（光学工程专业论文）激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究.pdf

中山人学颁i ：学位论文 论文题目：激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究 专业：光学工程 硕士生：王学孟 指导教师：沈辉教授 摘要 本文以实现高效低成本晶体硅太阳电池制备为目标，对激光技术应用在晶体 硅电池制备中的一些新工艺进行了开发研究。本文第一章首先对晶体硅太阳电池 的发展现状及技术方向做了介绍，随后分析了激光技术在晶体硅电池上的一些应 用研究，指出激光工艺的优势及本工作重点。 第二章至第四章进行了多种激光工艺的开发实验，包括： 1 激光隔离电池漏电区。通过利用i v 测试、红外测试等手段分析研究晶体 硅电池的漏电情况，采用激光刻蚀切断电池表面p - n 结和电极，使电池表面局 部的漏电源失去作用，从而修复因为局部漏电造成的低效率电池。本论文的工作 形成了一套完整的工艺方法，通过对激光工艺的优化实现精确无损伤隔离，批量 处理实验证实该技术可以将局部漏电低效电池的效率提高1 9 ，恢复到同批次 正常水平，进一步工作将尽快把该技术推向产业化。 2 多晶硅表面激光织构化研究。该工作利用聚焦激光束在多晶硅表面刻蚀形 成具有减反射效果的表面织构，通过尝试不同的刻蚀方案，优化激光参数，最终 获得减反射性能较好的表面织构，其反射率在激光刻蚀后约为6 7 ，经过化学 腐蚀清洗后为1 0 1 5 ，优于目前采用的纯化学方法。初步实验所制备的表面织 构在结构尺寸和损伤控制方面还需要进一步改进。 3 激光烧结背面点电极。该工作主要是开发用于制备背面点电极结构的激光 烧结工艺，在实验中制作了采用蒸镀和印刷工艺制作金属层的样品，通过优化激 光参数，采用多脉冲烧结逐步提高烧结质量和电池效率。相比蒸镀铝，印刷工艺 在实验中显示出明显的优点。文中对影响点电极性能的因素进行了分析，对不同 金属层的特性做了比较，初步掌握了激光烧结的技术特点和要求。 p a g e i 激光t 芝= 4 ：晶体辟太i - q 1i u 池制备中的心用研究 最后，本文对实验工作进行了总结，分析技术改进的共性问题和激光技术在 晶体硅太阳电池的应用前景。 关键词：晶体硅太阳电池、激光工艺、漏电区域、织构化、激光烧结 中山人学颂i ：学位论文 t i t l e ：a p p l i c a t i o no fl a s e rt e c h n o l o g yi nc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a r c e l l m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gx u e m e n g s u p e r v i s e r ：p r o f e s s o rs h e nh u i a b s t r a c t i nt h i st h e s i sr e s e a r c ho fl a s e rt e c h n o l o g yi nt h ep r e p a r a t i o no fc r y s t a l l i n es i l i c o n s o l a rc e l l sa r ec o n d u c t e dt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n dc o n t r o lc o s t i nc h a p t e r1t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt e c h n i c a ld i r e c t i o no fc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l sa r ed e s c r i b e d ，a n dt h e nt h el a s e rt e c h n o l o g yu s e di nt h ec r y s t a l l i n e s i l i c o nc e l l si si n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 - 4 ，r e s u l to fd i f f e r e n te x p e r i m e n t sa r ef u l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d ： 1 l a s e ri s o l a t i o no fs h u n tr e g i o n f i r s to fa l l ，i vt e s t ，i n f r a r e di m a g ea n do t h e r m e t h o d sa r eu s e dt oa n a l y s ea n dl o c a t es h u n tr e g i o n