激光加工技术在晶硅电池制造中的应用.ppt

1、激光加工技术在晶硅太阳电池制造中的应用,深圳市大族激光科技股份有限公司,2010年3月18日,卢建刚 高级工程师,激光在晶体硅太阳能行业应用简介 激光掺杂技术（Laser Doping) 激光钻孔技术(Laser drilling) 激光刻边技术(Laser Edge Isolation),主 要 内 容,激光烧结技术(Laser Fired Contacts),钝化介质膜烧蚀技术(Dielectric layer Ablation),激光在晶硅太阳能行业应用,应用背景：选择发射极太阳电池(Selective Emitter SE),要使硅电池正面与金属形成良好的欧姆

2、接触，需要对与金属接触的过渡区域实现重掺杂 理想的掺杂浓度分布应该是： 光收集区域轻掺杂 电极接触区重掺杂 选择发射极作用: 电池有较高的光谱响应，有较高的开路电压和短路电流 发射区与电极有良好的欧姆接触,提高了 填充因子指标,选择发射极结构示意图,激光掺杂技术,实现选择发射极（SE)的五种方法,A: Etch back process,B: Diffusion Masking process,D:LGBC process,C: Self-doping paste process,LASER,LASER,LASER,可选,可选,E: laser doping process,Single st

3、ep laser doping 单步激光掺杂法,必选,LASER,必选,激光作用在掺杂源(钝化层)和硅片表面，利用激光熔化原理，预涂层的掺杂原子扩散到硅基材表面，当激光移开后，硅基材冷却并结晶，与掺杂原子形成合金，称为LIMPID法( laser-induced melting of pre-deposited impurity ),激光熔融预沉积杂质源掺杂法 -LIMPID法,单步激光掺杂法,激光在整个过程中只起到了局部熔化材料，同时掺杂源在一定的热力学条件下快速扩散到硅表面,形成重掺杂区。,激光的作用,(来自Stuart WENHAM),激光掺杂的优点,不需用于扩散掩膜设备,简化工艺流程；

4、 不需整体高温处理，避免了产生高温晶格缺陷和杂质缺陷； 电极线宽窄，提高了电池有效吸光面积； 可将钝化层一并去除,未去除的钝化层仍可作为后续的掩膜； 整套工艺设备简单,不产生有毒物质,利于环保；,(来自Stuart WENHAM),激光掺杂技术方案,方案一 高速振镜扫描系统,方案二 高速平台+光束整形,(来自Werner),激光器要求及选型 前道工艺对激光掺杂效果的影响 激光工艺参数对电池指标影响 掺杂源制作工艺对电池性能影响 后道工艺(电镀)对电池指标的影响,工艺开发内容,工艺参数优化及影响,脉冲重叠率: X, Y脉冲能量密度: Ep脉冲宽度: Tp熔化循环次数:Nmelt扫描路径优化,产业

5、化难点,加工效率 窄的加工工艺窗口 掺杂区域接触点稳定性,参考资料,1 Finlay Colville Laser-assisted selective emitters and the role of laser doping， Photovoltaics International 2009 2 Dave Clark Lasers in SOLAR Cell production 2009/10 3 Ulrich et.al Selective emitter by laser doping from phosphosilicate glass 24th European PV Solar

6、 Energy Conference and Exhibition 21-25 September 2009 Hamburg Germany 4 UNSW laser doping selective emitter .au 5 Stuart Ross Wenham Self aligning method for forming a selective emitter and metallization in a solar cell US Patent 6429037B1 2002 6 Malte Schulz-ruhtenberg, Direct laser doping for hig

7、h-efficient solar cells ICALEO 2009 M904 7 D.S.Ruby Recent progress on the self-aligned selective-emitter silicon solar cell 26th IEEE 1997 8 Daniel Kary et al laser-doped silicon solar cells by laser chemical processing(LCP) Exceeding 20% efficiency 33rd IEEE 12-16 May 2008 St.Diego,CA 9 M.C.Morill

8、a, et al Laser induced ablation and doping process on high efficient silicon solar cells 10Sameshima,T.&Usui,S.1987 “Analysis of dopant diffusion in molten silicon induced by a pulsed Excimer laser”, Jap. Journal of Appl.Phys.,Vol.26 11 张陆成等 激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用 2009年5月 激光与光电子学进展 12 Turner, et al 1981

9、 solar cells made by laser induced diffusion directly from phosphine gas Appl. phys. Lett., Vol.39 13Guo，J.H et al 2006 laser formed electrodes for solar cells Patent WO/2006/005116 A1 14 A.Grohe Novel laser technologies for crystalline silicon solar cell production SPIE Vol 7202 2009 15Mahir Okanov

