Laser per il fotovoltaico

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Newport propone una sorgente laser automatizzata dedicata alla fabbricazione dei pannelli fotovoltaici a film sottile di nuova generazione

I laboratori californiani di Newport festeggiano nel 2009 quarant’anni di successi nelle ricerche sulle tecnologie ottiche arricchendo ancora una volta un’offerta di prodotti che è già fra le più complete del settore e comprende cristalli con proprietà elettroottiche, sorgenti e amplificatori in fibra ottica, laser e diodi a gas e allo stato solido, sorgenti sintonizzabili in lunghezza d’onda, sorgenti UV e IR, reticoli di diffrazione, filtri, prismi, optoaccoppiatori, spettrometri, monocromatori, microscopi non lineari e micromanipolatori.

Fra le tappe fondamentali della sua storia c’è l’acquisizione nel 2004 di Spectra Physics, un costruttore californiano di sorgenti laser fra i più prestigiosi che ha ulteriormente contribuito a impreziosire l’offerta di sistemi optoelettronici dell’attuale società comprensiva dei due marchi, rappresentati in Italia entrambi dalla milanese Laser Optronic. Il connubio fra i due laboratori di ricerca ha favorito l’emergere di nuove idee applicative volte alla realizzazione di macchine laser dedicate ai settori aerospaziale e medicale, nonché laser industriali ottimi nelle linee di assemblaggio dei componenti microelettronici oppure dei pannelli fotovoltaici oggi sempre più richiesti nel comparto dell’energia.

Fig. 1 – L’ampia gamma dei prodotti Newport può soddisfare le più moderne esigenze applicative dell’optoelettronica

Film sottili al laser
L’innovativo sistema di scrittura laser Newport SolaryX 420 è pensato per la preparazione dei film sottili tipicamente impiegati nei pannelli fotovoltaici. Il nuovo SolaryX 420 Thin Film Photovoltaic Laser Scribing System è, in pratica, un sistema laser semiautomatizzato che permette di disegnare sul vetro dei pannelli o, meglio, scrivere sulla superficie dei “thin-film-on-glass” le interconnessioni e gli elementi circuitali che servono alla conversione dell’energia. Si presta, dunque, a essere utilizzato nelle linee di produzione dei pannelli di nuova generazione, ma può anche essere utile nei laboratori dove sono studiate e sviluppate le celle di conversione e si cerca di massimizzarne il rendimento energetico.

Fig. 2 - Il sistema di scrittura laser SolaryX 420 per l’incisione dei film sottili tipicamente usati nella fabbricazione dei pannelli fotovoltaici

La sigla 420 nella denominazione indica che il laser può lavorare su pannelli grandi fino a 420 x 420 mm dove riesce a scrivere alla velocità di 600 mm al secondo. La versione base ospita una singola sorgente laser con lunghezza d’onda da scegliersi fra le due disponibili all’infrarosso, a 1064 nm, o sul verde, a 532 nm. Ci sono altre tre versioni con a bordo due sorgenti laser, uguali o diverse, capaci di lavorare simultaneamente sullo stesso pannello di vetro, aumentando la produttività. La versione con due sorgenti a diversa lunghezza d’onda consente, inoltre, d’implementare tecniche di lavorazione sofisticate con profondità d’incisione che può essere fatta variare in funzione della composizione dello strato superficiale del pannello. All’infrarosso la potenza d’uscita è di 4 W con energia tipica per ogni impulso di 200 µJ, mentre sul verde gli stessi valori sono di 1 W e 50 µJ. Gli impulsi durano meno di 20 ns e si ripetono con frequenza regolabile da 15 a 150 kHz, mentre la larghezza delle incisioni è di 40 µm all’infrarosso e 30 µm nel verde sui materiali noti come P1 (TCO e Moly), P2 (a-Si, CdTe) e P3 (ZnO, Al, Ag).