so nt h ef r o n ts u r f a c eo fs o l a r c e l l i no r d e rt od i s a b l et h es h u n tr e g i o n s ，l a s e re t c h i n gc u tt h r o u g ht h ep - n j u n c t i o na n de l e c t r o d ef i n g e r sa r o u n dt h es h u n tr e g i o n s b yt h i sw a y l o w e f f i c i e n c ys o l a rc e l l sc a u s e db yl o c a ls h u n tr e g i o n sc a nr e c o v e rt h e i rf u n c t i o n a s y s t e m i ct e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e d ，t h r o u g hw h i c h t h el o c a ls h u n tr e g i o n s c a nb ei s o l a t e dp r e c i s e l yw i t h o u ta d d i t i o n a li n j u r y l o we f f i c i e n ts o l a rc e l lc a u s e d b yl o c a ls h u n tc a ng a i na ne f f i c i e n c yp r o m o t i o no f1 - 9 f u r t h e rw o r k w i l l p r o m o t et h i st e c h n o l o g yi n t oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，w h i c hw i l lb r i n gs i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n ti nt h i sa r e a 2 l a s e rt e x t u r i z a t i o no fp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n i nt h i sw o r k ，p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n w a f e ri se t c h e db yf o c u s e dl a s e rb e a mt of o r ma n t i - r e f l e c t i o ns u r f a c et e x t u r e d i f f e r e n te t c h i n gp r o g r a m sa n dl a s e rp a r a m e t e r sa r et r i e da n do p t i m i z e dt o a c h i e v eaf i n a la n t i - r e f l e c t i o ns u r f a c et e x t u r ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e t h es u r f a c e r e f l e c t i v i t yi sa b o u t6 - 7 a f t e rl a s e re t c h i n g ，a n d10 - 15 a f t e rc h e m i c a le t c h i n g p a g el i i 激光t 艺= n ：品体砖太l ；兀i 【l 池制矫中的心用研究 t h er e s u l ti sb e t t e rt h a nt h a to ft h ec u r r e n tp u r ec h e m i c a le t c h i n g t h e r ea r ea l s o f u r t h e re f f o r t sn e e dt ob ed o n ew i t ht h es t r u c t u r a ld i m e n s i o n sa n dd a m a g ec o n t r o l i nt h i sw o r k 3 l a s e r - f i r e dr e a rs i d ep o i n tc o n t a c t t h et e c h n o l o g yi sp r i m a r i l yd e v e l o p e df o rt h e p r e p a r a t i o no ft h er e a rs i d ep o i n tc o n t a c ts t r u c t u r e i nt h i sw o r k ，m