10、ic et.al Influence of different laser parameters in laser doping from phosphor-silicate glass 24th EPVSEC 16 Gee.J et.al Buried contact solar cells with self-doping contacts US Patent 20050172998,激光钻孔技术,RISE-EWT,MWT,EpiWT,Improved MWT/ASPIRe/PUM,EWT,应用背景：背接触太阳电池Back contact cell,四种不同类型激光钻孔效果,激光钻孔的四种

11、形式,EWT,MWT,EWT/MWT,来自LZH,激光钻孔工艺开发,激光波长 脉冲宽度 激光能量 能量稳定性,光束质量 重复频率 聚焦参数 偏振性,加工方法 扫描速度 辅助工艺 后处理工艺,来自 Frauhofer ILT,(来自Xsil ),(来自Xsil ),激光波长 355nm 单脉冲能量100uJ,半导体晶圆TVS激光钻孔分析,1:高速激光钻孔应用于TVS 封装2:激光波长:355/532nm3:高速精密运动控制技术4:产能:最高达3000pcs/s,分区扫描加工,(来自Xsil ),激光钻孔现状与发展趋势,长脉宽能取得较高加工效率,但有热损伤,需后处理,短脉宽可取得较高的加工质量,但

12、加工效率低,激光钻孔需兼顾加工效率和加工质量,无损伤激光钻孔工艺开发简化电池制造工艺流程,发展趋势,短波长、高功率、短脉宽激光技术发展适应无损伤钻孔需求,深入认识激光-硅相互作用机理，开发新型工艺,适应高效钻孔要求,激光钻孔电池断面,电池表面形貌(左)和后处理(右),现 状,来自ISE,来自ISE,1 Nils Peter Harder Laser processed high-efficiency silicon RISE-EWT solar cells and characterisation 2009 01 Solid state physics 2 ROFIN Presentation

13、 2008 09 3 High throughput laser percussion Interconnect Microvia Process Xsil Company EMC 3D 2007 4 High peak power solid state laser for micromachining of hard materials SPIE 2003 5 Devices and drilling and removing material using a laser beam US patent 20090045176 6N.brinkmann et al Epitaxy-throu

14、gh-hole processes for epitaxy wrap-through solar cells 24th EUPVSEC 2009 7A.A Mewe et al MWT plug Metallization Improved performance and process stability of PUM and ASPIRE Cells 23rd EUPVSEC 2008,参考资料,三种产业化PN结去边方法比较:,激光刻边技术,激光去边示意图,来自COHERENT,应用背景：标准丝网印刷太阳电池Standard silicon solar cell,图4不同去边结方法的电池各

15、指标比较11 图5激光和等离子蚀刻的电池指标比较3,三种去边方法电池指标比较,(来自E. Schneiderlochner),(来自RPreu),激光刻边成本分析,激光仅在初期需要较高的投资成本,但由于运行费用极低，总体成本仍然很低,Monte Carlo模型考虑 5年使用期，将单片成本 分为消耗费、 设备成本、设备利用率和维护费四部分； 数据表明：湿法蚀刻摊到每一部分的成本都相当；等离子具有最高消耗费用,其次设备成本； 激光设备维护费、消耗费和利用率几乎可以忽略；,单片费用主要是设备成本；,上述数据分析说明了激光刻边具有最低成本的原因,(来自Finally&O.Papathanasiou),

16、(来自E. Schneiderlochner),激光刻边成本分析(业界观点):,Hauser分析利用激光刻边并入Inline 是成本最低的一种方案； Correia指出：等离子的主要限制集中在Batch Processing以及Labour Cost，其它如用化学气体，对环境影响等因素均需考虑，总之，激光依然具有成本优势； Roth认为大多数电池厂宁愿使用激光，主要在于激光易实现自动化在线生产；此外，激光刻边十分稳定，其结果是Rshunts值稳定；因此能有效地避免损失； 究竟采用何种去边工艺还需要电池生产商对每片ROI 分析决定，R.Preu在对三种去边方法比较得出：导入激光可以取得最低的投资

17、成本； 激光刻边还能对低Rshunts值电池修复(包括边缘结隔离和局部隔离修复) ；等离子蚀刻经常出现Rshunts值不稳定，低Rshunts值电池片如果再采用激光刻边，就可提高Rshunts值而不会影响电池效率，真正做到每片电池是良品。,1 Finlay Colville Laser scribing tools edge in front， Global solar technology 2009 3-4 P.12 2 Ing. Ludger et al Analysis of different laser concepts for edge isolation of crystalli

18、ne solar cells Proceedings 23rd EU PVSEC Valencia 3 E. Schneiderlochner et al Review on different technologies for industrial solar cell edge isolation Proceedings 21st. European PVSEC， Dresden， 2006 4 Ronald et al Excimer laser junction Isolation of crystalline silicon solar cells Transactions on e

