激光打孔技术在光伏背板玻璃上的应用

引言光伏行业持续发展的同时，双玻组件以其抗PID（电势诱导衰减）性强、防隐裂、防水汽透过、抗蜗牛纹、可靠性优异、轻量化等诸多优点促进其走向成熟和普及，在晶硅太阳能组件市占比逐步提高，2018年市占比达到5%，2021年市占比已悄然上升到30%，预计2025年会上升到65%以上。双玻组件背板玻璃厚度趋势亦是从2.5mm发展到2.0mm，未来将可能是1.6mm，甚至是1.4mm。双玻背板的关键技术在于打孔，背板玻璃一般需要预留出线孔，且还多出现异形孔等，传统机械打孔技术无法满足，将逐步采用激光打孔技术。本文从实际生产经验出发，对激光打孔和机械打孔两种深加工打孔模式进行相关分析，探讨激光打孔过程中常见问题原因及解决方法，对企业降本增效具有一定的指导意义。光伏玻璃用激光打孔设备光伏玻璃用激光打孔设备由光学系统、冷却系统、视觉定位系统（CCD）、运动控制系统、玻璃运载平台等单元组成。光学系统为核心要件，对打孔成型起决定性作用，系统包含了激光器、反射镜、振镜、场镜等光学部件，如图1所示。图1光学系统简图冷却系统主要功能则是为激光器提供冷却服务。通过恒压循环水使得激光器保持恒温，循环水以蒸馏水最佳，其次为RO膜过滤后的纯水。视觉定位系统（CCD），由光源和相机组成，通过视觉系统，在打孔前对玻璃整体位置进行定位，校正产品由于放置造成的误差，保证产品的加工精度。一般要求精度在0.5mm以内，定位时间小于0.3s。运动控制系统、玻璃运载平台主要包括光学系统轴向运动、玻璃传输及玻璃固定夹紧等装置。为加快打孔速度，一般设置前后进出料平台同时附带高速旋转功能。常见问题及解决方案孔未打穿。在完成激光打孔后，未穿孔或者孔中间的玻璃卡住孔洞无法掉落，多见单孔未打穿，同时三孔未打穿的情况较少。出现此类现象该片玻璃即报废，若流到后端丝网印刷则可能割破网板，如图2所示。图2中间孔未穿孔出现孔未打穿的原因可能有：①玻璃原片弯曲度超标，玻璃在激光下上凸或者下凹超过焦点起始位置，出现虚打孔情况；②玻璃原片厚薄差超过限定±0.15mm标准，特别是正公差偏厚，在固定激光层数的情况下，无法打穿；③冷水机故障，激光器过热引发保护，导致激光功率下降，孔位置玻璃无法快速汽化；④激光打孔的方式是从玻璃底部螺旋上升，逐层扫描打孔，一般每层厚度为0.013～0.014mm，层数与层厚乘积设定小于玻璃厚度时，无法打穿；⑤压缩空气故障，压力不足，无法将孔中玻璃吹出；⑥振镜Z轴调节电机故障，无法上升，致使激光沿厚度方向无法移动。相应的，在光伏玻璃背板激光打孔的操作中可采取以下措施来避免孔未打穿的情况：①激光打孔前，对原片玻璃弯曲度进行复核检验，要求弯曲度弓形≤0.25，波形≤0.2；②严格限定玻璃原片厚薄差，对超过厚度的玻璃做预先报废处理，或提高激光层数设定；③冷水机故障主要由水垢或水泵引发，需时常巡检，注意激光器功率不正常衰减；④要求激光层数富余量大于4%，但不可无限累加，以提高打孔效率；⑤压缩空气压力设定在0.4～0.8MPa；⑥检查振镜并更换零配件，一般出现此类情况，激光会直接烧蚀玻璃某一位置固定不动。孔位尺寸偏差。即未按孔位X-Y轴设定位置的打孔缺陷，背板线将无法按位置穿出，判定为废品。造成这一情况原因主要有两种：①CCD视觉定位系统故障，包括相机松动等，造成无法准确定位；②原片玻璃尺寸不符。解决方案：①激光打孔设备开机前必须进行归零定位校准，检查各系统紧固情况；②批量生产前，先做打样处置，合格后再进行批量生产。孔径尺寸偏差。现有常规孔径要求为12mm±0.5mm，利于太阳能电池板背部穿线。小概率发生的孔径尺寸偏差主要是孔径偏大。原因可能有：①激光场镜聚焦失效，激光光斑过大，烧蚀半径增大导致；②设定图纸失效；③振镜X-Y轴失效，在平面扫描时，扩大或者缩小了设定打孔范围。改善措施：①检查聚焦场镜及功率设定值，一般设定激光器的功率为55W左右；②检查图纸与实际预先打样情况，匹配合格后再进行批量生产；③开机后对振镜X-Y轴进行校正。相比较于机械式金刚钻打孔有较多的崩边暗裂、孔洞粗糙等，激光打孔的边沿崩边及暗裂情况明显优于机械打孔，如图3、图4所示。图3机械打孔崩边、暗裂图4激光打孔崩边、暗裂在激光打孔操作不当时，仍会出现崩边、暗裂情况，主要原因：①激光器功率设定过大，激光能力密度超过了玻璃烧蚀阈值，在玻璃表面产生热应力进而延伸至玻璃内部，产生崩边、暗裂；②激光重复频率及扫描速度过快，会加剧孔洞表面裂纹发展，引发崩边；③原片玻璃退火不良，应力紊乱，一般伴随玻璃易裂情况。解决措施：①激光打孔时遵循自下而上“慢-快-慢”的操作，在玻璃下表面扫描速度慢，避免热斑扩散过快造成孔边沿处过多崩边量，当达到玻璃中间厚度时加快速度，节约打孔时间，到上表面时速度再变慢，同样为了减少上表面崩边；②挑选应力合适的原片玻璃；③玻璃上表面可以喷涂一层磷酸溶液抑制裂纹的产生，或者用乙醇溶液降低玻璃的烧蚀阈值，从而降低玻璃的热裂致爆边情况。激光打孔与机械打孔的成本对比对市面上激光打孔机、低成本机械打孔机、高成本机械打孔机生产光伏背板玻璃成本进行对比，见表1。表1三种打孔机成本及参数对比结语太阳能光伏玻璃激光打孔过程中容易出现