e t a ll a y e ro nt h e r e a rs i d ei sp r e p a r e du s i n gt h e r m a le v a p o r a t i o no rs c r e e np r i n t i n g b yo p t i m i z i n g l a s e rp a r a m e t e r s ，t h eq u a l i t yo fp o i n tc o n t a c ta n de f f i c i e n c yo fs o l a rc e l la r e g r a d u a l l yi m p r o v e d c o m p a r e dw i t ht h e r m a le v a p o r a t i o n ，t h es c r e e np r i n t i n g m e t h o ds h o w ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s b ya n a l y z i n gt h ep r o p e r t i e so fp o i n t c o n t a c ta n dc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r so fd i f f e r e n tm e t a ll a y e r s ，s u c ht e c h n o l o g y h a ss h o w ng r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a l f i n a l l y , t h e s ee x p e r i m e n t sa r es u m m a r i z e d ，t h ec o m m o np r o b l e m so f t e c h n i c a l i m p r o v e m e n t sa n dt h ep r o s p e c to f l a s e rt e c h n o l o g yi nc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sa r e a n a l y z e d k e yw o r d s ：c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l ，l a s e rt e c h n o l o g y 、s h u n ti s o l a t i o n ， t e x t u r i z a t i o n 、l a s e r - f i r e d p a g ei v 原创性及使用授权声明 论文原创性声明： 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：王尊五 日期：弘f o 年岁月厶日 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：磁扛 日期：如d 年岁月少日 翮签名：以 日期：年月日 中山人学硕1 ：学位论文 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：至辱盏 日期：少o 年岁月山日 中山人学顾| = 学位论文 第一章绪论 1 1 光伏产业的发展 根据世界光伏产业权威杂志( ( p h o t o n ) ) 的统计数据n3 ，2 0 0 9 年全球太阳电 池的产量达到1 2 3 g w ，虽然从0 8 年底遭遇全球金融危机，但全年产量仍比2 0 0 8 年强劲增长了5 6 ，延续了近几年来的快速增长趋势，中国人陆的电池产量2 0 0 年位居世界第一，达到4 6 8 g w ，约占全球产量3 8 。 耋 苫 之 - o 召 3 2 1 3 _ 19 9 92 0 0 02 0 012 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 y e a r 图卜1 太阳电池产量增长图1 9 9 9 2 0 0 8 ，数据来自义献 光伏市场的快速成长主要有两个原因： 一是传统经济模式大量消耗化石能源，排放温室气体导致的全球暖化、气 候剧变等问题已经严重影响人类的生存环境，新能源作为解决问题的重要途径， 日益成为各国关注的焦点。 根据联合国政府间气候变化委员会( i p c c ) 2 0 0 7 年的气候变化综合报告乜1 ， 在过去的1 0 0 年，全球观测的平均气温上升了约0 7 ，在1 9 9 5 2 0 0 6 年这1 2 个年份里，有11 年位列自1 8 5 0 年以来最热的1 2 个年份之中。全球暖化的主要 p a g e1 0 加 一 原因来自二氧化碳为主的温室气体排放，在1 9 7 0 2 0 0 4 年间，二氧化碳的排放增 j j n 了约8 0 ，大气巾j ：氧化碳的含量超过了过去5 5 0 ，0 0 0 年自然波动的范围。