Applicazioni laser nell'industria fotovoltaica

Nello sviluppo e nell'utilizzo dell'energia fotovoltaica (FV), la tecnologia laser, rinomata per la sua alta precisione ed efficienza, sta svolgendo un ruolo sempre più vitale. Questo articolo esplora le varie applicazioni della tecnologia laser nel settore FV e fornisce una prospettiva sul suo potenziale di sviluppo futuro.

Taglio laser

La tecnologia laser è ampiamente utilizzata per il taglio del silicio cristallino. Controllando con precisione i parametri di taglio laser, i produttori possono ottenere un taglio di wafer efficiente e a basse perdite, migliorando così l'efficienza e la resa dei moduli FV. Il taglio laser viene impiegato anche durante la fabbricazione delle celle solari, dove l'incisione laser consente la creazione di strutture superficiali su scala micro e nano, migliorando l'assorbimento della luce e aumentando la potenza in uscita delle celle.

Come processo altamente accurato, il taglio laser viene utilizzato per tagliare le celle solari in silicio nelle dimensioni desiderate. Il principio di base prevede la focalizzazione di un raggio laser sulla superficie del materiale da tagliare. Il materiale assorbe l'energia dei fotoni, causando un riscaldamento localizzato. Quando l'energia del laser è sufficientemente alta, la superficie del materiale viene riscaldata fino a un punto che porta alla fusione o alla vaporizzazione: fusione per i metalli e tipicamente vaporizzazione per i non metalli come plastica o legno.

Dopaggio laser

Il dopaggio laser è una tecnica di lavorazione dei materiali ampiamente utilizzata nei semiconduttori, in particolare nel silicio, per alterarne le proprietà elettriche. Il principio fondamentale prevede l'irradiazione della superficie del semiconduttore con un laser ad alta potenza per fondere localmente il substrato e incorporare materiali droganti (comunemente boro o fosforo) nel reticolo di silicio.

I vantaggi principali includono:

1. Alta precisione: Il dopaggio laser offre un'eccellente risoluzione spaziale e controllo del drogaggio.
2. Lavorazione senza contatto: Essendo un metodo senza contatto, evita danni meccanici o contaminazioni, rendendolo ideale per dispositivi ad alte prestazioni.
3. Elevata produttività: Il processo è veloce e adatto alla produzione su larga scala.
4. Ampia compatibilità dei materiali: Applicabile a vari semiconduttori, tra cui silicio, arseniuro di gallio e arseniuro di indio.

Stampa a trasferimento laser (Stampa a trasferimento di modelli, PTP)

La stampa a trasferimento di modelli laser è una tecnica di stampa senza contatto emergente. Il principio prevede il rivestimento di una pasta desiderata su un supporto flessibile e trasparente, quindi l'utilizzo di un raggio laser ad alta potenza per trasferire selettivamente e rapidamente la pasta dal supporto alla superficie della cella per formare linee di griglia sottili.

Le fasi chiave del processo includono:

1. Preparazione del substrato: Il substrato include tipicamente uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) per raccogliere e condurre l'elettricità.
2. Irradiazione laser: Un raggio laser viene scansionato con precisione sul substrato, sinterizzandolo o modellandolo localmente per formare la struttura dell'elettrodo desiderata.
3. Impilamento degli strati: Gli strati attivi e gli elettrodi possono essere trasferiti strato per strato tramite trasferimento laser.
4. Incapsulamento: La cella finale viene formata tramite modellatura e incapsulamento.

I vantaggi includono:

1. Alta precisione: In grado di ottenere modelli sub-2 μm con un'eccellente uniformità, ideale per celle solari ad alta efficienza. Compatibile con la pasta d'argento a bassa temperatura (utilizzata nelle celle HJT).
2. Lavorazione senza contatto: Previene danni o contaminazioni alle celle, supportando tecnologie di wafer più sottili.
3. Produzione ad alta velocità: Consente una produzione rapida e ad alta produttività.
4. Adattabilità multi-materiale: Compatibile con vari materiali tra cui substrati organici e a base di silicio.
5. Risparmio sui costi: Rispetto alla serigrafia, il trasferimento laser consente linee di griglia più strette (fino a 18 μm), riducendo il consumo di pasta d'argento fino al 30%. Ciò è particolarmente vantaggioso per le celle TOPCon e HJT che utilizzano costose paste d'argento su entrambi i lati.

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Foratura laser

La foratura laser utilizza fasci laser ad alta densità di energia per riscaldare aree localizzate di un materiale fino al punto di fusione, vaporizzazione o ablazione, formando fori. I parametri chiave, come la densità di energia, il tempo di esposizione e la posizione focale, devono essere controllati con precisione per garantire la formazione accurata dei fori. Diversi laser (CO₂, Nd:YAG, femtosecondi, ecc.) vengono selezionati in base al tipo di materiale e all'applicazione.

Nel settore fotovoltaico, la foratura laser ha diverse applicazioni importanti:

1. Lavorazione delle celle solari: La foratura laser può formare micro-fori sulle superfici delle celle, migliorando la cattura della luce e riducendo le perdite per riflessione, migliorando così l'efficienza di conversione. È adatta per wafer di silicio, celle multicristalline e altri materiali fotovoltaici.
2. Interconnessione di celle e moduli: La foratura laser viene utilizzata per creare fori passanti per le connessioni elettriche tra le celle, garantendo un flusso di corrente regolare e riducendo al minimo la perdita di energia. Supporta anche la fabbricazione di fori strutturali per telai e connettori dei moduli.
3. Pannelli posteriori in vetro fotovoltaico: Nei moduli FV a doppio vetro, sia il pannello anteriore che quello posteriore sono realizzati in vetro. Il pannello posteriore richiede una foratura precisa per instradare i cavi elettrici alle scatole di giunzione, rendendo la foratura laser un processo essenziale nella lavorazione profonda del vetro.

Conclusione

La foratura laser e altri processi laser svolgono un ruolo fondamentale nel migliorare l'efficienza delle celle solari, ridurre i costi di produzione e migliorare la qualità dei prodotti. Queste tecnologie contribuiscono in modo significativo all'avanzamento dell'energia solare e alla più ampia adozione di fonti di energia rinnovabile.

Vale la pena notare che le applicazioni laser nel fotovoltaico si estendono oltre i processi sopra menzionati e includono anche tecniche come scanalatura laser (ad esempio, per celle XBC) e ablazione laser (utilizzata nella produzione di celle PERC), tra le altre.

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