激光打孔技術在光伏背板玻璃上的應用

林加富

（臺玻福建光伏玻璃有限公司 漳州 363213）

0 引言

根據我國制定的“碳達峰、碳中和”長期目標，未來十年，全國年均新增新能源裝機容量可能超過1億kW。近日國家能源局綜合司正式下發(fā)《關于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，擬在全國組織開展整縣（市、區(qū)）推進屋頂分布式光伏開發(fā)試點工作，目前已有山東、陜西、福建、廣東、江西、甘肅、安徽、浙江、河北等23省發(fā)布分布式光伏整縣推進方案，這將會極大地推動光伏行業(yè)快速發(fā)展。

光伏行業(yè)持續(xù)發(fā)展的同時，雙玻組件以其抗PID（電勢誘導衰減）性強、防隱裂、防水汽透過、抗蝸牛紋、可靠性優(yōu)異、輕量化等諸多優(yōu)點促進其走向成熟和普及，在晶硅太陽能組件市占比逐步提高，2018年市占比達到5%，2021年市占比已悄然上升到30%，預計2025年會上升到65%以上。雙玻組件背板玻璃厚度趨勢亦是從2.5 mm發(fā)展到2.0 mm，未來將可能是1.6 mm，甚至是1.4 mm。雙玻背板的關鍵技術在于打孔，背板玻璃一般需要預留出線孔，且還多出現(xiàn)異形孔等，傳統(tǒng)機械打孔技術無法滿足，將逐步采用激光打孔技術。本文從實際生產經驗出發(fā)，對激光打孔和機械打孔兩種深加工打孔模式進行相關分析，探討激光打孔過程中常見問題原因及解決方法，對企業(yè)降本增效具有一定的指導意義。［1,2］

1 光伏玻璃用激光打孔設備

光伏玻璃用激光打孔設備由光學系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)（CCD）、運動控制系統(tǒng)、玻璃運載平臺等單元組成。

光學系統(tǒng)為核心要件，對打孔成型起決定性作用，系統(tǒng)包含了激光器、反射鏡、振鏡、場鏡等光學部件，如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)簡圖

冷卻系統(tǒng)主要功能則是為激光器提供冷卻服務。通過恒壓循環(huán)水使得激光器保持恒溫，循環(huán)水以蒸餾水最佳，其次為RO膜過濾后的純水。

視覺定位系統(tǒng)（CCD），由光源和相機組成，通過視覺系統(tǒng)，在打孔前對玻璃整體位置進行定位，校正產品由于放置造成的誤差，保證產品的加工精度。一般要求精度在0.5 mm以內，定位時間小于0.3 s。

運動控制系統(tǒng)、玻璃運載平臺主要包括光學系統(tǒng)軸向運動、玻璃傳輸及玻璃固定夾緊等裝置。為加快打孔速度，一般設置前后進出料平臺同時附帶高速旋轉功能。

2 常見問題及解決方案

2.1 孔未打穿

在完成激光打孔后，未穿孔或者孔中間的玻璃卡住孔洞無法掉落，多見單孔未打穿，同時三孔未打穿的情況較少。出現(xiàn)此類現(xiàn)象該片玻璃即報廢，若流到后端絲網印刷則可能割破網板，如圖2所示。

圖2 中間孔未穿孔

出現(xiàn)孔未打穿的原因可能有：①玻璃原片彎曲度超標，玻璃在激光下上凸或者下凹超過焦點起始位置，出現(xiàn)虛打孔情況；②玻璃原片厚薄差超過限定±0.15 mm標準，特別是正公差偏厚，在固定激光層數的情況下，無法打穿；③冷水機故障，激光器過熱引發(fā)保護，導致激光功率下降，孔位置玻璃無法快速汽化；④激光打孔的方式是從玻璃底部螺旋上升，逐層掃描打孔，一般每層厚度為0.013～0.014 mm，層數與層厚乘積設定小于玻璃厚度時，無法打穿；⑤壓縮空氣故障，壓力不足，無法將孔中玻璃吹出；⑥振鏡Z軸調節(jié)電機故障，無法上升，致使激光沿厚度方向無法移動。

由于在與愛迪生競爭市政照明投標中失敗，馬克沁不得不在42歲那年遠赴英倫重新創(chuàng)業(yè)。他無意中發(fā)現(xiàn)一種名叫“加特林排槍”的多管武器，有十來根槍管，需要四名射手搖動發(fā)射，威力不小，但極其笨重、射速也慢，作戰(zhàn)性能不高。不久，馬克沁在一次步槍體驗中，右肩被射擊時的后坐力震得輕一塊、紫一塊。有了這些經歷后，馬克沁決心把后坐力與“加特林排槍”的原理結合起來，發(fā)明一種新型快速發(fā)射的自動武器。

相應的，在光伏玻璃背板激光打孔的操作中可采取以下措施來避免孔未打穿的情況：①激光打孔前，對原片玻璃彎曲度進行復核檢驗，要求彎曲度弓形≤0.25，波形≤0.2；②嚴格限定玻璃原片厚薄差，對超過厚度的玻璃做預先報廢處理，或提高激光層數設定；③冷水機故障主要由水垢或水泵引發(fā)，需時常巡檢，注意激光器功率不正常衰減；④要求激光層數富余量大于4%，但不可無限累加，以提高打孔效率；⑤壓縮空氣壓力設定在0.4～0.8 MPa；⑥檢查振鏡并更換零配件，一般出現(xiàn)此類情況，激光會直接燒蝕玻璃某一位置固定不動。