如 果这种趋势继续发展，那么到2 1 0 0 年全球温度将上九4 5 0 c ，而科学家预测气 温州高2 0 c 将会导致人j ! i ! 模的动植物灭绝，严重影响人类生存环境而卅高6 0 c 则直接导致人类的大规模灭绝。 2 0 0 0 _ 2 l 舯年温室气体排放情景( 在无额外气候政第出台的情况下) 和地表温度预估 ￥- 阁卜2 _ 串_ 世纪温室气体排肚灶全球增温的颈测曲线嗣” 因此为了抑制气候剧变，发展环保町持续的替代能源成为个必要的手段， 光伏技术直接将光照转化为高品质的电力能源，使用寿命氏达3 0 年以上，全寿 命的碳排放量仅为2 5 3 5 9 k w h ( p a 南欧地压为例) ，不到天燃气发电的十分之一 。”。使用中不产生排放气体和噪音，光伏组件既可建立大规模集中电站，也可以 作为建筑构件实现与人类生活环境完美结合，目前德国弗莱堡已经建成世界上第 一座太阳能应用示范城市，为人类未来展示了一条光明的道路。太阳能光伏产业 l e 成为各国竞相发展的重点，预计到2 0 5 0 年，光伏发电将成为全球能源的主要 来源之一，从而为全球减少温室气体排放提供有力的支持，并且解挟化石能源枯 竭后人类长期的能源供应问题。 二是随着光伏技术的进步，其产品成本逐步下降，性能不断提高从技术 和经济上具备了大规模普及的可能。 中山人学顺l ：学位论文 目前光伏市场上太阳电池包括晶体硅电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉薄膜电 池、铜铟镓硒薄膜电池等，其中主流产品仍然是晶体硅电池，在2 0 0 9 年1 2 3 g w 的总产量巾，多晶硅电池占4 6 9 ，单晶硅电池占3 4 1 。晶体硅电池具有转 换效率高、。陆能稳定、生产工艺成熟，成木合理等特点，预计在今后十年内依然 占主导地位。 随着太阳电池市场和产业的不断成长，电池生产设备和工艺不断改进优化， 目前普通工艺的单晶硅电池转换效率已从1 6 提高到1 7 1 8 ，多晶硅电池的效率 从1 4 提高到1 6 ，而且各种新型高效电池技术纷纷出现，如选择性发射极、激 光制绒、电镀或者多次印刷的电极栅线等，推动人规模生产电池效率向1 9 2 0 的目标迈进。 同时市场的需求刺激产业链生产规模扩人和成本卜- 降，随着多晶硅料每公斤 价格从2 0 0 8 年最高峰5 0 0 美元下降到目前1 0 0 美元以| 卜j ，目前晶体硅电池的成 本从前几年每瓦2 3 美元降至约每瓦1 5 美元，整体系统的成本比2 0 0 3 年卜降 了约5 0 ，离世界公认的光伏平价电力所需每瓦l 美元的成本目标越来越近，一 旦光伏发电达到与现有电力平价，在经济上具有核心竞争力，那光伏发电的普及 速度将有更大幅度的提高。欧盟是目前1 廿界太阳电池最成熟的市场，其太阳能光 伏技术研究咨询委员会( p v - t r k c ) 2 0 0 9 年发布了名为p vs t a t u sr e p o r t2 0 0 9 ) ) 的报告心3 ，报告中提出了既现实义宏伟的发展目标：使欧盟的太阳能光伏发电系 统装机量在2 0 2 0 年达到3 5 0 g w ( 至2 0 0 8 年已安装约9 5 g w ) ，承担欧盟1 2 的 电力需求。对比2 0 0 9 年全球1 2 3 g w 的产量，可见光伏产业仍是处于起步阶段， 发展空间极大。 1 2 晶体硅太阳电池 1 2 1 基本结构与原理 图1 - 3 是典型的晶体硅太阳电池结构及工作原理示意图，电池以p 型晶体硅 为衬底，从上到下依次为前电极，正面减反射膜，n 型扩散层，p 型衬底和背面 电极。电池利用光生伏特效应工作，硅材料是半导体，本身具有一定的禁带宽度 * 一审 ( ，l1 2 e v ，根据杂质的浓度略自变化) ，当有能量大于或等于硅材料禁带宽度 的光了入射时，就有可能将硅原了原本位于价带的电子激发到导带，从而在硅体 巾形成可移动的带负电的自由电7 和带正电的卒穴。 圈卜3 品体硅太阳电池结构和工作原理示意图” 电池内部在n 型扩散屠( 主要的载流子为电于) 和p 型衬底( 主要载流于 为空穴) 交界处由于载流子浓度平衡形成具有内建电场的p - n 结，电场由n 型 层指向p 型层。原本在硅体中自由运动的电子和空穴一旦进入p - n 结就会在电 场作用下朝相反方向地移动。当光照在硅体中激发大量的电子空穴对后，电子和 空穴在p n 结作用下分别向电池的上下表面移动聚集，这些电荷通过电池两面 的金属电极导出，如果在前后电极之间加上负载导体，电池就可以为负载提供电 压和电流。 削卜4 典型品体硅太刚电池j v 测试的结果 p a g e 4 爨善 翥y 。零筘彰 ，一嗡喝 一霉 霾雾翼 描述太阳电池输山特性主要采h 标准光照( 光谱a m 5 ，光功率】0 0 0 w r h 2 ， 垂直入射，温度2 5 。c ) 下电池的i v 曲线，图14 为典型晶体硅太阳电池i v 测 试的结果，通过i v 曲线可以得到电池的f 要性能参数，包括短路电流i s c 、开路 电压v o c 、最大功率p m p p 、最大功率点电流i 附最大功率点电压v m p p ，通过计 算还可以得到填充因了f f 、电池的串联电阻r s 、并联屯阻r s h 。 