毕业设计（论文）激光切割太阳能导电膜

1、摘要 本文详细介绍了非晶硅太阳能电池的制备过程与检测方法，设计出利用激光切割太阳能电池导电膜的实验平台以及传输光路，并重点研究了切割实验的参数，包括激光器的波长、调q的重复频率和输入电流、扩束镜倍率、导电膜材料、激光入射面以及切割速度等对切割效果的影响，并整理出合适的切割参数。同时，因为光斑的形状和场分布直接影响切割槽形貌，因此还使用matlab软件对光路中加入矩形或者圆形光阑后光斑的分布进行了仿真模拟。 关键词：太阳能电池 激光 导电膜 切割abstractthis paper describes the process of the preparation and detection me

2、thods of amorphous silicon solar cell, devises the experimental platform and optical transmission of cutting conductive film of solar cells by using laser. and it focus on the effect on cutting by cutting parameters of the experiment ,including the laser wavelength, the q-repeat frequency, the input

3、 current, the magnification of beam expander, the materials of a conductive film, the incident surface of the laser and the cutting speed. at the same time, because the beam shape and distribution directly affect the cutting trough morphology, i make the simulation of distribution after adding a cir

4、cular or rectangular aperture spot into the optical circuitry using matlab. keyword：solar cell，laser，conductive film，cutting目 录摘 要iabstract ii1 选题背景11.1 研究目的及意义11.2 国内外动态22 太阳能电池的结构与原理、制备及测试2.1 太阳能电池的基本结构和原理2.2 非晶硅太阳能电池的制备方法2.3 太阳能电池测试系统3激光切割太阳能电池导电膜实验3.1 实验目的3.2 实验方案及平台设计3.3 实验原理3.4 实验仪器3.5 实验内容及步骤

5、.3.6 实验结果及分析.4 matlab仿真实验4.1 实验背景及目的4.2 实验设计及理论计算4.3 实验结果及结论5 总结与展望5.1 总结5.2 讨论5.3 展望致谢附录参考文献1 选题背景1.1 研究目的及意义 新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立能源，亦可实现并网发电，而且是零污染排放。 硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工艺成熟，应用也逐步扩大。面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染，以至危及人类自身生存的现实，开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。太阳能电池根

6、据所用材料的不同，可分为(1)硅太阳能电池；(2)以无机盐如砷化镓、一iv 族化合物、硫化镉、铜铟硒等多种化合物为材料的电池；(3)纳米晶太阳电池 在各类电池中， 因为硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它的研究最多，且其性能稳定，无毒，无污染，因此硅系列电池技术比较成熟，且已具有商业价值在硅系列太阳电池中，单晶硅转化效率高，但成本高，限制了它的应用，而非晶硅在可见光内有较高的吸收系数，可实现低成本的大面积薄膜沉积， 使之较单晶硅太阳电池有更为广阔的应用前景。与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：（1) 弱光性好。可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和

7、光电转换效率。（2) 成本低。因为非晶硅不受硅材料价格的限制, 在生产过程中, 用硅烷气体通过辉光放电法,在玻璃等衬底上沉积成一层薄膜. 因其材料较便宜, 可以大规模生产和推广。（3) 高温性能好。当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能 电池要小得多。（4）能量回收周期短, 在生产过程中的每瓦用电能耗较小，1.5-2年即可返回。 但是目前非晶硅电池仍然存在一些问题， 主要集中在以下三个方面： （1）稳定性问题。非晶硅太阳能电池的光致衰减效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%

8、，已具备作为空间能源的基本条件。（2）成本问题。非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。 （3）转换效率问题。单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(amo什么意思)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。 1.2 国内外动态非晶硅薄膜太阳能电池由carlson和wronski在20世纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20左右，但由于非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池，而且非晶硅太阳能电池

9、存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展速度逐步放缓。目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10左右。但由于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破，能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。目前非晶硅电池仍然存在一些问题， 主要集中在两个方面，一个是转化效率低，另一个是电池稳定性不高。从1980年日本sanyo公司首次使用a-si太阳电池为袖珍计算机供电以来，a-si太阳电池的应用领域不断的在阔大，对民用产品如：手表，录音机，电视机的供电，这种应用主要是以低能耗为特点。在建筑领域的应用，主要是在玻璃上直接沉积非晶硅太阳能电

