（凝聚态物理专业论文）晶体硅太阳电池的激光工艺和前点电极技术研究.pdf

张陆成博上学位论文 摘要 晶体硅太阳电池的激光工艺和前点电极技术研究 专业：凝聚态物理 博_ 上生：张陆成 导师：沈辉教授 摘要 为了提高晶体硅太阳电池的转换效率，本文进行了如下方面的电池制造工艺 和电池结构探索。 第一章对激光在晶体硅太阳电池中的应用做了综述和分析。文中将激光在电 池工艺中的作用归纳为激光热效应和激光刻蚀效应，并具体介绍了这两种效应在 各种硅太阳电池特别是高效电池中的应用。文中指出，由于具备精确的选择性、 精细的线宽、较高的处理速度，激光工艺与太阳f 乜池的点电极有着非常紧密的联 系，文巾还对激光工艺的优点做了简要的概括。 基于激光特有的优点，利用n d ：y a g 脉冲激光做了诸多电池工艺探索。第二 章内容，是有关激光热效应在电池巾的应用。采用单脉冲激光和连续多脉冲激光 分别制各出了背点电极激光烧结电池。但由于激光脉冲的不稳定性，用单脉冲激 光烧结的电池效率一般低于1 1 o ，并且工艺非常难于控制。多脉冲烧结电池 的光电转换效率比现有的传统工业参考电池的至少高出2 o 。而利用多脉冲激 光对同一点电极烧结得到的电池的效率一般在1 4 5 以上。利用激光热效应， 还对低效工业硅电池的背电极进行了二次烧结研究，得到的电池甲均效率从 1 0 0 提高到1 0 4 第j 章是有笑激光刻蚀效应的应用。为了消除晶体硅太阳电池中的局部漏电 区域对电池的影响，它们被整体地被移除并用正常的电池修补。利用e r ；, l - 热像和 激光剡蚀，电池中靠近边沿( 电池a ) 和中心区域( 电池b ) 的漏电区域被榆测 出，随后被移除。经过处理后，电池a 和b 的效率分别提高了6 9 和3 o 。之 张陆成博上学位论文摘要 后，电池b 原漏电区域被正常的电池替补并作电学并联，得到的电池的- 1 ：作电 流进一步从3 7 la 提高到4 1 la ，从而提高了电池在组件中的匹配，电池的输出 功率也得到了提高。 第四章对红外热像在太阳电池制造工艺检测中的应用作了研究。先用红外热 像检测出漏电的区域，再附之以其它分析手段，漏电的原因可以辨别出来。该方 法可为人阳电池工艺参数的优化和工艺现场管理提供有益的帮助。 在第五章，提出了前点电极即梁桥电极结构，该电极结构南与桥墩和桥梁结 构卡h 似的部分组成，可以减轻由于传统丝网印刷电极所造成的碎末效应。通过制 备出桥墩问距不同的电池，得到的桥墩间距为1 9 3 咖的电池效率要比间距为 1 0 0m m 的效率高出0 3 。在第六章，通过使用不同参数的梁桥结构电池，这 些电池具有不同的桥墩与发射极的接触面积，准确地测出了由于前电极穿透发射 极所造成的漏电电阻的大小。该样品制作工艺能与现有硅太阳电池工艺兼容，为 测量提供了很人的便利。该测量方法可以为太阳电池的结构、材料和工艺的设计 和优化提供参考。 最后为本论文的结论。 关键词：太阳电池，晶体硅，激光，热效应，刻蚀效应，点电极，漏电，梁桥 张陆成博士学位论文摘要 i n v e s t i g a t i o n so nt h et e c h n o l o g i e so f l a s e rp r o c e s s e sa n df r o n t p o i n tc o n t a c t sf o rc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s m a j o r ：c o n d e n s e dm a r e rp h y s i c s p h ds t u d e n t ：z h a n gl u c h e n g s u p e r v i s o r ：s h e nh u ip r o f e s s o r a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l ， s e v e r a la p p r o a c h e sw e r em a d ei n c l u d i n gt h en e wp r o c e s s e sa n dn e wc e l ls t r u c t u r e s i nc h a p t e ri ，d e p e n d i n go nt h ea d e q u a t er e f e r e n c ei n f o r m a t i o n ，a p p l i c a t i o n so f l a s e rp r o c e s s e si nt h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l lm a n u f a c t u r i n gw e r er e v i e w e da n d a n a l y z e d t h el a s e rf u n c t i o n si nc e l lf a b r i c a t i o np r o c e s s