1 2 2 工业化生产晶体硅电池工艺 目前除了s u n p o w e r 、s a n y o 等公司具有自主开发的特殊结构电池外，绝人部 分晶体硅太阳电池都采用了与图卜3 类似的电池结构，其生产工艺也人致相同， 从硅片开始，电池生产的主要工艺流程如图卜5 所示。 罔i - 5 晶体硅太阳电池普通工艺流程罔 普通生产工艺的几个主要特点包括： 1 化学制绒( 表面织构) ： 单晶硅电池采用低浓度碱液( n a o h 、k o h ) 对硅单晶的各向异性腐蚀形 成金字塔结构的绒面，金字塔尺寸一般为3 1 0 9 m ，可以使硅片的表而反射 率从3 0 降低到一1 0 ；多晶硅由于晶向不一致，可以利用酸或碱进行各向 同性腐蚀，形成凹坑结构的绒面，但是这种绒面的减反射效果较差，表面 反射率在1 5 - 2 0 。 2 一次扩散制p - n 结： 目前工业生产一般采用p 型硅片，硅片制绒清洗后，送入高温扩散炉管， p a g e5 第一章绪论 在磷源( p o c l 3 ) 气氛中做高温气体扩散，在硅片表面形成o 3 0 6 “m 的n 性扩散层，扩散后硅片的表面电阻值一般为4 0 6 0 0 c m 2 。 3 正面采用p e c v d 制作s i n x 减反射膜： 采用等离了增强化学气相沉积方法( p e c v d ) 在电池正面镀制7 0 n m 的 s i n x 膜，s i n x 的折射率2 1 ，p e c v d 方法具有制作温度低( 2 0 0 4 5 0 0 c ) ， 沉积速度快等优点，适于工业化生产；s i n x 膜致密坚固，可以在后续印刷 烧结工艺巾保护扩散层免受污染和破坏；如果在沉积过程巾加入氢，s i n x 膜中的氢离子还可以起到表面钝化的效果。 4 电极制作采用印刷银浆、铝浆后烘干烧结的方法： 正面电极采用导电性能好银浆；背面电极主要采用铝浆和银铝浆，一方面 成本低，一方面铝向硅体扩散可以形成铝背场，对光生载流子起到加速作 用，提高电池的效率；但是铝跟焊接锡带的结合性能不好，所以为了方便 电池的串联焊接，一般在背面对应正面主栅的位置印制用于焊接的银铝浆 电极带。为了节约制作时间和成本，背面浆料印刷之后先烘干，再印刷正 面电极，然后经过一次高温过程完成浆料的烧结，整个高温过程时间1 2 分钟，最高温度8 0 0 9 0 0 0 c ，烧结后就形成完整的太阳电池。 1 2 3 提高晶体硅电池效率的技术原理 晶体硅太阳电池作为一个光电能量的转换器件，对其性能的主要评价指标就 是能量转换效率( e n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，e f t ) ，用输出电功率与入射光功 率比值来表示。提高电池转换效率有两种方法：一是增加电池对入射光的吸收， 使单位入射光激发更多的电子空穴对；二是减少电子和空穴在电池内部的损失， 使光产生的电能更多地输出到外部负载。 图卜6 是目前晶体硅太阳电池转换效率的世界纪录保持者，新南威尔士大学 马丁格林实验组1 9 9 9 年研制的发射极钝化及背面局部扩散( p a s s i v a t e de m i t t e r , r e a rl o c a l l y d i f f u s e d ，p e r l ) 晶体硅太阳电池。1 ，该电池的转换效率达到2 4 7 ， 2 0 0 9 年经过光谱修正后，该电池的效率被重新确定为2 5 。 图卜6p e r l ( 发射极钝化 o r d d e 背面局i | f 扩散) 电池结构图”。 p e r l 电池获得高转换效率的技术重点包括： l 电池正面采用倒金字塔结构的陷光织构以及m g f 2 z n s 双层减反射膜，使 更多入射光进入电池内部： 2 背面采用热氧化硅介质膜+ 蒸镀会属形成良好的背面光反射器，使到达电 池背面的光( 主要是红外光) 反射到电池内部，增加吸收率： 3 采用高纯度、高少子寿命的f z ( 区熔) 硅材料作为衬底，减少光生载流 子在硅体内的复台损失； 4 电池硅体双面采用热氧化硅介质层，具有优异的表面钝化效果，降低光生 载流子表面复合速率； 5 电池正面采用一次全面轻扩+ 电极医二次重扩的扩散方法，轻扩散区可以 减少光生载流子的复合，重扩散n + 区可以减少与金属电极的接触电阻； 6 电池正面采用蒸镀金属电极，一方面电极的宽度小，减少对入射光的遮挡， 一方面电极的电阻小，有利于提高输出电流； 7 电池背面采用硼扩散形成局部的p + 重掺杂区具有良好的局部背面场效 应，提高了电池的输出电压，也减少了硅体与金属电极的接触电阻。 目前大规模生产的品体硅电池基本还是沿用p e r l 电池所采用的这些高效 技术的原理来提高转换效率，但是限于制造成本，很多技术还不能应用到大规模 生产，普通工岂晶体硅电池效率仅为1 6 n 1 9 ，j = ；有很大的提升空间。 第一章 绪论 其他主要的高效晶体硅电池技术还包括： 1 美围s u n p o w e r 公司的伞背面结电池隋3 ，将p - n 结及电极全部设置在电池背 面，消除了正面电极对入射光的遮挡； 2 日本s a n y o 公司的非晶硅异质结( h e t e r o j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i nl a y e r ， h i t ) 电池蹭1 ，将非晶硅优异的吸光性能和钝化性能结合到高质量的n 型晶体硅 衬底上，提高了晶体硅电池的性能。 