10、池做为屋顶瓦， 此种屋顶瓦与普通的屋顶瓦规模， 重量相同可节省安装空间，降低系统费用， 日本， 目前正在实施“百万屋顶”计划， 使光电系统进入家庭。此外，非晶硅太阳电池可用作偏远地区的照明和通信能源，可以用于汽车顶棚给汽车电池供电，可以作为小型发电系统，提供电源。随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低，目前，又开发了一种新应用类型非晶硅太阳电池， 即柔性衬底非晶硅太阳电池，柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率，轻便，柔韧性强等优点，因此，在光伏建筑一体化，特别是在城市遥感用平流层气球平台，军用微小卫星，空间航天器等应用中极具优势。在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一，而

11、柔性衬底的非晶硅电池可达2000wkg的功率重量比，远远高于晶硅的比功率，因此，使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。在民用方面，由于柔性衬底的非晶硅电池具有极好的柔韧性，可卷曲性，这使它不但易于贮存和运输，而且为电池的安装，特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件，具有广阔的应用前景。 为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳电池，近年来又出现了微晶、多晶硅薄膜电池。微晶硅薄膜是采用大氢稀释和微量掺硼技术制备的。多晶硅薄膜的制造技术主要有两种，一种是采用pecvd技术或热丝法直接生长；另一种则是通过对a-sih材料进行后退火，实现低温固相晶化。值得指出的是，我国

12、依靠自己的力量自行设计，采用国产器材研制出了一批非晶硅材料及其太阳电池研究生产用的专用设备、装置和仪器。其中特别有意义的是非晶硅薄膜沉积装置。例如超高真空三室a-si沉积试验装置、七室a-si连续沉积装置、六室卧式分室连续a-si沉积装置、三室多片大面积a-si连续沉积装置、大面积sno2导电膜连续沉积装置、大面积a-si电池特性测试装置等等。这些装置的研制成功， 尤其是一大批pcvd装置的问世，把我国用等离子化学气相沉积制取功能薄膜的技术和装备水平大大提高了一步。同时还形成了一支从事a-si材料及其电池研究的具有多学科综合力量的科技队伍。2 非晶硅太阳能电池的结构原理、制备及测试2.1太阳能

13、电池的基本结构和原理太阳能电池的基本结构就是一个pn结，如图2.1。其发光原理就是光伏效应，即在半导体pn结的n区导带中有较多的电子，p区价带中有较多的空穴。在pn结中由于存在载流子浓度梯度，便发生电子向p区、空穴向n区的扩散。扩散的结果使得p区带负电，n区带正电，形成有不能移动的离子组成的空间电荷区，随之出现内建电场。在入射光作用下，如果光子能量大于禁带宽度eg，则在p区、结区和n区都会引起本征激发而产生电子-空穴对，破坏原来的平衡状态，使得p区获得附加的正电荷，n区获得附加的负电荷。结果使p区电势升高，n区电势降低，于是在pn结两端形成了光生电动势。因此它是一种不需加偏置电压就能把光能直接

14、转换成电能的pn结光电器件，也称为赋能元件，同时也可作为光信号的探测元件。加上负载rl后的等效电路如图2.2。图2.1太阳能电池结构图2.2等效微变电路其中，ip为入射光照产生的电流，id为二极管电流，cf为二极管结电容，rsh为并联电阻，rs为串联电阻，rl为负载电阻，vl为负载输出电压，il为负载输出电流。 2.2非晶硅太阳能电池的制备方法非晶硅太阳能电池的制备方法有很多，比如电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅射法和热丝法等。目前国内外的非晶硅太阳能电池制造工艺大多采用非微晶堆叠(micromoph)这种制备方法，制备过程大致如下：（1） 在玻璃衬底上采用

15、化学气象沉淀法（cvd）生长一层zno作为透明导电膜（tco）。（2） 用激光切割法（laser-scribing）在导电膜上切割出一系列平行槽。（3） 然后依次用等离子体反应沉积p型、 i型、n型三层a-si。（4） 蒸镀一层铝作为金属电极。（5） 用激光切割铝电极层和pin层，形成一系列有同样结构的分立的独立电池。（6） 连接引线，将每个分立电池串联起来，提高输出电压。2.3太阳能电池测试系统2.3.1太阳能电池iv特性测试主要部件有：（1） 太阳光模拟器系统1） oriel模拟器model 91192 美国newport公司生产的oriel 太阳光模拟器是世界公认的标准太阳光模拟器，广泛

