在隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池工艺中激光打孔对硅材料性能的影响.doc

在在隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池工艺中工艺中 激光打孔对硅材料性能的影响激光打孔对硅材料性能的影响 摘要 摘要 隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池是一种新型结构的高效硅太阳电池 激光打孔是实现 这新型结构的关键技术 但是 在激光打孔过程中基片会受到很大的辐射损伤 其材料的 性能会发生明显变化 本文通过激光打孔后对材料测试分析发现基片打孔的周边辐射损伤 很大 相对整个硅片 未打孔区的晶格质量得到了很好的改善 基片的电阻率明显降低 材料的体寿命有所增加 这对太阳电池要求的硅材料性能相当有利 关键词 关键词 隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池 激光打孔 材料性能 在激光打孔后 对材料进行电子显微镜测试 拉曼测试 XRD 测试 材料方块电阻的RA 测试 材料体寿命的测量分析后发现 激光打孔实际上相当于激光退火过程 1 1 引言引言 隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池 Emitter wrap through solar cell 是传 统硅太阳电池的逻辑发展 该电池完全采用背接触方式 通过激光打孔把正面 发射区和背面局部发射区连接在一起 实现将前表面发射区引入背面 正负电 极全部交叉排列在背面 前表面采用优良的金字塔结构和减反射膜 与传统太 阳电池相比 由于正表面不做金属电极 没有任何遮挡 有利于太阳光的吸收 可大大提高光生电流密度 电池的前后表面都采用了热氧钝化技术 对减少光 生载流子的表面复合 增加长波响应非常有利 从而可使开路电压得以提高 电池背面采用定域合金制背场的方法 既产生了内建电场 同时减少电极与基 体的接触面积 使金属与半导体界面的高复合速率区大大减少 降低了背面的 表面复合 因而可更好地提高电池性能 其结构如图 1 所示 图图 1 1 隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池结构示意图 隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池结构示意图 在工艺上实现隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池的结构 借助激光打孔是最好 的手段 而这种电池的设计思想 工作原理对激光打孔又提出了新的要求 在 考虑打孔实现的同时 还要兼顾电池栅线的设计 最重要的是在打孔过程中硅 材料的性能变化很大 这种变化对电池的后部工序以及电池的效率都有一定的 影响 2 2 实验实验 本实验采用 P 型单晶硅 125mm 125mm 做基片 基本物理参数为 1 导电类型 P 掺杂元素为 B 硼 2 晶向为 3 3 电阻率 0 5 6 单片电阻率不均匀性 RRV 1 2 s 5 碳含量 5 1016 氧含量 1 1018 2 12 1 激光打孔中激光束与硅材料相互作用原理激光打孔中激光束与硅材料相互作用原理 激光打孔主要是利用激光对加工材料的热效应而实现的 其机理可用激光 束与加工材料的相互作用的三个不同阶段来描述 如图2 图图2 2 激光打孔中光束与工件相互作用激光打孔中光束与工件相互作用 首先是光的吸收阶段 图2a 材料吸收激光 这一过程与激光强度无关 其吸收体积为VAB 它可由激光的射入深度与激光束径来算 在这吸收体积中 光束与材料的藕合能量 可通过不同材料的热导率来推算 该藕合的能量加热工 件 因为从吸收体积VAB中 单位时间内散失的热量小于输入的热量 这样根据 不同的材料 经过特定的加热时间后 发生熔融或汽化 当激光束强度I小于临 界值IC工时 工件材料进入第二阶段 即熔化或部分汽化阶段 图2b 为了提 高孔的加工质量 力求材料尽可能的汽化 因为材料汽化部分扩张 可将孔道 中熔化部分迅速排出 当进一步提高光束强度 超过IC时 材料进一步汽化 并在孔的通道内离子化 形成等离子体 进人第三阶段 图2c 此时由于等离 子体的形成 将会对光束产生吸收 或者甚至形成一个吸收光束的屏蔽层 影 响激光打孔的进程 因此 激光打孔的激光束功率要控制适当 使等离子体处 于最佳状态 否则大量等离子体除了吸收光束外 还会导致激光的散射 把能量 辐射到孔壁 也会引起液相流入孔道底部或覆盖堵孔 2 22 2 激光打孔设计激光打孔设计 本实验采用了两种打孔模式 2mm 