这两种电池都可以达到2 0 以上的量产效率，而且在2 0 0 8 年的产量均超过 2 0 0 m w ，是目前市场上主要销售的高效电池。 1 3 激光技术在太阳电池中的应用 p e r l 电池虽然实现了高转换效率，但是在制作工艺上步骤繁多、成本高昂， 如大量采用光刻、蒸镀等工艺，产业化困难重重。因此目前对晶体硅太阳电池的 研究更注重对产业的实际推动应用，具体来说，新技术应该满足下述要求： 1 针对目前主流的电池工艺，新技术的开发不仅要求能实现高的转换效率， 也要求具有大规模量产的可能性； 2 在经济上具有成本优势，能够降低每瓦电池的制造成本； 3 减少工艺过程的能耗及危险化学品的使用，使电池制造更加绿色环保。 在寻找新技术的探索中，激光技术很早就进入科研人员的视线，自上t 廿= 纪六 十年代激光器诞生之后，由于其自身具有单色性好、相干性好，方向性好和亮度 高等特点，激光的应用层出不穷，成为新科技革命象征性的工具，极大地推动了 科学研究和工业制造技术的发展n 0 。川。在材料加工领域，激光具有独特的精确快 速加工能力，在半导体、冶金、机械、化工、制药等行业已经大规模应用，越来 越受到重视。特别是激光在半导体制造领域的应用已经相当广泛，技术也比较成 熟，包括激光辅助沉积、激光退火、激光光刻、激光辅助掺杂等技术都对太阳电 池领域的应用有着很好的借鉴作用”2 | 。 将激光加工技术应用于太阳电池的研究始于上世纪八十年代，并随着近期太 阳电池的热潮逐步加快发展，一些技术已经投入生产，开始显现激光技术的巨大 潜力。在太阳电池制作中，激光相当于一个能够精确控制处理区域和时间的能量 中山大学埘if ：学位论文 源，应用到电池制作的多个工艺过程中，主要类型包括： 1 激光烧蚀，主要是利用激光束对电池材料做局部烧蚀，获得所需要的槽、 孔、凹坑等微结构，以及去除电池表面局部膜层，例如激光刻边隔离n 川、激光亥0 槽埋栅1 、激光制绒m 叫6 | 、激光钻孔m 1 等； 2 激光扩散，主要是利用激光束局部加热使硅体表面各种材料在熔融状态下 实现扩散融合，这类型的具体技术包括激光掺杂形成选择性发射极n 8 1 和半导体指 栅电极、激光烧结背点电极n 等。 下文将对与本文相关的激光技术作具体介绍。 1 3 1 激光刻槽隔离 激光在太阳电池制造中较早用于电池边缘的刻边隔离。在太阳电池磷扩散制 p n 结时，磷原子在正表面、边缘和背面同时扩散，如果不切断边缘的扩散n 型 层，就会形成一个边缘旁漏通路，人人降低电池的输出功率。因此在完成扩散后， 都要在正面边缘切断n 型层，如图卜7 所示。完成边缘刻蚀隔离有机械磨除法， 化学湿法腐蚀法，等离子体桶式刻蚀法和激光切割法等心圳，机械法破坏大，化学 法和等离子法虽然能得到较好的隔离，但是也有操作繁琐，碎片率高等缺点，正 被非接触型、自动化高、无化学废物且成本低的激光边缘刻槽隔离处理( l a s e r e d g ei s o l a t i o n ，l e i ) 逐渐取代。特别是当电池片厚度小于2 5 0 1 u m ，使用非接 触的l e i 可以大大减小处理过程的破损率，虽然在早期l e i 处理的填充因子明显 比较低( 旁漏电阻太小) ，但经过不断优化激光工艺参数，2 0 0 3 年德国f r a u n h o f e r i s e 实验室的对比实验表明，l e i 的处理结果已经接近传统等离子刻蚀法的水平 乜，目前欧洲很多电池公司都已经在生产线上采用激光刻边工艺。 l e i 一般采用商用n d ：y a g 脉冲激光器刻槽，要求刻槽离电池片边缘 2 0 0 3 0 0 “m ，深度要超过扩散层，为保证完全隔离，刻蚀深度一般大于1 0 u m ， 宽度小于l o o g m 。激光刻边一般使用三倍频，波长为3 5 5 n m 的紫外光以连续脉冲 刻划，因为硅材料对这个波长具有良好的吸收并且紫外光的光束( 刻槽) 宽度可 以做到更细，同时如果激光的脉冲宽度能够从纳秒( n s ，1 0 9 s ) 压缩到皮秒 ( p s ，1 0 叫2 s ) ，隔离的效果也会得到改善乜幻。但是激光脉冲造成的熔化和冲击波仍 第一章 会对材料造成一定机械应力和破坏，而且由于材料表面起伏，聚焦会有偏差 为了克服这些缺点，水喷射导引激光也被引入到刻边技术。 图卜7 太阳电池刘边结构示意图州 水喷射激光刻蚀采用水柱导引激光，该技术最早由瑞士s y n o v a 公司发明， 应用于医药和微电子行业0 1 。文献2 0 中德国f r a u n h o f e r 太阳能系统研究所 d a n i e lk r a y 等人采用激光波长1 0 6 4 n m ，激光器出口聚焦进水柱，光束在水柱内 反射前进，和水柱一起打到电池表面，在激光完成打孔刻槽的同时，水流完成冷 却和带走残留物，同时激光的孔径由水柱直径决定，不会因电池表面起伏而变化， 形成的开槽尺寸一致性较好。目前该技术的刻槽宽度还比较大将采用更多的波 长和更小的喷嘴以提高刻槽质量。