16、为世界各大专业院校使用。该产品被作为行业标准，甚至在计量单位作为计量标准对其他的光源进行校准；在国际光电池行业是唯一被认可的权威产品；被全世界权威杂志所认可。所配套的辐照计在出厂的时候通过国际再生能源实验室校准。其技术指标如下： 灯的类型：氙灯光源，am1.5标准光谱 氙灯功率：1000w 输出光斑面积：44inch 光斑均匀度：好于5 光的波动：1%r.m.s 输出光的平行度： 42）model:91150校准仪（2）2400系列数字源表 sourcemeter（数字源表）系列专门设计用于要求有精密电压和电流产生与测量的测试应用。sourcemeter 型号综合了回读功能的精密、低噪声、高度

17、稳定的dc 电源以及低噪声、高重复性、高阻抗5数字万用表。结果成为小型、单通道、dc 参数测试仪。在操作中，仪表可以作为电压源、电流源、电压表、电流表以及欧姆表。对于由独立的源和测量仪表组成的系统，具有许多优势。例如，它们半个机架大小的尺寸节约了测试架或测试台上宝贵的空间。也可以减少测试系统开发、安装调试以及维护所需的时间，并且降低系统的总成本。此外，sourcemeter仪表通过消除使用多个仪表时的复杂的同步化与连接问题，简化了测试工艺。sourcemeter 仪表适合于进行大范围的dc 测量，包括在给定电流或电压下的电阻、击穿电压、漏电流、绝缘阻抗以及半导体特性曲线。 当光照射太阳能电池时

18、, 将产生一个由n 区到p 区的光生电流iph。同时, 由于pn结二极管的特性, 存在正向二极管电流id, 此电流方向从p 区到n 区, 与光生电流相反。因此, 实际获得的电流i 为: （2.1）式中vd 为结电压, i0 为二极管的反向饱和电流, iph 为与入射光的强度成正比的光生电流, 其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特性决定的。n 称为理想系数( n 值) , 是表示pn 结特性的参数, 通常在12 之间。q 为电子电荷, kb 为波尔兹曼常数,t 为温度。当太阳能电池的输出端短路时, v=0( vd0) , 由( 2.1) 式可得短路电流 （2.2）即太阳能电池的短路电流等于光

19、生电流, 与入射光的强度成正比。当太阳能电池的输出端开路时, i=0, 由( 2) 和( 3) 式可得开路电压 （2.3）当太阳能电池接上负载r 时, 所得的负载伏安特性曲线如图2.3所示。负载r可以从零到无穷大。当负载rm 使太阳能电池的功率输出为最大时, 对应的最大功率pm 为 （2.4）式中im 和vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。图2.3 太阳能电池伏安特性曲线（曲线的标注不清楚，重新用文本框输入）2.3.2太阳能电池量子效率测试将voc与isc 的乘积与最大功率pm 之比定义为填充因子ff, 则 （2.5） ff 为太阳能电池的重要表征参数, ff 愈大则输出的功率愈高。ff

20、取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳能电池的转换效率定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能p 之比, 即 (2.6)如果太阳能电池产生的平均光电流为ip(a),则每秒入射到接收表面的光子数为p/h，单位时间内被入射光子激励的光电子数为ip/e。根据量子效率的定义则有 (2.7) 式中，e是电子电荷，是入射波长，c是光速。由式2.7可知，如果可以测得入射光的光功率和产生的电流，就可以算出对于某一特定的波长，太阳能电池的量子效率。如果可以改变，那么就能得到连续的光谱分布。ipce(monochromatic incident photon-to-

21、electron conversion efficiency)系统是专门用来测试光电转换效率和量子效率的测试系统。它主要包括氙灯光源、单色仪以及锁相放大器。结构如图2.4所示。图2.4 ipce系统基本光路图其技术指标如下：（1） 提供300w 的研究级的氙灯光源，光源的输出功率可调。输出光斑尺寸：33；光的波动f时，则d2f。激光焦点与普通光的几何焦点是不重合的，它与w01、d1等有关。3.3.2激光焦点的聚焦深度在实际的激光加工中，例如激光打孔，往往要求也圆而深，且锥度尽量小，激光切割、划片要求切、划的缝窄而深，断面锥度小，这些要求能否达到与激光聚集深度密切相关。激光的聚焦深度定义为：当光