Questo sistema laser è tuttora in evoluzione e Newport prevede di ampliarne la famiglia introducendo nuove opzioni per un più ampio range di materiali attualmente coinvolti nella fabbricazione dei pannelli solari e fotovoltaici. Inoltre, è proprio pensando a questo tipo di applicazioni che gli ingegneri Newport sono riusciti a implementare nel laser un sistema di estrazioni fumi e particelle a tre stadi molto efficace nel rimuovere le scorie di lavorazione.

Optoelettronica industriale
Sono numerose le novità introdotte alla fine dell’anno scorso da Newport. Fra le più interessanti per il mercato europeo troviamo il laser Cyan Scientific, una sorgente con emissione continua CW (Continuous Wave) a 488 nm molto precisa e perciò adatta nella spettroscopia da laboratorio, oltre che in molte applicazioni industriali. Grazie ai due diodi laser, la potenza d’uscita è regolabile tra 10 e 100 mW, ossia dal 10% al 110% della potenza nominale di 100 mW, tramite una forma di controllo attivo facilmente configurabile per lavorare nelle linee di produzione. Fra le sue qualità vi sono i bassi consumi, la ridotta emissione termica che semplifica le problematiche di riscaldamento e la lunga durata di vita che gli esperti Newport garantiscono almeno 25 volte maggiore rispetto alle attuali sorgenti luminose commercializzate nella stessa categoria. La precisione è limitata dall’emissione a singolo modo spaziale (con M²<1.1) che garantisce una tolleranza sulla lunghezza d’onda di ±0,5% e una larghezza di banda minima inferiore a 1 MHz, ma c’è anche il controllo automatico della messa a fuoco che blocca la stabilità in potenza all’1% e cioè a 0,1 mW. L’intensità massima del rumore è confinata allo 0,2% e ciò ne permette l’uso anche nelle applicazioni d’interferometria o nella spettroscopia Raman, dov’è richiesta particolare coerenza luminosa.

Fig. 3 – I due nuovi laser industriali allo stato solido Cyan ed Explorer con emissione luminosa precisa e affidabile

La lunghezza d’onda di 488 nm è stata scelta perché è la più adatta in numerose applicazioni non solo industriali, ma anche medicali e da laboratorio. Tuttavia, se occorre una sorgente continua con un più ampio range di lunghezze d’onda, allora può servire il laser Excelsior che è disponibile con la possibilità di scegliere fra i seguenti valori: 375, 405, 440, 473, 488, 505, 532, 561, 594, 635 e 1064 nm. Si può anche scegliere il range di potenza fra le seguenti opzioni: da 5 a 500 mW, da 8 a 100 mW e da 10 a 800 mW. Fra le caratteristiche di questo laser DPSS, Diode Pumped Solid State, spiccano l’elevata purezza spaziale dell’emissione luminosa TEM₀₀, l’affidabilità che garantisce una durata di vita di 50000 ore e la bassissima dissipazione termica che non supera una manciata di °C/W a temperatura ambiente. Tali caratteristiche ne fanno un’utile famiglia di strumenti per la microscopia, l’interferometria, l’ispezione ottica e la metrologia.

Più potente è il laser Explorer che lavora nelle lunghezze d’onda all’ultravioletto di 349, 355 e 532 nm. Nella prima versione il materiale attivo è il ND:YLF e gli impulsi sono emessi con energia di 60 o 120 µJ, durata di 5 ns e frequenza di ripetizione dal singolo colpo a 5 kHz. Nelle altre versioni il materiale attivo è il Nd:VYO4 e l’energia media emessa si può scegliere nei tre tagli da 300 mW, 1 W o 2 W, mentre gli impulsi durano da 15 a 20 ns e si ripetono da 20 a 150 kHz. Ingegnosa è la scelta di un laser in fibra come sorgente di pompaggio interna a 808 nm che, oltre a rendere l’Explorer abbastanza robusto per gli ambienti industriali più critici, garantisce un’elevata purezza del fascio luminoso TEM₀₀ d’uscita con M²<1,3, diametro minimo di 0,15 mm ±10%
e divergenza massima inferiore a 3 mrad ±10%. 

Lucio Pellizzari

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