e sw e r ec l a s s e di n t ot h e r m a l a n de t c h i n ge f f e c t s ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nv a r i o u st y p e so fs i l i c o ns o l a rc e l l s e s p e c i a l l yh i g he f f i c i e n c yc e l l sw e r ec o n c r e t e l yi n t r o d u c e d b e i n go fa c c u r a t e s e l e c t i v e n e s s ，s u b t l ew i d t ha n dh i g ho u t p u t ，l a s e rp r o c e s s e sh a v ec l o s er e l a t i o nw i t h t h ep o i n tc o n t a c t sf o rs i l i c o ns o l a rc e l l ，t h ec l o s er e l a t i o nb e t w e e nl a s e rp r o c e s sa n d t h ea d v a n t a g e so fl a s e rp r o c e s sw e r eb r i e f l yo u t li n e d b a s e do nt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a s e rp r o c e s s e s ，t h ea p p l i c a t i o no f n d ：y a gp u l s e dl a s e r sw e r ee x p l o i t e di nt h ew e r ea p p l i e di nt h ef o l l o w i n gs o l a rc e l l p r o c e s s e sa n ds t r u c t u r e s i nc h a p t e r2 ，l a s e rt h e r m a le f f e c t sw e r eu t i l i z e d l a s e r - f i r e d p o i n tc o n t a c ts o l a rc e l l sw e r ef a b r i c a t e du s i n gs i n g l el a s e rp u l s ef i r i n ga n dm u l t i p l e l a s e rp u l s e sf i r i n g ，w i t ht h em u l t i p l e l a s e r - p u l s e s f i r i n gc e l le f f i c i e n c i e sb e i n ga tl e a s t 2 h i g h e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lr e f e r e n c ec e l l t h es i n g l e - l a s e r - p u l s ef i r e d c e l le f f i c i e n c yw a su s u a l l yb e l o wil a n dd if f i c u l tt oc o n t r o ld u et ot h ei n s t a b l ep u l s e l a s e r a n dm u l t i l a s e r - p u l s e sf i r e dc e l le f f i c i e n c yw a su s u a l l ya b o v e1 4 5 a l s o u s i n gl a s e rt h e r m a le f f e c t ，s e c o n df i r i n gp r o c e s sb yu s i n gl a s e rw a sp e r f o r m e do nt h e 张陆成博士学位论文摘要 r e a rc o n t a c to fi n d u s t r i a ll o wq u a l i t ys i l i c o ns o l a rc e l lw i t ht h ec e l lp e r f o r m a n c e s i m p r o v e d a f t e rt h el a s e rr e f i r i n gp r o c e s s ，t h ea v e r a g ee f f i c i e n c yo ft h el o wq u a l i t y s o l a rc