercenia laserowego otwory przelotowe powstają w bezkontaktowy sposób, nie modyfikując właściwości powierzchni. Duża szybkość pozycjonowania ogniska umożliwia wiercenie nawet kilku tysięcy otworów na sekundę, a mały rozmiar skupienia wiązki lasera sprawia, że otwory zajmują tylko niewielką część powierzchni, co wpływa korzystnie na wydajność panelu.



Znakowanie


Podobnie jak w przypadku branży półprzewodnikowej i elektroniki laser okazuje się bezkonkurencyjnym narzędziem do wykonywania grawerunków na powierzchni materiału – zarówno metali, jak i szkła ochraniającego panel. Pozwala na uzyskanie wyraźnego oznaczenia w postaci numeru seryjnego lub kodu QR wykorzystanych do identyfikacji produktu. Czas potrzebny na wykonanie napisu jest krótki, a zastosowanie głowicy skanującej sprawia, że można znakować nawet kilka elementów na raz.



W skrócie

  • Rodzaje obróbki: cięcie, strukturyzacja, usuwanie warstw, mikrowiercenie, znakowanie
  • Obrabiane materiały: wafle krzemowe, szkło hartowane, metale
  • Cel obróbki: cięcie szkła bez ukruszeń, cięcie wafli krzemowych bez odkształceń, zmniejszenie rozmiarów ogniw, wiercenie mikrootworów bez odkształceń, identyfikacja produktu
  • Zalety: wysoka precyzja, minimalne obciążenie cieplne, wysoka jakość, miniaturyzacja detali, ekonomiczność, pełna kontrola nad przebiegiem procesu, duża szybkość pracy
PolandEnglish