19、lectron devices IEEE pp353-354 February 1990 5 E. Schneiderlochner et al Scanning Nd：YAG laser system for industrially applicable processing in silicon solar cell manufacturing Photovoltaic Energy Conversion, 2003 6 M.D Abbott Laser isolation of shunted regions in industrial solar cells 2007 7 A Hau

20、ser Comparison of different techniques for edge isolation 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition Munich 2001 8 S.A.G.D Correia et al Selective laser ablation of Dielectric layers 9 S.Roth, In solar Industry，pp 26-27 December 2008 10 E. Schneiderlochner at Conference on PhA

21、ST San Jose 2008 11 RPreu Innovative and efficient production processes for silicon solar cells and Modules SOLPRO IV 19th EPSEC Paris P978-981 2004 12 RPreu et al at 20th EUROPEAN PVSEC Barcelona, 2005 13Finlay Colville Laser manufacturing processes & the solar roadmap CLEO PhAST 2008 14A Schoonerd

22、erbeek et al In proceeding of 69th Laser material processing Conference pp85-90 2007 15 S.A.G.D Correia et al at 21st European PVSEC，Dresden 2006 16O.Papathanasiou & S.chunduri，in etching equipment surveys within photon international December 2007&2008 17晶体硅太阳能电池产业化技术现状与发展展望( 中国新能源网),参考资料,激光烧结技术(LFC

23、),工艺控制难点：当脉冲高峰值能量突破铝膜熔化阈值后，铝膜会快速熔化，在熔化过程中如果继续给予同样的能量密度，铝继续吸收能量形成增强等离子体云并迅速汽化，当关闭激光后，铝并不像预期的均匀扩散到硅材料表面,而是大部分铝已经蒸发,无法形成较好的欧姆接触。,LFC机理,激光和金属作用时,首先需要较高峰值能量突破金属的熔化阈值(对高反材料尤为重要),由于既要熔化铝(不能汽化),又要熔化硅,同时铝原子还要穿过钝化层扩散到硅表面能形成共熔；,机理分析:铝钝化介质膜硅 共熔(与时间有关),现有资料论述比较笼统，即使R.preu也未深入解释LFC原理，更多地只是从实验方法来阐述；,LFC对工艺参数控制要求较高

24、，深入认识LFC原理可以更好地控制并优化工艺参数,应用背景：背点接触太阳电池Back point contact cell,LFC效果,来自E.Schneiderlochner 博士论文,前道电池工艺对LFC的影响,工艺开发内容,背面钝化层质量,钝化层结构、种类、材料厚度； 硅电池材料厚度对LFC工艺的影响； 铝膜表面状况,厚度和纯度对实施LFC工艺的影响；,LFC工艺参数对电池指标的影响,重复频率、光斑尺寸、焦深、焦点位置、脉冲能量大小(单脉冲/多脉 冲)对电池指标影响 激光参数优化后,点阵间距、材料种类对电池指标影响 光束质量、脉冲宽度、聚焦光斑光斑能量分布对电池指标影响,实验室研究主要是

25、小尺寸电池(20mmX20mm) ，利用振镜扫描不存在任何问题； 大面积尺寸(125mmx125mm) 必须考虑光学系统对加工效果的影响； 扫描范围越大, 电池表面点阵一致性会变差,会影响电池性能,其它因素对LFC工艺的影响,激光方面，有必要研究脉冲波形对形成良好的硅铝共熔体产生的影响，需改进激光器设计，包括对波形的控制或者优化光斑能量密度分布 电池方面，LFC工艺本身并没有问题，但若电池前后道工艺搭配不好,电池效率则无法提高，这可能需要改进前后道工艺来适应LFC工艺； LFC也可能和doping和isolation工艺类似(如Doping后P原子浓度过低, isolation后并联电阻值偏低

26、),需要前后道工艺搭配,工艺开发内容,钝化介质膜激光开孔技术,正面/背面钝化介质膜种类,SiOx+SiNx+SiOxONO ( Fhg ISE),SiOx+a:Si Layer (Applied Material),厚SiO2 层/SiNx (ISFH/UNSW),来自COHERENT,不同材料在三种波长激光的吸收系数,来自COHERENT,短波长皮秒激光可以减少对材料的损伤，成 为钝化介质膜烧蚀的重要工具,应用背景：背点接触/正面SE电池 Back point contact & SE Cells,355 30ns材料SiO2,532 10ps 材料SiO2,来自Peter Engelhar

27、t,脉宽对激光开孔SiO2钝化膜的影响,来自Peter Engelhart,来自Peter Engelhart,来自Peter Engelhart,参考资料 1 E.Schneiderlochner laser fired rear contacts for crystalline silicon solar cells progress in photovoltaics research and applications 2002 p29-34 2 E.Schneiderlochner LFC 博士论文 2004年 Germany 3 Ralf Preu E.Schneiderlochner Method of producing a s