0 8mm 3mm 0 5mm 打孔参数如下表 1 表表 1 1 激光打孔参数设计激光打孔参数设计 打孔模式打孔模式 mm mmmm mm 激光波长激光波长 nmnm 孔径孔径 m m 孔数孔数孔密度孔密度 1hole mm1hole mm 2 2 边距边距 mmmm 2 0 0 82 0 0 81064 53215086401 571 5 3 0 0 53 0 0 51064 53215083781 462 5 其设计图如下 图图 3 3 2 0 0 82 0 0 8 打孔模式设计图打孔模式设计图 图图 3 3 3 0 0 53 0 0 5 打孔模式设计图打孔模式设计图 2 32 3 激光打孔的实现激光打孔的实现 激光打孔的实现是在深圳大族激光股份有限公司的帮助下完成的 深圳市 大族激光科技股份有限公司采用的群孔加工模式是 加工系统在整个打孔过程 中 工件始终不动 激光输出头作二维灵活运动 反复照射的加工方法 两种 机型 1 光纤激光打标机 YLP 20 激光输出波长是1064nm 激光雕刻深 度 0 4 mm 2 半导体侧面泵浦绿激光打标机 DP G15 激光输出波长是 532nm 激光雕刻深度 0 01 0 3mm 光纤激光打标机和半导体侧面泵浦绿激光打标机打孔时输出参数及打孔模 式的选择见下表2 表表2 2 激光打孔输出参数及打孔模式的选择激光打孔输出参数及打孔模式的选择 机型机型 DP G15DP G15YLP 20YLP 20 电流电流 A A 23 325 打标总数 次 打标总数 次 15 08 0 打标速度 打标速度 mm smm s 空调速度 空调速度 mm smm s 50 0 30000 0 200 0 30000 0 激光开延时 激光开延时 s s 激光关延时 激光关延时 s s 250 0 400 0 250 0 400 0 跳转延时 跳转延时 s s 拐弯延时 拐弯延时 s s 800 0 5 000 800 0 5 000 Q Q SwitchSwitch频率 频率 KHKHZ Z 10 00010 000 Q Q 释放时间 释放时间 s s 2 0002 000 打标时间 打标时间 min 1min 1片 片 172103 打孔模式打孔模式 mm mmmm mm2 0 0 8 1片 1 3 0 0 5 1片 2 2 0 0 8 1片 3 3 0 0 5 1片 4 3 3 结果与讨论结果与讨论 为方便测试和对比讨论 分别对样进行编号如下表 3 表表 3 3 样品编号示意图 样品编号示意图 样品编号样品编号打孔模式打孔模式激光类型激光类型备注备注 0 0 P 型硅基片 1 1 2 0 0 8 1 片 DP G15 2 2 3 0 0 5 1 片 DP G15 3 3 2 0 0 8 1 片 YLP 20 4 4 3 0 0 5 1 片 YLP 20 5 5 打孔清洗后新样品 3 13 1 电子显微镜测试电子显微镜测试 我们取两个样 1 和 3 进行实验检测和讨论 利用电子显微镜分别对 1 和 3 样品前后表面进行形貌观察 见图 6 图图 4 4 1 1 和和 3 3 样品前后表面电子显微镜形貌图样品前后表面电子显微镜形貌图 比较图 4 不难发现打孔以后前表面和后表面有很大的孔径锥度 前表面 的辐射损伤远远大于后表面的辐射损伤 另外 比较两种激光类型打孔对材料 的辐射损伤程度 采用 DP G15 512 激光要比 YLP 20 1064 好的多 但是打 相同的孔数采用 DP G15 512 所用的时间差不多是 YLP 20 1064 打孔所用的 时间的 1 5 倍 3 23 2 拉曼测试拉曼测试 采用共佳Raman光谱仪 分辨率为1cm 1 激光器为半导体激光器 输出功 率为20W 分别对原硅片和打孔以后的硅片进行测试 测试拉曼图 见图7 图图 5a5a 原硅片和未打孔区域的激光拉曼光谱原硅片和未打孔区域的激光拉曼光谱 图图 5b5b 打孔周围和未打孔区域的激光拉曼光谱打孔周围和未打孔区域的激光拉曼光谱 从上图中可以看得出 1 打孔以后 峰位发生了红移 移向低波数 说 明晶体硅的 Si Si 键键长伸长了 材料发生了热膨胀的物理效应 这是在激光 打孔过程中 产生大量热量导致热膨胀系数失配而引起的 2 打孔以后 无 论是打孔的地方还是没有打孔的区域半高宽 FWHM 变小了 一方面说明材料 的元激发 电子和空穴或者电子 空穴对形成的激子 的寿命发生了变化 另 外一方面也可以说明材料的晶体结构发生了变化 3 在打孔区域硅 520cm 1特 征峰更明显 但是在波数 509 823cm 1出现了个小峰 表征有非晶硅物质生成 说明在打孔区域有非晶化的过程 实际上 从图 4 也可以看得出来 在孔的周 边激光辐射损伤很严重 所以在以后的工序中 必须想办法把这些损伤去除掉 