e l lw a si n c r e a s e df r o ml0 0 t ol0 4 t h eu t i l i z a t i o no fl a s e re t c h i n ge f f e c t si si nc h a p t e r3 t oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e o fs h u n t si nc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s , t h e ya r ep h y s i c a l l yr e m o v e da n dr e p l a c e d b yg o o dc e l l s b yi n f r a r e di m a g i n ga n dl a s e rc u t t i n g ，t h es h u n t e dr e g i o n sn e a rt h e e d g e so fc e l laa n di nt h em i d d l eo fc e l lbw e r ei d e n t i f i e da n dr e m o v e dw i t ht h e i r e f f i c i e n c yi n c r e a s i n go f6 9 a n d3 0 ，r e s p e c t i v e l y a f t e rs h u n t sr e m o v i n g ，c e l lb w a sp a t c h e du pw i t hg o o dc e l l st h e ni t sf i n a lw o r kc u r r e n tf u r t h e ri n c r e a s e df r o m3 7 1 at o4 i1a w h i c hc o u l di m p r o v et h ec u r r e n tm a t c h i n gi nam o d u l ea n di n c r e a s et h e c e l lo u t p u tp o w e ro f t h em o d u l e i nc h a p t e r4 ，a si nt h es o l a rc e l lr e p a i r i n gp r o c e s s ，i n f r a r e di m a g i n ga l s ow a sa l s o u s e dt om o n i t o rt h es o l a rc e l lf a b r i c a t i o np r o c e s s s h u n t e dr e g i o n sd e t e c t i n gw e r e p e r f o r m e da n dt h es h u n t i n gr e a s o n sw e r ei d e n t i f i e dw i t ht h eh e l po fo t h e ra n a l y z i n g m e t h o d s ，w h i c hw a sc r u c i a lt ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dm a n a g i n g i n c h a p t e r5 ，f r o n tp o i n tc o n t a c t s ，i e b e a mb r i d g ec o n t a c t s ( c o n s i s t e do f s o m e t h i n gl i k ep i e ra n db e a m ) ，w e r ei n v e n t e da n df a b r i c a t e df o rs i l i c o ns o l a rc e l l s ， w h i c ha l l e v i a t e dt h em o r s e le f f e c t so ft h ec o n v e n t i o n a ls c r e e n - p r i n t e dc o n t a c t sw i t h t h ee f f i c i e n c yo fi 9 3 一m m - p i t c hc e l lb e i n go 3 h i g h e rt h a nt h a to f t h ei 0 0 m m p i t c h c e l l i nc h a p t e r6 ，b yu s i n gd i f f e r e n tb e a m b r i d g es o l a rc e l l sw i t hd i f f e r e n tc o n t a c ta r e a b e t w e e nt h ep i e r