成果報告書詳細
管理番号20140000000795
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(太陽光発電) 薄膜型太陽電池加工用レーザーの技術開発
公開日2014/12/6
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社シングルモード
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成21年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(太陽光発電) 薄膜型太陽電池加工用レーザーの技術開発

本事業では、薄膜型太陽電池加工用532nm(SHG)レーザーの開発を行った。固体レーザーをベースとし、単純構成にて量産性、安定性の優れたレーザーを高ビーム品質(M2<1.2)、短パルス(<15ns@50kHz)、シリコン吸収の強い波長532nmにて20W以上の出力のグリーンレーザーを低価格にて実現することを目的とした。平成21年度(フェーズ1)は、レーザーの様々な構成や条件を試すことができる試験装置及び電源、制御装置を設計・製作した。その試験結果をもとに出力12W以上を目指すプロトタイプレーザーヘッドの試作を行い、結果、最大出力18.1W、パルス幅@50kHz:12.9ns、ビーム品質M2<1.04、パルス繰り返し40kHz-200kHz、レーザーヘッド外寸200×140×95mm、空冷、出力変動(8時間運転時)±0.75%と基本性能について全て仕様を満たした。平成22年度(フェーズ2;1年目)は、平成21年度で開発された共振器設計を基に、励起系の見直しと集光強度の最適化を行った結果、22W以上の出力が40%以上の効率で得られることが分かった。それを基に、結晶・LD各1ケの構成にて空冷でコンパクトなプロトタイプ機を製作した。その結果、同クラス世界最小サイズ(200×140×95mm)のレーザーヘッドにて最大出力22.6W、効率42.0%を実現した。また、繰返し周波数は細線描画に適した条件を見つけるのに十分な40kHz-200kHz間で可変することが出来た。パルス幅は50kHz時13.7nsと目標仕様値の15ns以下の数値が得られ、高ピークパワーが必要な場合にも対応可能とした。長期安定性については8時間の連続運転において、周辺温度変動が5.2℃の時、出力変動は0.53%であった。また温度に対する変動は0.20%/℃であった。レーザー評価用太陽電池加工装置の製作・評価においては、本年度はまずパネルによる透明ITO膜の加工テストおよびシリコン加工テストを行った。そしてスポット径φ30μmのときに2m/secにて加工可能であることが分かった。平成23年度(フェーズ2;2年目)は、太陽電池加工装置に組み込みが簡単な完全空冷式LD一体型20Wプロトタイプ機を製作した。最終的に同出力の他社製品と比較して十分小さい198×200×337mmのレーザーヘッド寸法とすることが出来、最大出力23.9W、パルス幅13.0nsが得られた。また、パルス繰り返しを最大300kHzまで拡張し、より高速なスクライブに対応可能とした。太陽電池加工装置においては、走査型マルチスクライブ光学系、オンザフライ加工機能、集塵機能を追加し、アモルファスシリコン膜、ITO膜およびアルミ膜への加工を行った。全てのワークにおいて2m/secの速度で可能であることを確認した。アモルファスシリコン膜に関しては、ビームを6分岐後6機のスキャナヘッドを用いることにより、1100×1400mmのワークに対し連続往復加工の試験を行った。その結果パネル全面にわたり加工幅25μm以下の適切なスクライブ加工が可能であることが確認された。また、LD一体型20Wプロトタイプ機を評価用太陽電池加工装置に搭載し、実際に加工テストを行った結果、熱的条件が厳しいLD一体型のレーザーにて、LD分離型のタイプと同等の加工が可能であることを確認した。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development /New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Photovoltaic Power Generation)./ Development of High Power Second-Harmonic Generation (SHG) Laser for Thin Film Type Solar Battery Processing (FY2009-FY2012) Final Report

In this project, we have developed a high power second-harmonic generation (SHG) laser for the thin film type solar battery processing. Fast process throughput and high-quality scribes are also necessary to deliver a high yield of final product of the thin film solar battery. Therefore, high power and high beam quality are requested for the SHG laser. In FY2009, we carried out a development of a prototypical laser which generate over 12W power. The maximum SHG power was 18.1W at a repetition rate of 120 kHz in a condition of air cooling. The dimension of the laser head was 200*140*95mm. The repetition rate frequency was continuously tunable from 40 kHz to 200 kHz. TEM00 was obtained at entire power range. And an output power stability of +/-0.75% was demonstrated at 18.1W operation during 24 hours continuous running. In FY2010, we examined SHG with cavity configurations of single Nd:YVO4 crystal and tandem crystals, and found that the power of over 22W could be generated by using a single crystal with double-pass pumping. Based on the results, we developed a prototypical laser in an air-cooled compact laser head. The maximum SHG power was 22.6W at the repetition rate of 150 kHz. The optical-optical conversion efficiency was 42.0%. The dimension of the laser head was 200*140*95mm. The repetition rate was continuously tunable from 40 kHz to 200 kHz. TEM00 was obtained at entire power range. And an output power stability of +/-0.53% was demonstrated at 20W operation during 8 hours continuous running. The scribing test of ITO film was demonstrated with the prototypical laser. A target scribing speed of 2 m/sec for large panels was achieved and the width of the scribed line was less than 30 micron. In FY2011, we developed an air-cooled SHG laser which combined a laser head and a laser diode in to a single package that is simple to be integrated into machine tools. The laser generated SHG power of 23.9W, the same as the laser developed which separated a laser head from a laser diode. The range of the repetition rate in FY 2010 was from 40 kHz to 200 kHz, and is extended to from 30 kHz to 300 kHz. The dimension of the laser head is 198*200*337 mm and is smaller than competitive diode-pumped solid state lasers of similar power. We also manufactured a thin film solar panel laser scribing system which has 6 galvano scanners and a stage for 1100×1400 panel. The scribing tests of amorphous silicon layer, ITO layer and aluminum layer on a sheet of glasses were demonstrated and all of the layers were scribed well with line widths less than 25 micron. The SHG laser which combined a laser head and a laser diode into a single package can be processed the same as the laser developed in FY2010 which separated a laser head from a laser diode. As a review of the business plan, market research was carried out. We also examined the funding for commercialization. Finally, based on these results, we are planning to release a SHG laser which can generate over 20W.
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