如果将水换成化学溶液( 如磷酸) ，水喷射激 光还可以在刻槽的同时将磷扩散到刻槽表面的硅体中，这一技术被称为激光化学 处理( l a s e rc h e m i c a lp r o c e s s i n g ，l c p ) 1 ，可以用来制作电极区重扩散的选 择性发射极结构。 图卜8 干法激光刻边“和水喷射激光刻边1 处理示意图 巫 铲 中m 大学i 】j ! j 忸论史 图卜9 各种激光刻边处理结果的s e m 图像 ( 左：n d ：y a g 红外激光；叶1 ：水喷射激光；右：紫外激光) 激光刻槽隔离不仪用于电池边缘，还可用于隔离电池表面的局部旁漏区“。 在电池的制造过程中，由于杂质聚集、电极烧穿或者机械损伤等形成局部的旁 漏区( s h u n tr e g i o n ) ，消耗了达到表面的光生电流，严重降低了整个电池的效 率。文献 2 5 中新南威尔士人学光伏中心md a b b o t t 等人利用光致发光图像 定位旁漏区，然后用n d ：y a g 激光刻槽将其与正常区域隔离。利用这项旁漏隔离 技术，可以将因为强旁漏而效率只有96 的电池提高到1 33 的相对高效。这项 技术应用在工业生产中可以提高电池的成品率，具有很好的经济效益。但这项技 术与刻边不同的是，局部刻槽一般都会通过金属栅线，如果激光工艺没有做特定 的的优化，熔化的电极金属同样会穿透pn 结区，在刻槽与金属栅线交点处会形 成新的旁漏点对电池的性能恢复效果有限。 【l 二e 豇 m忡 图卜i 0 局部旁漏区在隔离前( a ) 和激光刻梢隔离后( b ) 的光致发光图像“” 1 32 激光表面织构化 作为一个光电能量转化器件，太阳电池的性能与其吸收光的能力成正比，硅 太阳电池的主要响应波段约在4 0 0 i 1 5 0 h m ，硅片原始表面在工作波段区域内的 p a g e l l 第一审 反射率约3 0 ，会严重降低了太阳电池的效率，所以表面织构( t e x t u r e ) 是高 效电池一个必不可少的部分，回时高效能低费用的织构技术也是工业生产的一个 重要目标“。目前普遍应用的单晶硅电池通过选择适当的晶面取向如( 1 0 0 ) 面，采用碱性溶液( n a o h 或k o h ) 备向异性化学腐蚀，可以在表面形成微米级金 字塔形结构，入射光在其中多次反射，增加进入电池的几率，使表面反射率降到 10 9 6 。不仅如此，表面织构还可以增加入射光线在电池表面层p - n 结区的传播路 径，阻捎背面的反射光透射出电池，与表面减反射膜和背面反射层构成整体的陷 光结构，增加对入射光的吸收几率。但是对目前卡流的多晶硅电池，由于其表面 晶粒取向不致，无法采j = j 单晶电池碱性溶液各向异性腐蚀制作金字塔形织构的 简单方法。目前制作多晶硅电池表面织构的方法主要有机械刀片刻槽。“，酸性溶 液菩向同性腐蚀”1 ，反应离子刻蚀1 和激光刻蚀“”一。 b de f 图卜1 1 备种方法制作的多晶硅表面织构形貌显微图像，r f 分别是无处理、碱液腐蚀酸 渡腐蚀、反应离子刻蚀，带掩模的反应高子刻蚀”7 和激光点刻蚀1 ，f 是激光刻蚀后经化学 溶液腐蚀去损伤和残留处理的最后结果。 实际测量的表面裸反射率( 未加减反射膜及其他处理) 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 帆以上，反应离子刻蚀的反 射率可以降到1 0 * + 2 0 ，带掩模的反应离子刻蚀的反射牢降到1 0 以下，而图卜1 l f 所不的激光刻蚀点阵纵构的最好效果可以将反射率降剑5 1 0 ，在大部分工作 p a g e l 2 中山人学颂i j 学位论文 波段的反射率均低于带抢模的反应离予刻蚀结构。 较早的激光制绒采用密集正交刻槽。行。玎3 的方法形成类似金字塔形的结构， 1 9 8 9 年报道的表面激光织构( 表面氧化层) ，激光刻槽埋栅多晶硅电池效率达到 1 6 7 。蜘，其激光刻槽深度约4 0 9 m ，间隔约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高费用双层减反膜的p e r c 电池获得同样的减 反射效果，并且实验电池短路电流高于p e r c 电池。不过由于刻槽交叉处刻蚀过 深，导致旁路电阻过小，并且激光刻槽引起的位错等缺陷在后续高温处理过程扩 散等原因，使得开路电压和填充因子降低，整体效率比参考电池的1 7 1 略低。 2 0 0 5 年新南威尔士入学光伏中心m a l c o l ma b b o t t 等人采用了一种类似蜂窝 形状的点刻蚀方案瞳6 】，单晶硅电池整个表面都被激光刻蚀形成的六边形锥孔( 孔 径2 0 3 0 9 m ) 所覆盖，如图卜1 1f 所示，并且发现表面反射率与锥孔的深度成反 比，当深度为5 0 9 m 时，其反射率已经低于采用反应离子刻蚀金字塔型结构的织 构表面，而最终的电池效率为1 8 4 ( 激光锥孔型) 和1 8 5 ( 金字塔型) ，可见 这项蜂窝型激光织构技术已经在性能上达到了非常好的效果。 激光制绒的优点在于其结构高宽比较大，吸光能力强，但激光引起的缺陷使 得其电性能受到影响。