22、轴上某点的光强度降低为激光焦点处的光强度一半时，该点到激光焦点的距离为聚焦深度。其准直距离za为 (3.7)可见激光聚焦深度与及f2成正比，与w12成反比，因此要获得聚焦深度较大的激光焦点，就要选择长焦距透镜，例如在打深孔或者穿透焊接及切割中，要减小锥度就要如此。3.3.3激光切割激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过阈值激光功率密度的前提下，激光束的能量以及用活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。激光切割与激

23、光打孔的不同之处就是要热源相对工件移动。激光切割从切割各类材料不同的物理形式来看，可分为气化切割、熔化切割和氧助熔化切割等。本实验的原理是气化切割。气化切割时工件在激光束加热下升至沸点以上温度后，部分材料化作蒸气逸去，部分作为喷射物从切缝底部吹走。其机制如下：（1） 激光束照射工件表面，激光能量部分被反射，部分被吸收，表面反射率随着温度升高继续下降（2） 激光作用区材料温度上升到沸点的速度非常快，足以避免热传导造成的熔化（3） 蒸气从工件表面以声速飞快逸出，其加速力在材料内部产生一个应力波，当功率密度大于109w/cm时，应力波在材料内部会导致脆性材料破裂，同时也升高蒸发前沿压力，提高气化温度

24、（4） 蒸气随着自身带走熔化质点，并冲刷碎屑形成孔洞，气化过程中，60%的材料是以熔滴形式被去除的。3.3.4半导体泵浦激光器实验中采用的是advanced optowave全固态风冷半导体泵浦激光器，晶体为nd:yvo4（掺钕钒酸钇），输出波长为1064nm的近红外连续激光，nd:yvo4在激光波长有大的受激辐射截面 ，对泵浦光有高的吸收系数和宽的吸收带宽，光损伤阈值高，并具有优良的机械、物理、光学性能，这些都使得它特别适于作半导体二极管泵浦的激光晶体。1064nm激光经两倍频或者三倍频后产生532nm（绿光波段）或者355nm（紫外波段）的激光。3.3.5声光调q基本原理 典型的声光q开关

25、主要由三部分组成：电声转换器、声光介质和吸声材料。电声换能器与声光介质如熔石英、钼酸铅（pbmo4）晶体等构成声光器件。电声换能器加电后，将超声波馈入声光材料，声波是疏密波，声光材料的折射率发生周期变化，对相对声波方向以某一角度传播的光波来说，相当于一个相位光栅。于是，在超声场中光波发生衍射，改变传播方向，这就是声光衍射效应。声光q开关是利用声光相互作用以控制光腔损耗的q开关技术。声光调q是通过电声转换形成超声波使调制介质折射率发生周期性变化, 对入射光起衍射作用, 使之发生衍射损耗,q 值下降, 激光振荡不能形成。在光泵激励下其上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值, 之后突然撤除超声场, 衍

26、射效应立即消失, 腔内q 值猛增, 激光振荡迅速恢复, 其能量以巨脉冲形式输出。这是一种广泛应用的q开关方式，其主要优点是重复频率高，基本在几khz到几十khz之间，性能稳定可靠。而电光调q等其他方式重复频率过低，甚至只有几十hz，这样在工业生产中不适合切割和连续性加工。因此，在本实验中采用的激光器是声光调q方式。 3.3.6扩束镜原理激光扩束镜由一短焦距透镜l1与另一长焦距透镜l2组成，如图3.3所示。激光器发出的高斯光束沿系统光轴前进时，出身高斯光束的光腰03或发散角3决定于高斯光束经透镜的二次变换。当透镜作为薄透镜处理时，考虑到扩束镜副镜焦距甚短，一般有条件d1f1，以及在扩束镜调整到最

27、佳时，即扩束倍率为最大或者准直程度为最好时有d2=f2，则由式3.5和式3.6二式可知，此最大扩束倍率为 （3.8） 图3.3 扩束镜原理图3.4 实验仪器主要的实验仪器及设备有advanced optowave全固态风冷半导体泵浦激光（紫外和绿光各一台）、自动化薄膜切割工作台、ophir orin/th热电功率计、数字万用表、金相显微镜等。3.5实验内容及步骤实验的主要步骤如下：（1）熟悉各种仪器及切割软件的使用方法。实验中使用的切割软件系统由ezcad和lmc加工插件组成。ezcad软件是一套图形编辑软件，lmc加工插件是专门应用于lmc控制卡的ezcad软件插件，主要用来控制lmc控制卡