2.2 孔位尺寸偏差

即未按孔位X-Y軸設定位置的打孔缺陷，背板線將無法按位置穿出，判定為廢品。造成這一情況原因主要有兩種：①CCD視覺定位系統(tǒng)故障，包括相機松動等，造成無法準確定位；②原片玻璃尺寸不符。

解決方案：①激光打孔設備開機前必須進行歸零定位校準，檢查各系統(tǒng)緊固情況；②批量生產前，先做打樣處置，合格后再進行批量生產。

2.3 孔徑尺寸偏差

現(xiàn)有常規(guī)孔徑要求為12 mm±0.5 mm，利于太陽能電池板背部穿線。小概率發(fā)生的孔徑尺寸偏差主要是孔徑偏大。原因可能有：①激光場鏡聚焦失效，激光光斑過大，燒蝕半徑增大導致；②設定圖紙失效；③振鏡X-Y軸失效，在平面掃描時，擴大或者縮小了設定打孔范圍。

改善措施：①檢查聚焦場鏡及功率設定值，一般設定激光器的功率為55 W左右；②檢查圖紙與實際預先打樣情況，匹配合格后再進行批量生產；③開機后對振鏡X-Y軸進行校正。

2.4 孔邊沿處崩邊或者暗裂

相比較于機械式金剛鉆打孔有較多的崩邊暗裂、孔洞粗糙等，激光打孔的邊沿崩邊及暗裂情況明顯優(yōu)于機械打孔，如圖3、圖4所示。

圖3 機械打孔崩邊、暗裂

圖4 激光打孔崩邊、暗裂

在激光打孔操作不當時，仍會出現(xiàn)崩邊、暗裂情況，主要原因：①激光器功率設定過大，激光能力密度超過了玻璃燒蝕閾值，在玻璃表面產生熱應力進而延伸至玻璃內部，產生崩邊、暗裂；②激光重復頻率及掃描速度過快，會加劇孔洞表面裂紋發(fā)展，引發(fā)崩邊；③原片玻璃退火不良，應力紊亂，一般伴隨玻璃易裂情況。

2.5 孔垂直度偏差

激光打孔出現(xiàn)的兩種垂直度不符合質量要求的情況，如圖5所示。

圖5 淺色部分代表激光打孔

出現(xiàn)此類情況主要原因：①激光頭松動，光路偏移；②打孔過程中，玻璃出現(xiàn)偏移情況；③振鏡X-Y軸在掃描時未依設定值，產生偏移。

改善措施：①檢查激光器固定情況；②檢查玻璃壓緊情況；③對振鏡及平臺進行校正調平。

3 激光打孔與機械打孔的成本對比

激光打孔相對于機械打孔優(yōu)勢有：無接觸、更少的機械應力引發(fā)的崩邊暗裂、免維護、人工成本低、無污染、可打任意形狀、耗水量低等。以相同產能比較兩種打孔模式，成本上激光打孔高節(jié)拍、高成品率、無耗材，性價比更高。生產時間越長，激光打孔的優(yōu)勢越明顯，基本一年即可回收設備采購成本。

對市面上激光打孔機、低成本機械打孔機、高成本機械打孔機生產光伏背板玻璃成本進行對比，見表1。

表1 三種打孔機成本及參數對比

以激光打孔產量為基準，扣除維修天數，以年生產330天，玻璃原片約13元/m2計算：

（1）因成品率差額：玻璃不良帶來的成本附加：機械打孔機（低成本）成品率低，約每年增加成本13×330×（17280－94%×17280）＝407（萬元）；機械打孔機（高成本）則約每年增加成本13×330×（17280－97%×17280）＝185（萬元）。

（2）設備成本：因激光打孔效率高，機械打孔要達到激光打孔的產能，需配備6/4＝1.5倍的設備。激光打孔設備約195萬元；機械打孔機（低成本）設備成本為36×1.5＝54（萬元）；機械打孔機（高成本）76×1.5＝114（萬元）。

（3）耗材成本：激光打孔無接觸、無耗材，僅維護費用約8萬元/年；機械打孔耗材主要為金剛鉆頭，市價約500元/個，平行三個鉆頭布置，每天均需更換，年耗材費約49萬元。

（4）人工成本：光伏背板激光打孔工序與絲網印刷工序一般是合二為一，無需增加人手。機械打孔因涉及加水冷卻，及更換鉆頭等停工操作，3人一組，每年約27萬元人工成本。

（5）綜合成本：激光打孔綜合成本＝195＋8＝203（萬元）；機械打孔機（低成本）綜合成本＝407＋54＋49＋27＝537（萬元）；機械打孔機（高成本）綜合成本＝185＋114＋49＋27＝375（萬元）。

4 結語

太陽能光伏玻璃激光打孔過程中容易出現(xiàn)的問題較多，針對具體問題，應具體分析以進行判斷和解決。本文結合實際生產經驗，對孔未打穿、孔位尺寸偏差、孔徑尺寸偏差、孔垂直度偏差以及孔邊沿崩邊等問題及原因進行了探究，給出了相應的解決方案，對光伏玻璃背板激光打孔有一定的指導作用。