在激光刻蚀后，为最大限度减少激光引起的破坏和晶体缺 陷，一般采用k o h ( n a o h ) 和h f ：h n o 。两次浸泡去除残渣和损伤层，使缺陷不会 在后续工艺中扩散。 激光为多晶硅的表面减反射处理提供了有效的方法，2 0 0 9 年日本三菱电机 公司采用紫外激光在掩膜上开口再做化学腐蚀的方法制作多晶硅绒面。嘲，其采用 大功率紫外激光及相位调制聚焦技术，提高了激光的效率和处理速度。大幅提高 了电池的光生电流，使1 5 6 m m * 1 5 6 m m 多晶硅电池效率达到1 8 6 ，同时将单片电 池激光处理的时间缩短到秒级，成为目前量产效率最高的多晶硅电池。 1 3 3 激光制作背面点电极 点电极结构目前主要应用于背面电极，以点阵分布的重掺杂区和电极连接代 替传统的全覆盖金属一硅接触电极哺r3 9 - 4 2 。发展点电极结构主要是应用背面介质钝 化层，降低载流子表面复合，同时通过膜系设计增加背面反射率，提高陷光效率。 * 随着硅片电池的薄型化，背面钝化点电极结构的实用性更加突出。前文l23 巾介绍的瞥结单晶硅电池效率世界纪录保持者p e r l 电池就是采用了点电极设 计。 如何穿透介质膜形成局部电极的良好接触是点电极结构的技术难点最先采 用光剡工艺在背面介质膜做局部开u ，即氧化物掩模结台k o i t 。或儿f 溶液腐蚀 虽然性能好，但是工艺繁琐费用高。随着激光工艺的日益成熟，聚用激光烧蚀在 电池介质钝化层( s i nx ，s i o ：等) 制作局部开u 成为制作点电极的一利一主要方法 “。由十s i 仉层对紫外到红外波段的吸收率都很低，开口需要采用间接方法， 即j f j 脉冲激光照射目标点使s i 氇层f 的s i 熔化发生爆裂，从而剥离上面的s i 仉 层，这 罔卜1 23 5 5 n m 纳秒脉冲( 左) 和5 3 2 n m 皮秒脉冲激光开口的光学显微图像”“ 早期采h j 的1 0 6 4 n m 波长n d ：y a g 脉冲激光器“，由于硅和二氧化硅对这个波 段吸收都很弱，所以打孔的精确性和稳定性较差，附带的破坏区域人，德国p e t e r e n g e l h a r t 等人对此作了改进尝试”，通过采用三倍频( 波长3 5 5 n m ，脉宽3 0 n s ) 和_ 倍频的n d ：y v o , 激光( 波长5 3 2 n m ，脉宽1 0 p s 峰值能量密度在j a m 2 量级) 作对比打孔试验，开门结果图像见图l 1 2 ，明显看出皮秒脉冲开口整齐，损伤 小。接触电阻密度测量结果显示皮秒激光处理的电阻密度与h f 光刻开口结果相 近，纳秒激光处理后的电阻密度比h f 处理大一个量级。发射极饱和电流密度测 量结果显示皮秒激光的最佳值约是h f 的两倍，而纳秒激光的电流密度值比h f 高- - n 两个数量级。可见通过采用短波长、短脉宽的激光脉冲，可以提高烧蚀的 准确性并减少对硅体的破坏，使激光开口的处理水平接近光刻技术，而制作费用 和复杂度大大减低。 激光烧结屯极( l a s e rf i r c dc o n t a c t ，l f c ) 足制作背点电极的另一种方案， p a g e l 4 中m 学坝1 学位论文 与介质膜开u 后制作金属层的方案相比更为简便，性能也育定优势。激光烧结 电极的程序是制作s i n ，、s i o , 等钝化层后先在其上用蒸镀或印刷制作金属层，再 用激光按照点电极的图案做局部烧结，使熔化的金属和硅层表面形成合金作为点 电极，l f c 技术在实验测试叶1 表现出了很好的处理效果，具有很大的潜力。5 吲1 。 这一技术由德国f r a u n h o f e r 太阳能系统研究所开发，2 0 0 2 年至今发表了多篇相 关文章，并应用于该实验室的多种实验电池，采用l f c 的电池已经达到2 1 3 的 效率“。开发这一技术主要是为配合背而电介质钝化层技术实现工业化生产传 统的全铝背面场虽然制作简便，但是钝化和反射性能均不太理想，且因为材料失 配应力导致电池片的翘曲问题，在制造和使用中增加了电池碎裂的危险，在今天 追求电池薄片化和高教化的趋势r 已经落后。结合s i n ；、s l 吼钝化层和金属合 金点电极的背面结构是一种很好的解决方案。但l f c 与原先的点电极激光开口不 同，这里激光发挥了更重要的作用，直接完成了电极的制作，在烧结过程中伴随 着铝的扩散，铝与硅体形成合金，形成一个p + 型区，对电极区钝化、降低串联 电阻、提高电池输出电压都是有益的1 。 图卜1 3 激光烧结点电极的显微图像，直径约8 0 p r o 。扎深约2 i l 一” e 三三三j ，加一m 女删女啪 。m s i 1 q t 陶1 1 4 光刻工艺( 左) 和激光烧结工艺( 彳了) 制作点阵 e 极的程序对比罔“ 麓霾 * 一 绪论 f r a u n h o f e r 实验室的l f c “”采用可调0 的1 0 6 4 r i m 波长n d ：y a g 脉冲激光器， 因为电极采用的蒸镀铝对这一波段有很好的吸收。通过光束快门控制每个电极所 需的激光脉、巾数。激光脉，p 将熔化2 “m 的铝层、约l o o n m 的二氧化硅钝化层和 其下的硅体表层，点电报间隔1 】i i l