28、，进而控制激光打标机进行工作。实验中，主要用它来控制切割方向、形状以及切割速度。 （2）采用不同的参数来切割导电膜。实验中可能影响切割质量的主要因素是激光功率及波长、切割速度、调q频率、输入电流、激光入射方向、扩束镜倍率以及被切割的材料等。 （3）测量各参数下得到的电阻值。实验中应达到的技术要求是切出的槽两边的电阻值r200m，这样才算完全切断。 （4）在显微镜下观察切割出来的导电膜并记录下实验结果。槽的边缘要尽量平整，不能有熔融现象，而且在完全切断的前提下光斑的重合率要尽可能小。 （5）对比得出最理想的切割参数并分析其原因。由于实验条件有限，我们在实验中用矩形槽来代替条形槽，这样可以节省空间

29、，通过对矩形框内外的电阻测量也能达到检验目的，参数对比也主要从激光波长、调q 频率、扩束镜倍率、切割速度、入射方向和切割材料这几个方面选择性的作对比，观察形貌的时候我们只截取矩形方框的一条来对比。 3.6实验结果及分析（1） 激光波长对切割质量的影响：以下是用绿光和紫外两种波长的激光切割出来的导电膜形貌，参数如下：绿光：1）zno绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.4。2） zno绿光 调q频率10khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达

30、到要求，如图3.5。3） zno绿光 调q频率5khz 5倍扩束镜 切割速度125mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.6。 紫外：1）zno紫外 调q频率50khz 7.5倍扩束镜 切割速度75mm/s i=22a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.7。 2）zno紫外 调q频率45khz 7.5倍扩束镜 切割速度75mm/s i=22a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r=150m未达到要求，如图3.8。4） zno紫外 调q频率45khz 10倍扩束镜 切割速度225mm/s i=22a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻

31、 r=30m未达到要求，如图3.9。注意：每一幅图大小（长宽）要一致，而且不要随意改变其比例。在每一幅图的下面同样将实验条件参数标上图3.4图3.5 图3.6 图3.7 图3.8 图3.9现象：使用绿光切割的出来的槽边缘比较平整，切割出来的电阻值也基本达到大于200m的要求。而使用紫外激光切割的槽，宽度明显比绿光切割的槽宽小，槽两旁明显有烧焦的痕迹，而且边缘的玻璃也有破裂的现象，切割出来的电阻值仅有少部分达到200m。分析：根据式3.6可知，波长越长，高斯光束经过透镜聚焦后的光斑半径越大，而紫外的波长比绿光短，因此紫外的激光切割出来的槽的宽度比绿光小。而由于普通玻璃在紫外波段的透光率较低，吸收

32、率高于绿光，而且玻璃中的杂质也可能吸收掉部分紫外光，因此玻璃会有烧焦和破裂的痕迹。而紫外的能量比较集中，光斑较小，因此在相同的切割速度的情况下，紫外光的有效光斑可能有未连接起来的部分，即未切断，因此仅有少部分的紫外光切槽两旁的电阻值达到了要求。结论：绿光（532nm）激光器要比紫外（355nm）激光器更适合做切割工艺的激光源。（2） 入射方向对切割质量的影响：比较以下两组参数：1）zno绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.10。2）zno 绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250m

33、m/s i=19a透过导电膜入射，测得矩形框内外电阻r=0,未达到要求，如图3.11。图3.10 透过玻璃入射图3.11 从导电膜入射现象：从玻璃方向入射得到的电阻值达到了相应的要求，而从导电膜方向入射的电阻值为150m即未达到技术要求。从图中可以看出从导电膜方向入射的情况下切割后出现的切槽并没将导电膜完全的分离开来，形状极不规则，槽内有很多熔了的或者再次沉积的材料，即使采用更高的能量的激光，或者3次以上的切割，也不能将微型态电池的膜层的整个厚度完全切除。而从玻璃方向入射的图中我们可以清晰看到切出了一条直的横槽，其边缘比较平整，未出现熔融的状况。 分析：当激光直接入射到导电膜上时，由于中心能量

