文/英谷激光

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)中對(duì)于加工技術(shù)的要求也逐步提高，傳統(tǒng)工藝已無法滿足當(dāng)今社會(huì)工業(yè)智能化、加工精密化的需求，激光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從最初的納秒激光器，到現(xiàn)如今已趨于國(guó)產(chǎn)化的超快激光器，無一不體現(xiàn)出激光加工技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域的重要性、特殊性。隨著激光技術(shù)的不斷革新、完善，多元化市場(chǎng)也在持續(xù)被開拓。

超快激光器簡(jiǎn)介

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

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

圖1：激光器的分類方法。

超快激光器新應(yīng)用：極片切割

國(guó)家目前正在大力推廣新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。根據(jù)行業(yè)市場(chǎng)分析，截至2023年底，我國(guó)新能源汽車保有量為2041萬(wàn)輛，占汽車保有量比重為6.1%，較2022年底提升兩個(gè)百分點(diǎn)。新能源車前景樂觀，動(dòng)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(xù)航，與動(dòng)力電池、電極極片有關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化都備受行業(yè)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(dá)到燃點(diǎn)而形成孔洞；隨著光束在極片上的移動(dòng)，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而完成對(duì)極片的切割。

其中，激光能量和切割移動(dòng)速度是兩個(gè)主要的工藝參數(shù)，對(duì)切割質(zhì)量影響巨大。當(dāng)激光功率太低或者移動(dòng)速度太快時(shí)，極片不能完全切開；而當(dāng)功率太高或移動(dòng)速度太低時(shí)，激光對(duì)材料作用區(qū)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(jié)構(gòu)，而且涂層與金屬箔材之間性質(zhì)差異大，對(duì)激光作用的響應(yīng)也不相同。激光作用在負(fù)極石墨層或正極活性物質(zhì)層時(shí)，由于它們具有很高的激光吸收率，導(dǎo)熱系數(shù)也很低，因此，涂層需要相對(duì)較低的熔化和汽化能量；而中間的金屬集流體對(duì)激光具有反射作用，并且熱傳導(dǎo)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(duì)厚度10μm的鋁箔、厚度150μm負(fù)極材料、厚度150μm的三元鋰材料和厚度200μm的磷酸鐵鋰材料進(jìn)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(qū)切割效果。

（b）負(fù)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(shí)現(xiàn)了高效高質(zhì)量的切割。與傳統(tǒng)的切割方式相比，激光切割具有無污染、更環(huán)保、邊緣效果好、加工精度高、加工工具無損耗，運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升加工效率、降低企業(yè)生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品的模切周期（見表1）。

表1：超快激光切割與傳統(tǒng)切割的對(duì)比

同時(shí)具備窄脈寬和高重復(fù)頻率的激光器，是動(dòng)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(fù)頻率高，效率高，能夠替代傳統(tǒng)模具，為動(dòng)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(jié)約了五金磨具的換刀片時(shí)間，另一方面也省去了極片換型的時(shí)間，顯著提升了加工效率。從成本角度看，皮秒激光器后續(xù)維護(hù)成本低，無需耗材，不會(huì)出現(xiàn)五金模具切割修模、換模的情況，降低了企業(yè)成本，性價(jià)比更高。

鈣鈦礦刻蝕

除了極片切割這一新應(yīng)用，鈣鈦礦刻蝕也是當(dāng)下熱門的話題。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs），是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)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(yáng)能電池。一般稱晶體硅太陽(yáng)能電池為第一代太陽(yáng)能電池，而將一般型的薄膜太陽(yáng)能電池歸為第二代。

第一代太陽(yáng)能電池制作工藝簡(jiǎn)單，但由于關(guān)鍵材料晶體硅的價(jià)格比較高，因此成本高；且單晶硅太陽(yáng)能電池的光-電轉(zhuǎn)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(yáng)能電池雖然材料和制作的成本較低，但其轉(zhuǎn)換效率低，僅有6%-10%。