sa n ds o l a rc e l le m i t t e r , t h eb e a mb r i d g ec o n t a c ts t r u c t u r ew a su s e dt o e x p l i c i t l ym e a s u r et h es h u n tr e s i s t a n c ec a u s e db yt h ep e n e t r a t i o no ft h ef r o n tc o n t a c t s t h r o u g he m i t t e r t h es a m p l ep r e p a r a t i o ni sc o m p l e t e l yc o m p a t i b l ew i t ht h ec u r r e n t s i l i c o ns o l a rc e l l m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，w h i c h i so fg r e a tc o n v e n i e n c e t h e m e a s u r e m e n tr e s u l ti su s e f u lf o rt h ed e v i s ea n do p t i m i z a t i o no fs o l a rc e l ls t r u c t u r e ， m a t e r i a la n dp r o c e s s e s k e yw o r d s ：s o l a rc e l l ，c r y s t a l l i n es i l i c o n ，l a s e r , t h e r m a le f f e c t , e t c h i n ge f f e c t , p o i n t c o n t a c t , s h u n t ，b e a mb r i d g e 张陆成博士学位论文原仓i j 性声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张够碗 日期：2 0 0 9 年5 月2 5 日 张陆成博士学位论文学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：强陷固 日期：2 0 0 9 年5 月2 5 日 导师签名：嘶 日期：2 0 0 9 年5 月2 6 日 张陆成博士学位论文知识产权保护声明 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：琴压他固 日期：2 0 0 9 年5 月2 5 日 张陆成蹲上学位论文第一章引言 第一章 引言 在这部分内容中，首先综述了激光工艺在晶体硅太阳电池的应用，将激光在 电池工艺中的作用分为两类：激光热效应和激光刻蚀效应；然后介绍了太阳电池 结构中的点电极设计，最后介绍本论文的工作内容。 1 1 激光工艺 近十年来光伏市场每年以超过4 0 的速度发展【l 之】，其中晶体硅太阳电池占 到9 0 以上【3 1 。太阳电池的新结构和新工艺小断出现，其中采用激光技术来制 备太阳电池，或替代现有太阳电池菜些工艺环节，来提高效率、降低成本和减少 电池生产中的污染，是目前太阳电池研究和开发的热点：用到了激光工艺的刻槽 埋栅太阳电池已经被西班牙b ps o l a r 公司实现产q k 化，德囝大郎霍费尔研究所 ( f r a u n h o f e ri s e ) 用激光烧结背电极的人阳电池效率也超过2 1 。本文先介绍 激光热效应，弭综述激光热效应在太阳电池制备中的具体应用，接着提出其中普 遍存在的问题，并展望激光在太阳i 乜池中的工业化应用前景。 1 1 1 激光与材料的相互作用 激光聚焦后照射在材料表面时( 图l 1 ) ，部分被反射，部分被吸收，部分被 传递进入晶体，三者的比例取决于激光波长和材料的色散父系及能带结构1 4 】，其 中被吸收的那部分能量才对硅基表而起作用。光能以声子和电子激发剑高能念的 形式被吸收，并扩散至i i 0 i 近原予区域。随着吸收的能量越来越多，材料温度不断 升高，升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消敞之问的比例；温度升高后， 材料的光能吸收的比例也提高，这样愈发加剧材料的升温速度。在光吸收长度距 离内，材料吸收能量转化的热能整体扩散距离大致为l = 4 d x 2 ，其中l 为扩散 p a g ei 张陆成博l 学仲论史第一章引言 距离，d 为热扩散系数，t 为激光的脉冲宽度。当l 远大于吸收k 度，受辐照表 面温度肯限升高；而l 小于吸收深度时，温j 立将急剧升高，导致材料熔化，甚至 离化成等离子体。 图1 1 激光系统扫描示意幽。激光绛过由i u 脑控制的叫转动反射镜然 经过透镜后，在材料表面刻划出一定点阵的图案。