3 33 3 XRDXRD 测试测试 采用 Y 4Q 型自动 X 射线粉末衍射仪分别对 1 2 3 4 样品测试 得 到以下实验数据及衍射图 见表 4 和图 6 进一步研究打孔以后晶体结构的变 化 说明 Intensity Counts 2T 0 0 0 Wavelength to Compute d Spacing 1 54056A Cu K alpha1 图图 6a 6a 基片和样品基片和样品 2 2 3 3 前表面前表面 XRDXRD 衍射图谱衍射图谱 图图 6b 6b 基片和样品基片和样品 2 2 3 3 5 5 背表面背表面 XRDXRD 衍射图谱衍射图谱 比较几种样品 Si 400 相关物理参数如下表 4 表表 4 4 样品 样品 XRDXRD 分析表分析表 0 0 3 3 前表前表 面面 3 3 后表后表 面面 2 2 前表前表 面面 2 2 后表后表 面面 5 5 前表前表 面面 5 5 后表后表 面面 2 Thea2 Thea 69 27869 16469 15369 22669 20569 11969 122 DeltaDelta 0 148 0 034 0 023 0 096 0 0750 0110 008 d nm d nm 0 13550 13570 13570 13560 13560 13590 1357 FWHMFWHM0 1220 1190 1200 1230 2970 1160 117 XS A XS A 78 2680 1879 5077 62232 13482 2381 53 StrainStrain 0 03390 00610 01390 02460 18420 02680 014 注 标准峰位 Phase ID Si h k l 400 在 2 Theta 69 130 从分析图图 8b 可以看得出 打孔后硅片的前表面有微晶硅生成 结晶度都 达到 99 5 以上 且晶面取向为 211 这是在激光打孔过程中浅表层发生融 化 随后融化层在基体晶粒上外延生长形成的相对完整的微晶粒 这种晶粒的 生成 能够有效的消除材料内部的少数载流子的复合中心 除了样品 2 外 其 他样品比较 P 型硅基片 晶粒尺寸 XS 都变大 这说明打孔后材料内部的质 点排列比较规则 降低了 P 型硅基片晶体中的位错等缺陷 改善了晶格质量 晶粒内部的微观应变 Strain 都变小 这相当于激光退火的物理过程 比较 电子显微镜测试和拉曼测试分析 不难发现 打孔以后虽然在孔的周边辐射损 伤很大 但是材料的晶格质量总的趋势是变好了 这一点我们可以这样理解 材料上损伤区域的面积差不多就是打孔的区域的面积 S损 这比较材料总的面积 15625mm2 要小得多 而没有打 22 152 2 d SNmm 损 孔的区域在激光的辐射作用下 晶格质量变好了 经过上面的分析 材料的方块电阻率应该减少 体寿命应该增大 下面通过 两个实验来验证这一点 3 43 4 材料方块电阻材料方块电阻的测试的测试RA 采用四探针测试仪 分别对四个样品测试 结果如表 5 表 5 方块电阻的测试结果RA 样品编号样品编号 RA A 0 0 172 1 1 47 2 2 44 3 3 45 样品的厚度都是一致的 所以打孔后材料的电阻率也是呈下降趋势 3 53 5 材料体寿命材料体寿命的测量的测量 测试设备 SEMILAB OBIC SCANER U PCD 测试条件 室温 测试结果如图 9 表 6 图图 7 7 样品的体寿命测试示意图 样品的体寿命测试示意图 表表 6 6 样品的体寿命测试结果样品的体寿命测试结果 样品编号样品编号 Average ns Average ns Median ns Median ns Maximum ns Maximum ns Minimum ns Minimum ns 0 0 前表面前表面 2866 62803 8372231371 5 3 3 前表面前表面 2900 52750 57382281 044 3 3 后表面后表面 2974 72845 267072111 28 2 2 前表面前表面 27932684 170150121 04 5 5 前表面前表面 3160 22981 87153178 42 5 5 后表面后表面 3092 829096288484 384 从图 7 表 6 可以看出打孔以后 除了样品 2 外 其它样品的体寿命都有所 增大 特别地 样品 5 的寿命最大 这与上面的实验是相吻合的 4 4 结论结论 通过激光打孔 实现了 EWT 硅太阳电池的关键工艺 并使硅材料本身的性质趋向于 好的方向发展 对下一步太阳电池的制作提供了较好条件 在制备硅太阳电池材料的过程 中 机械加工往往使材料表层微结构产生缺陷 掺杂时杂质离子能量高 进入基片后会使 基片形成错位 层错及各种