為了尋找以上兩種太陽(yáng)能電池的替代品，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生。它憑借著良好的吸光性、電荷傳輸速率、巨大的開發(fā)潛力和綠色環(huán)保的加工過程，實(shí)現(xiàn)了高效率、高柔性、低成本，被稱為“光伏領(lǐng)域的新一代革命者”。隨著鈣鈦礦原材料的量產(chǎn)化，成本正在大幅降低；與此同時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)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(shù)路線，為光-電轉(zhuǎn)換效率帶來質(zhì)的飛躍，目前全球最高紀(jì)錄已達(dá)33.2%，未來應(yīng)用市場(chǎng)潛力較大。

鈣鈦礦電池雖然優(yōu)勢(shì)很突出，但它的工藝精度要求到0.3~0.5μm，對(duì)于激光設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、加工精度要明顯高于晶硅電池。

鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為包含P1、P2、P3三層，P1為FTO導(dǎo)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(xiàng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用在于對(duì)P1、P2、P3進(jìn)行激光劃線，阻斷導(dǎo)通，確保電池間的絕緣性，使整個(gè)鈣鈦礦面板形成一道道的子電池，實(shí)現(xiàn)增大電壓和串聯(lián)電池的效果，并負(fù)責(zé)P4的清邊，從而完成最后的封裝環(huán)節(jié)。該工藝的難點(diǎn)主要體現(xiàn)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(duì)于激光器的功率、脈沖寬度的要求極高。需要保證在對(duì)下一層激光刻蝕的同時(shí)不傷及上一層級(jí)，尤其是P3層襯底為鈣鈦礦薄膜，厚度僅百納米量級(jí)，能否做到精準(zhǔn)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(yáng)能電池生產(chǎn)過程中，有三個(gè)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(qū)域是不能用來發(fā)電的，故而被稱為死區(qū)。死區(qū)越大，光能轉(zhuǎn)化為電能的效率就越低；死區(qū)越小，發(fā)電有效面積越大，光能轉(zhuǎn)化為電能的效率也就越大。由于死區(qū)面積和P1、P2、P3的線寬直接相關(guān)，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(shù)突破的首要任務(wù)。

激光器作為激光設(shè)備的核心零部件，更是重中之重。隨著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的迅速發(fā)展，對(duì)于加工的精度和效率要求越來越高，現(xiàn)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(jù)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(jìn)行刻蝕。目前，英谷激光的皮秒紫外激光器功率最高可達(dá)100W，綠光最高達(dá)200W，紅外最高達(dá)300W，可按需選擇。

采用英谷皮秒激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將激光器光斑通過DOE整形成方平頂光進(jìn)行單次劃線測(cè)試。以國(guó)內(nèi)某家的反式鈣鈦礦電池測(cè)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(jié)子電池正負(fù)極提供通道。測(cè)試結(jié)果顯示，劃刻線寬度為30~60μm（可選），熱影響區(qū)≤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(dú)立，并通過上下電子層形成相連的結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示，劃刻線寬為20~60μm（可選），熱影響區(qū)≤6μm，火山口≤60nm。

圖5：英谷激光皮秒激光器。

鈣鈦礦的發(fā)展前景

2023年9月，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于組織開展可再生能源發(fā)展試點(diǎn)示范的通知》，將鈣鈦礦及疊層太陽(yáng)能電池列入示范工程。2023年11月，工信部等五部門發(fā)布《關(guān)于開展第四批智能光伏試點(diǎn)示范活動(dòng)的通知》，優(yōu)先考慮方向中包括鈣鈦礦及疊層太陽(yáng)能電池。國(guó)家一系列利好政策的出臺(tái)，持續(xù)助力鈣鈦礦電池行業(yè)的發(fā)展。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院分析師預(yù)測(cè)，2024年中國(guó)鈣鈦礦電池滲透率將達(dá)到0.5%，2030年將增長(zhǎng)至30%。2024年中國(guó)鈣鈦礦電池新增產(chǎn)能將達(dá)2GW，2030年將達(dá)161GW，市場(chǎng)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(shì)發(fā)展，促進(jìn)光伏、新能源等行業(yè)的蓬勃發(fā)展。近年來，超快激光器也在逐漸由國(guó)外進(jìn)口轉(zhuǎn)向國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)高功率超快激光器市場(chǎng)覆蓋率不斷提高，打破了國(guó)外壟斷，為光伏、新能源等行業(yè)帶來大幅度的降本增效。

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