激光在材料袁面的移 动速度可以达到3m s ，用做激光点电极烧结，这样的速度町以达到工业 化量产的要求。 硅表而受激光辐j ! l 后什曲类小l 刊的效应：热被应”6 1 和刻蚀散应。在激光 热效应中，擞光能量崭度较低，小警于使材料融化，受热区域材料仪起剑遐火作 用：或者激光能簧桁度如果达到一定强度，材料表面受辐照的k 域温度升高甚至 达到熔点面融化曲+ 随扁的降温过挫中，材料会再结品。曲激光捌蚀效麻巾，激 光能景密度超过一定阈值材料受激光辐j ! l l 的k 域温度急剧升高以毫十材料离 化成等离子而挥发，在光辐照区形成凹陷区域，这类工艺一般用来改变材料表面 张陆成博上学位论文第一章引言 形貌，从而得到特殊的器件表面结构。以下先介绍以上两类效应在太阳电池工艺 中的应用，在激光热效应中有激光掺杂和激光烧结，在激光刻蚀效应中有激光表 面形貌修饰、电学隔离以及电学连接等。 1 1 2 激光热效应在太阳电池中的应用 1 1 2 1 激光掺杂( 1 a s e rd o p i n g ) 如果预先在硅片表面敷涂一层某种元素的掺杂源，并且硅片表面被激光加热 到熔融状态，那么预敷的掺杂原子快速溶入熔体，然后当激光从熔区移开后，熔 区的熔体开始冷却并再结晶，掺杂原子与硅形成合金。这就是激光融熔预沉积杂 质源掺杂l i m p i d ( 1 a s e r - i n d u c e dm e l t i n go f p r e d e p o s i t e di m p u r i t yd o p i n g ) 盯】。由于掺 杂的源层一般较薄( 特别是经过浸涂的液体源) ，同时要求激光对基体材料的损 伤最小，采用较短的激光波长( 即将n d ：y a g 或n d ：y v 0 4 激光两倍频) 可以得到 损伤较小的局部掺杂域。激光束斑直径愈小愈好，一般达到1 5 5 0l a m ，而功 率和扫描速度依据掺杂源膜厚和q 开关的频率决定，但要保证相邻的材料表血熔 融斑点有2 0 8 0 重叠区域。该掺杂工艺的主要优点是：勿需掩膜即能埘硅基 体进行局部的有选择性掺杂；由于是局部加热，未受激光辐照的区域一会产牛附 加的品格与杂质等缺陷；工艺的环境温度为室温，不需要真空设施：工艺过程没 有毒性气体，设备安全，节省空问。激光掺杂在太阳电池中的应用例子有选择性 发射结太阳电池、半导体指栅太阳电池等。 有选择性发射结要使硅与会属形成良好的欧姆接触，需对与金属接触的 过渡l x ：域进行重掺杂( 多于l x l 0 9 个原子立方厘米) 【8 l ，但对于电池前表而的发射 极区域，掺杂太重会弓i 起表面少子俄歇复合速度大，电池的短波光谱响应差。因 此，对j ：有前电极的太阳l 色池，前表面杂质浓度理想分布应该是：吸收入射光的 区域为轻度掺杂，与电极接触的区域为重掺杂。这样既i 叮以使电池有较高的光潜 响应( 在波k3 0 0 4 0 0a m 处的内毓子效率i q e ( i n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ) 甚至 可以接近于1 0 0 9 j ) ，使电池有较高的短路电流i 和开路电压v ：同时发射区 p a g e3 张陆成博上学位论文 第一章引言 与金属电极有良好的欧姆接触，从而提高电池的填充因子f f 。这就是有选择性 掺杂发射结太阳电池，该思路已经在刻槽埋栅电池中得到体现。 激光刻槽埋栅l g b c ( l a s e rg r o o v e db u r i e dc o n t a c t ) 电池由澳大利亚新南威 尔士大学最先研制，被西班牙b ps o l a r 公司实现了产业化生产。这类电池的主要 工艺特点是：对于吸收入射光的发射结区域采用轻度扩散；将表面要制备电极的 区域，依次采用激光刻蚀成沟槽，碱腐蚀液去除激光造成的损伤，沟槽处作高温 掺杂原子的重扩散，再在沟槽处通过化学电镀法镀上镍和铜作为电极。 相对- j ：传统的丝网印刷太阳电池而言，l g b c 太阳电池电极制作工艺的费 用较高，也较费时，电极工艺时问可以占据大约5 0 的电池制作时耐1 0 l ，此外， l g b c 电池的电极制作还需要好几个高温步骤，这样会增加电池片的高温缺陷， 少子寿命也相应增加。 成本低廉h 工艺简单的激光掺杂有望代替现有的刻槽埋栅电极制备工艺。在 实验室阶段，所有结构的l g b c 电池的激光刻槽和二次掺杂工艺可以全部被激光 掺杂工艺代替，基本过程是在l g b c 太阳电池其他工艺不变的条件下，将“电池 片表而激光刻槽_ + 化学去损伤一沟槽处二次重扩散”的制程用“电池片表面预沉 积杂质源_ + 脉冲激光局域融化而后雨结晶”制程替代。激光掺杂优点是：不需要 杂质扩敞的掩膜：不需要对硅片整体高温处理，勿需一：次掺杂的区域不产生高温 晶格缺陷和杂质缺陷，这对于多晶硅电池尤为重要；激光掺杂处的介质膜也一并 去除，未掺杂处的介质膜被保留并可作为后继的无电镀工艺掩膜【i l 】；工艺安全 而环保，无有毒气体放出；工艺设备节省空问。 