34、高，边缘能量低，使切割槽边缘的导电膜未完全气化，而熔融的导电膜流入槽内，导致切割不完全、不干净，形貌也不规则，因此电阻值达不到要求甚至完全没有切断而呈现阻值为是0的现象。而透过玻璃入射的激光脉冲的高能量，产生一个等离子体1，使它融化。不过这部分熔化的区域，只存在于熔融点的内部（大约直径20m）的部分。不过目前我们并没有找到相关资料来证明为什么会有这种影响。结论：从玻璃方向入射切割所取得的积极效果表明，这种方法在从激光脉冲向被切割材料转移相同能量方面有一些进步。因此，透过玻璃入射的切割方案比直接切割导电膜更有利。（3） 调q频率对切割质量的影响：比较以下3组参数：1） zno绿光 调q频率1kh

35、z 10倍扩束镜 切割速度25mm/s i=19a从玻璃方向入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.12。2） zno绿光 调q频率5khz 10倍扩束镜 切割速度125mm/s i=19a从玻璃方向入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.13。3）zno绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a从玻璃方向入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.14。 图3.12 绿光 1khz切割形貌 图3.13 绿光5khz切割形貌 图3.14绿光 10khz切割形貌 现象：三组参数下测量到的电阻值均大于200m,达到了技术要求。q值和切

36、割速度呈相应的倍数关系，而光斑的重合率基本保持不变。而且随着q值的增加，切槽的痕迹越来越清晰，使用1khz的切槽边缘不平整，不直，而使用10khz时玻璃边缘甚至有破裂的现象。绿光从1khz到10khz的时候，紫外光从30khz到55khz的时候，切割效果比较好，而超出范围的其他调q频率都无法切断导电膜。分析：光斑的重合率是由调q频率与切割速度共同来决定的。当调q频率从1khz升至5khz时，相当于从1秒内有1000个脉冲升到5000个脉冲，因此，如果1khz时的切割速度为25mm每秒，那么为了保证脉冲前进的速度一致，必须将切割速度提升至25mm/s5，即125mm/s。同理，当升至10khz时

37、，切割速度必须相应的提升至25mm/s10，即250mm/s，才能保证光斑的重合率一致。为了能使工作物质激光上能级积累足够多的粒子，并且避免过多的自发辐射损耗，以便激光器在保证一定的峰值功率下得到最大的反转粒子数利用率，相邻两个脉冲的时间间隔1/f大致要与激光工作物质的上能级的寿命相等。当重复频率过高时，因脉冲之间没有足够的时间使激光上能态的反转粒子数达到最大值，因此输出激光的脉冲峰值功率必然下降，而且由于增益减小，使脉冲宽度与脉冲形成时间都会增加。若重复频率过低，则由于自发辐射跃迁，部分反转粒子数损耗掉，也影响器件的效率。图3.11是调q频率对峰值功率pm 和平均功率之间的关系。当调q频率增

38、加时，其平均功率逐渐增加，因此槽的刻痕更清晰，但10khz处又因平均功率太高而使边缘玻璃破裂。图3.11 调q频率对pm、的影响10khz时，由功率计测得平均功率为1w,此时单个脉冲的能量约为即0.1mj，而脉宽大约为10ns，因此峰值功率应为即10kw。结论：绿光的调q频率应控制在1khz到10khz的范围内，5khz左右效果较好，而紫外的调q频率应控制在30khz到55khz之内，45khz左右效果较好。（注意khz）（4） 切割速度对切割质量的影响：比较以下三组参数：1）zno紫外 调q频率10khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻r200m

39、达到要求，如图3.12。2）zno紫外 调q频率45khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s i=22a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.13。3）zno紫外 调q频率40khz 5倍扩束镜 切割速度75mm/s i=22a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.14。 图3.12 绿光 10khz 250mm/s 图3.13 紫外 45khz 250mm/s 图3.14 紫外 40khz 75mm/s现象：绿光切割的导电膜中我们选出了效果最佳的图片如图3.12，而紫外光切割出来的切槽图片来看光斑的重合率都过大，效果都并不理想，如图3.13和图3.1

40、4。相同的切割速度，紫外的光斑重合率远大于绿光，而当速度降到75mm/s时，已经完全看不出光斑的外形。分析：最理想的光斑重合的情况应该是两个相交的光斑圆正好经过两个圆的圆心，而图3.12基本做到了这一点。由于紫外光的调q频率要远远大于绿光，因此虽然同样是250mm/s的切割速度，紫外光的光斑重合率远远大于绿光。由于紫外光很难完全切断导电膜，因此我们必须适当放慢切割速度以达到目的。而当速度降到75mm/s时，已经完全无法辨认光斑的形貌，此时近似的可以看成完全重合了。如果摒除多余热量的影响，较快的重复频率可以获得快的切割速率，但是激光脉冲产生的多余能量需要一定的时间来消散，过快的重复频率将导致多余

