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文/英谷激光 随着工业的不断发展，生产中对于加工技术的要求也逐步提高，传统工艺已无法满足当今社会工业智能化、加工精密化的需求，激光技术应运而生。从最初的纳秒激光器，到现如今已趋于国产化的超快激光器，无一不体现出激光加工技术在生产领域的重要性、特殊性。随着激光技术的不断革新、完善，多元化市场也在持续被开拓。 超快激光器简介 超快激光器是一种基于半导体可饱和吸收反射镜（SESAM）、克尔透镜等锁模技术、脉冲宽度在ps甚至fs量级的激光器。 超快激光器峰值功率高，单脉冲能量大，在对材料进行加工时，可以有效减少热效应，边缘效果好，无熔边，大大提高加工质量，提升加工效率。
超快激光器新应用：极片切割 国家目前正在大力推广新能源汽车产业发展。根据行业市场分析，截至2023年底，我国新能源汽车保有量为2041万辆，占汽车保有量比重为6.1%，较2022年底提升两个百分点。新能源车前景乐观，动力电池和电极极片作为新能源汽车的核心部件，直接影响着汽车的性能与续航，与动力电池、电极极片有关的技术创新和优化都备受行业瞩目。 （1）超快激光切割极片基本原理 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电池极片，使极片很快被加热至很高的温度，迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点而形成孔洞；随着光束在极片上的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，从而完成对极片的切割。 其中，激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参数，对切割质量影响巨大。当激光功率太低或者移动速度太快时，极片不能完全切开；而当功率太高或移动速度太低时，激光对材料作用区域变大，切缝尺寸随之增大。 锂电池极片是双面涂层、中间为集流体金属层的结构，而且涂层与金属箔材之间性质差异大，对激光作用的响应也不相同。激光作用在负极石墨层或正极活性物质层时，由于它们具有很高的激光吸收率，导热系数也很低，因此，涂层需要相对较低的熔化和汽化能量；而中间的金属集流体对激光具有反射作用，并且热传导快，因此金属层的熔化和汽化需要的激光能量更高。
图2：激光切割示意图。 （2）切割案例 采用英谷激光300W皮秒红外激光器（见图3），分别对厚度10μm的铝箔、厚度150μm负极材料、厚度150μm的三元锂材料和厚度200μm的磷酸铁锂材料进行切割。切割效果显示，各类材料边缘（毛刺＋热影响）≤40μm，断面毛刺≤10μm（见图4a-d）。
图4：英谷激光300W皮秒红外激光器切割各类极片的效果。 皮秒激光的模切工艺，解决了目前五金模切存在的问题，让电极极片实现了高效高质量的切割。与传统的切割方式相比，激光切割具有无污染、更环保、边缘效果好、加工精度高、加工工具无损耗，运行成本低等优势，能够有效提升加工效率、降低企业生产成本，缩短新产品的模切周期（见表1）。 表1：超快激光切割与传统切割的对比
同时具备窄脉宽和高重复频率的激光器，是动力电池切割的理想选择。英谷激光的高功率300W红外皮秒激光器，平均功率大，重复频率高，效率高，能够替代传统模具，为动力电池的加工提供更柔性、更便捷的加工方式。激光切割一方面节约了五金磨具的换刀片时间，另一方面也省去了极片换型的时间，显著提升了加工效率。从成本角度看，皮秒激光器后续维护成本低，无需耗材，不会出现五金模具切割修模、换模的情况，降低了企业成本，性价比更高。 钙钛矿刻蚀 除了极片切割这一新应用，钙钛矿刻蚀也是当下热门的话题。 钙钛矿太阳能电池（PSCs），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，是第三代高效薄膜电池的代表，也被称作新概念太阳能电池。一般称晶体硅太阳能电池为第一代太阳能电池，而将一般型的薄膜太阳能电池归为第二代。 第一代太阳能电池制作工艺简单，但由于关键材料晶体硅的价格比较高，因此成本高；且单晶硅太阳能电池的光-电转换效率已接近29.4%的理论极限，未来效率提升空间小。