激光掺杂结合无电镀工艺，除了用于制作电池存发射结区( 无论是在电池前 表面还是背表面) 的电极外，还可也用于制作基区的电极，制得的电极接触电阻 低于0 0 0 1o h m c m 2 ，填充因子f f 超过8 0 f 眩1 。因而激光掺杂已成功地实现了多 种有选择性发射结太阳电池结构：传统工业化丝网印刷太阳电池结构相似的激 光掺杂有选择性发射结太l ；i fl 毡池( 图l 一2 ) ；具有指交型全背电极结构的激光掺杂 太阳l 乜池；双面太刚电池 1 3 】( 图l - 4 ) 。图1 3 p 3 1 足与这种电池结构相似的l g b c 指 交型全背电极太阳电池，激光掺杂全背电极电池结构与l g b c 电池结构巧、= 同的 是：前者电极附近发射区和基区的重掺杂是通过激光掺杂工艺实现的。i f i j 后者电 极附近发射区和基区的重掺是依次通过激光刻槽、化学去损伤和二次高温扩散实 p a g e 4 帐陆成博i ：学似沦立 第章t j 【吉 现的。 幽1 - 2 传统l 业化丝刚印刷a 刖电池结掏幸h 似的有选择性发射结太 阳电池。 r i ；i 洲啪m 驯t | 呈l1 - 3 指堂型全7 f 电极结构的 阡| 电池 ”i 。 _ 于噎号_ r ? 卜r j 一“” 图l _ 4 激光掺杂双面电池l ”j p a g e5 张成啡上 化沦0筢龋0 激光掺杂有选择性ar ；i i 电池性能的芡刊特点址：宵光电活性的发射结区域牌层电 m l 高逃1 0 0 列口，l i _ j 电掀处重掺杂返剑4 0 n ，几，短波光计 响f 衄 删显捉高：激光掺 杂区域的线宣仪有l5u m 芹l i ，屯镀后的屯极线宽也h 宵3 5 m 芹i - ，n 传统缝 嗍印删电池表山指栅宽度达到1 3 0 i5 0 m 左i - ，而全背电极则尤遮挡冈l m 激 光掺杂自选择性发射纳电池的阴影效应小，电池短路电流1 。a ：电檄金属与发射 扳接触面秘小，暗电流小电池开蹄r 1 压v 。较大；加r 前山提到的较雕想填充 田f ，田而电池具宵较高的光电转换效率。具有图l 结构，在直拉p 副硅单晶r 值得的电池n 值一般达到1 8 ；对于廿n 型硅片【制得的双面屯池和指盒犁全背 r 巳极电池，大批龋生产条件下的效牢接近2 0 1 1 。 激光掺杂半导体指据l d s f 太刚屯池1 除丁具有选择性掺杂发射结a 日j 电池的特性外还有逐叭电檄的特点。半导体指栅电池没有片j 尢电镀i 岂竹二重 掺杂线条r 沉秋金属栅线，激光尊隆的半导体区域就町以作为收集光十电流的栅 线，洲此叫作半导体指栅。为r 满足低电h 【要求，激光掺杂的线条区域掺杂浓度 比前山讲剑的激光掺杂有选择性发射结 刚电池更高，达到5 c l o 。l d s f 太附电 池足山激光刻槽半导体指栅l g s f ( 1 a s e rg r o o v e ds e m i c o n d u c t o rf i n g e r ) a m 屯池技 胜而来6 ”】，图l - 4 足l g s f a 日l 屯池结构不意图。 - 图1 - 5 激光刻槽半导体指栅太阳电池结构示意图，沟槽处为半导体指 栅指栅收集的电流又被卡栅收集，卜栅电极垂直于半导体指栅。 l d s f 电池工艺弓现看丝嘲印刷电池1 ，艺有较好的兼容，柏完成p 型硅片的高 口6 张陆成博上学位论文第一章引言 温轻扩散和p e c v d 镀s i n 。减反膜后，便在表面涂敷一层n 型掺杂源，接着用激光 掺杂制备出间距小于l1 1 1 1 1 1 、宽度为3 0p m 的平行半导体指栅，然后用化学液清 除表面残留的掺杂源并烘干，紧接着用丝网印刷在前表面制备出走向与半导体指 栅方向垂直的a g 电极，其它工艺与现有的丝网印刷传统太阳电池工艺相同。 相对于具有图l 结构的激光掺杂有选择性发射结太阳电池，由于l d s f 太阳 电池的指栅是透明的重掺杂半导体材料，指栅对入射光的遮挡可以减少2 ，凶 而可以相应地提高电池的短路电流i 踮；加之具有激光掺杂有选择性发射结太阳电 池的优点，因而l d s f 电池的光谱响应较高和开路电压v 较大，得到了1 8 3 的 稳定光电转换效率，而作为参考的传统丝网印刷电池的效率是1 6 5 。 1 1 2 2 激光烧结( 1 a s e rf i r i n g ) 激光热效应在太阳电池的背电极烧结方面有很好的应用。p e r l 【m 1 9 1 ( p a s s i v a t e de m i t t e ra n dr e a rl o c a l l yd i f f u s e d ) 太阳电池效率达到2 4 7 ，其背面结 构和材料适于高效的特点有：首先，电极是点接触( p o i n tc o n t a c t ) 形式，并旱一定 阵列分布，在没有电极的区域表面则用厚度为2 0 0n m 的s i 0 2 作钝化膜：其次， 电极与p 璎硅基体之问有一个重掺杂的p + 区域可以作为背场可以较好地钝化金属 一半导体界面。而这种结构可以通过激光烧结( 1 a s e rf i r i n g ) 的方式来实现。 激光烧结电极技术由德围f r a u h o f e r 太阳能研究所r p r e u 等人提出f 2 0 1 ，并建 立了中试生产线。 