41、热量的大量堆积，影响切割质量实际上，实验过程中获得的质量较好的切割速率与脉冲重复占用率匹配对如图3.152。 图3.15 较好的切割速度与调q频率匹配图结论：绿光在10khz的情况下，采用250mm/s切割导电膜，其光斑重合率比较理想，在其他调q频率下可以一一对应算出相应的最佳切割速度。而紫外光无法同时达到光斑重合率及电阻值要求，因此再次说明绿光比紫外光更适合做切割的激光源。（5） 扩束镜倍率对切割质量的影响：对比以下两组参数：1）zno绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求，如图3.16。2）zno绿光 调q

42、频率10khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a从玻璃入射，测得矩形框内外电阻r200m达到要求如图3.17。 图3.16 10倍扩束镜下光斑半径 图3.17 5倍扩束镜下光斑半径 现象：其他参数相同的条件下，使用10倍扩束镜最后得到的切槽宽度为34.48um，而使用5倍扩束镜最后得到的切槽宽度为47.83um，且10倍扩束镜下的切槽痕迹更明显。分析：根据式3.6和3.8可知，扩束镜的倍率越大，从扩束镜中出射的高斯光束的腰斑半径就越大，而出来的高斯光束经过聚焦后的光斑半径也应该越大。但是，切槽的宽度并不就等于焦点处的光斑直径。我们知道，高斯光束经过聚焦之后其能量的分布是中心最高，

43、边缘最小，因此我们看到的槽的宽度应该是对切割有效的光斑直径。而通过式3.8得知，扩束镜倍率越大，出射的高斯光束的远场发散角越小，这样，经过聚焦透镜之后，其能量分布更集中，都集中到有效的区域之内，即能量的利用率变高了，而切槽的槽宽也相应的变窄了。结论：用倍率较高的扩束镜有利于改善光斑质量，提高能量利用率，减小槽宽。（6） 被切割导电膜材料对切割质量的影响：实验中用到的就2种导电膜材料，一种是zno，另一种是sno2。我们取一些切割比较好的图片拿出来比对，每种材料各选三组。切割材料为zno： 1）zno绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形

44、框内外电阻 r200m达到要求，如图3.18。 2）zno绿光 调q频率10khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.19。 3）zno绿光 调q频率5khz 10倍扩束镜 切割速度125mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.20。切割材料为sno2： 1）sno2绿光 调q频率10khz 10倍扩束镜 切割速度250mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.21。 2）sno2绿光 调q频率10khz 5倍扩束镜 切割速度250mm/s

45、 i=19a透过玻璃入射，测得矩形框内外电阻 r200m达到要求，如图3.22。 3）sno2绿光 调q频率5khz 5倍扩束镜 切割速度125mm/s i=19a透过玻璃入射，测得矩形框 内外电阻 r200m达到要求，如图3.23。 图3.18 图3.19 图3.20 图3.21 图3.22 图3.23现象：两种材料均比较容易切割，而且sno2材料切割出来的光斑呈月牙状，而zno材料切割出来的基本上为柱状，电阻值zno的切断情况稍好一些。分析：sno2切割出现呈现的形状说明气化并不完全，可能这种透明导电膜的光透过率较大，也有可能是切割速度过快导致。结论：两种材料都适合做太阳能电池导电膜的切割

46、，而zno的切割质量稍好于sno2。综上所述，通过分析整理出来的最佳切割参数如下：绿光激光器，调q频率在5khz左右，透过玻璃面入射，切割速度选择在125mm/s左右，10倍扩束镜，切割zno。4 matlab仿真实验4.1 实验背景及目的在实际激光加工过程（包括半导体、金属、陶瓷等材料的划线、打孔、面清除等加工）中，激光器提供的高斯分布的光束往往并不适用。因为高斯分布的能量中心高，两边低，且下降很陡。加工的过程中，能量极高的中心部分其实是浪费了，因为只要达到能量的阈值就可以了，而低于阈值的部分又起不到作用，因此，这种分布使得高斯光束能量的利用率非常低。我们希望得到的是中心部分基本能维持能量的平均，两边下降得越平滑越好的能量分布，这样我们就可以得到更高的能量利用率。前面分析到，扩束镜让聚焦光斑的能量更集中，能更有效的利用能量，并且可以减小槽宽。这