而第二代薄膜太阳能电池虽然材料和制作的成本较低，但其转换效率低，仅有6%-10%。 为了寻找以上两种太阳能电池的替代品，钙钛矿太阳能电池应运而生。它凭借着良好的吸光性、电荷传输速率、巨大的开发潜力和绿色环保的加工过程，实现了高效率、高柔性、低成本，被称为“光伏领域的新一代革命者”。随着钙钛矿原材料的量产化，成本正在大幅降低；与此同时，钙钛矿太阳能电池还可以通过与晶硅电池叠层，形成晶硅/钙钛矿叠层电池技术路线，为光-电转换效率带来质的飞跃，目前全球最高纪录已达33.2%，未来应用市场潜力较大。 钙钛矿电池虽然优势很突出，但它的工艺精度要求到0.3~0.5μm，对于激光设备的技术指标、加工精度要明显高于晶硅电池。 钙钛矿电池结构一般被认为包含P1、P2、P3三层，P1为FTO导电玻璃层，P2为ITO或钙钛矿层，P3为镀金材料或度银材料，也有些项目组使用碳粉材料。 激光刻蚀作为钙钛矿电池制造工艺中的关键环节，其作用在于对P1、P2、P3进行激光划线，阻断导通，确保电池间的绝缘性，使整个钙钛矿面板形成一道道的子电池，实现增大电压和串联电池的效果，并负责P4的清边，从而完成最后的封装环节。该工艺的难点主要体现在以下两方面： 第一，划线工艺控制 激光划线非常容易损伤电池，对于激光器的功率、脉冲宽度的要求极高。需要保证在对下一层激光刻蚀的同时不伤及上一层级，尤其是P3层衬底为钙钛矿薄膜，厚度仅百纳米量级，能否做到精准划线，直接影响着钙钛矿电池的良品率和寿命。 第二，划线线宽 在钙钛矿太阳能电池生产过程中，有三个步骤需要激光划线，可称之为P1线、P2线和P3线。这三条线所包围的区域是不能用来发电的，故而被称为死区。死区越大，光能转化为电能的效率就越低；死区越小，发电有效面积越大，光能转化为电能的效率也就越大。由于死区面积和P1、P2、P3的线宽直接相关，因此提升激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距的精确度，成为了钙钛矿电池技术突破的首要任务。 激光器作为激光设备的核心零部件，更是重中之重。随着钙钛矿太阳能电池的迅速发展，对于加工的精度和效率要求越来越高，现有的纳秒激光器已无法满足需求。皮秒激光器成为新的刻蚀工具。根据每家公司的情况不同，可选择皮秒紫外、绿光或者红外激光器进行刻蚀。目前，英谷激光的皮秒紫外激光器功率最高可达100W，绿光最高达200W，红外最高达300W，可按需选择。 采用英谷皮秒激光器进行实验，将激光器光斑通过DOE整形成方平顶光进行单次划线测试。以国内某家的反式钙钛矿电池测试为例，皮秒激光器用来去除钙钛矿电池中的P2＋P3层。 刻划P2，去除钙钛矿层，厚度为400~600nm（空穴传输层＋钙钛矿吸收层＋电子传输层以及其他钝化层），暴露底电极且不损伤底电极；刻划的线槽为相邻的两节子电池正负极提供通道。测试结果显示，划刻线宽度为30~60μm（可选），热影响区≤1μm，火山口≤8nm。 刻划P3，将P2层、传输层、顶电极层全部划开，厚度为600~1000nm；刻划形成子电池之间的相互独立，并通过上下电子层形成相连的结构。测试结果显示，划刻线宽为20~60μm（可选），热影响区≤6μm，火山口≤60nm。
钙钛矿的发展前景 2023年9月，国家能源局发布《关于组织开展可再生能源发展试点示范的通知》，将钙钛矿及叠层太阳能电池列入示范工程。2023年11月，工信部等五部门发布《关于开展第四批智能光伏试点示范活动的通知》，优先考虑方向中包括钙钛矿及叠层太阳能电池。国家一系列利好政策的出台，持续助力钙钛矿电池行业的发展。据中商产业研究院分析师预测，2024年中国钙钛矿电池渗透率将达到0.5%，2030年将增长至30%。2024年中国钙钛矿电池新增产能将达2GW，2030年将达161GW，市场前景广阔。 超快激光器正在朝着更高功率、更大单脉冲能量的趋势发展，促进光伏、新能源等行业的蓬勃发展。近年来，超快激光器也在逐渐由国外进口转向国产化，国产高功率超快激光器市场覆盖率不断提高，打破了国外垄断，为光伏、新能源等行业带来大幅度的降本增效。 |
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