激光烧结电极f 2 卜2 2 l 工艺过程为：在完成了电池前表面的结构j 二艺后，首先 在硅片的背砸沉积一层钝化膜，接着在钝化膜镀上一层铝，然后在要制备电极的 铝膜上用激光烧蚀，使钒穿透介质钝化层溶入体硅基体并与硅形成良好的欧姆接 触。得到的电池结构见图1 - 6 。此工艺代替了用光刻的办法在介质钝化膜上丌孔， 并且省去了在镀销膜后的烧结上艺。南于用作电极的目前多为较厚的铝材料( 大 j ：2i j m ，以使太阳电池有小的串联电阻) ，这样就需要选择较长波长为1 0 6 4n i l 激光，以实现铝膜对激光的适合吸收深度，使锚硅界面融化艉i 再结晶。另外，由 于光斑对材料损伤区域和电极欧姆接触而积优化的结果，使得激光烧结使用的激 光束斑比激光掺杂时使用的激光束斑要大，达到了8 0 1 2 0p m 。还有，激光烧结 p a g e7 张陆成博上学位论立第一章i 言 时材料表面被激光熔融的点呈分一排靠，间距约为05m m 。激光功牢和扫描 速度也依据铝膜厚度队及o 开火的频率，存在工艺优化的过程。 u 搬毗k j ，。 k 蚶擞 _ 二逼- - _ _ _ l - ， 皇昌昌昌昌昌暑昌昌昌昌昌置r 皇叠r 、叠冒 叠叠 一 。：戮 阁i 6 太阳电池背面点电极的激光烧结i 艺示意图 激光烧结电擞仪用步工岂，就产q 二两个作用，叩形成背而场和形成良好的 点瞅辨接触，呖这两个作用布他统的电池i 岂巾要占先通过光刻后，再经过烧结 _ 【= 艺来蛮现川。辑1 对光刻上艺斯言，l f c i 艺制各点接触电橄具有步骤少、使用 化学试刺少及t 艺简单等特点。 激光烧结电极电池l f c 太酬电池( 剖i 一6 ) 的背值f 电极采用激光烧结米室 现，秉川该工艺制得的电池效率可以超过2 i 。改屯池县有高教的原网是：( i ) 点 电极面秘加起来约为电池背部面积的1 ，来接触的区域驶一定厚度的介质层钝 化，这样仃利于降低少f 背表i a l 复合：( 2 1l f c d i 艺h 在电极接触处出现高温， 避免了硅片整体经受高温，避免了s i n 。钝化效果的降低和高温缺陷的产生l ：( 3 ) 点电极f i n i 几个微米的f 域出现局部背场阱1 ，较好地钝化r 金属一半导体界 ( 如图1 - 7 的l l 心区域) ， 张黼成博上学f t 论殳第章目l 音 雕l 一7l f c 止电极的l b i c 和s e m 合成瑚8 ”，该| 冬| 表明激光烧结l 乜极的中 心部分彤成a l 背场，边缘j 旺成了瞅姆接触。 l f c 电池行丽铝膜层f 面的介质钝化层材料可以多样化r p r e u 和sg l u n z 采用r p p e r c 结构往低温2 0 0 - 4 0 0 坩p e c v d o c 税的s i n ，作 i a i 钝化膜，通 过调1 ，膜- l i 氮的比例，得到了效率为2 13 的i u 池，呖采用热氧化生成的s i o ! ， 敛率选2 19 【”】，采m s i c ，敛率达2 03 ：采用s 1 0 2 和s l n 。的叠层结构，效率 也超过2 0 【2 “。采用这种叠层结构u 以人人减少s i 0 2 层的厚度，因m 减少高 泓l 。艺的时问，忸钝化设聚仍然很好。 l f c 电池的起始硅片还r 以做得很薄，这是h j f 统的丝网印刷技术不能得到 的，仃人在厚度为3 7l i m 的p 掣硅片上制备出r 可弯曲的太阿1 l b 池埘，j e 转换敬 率为2 02 ，开路也乐为6 7 i4 m v 。 l f c u 池的人批年。生产饭太程度i 依赖j 。激i 匕处理的速度除r 激光扫描 的述度必颁芷够快之外，迁哲一个解决“怯是将聚焦透镜仆成阵列剐这样町 咀同时烧蚀多个点电极微透镜足罅多的h 十候，整个电池背面电极的烧制叫l l f 父完成。 i 3 激光刻蚀效应在太阳电池巾的应 激光刻蚀的忭h | 柑“于个“挖掘机”的作川：川以神僻j ；衰舯挖掘”沟槽 张陆成博上学位论文第一章引言 也可以将一定面积的表面层“搬走”，甚至还可将整个硅片“贯穿”。附之以适当的 化学处理或其它工艺，便可以实现多种电池的制造。 1 1 3 1 表面形貌修饰 前表面制绒 在硅片表面制备一定起伏结构的绒面( 有人称“织构”，下文都称“绒面”，如 图l 一8 ) ，然后在绒面的表面沉积一层减反膜，是减少入射光在电池表面反射，从 而增加了光吸收的有效途径。理想的绒面形状为倒金字塔形，常川的制绒方法有 机械刻槽【2 8 1 、反应离子刻蚀、光刻、电化学腐蚀和化学腐蚀法等等。反应离子 刻蚀法是氯等离r 气体在硅表面刻蚀出比较均匀的类似于金字塔的结构【2 9 1 ，该 法费用较高。光刻技术【圳是先沉积一层s i 3 n 4 或s i 0 2 作为掩膜，再采用光刻技 术在掩膜上开些窗l j ，造成掩膜和s i 交替出现的平面结构，然后用腐蚀液仅 仪沿着s i 往下腐蚀，凶此会腐蚀出一种蜂窝状结构。l l 三化学腐蚀能够制备出减反 射效果良好的多品硅绒l 伍1 3 ，但是影响腐蚀效果的因素较多，比如电流密度、 外界光照、掺杂类型、掺杂浓度、h f 酸浓度等，优点是反应条件一旦确定，反 应过程易于控制，缺点是当腐蚀较大面积硅片时需要的电流较大，一般为5 0 2 0 0 m a c m 2 ，并h 电流存硅片上的分布比较复杂，大面积硅片上的均匀性不易控制， 需要改进。电化学腐蚀一般在多品硅绒而制各时采用。化学腐蚀法f 3 2 】是用酸或 碱溶液通过化学反应对硅片进行腐蚀，在硅片表面形成绒面结构，因为该工艺一 次性完成，又不需要特定的反应装置，成本低，适于工业生产。 除了以上刻蚀技术外，用脉冲激光在硅片农面刻蚀呈一定分布的凹坑，再将 激光造成的损伤去除，便可制成绒而 3 3 3 4 3 5 , 3 6 1 。 对测量未加减反射膜的表面裸反射率进行比较，经各向同性酸液腐蚀后的表 面反射率虽然比碱液好一些，但仍在2 0 以上f 3 7 1 ，反应离子刻蚀的反射率可以 降到l o 一2 0 ，带掩模的反应离子刻蚀的反射率降到1 0 以下，而图1 9 所示的激 光刻蚀点阵织构最好效果可以将反射牢降到5 1 0 ，在大部分光谱响应波段的反 射率均低于带掩模的反应离子刻蚀结构。 张陆成博上学位论立第一章引言 酗i 一8 2 8 1 上：倒金字塔纵构，中：多晶硅织构，r ：金字塔织构绒而 较早的激光纵构采用擀集正交刻楷的方法形成类似金牛塔彤结构，1 9 8 9 年 报道的具有激光绒血和激光刻槽埋栅多品硅电池，煦率达到1 67 ，其激光刻槽宽 度和深度约4 0 p m ，问隔约7 0 p m ，交叉处深度约6 0 - 7 0 p m ，所制作的结构与同样 衬底制作的采用商费用取层减反膜的p e r c 电池获得问样的减反射效果并且尘 验电池短路电流高十p e r o e 池。不过由于划槽变义处到蚀过深导致井联电较 小j f 且激光刻槽引起的位错等跳陷在后续高温处耻过程扩散等原，使得开路 电压和填充因子降低，整体效率比效率为1 7i 的参考电池略低。| 呈| 1 1 0 是采用 密壤正交幺4 卉的表面图像，可见激光处理后的表面报* 【挫，文中逆着币| 寸论了不 同横摸模式的激光的女槽效果高模虽然刻精不如i 基模精确但功率人，刻蚀的 坑较深，有利1 陷光p ”。 如果采j 1 j a 角密排血阵排布，激光亥5 蚀坑在硅半埘r ，陲成砬甯集排m ，如罔 i 一9i 圳计h 发现表咖反射率与坑深度成反比，当深度为5 0 p m ! $ ，儿反射半已 弊低十采，f | 反应离了刻蚀盘宁塔型结构的织构表而，最终的屯池效率为1 84 ( 激光扎刑) 和1 85 ( 金字塔础) ，”j 见六角韶排状激光纵构技术已经在中j = 能 上达到了非常好的效粜。在具体参数上，激光a 状纵构的优辨仍是短路电流较大 世开路电压和填充闻千较小。 张陆成博士学位沧史第一章引言 图i - 9 1 3 3 1 激圯刻蚀制柑的绒面 可见激光绒面的优点n r 奠结构的光学性能较好，啦光能力强，而激光，j i 起 的缺陷使得h 电性能受刨影响。在激光刻蚀后，衷而去蛾余和损伤的化学 i 洗腐 蚀是必小可少的，咀最大限度减少激光引起的晶体缺陷一般采用k o h ( n a o h ) 和h f ：h n 0 3 两次浸泡使得处理后的表而光糟缺陷不会存后续t 艺叶1 扩散。激 光纵构胜删样采用波长1 0 6 4r t m 的n d ：y a g 脉冲激光器，刻褙形貌与激光参数 密切相关，激光模式、功率、脉i l l 频率、扫描速率都需要仔细调整优化，阻获 得减反射效粜和电学性能的r 街。 图i 1 01 3 5j 化学清洗前的激光织构丝微图像，左为正变刻惜 性，冉为点状形。 激光制绒为多品硅的减反射处理提供报报自效的造衽虽然目前还没肯被广 泛应用，但是随着处理工艺e l 渐完并和激光处理设备发碰必将成为工业化生产 的重要于段。 张陆成博l 学位论立第一章引青 后表面刻蚀激光表面刻蚀在作全背电极太阳电池的过程中发挥了黄键作 用。牟背电极太阳电池因为前表面没肯电极而具有许多优点，如：无l b 极遮挡雕 影效应：作组什时电池 之日j 不需夹联电极，单位面积e 电池 的密度更太这 样竹省封装成木：钎l 什的连线较短，降低丁组件的串连电阻，提高了纽件光电效 率【8 1 等等。 沉积膜 衬底 图1 - 1 1r 3 0 1 表面刻蚀j b 成的侧蹙和高低不州的两个甲曲 激光后挺面捌蚀皋木过程是先用脉冲激光将在面按殴定的蛭域整体挖低( 曩 断降低的i | j 分平坦) ，而被挖掉k 域和没有挖除k 域之间通过较陡峭的侧壁来分 离，抽l 罔i l i ，接着用化学脑蚀液将激光造成的损伤去掉。激光作后发面的刻蚀 的主要作川订两方岍方而是用侧警将州个高低不同的平而分开，l u 池制拌结 求后，这两个f 1 j j f 分别时应 b 池的婀个 n 极。另个作用类似1 光剁，可以将硅 片丧面不需要的薄膜挖掉，但与光刻不同的是激光刻蚀时硅片外面不需要放簧 掩膜：还自点小同的是，薄膜被激光挖掉时，薄膜f 面的联硅也起披挖掉 井l i 霄l 下了一层损伤层。 激光后表面刻蚀，解决了令背u 极a m u 池l u