新型激光器提高硅太阳能电池的效率与生产能力

新型激光器提高硅太阳能电池的效率与生产能力面对越来越激烈的市场竞争， 光伏电池的生产成本和效率对于制造商来讲正变得愈发重要。 利用激光 技术实现的发射极穿孔和选择性掺杂能够帮助光伏电池制造商提升竞争优势。作者 Klaus Stolberg ， Peter Oesterlin， Gabriele Eberhardt 光伏（ PV）产业正面临着许多挑战，其中一个主要任务是降低太阳能电池或组件的成本， 另一个挑战 就是如何提高太阳能电池组件的效率。 薄膜技术由于能够实现 最低的每瓦价格，似乎在降低成本方面占据 优势；而硅晶（基于晶片）太阳能电池则在提高效率方面略胜一筹。目前，商用单晶硅电池的效率能达到 12％～ 19％， 当然距离 35％的理论目标值依然相差甚远。 太阳能电池的损耗主要是由光反射、 载流子复合、 欧姆损耗、 正面接触造成的阴影效应等原因造成的。 新型太阳能电池采用了一些降低上述损耗的解决方案。背面接触以典型的太阳能电池为例，正面前接触布线占去多达 10％的总面积，在光活性区形成阴影， 导致电池 输出降低。 如果在太阳能电池背面布线， 就可以减小这种阴影 效应， 而 “ 金属穿孔卷绕 ” （ MWT ）技术和 “ 发 射极穿透 ” （ EWT ）技术能够实现这一点。这两种技术都需要在 160～ 200m 厚的硅片上钻出 50～ 100m 大 小的通孔。背接触可从背面和正面双面集电 （见图 1） 。 这不但有利于电池的电气连接，而且由于背面接触 不再受阴影效应的限制，从而降低了 电阻（欧姆）损耗。图 1 MWT （金属穿孔卷绕）电池将发射极从正面 “ 卷绕 ” 至背面。完全背面布线是一个技术优点，卷 绕的正面接触能占用更大面积。MWT 技术通常需要在 1 ～ 2 秒钟内钻出约 100 个孔；而对于 EWT 技术，孔的尺寸要小些， 但是要以同 样的速度钻出约 1 万个孔。 目前的激光技术能够满足这两种技术的要求，但是市面上能够看到的 MWT 太阳 能电池的数量还很少。商用 MWT 电池的效率比传统电池的效率大约高 1％。要获得较高的生产能力， 一个关键因素是要在全部激光参数和聚焦条件， 以及激光触发与光束偏转的 同步之间确定最佳组合。众所周知， 脉宽约 100ns 时，激光在硅中能够达到最佳烧蚀速度（从而具有最快 的钻孔速度） [1] 应用工程师强烈渴望在工艺中有这样一个激光源，能够独立于重复频率和脉冲能量之外来 。 调节脉宽。面对这种需求， Jenoptik 公司推出了一款名为 JenLas disk IR50 的激光器。Jenoptik 公司系统地研究了 IR50 激光器在 MWT 钻孔方面的性能。在大约 1500ns 的最佳脉宽下，只需 要 5～ 7 发激光脉冲就可以完全钻通厚度为 180m 的硅片（见图2） 。如果进一步提高激光功率，所需的激 光脉冲可以减少到 3～ 4 发。图 2 IR50 激光器的硅片钻孔性能，图中显示了钻通厚度为 160～ 300m 的硅片时所需要的激光脉冲数钻孔后，接下来的步骤是受损刻蚀和镀氮化硅（ SiN）膜层， SiN 膜被广泛用作增透膜和钝化层。 由于 SiN 是电绝缘的， 因此在必须再次将其去除， 才能对电接触进行丝网印刷。[2],[3] 切 割过程中的热效应将会在 块状硅 （ bulk silicon ） 中产生复合中心， 而这是必须要避免的。 避免其产生的最佳方式是使用飞秒激光脉冲， 在这种情况下即使在激光切割之后，也能保持微观棱锥结构 （见图 3） 。研究人员也使用皮秒激光器进行了 实验，但结果显现出了一些熔化效应。图 3 显微照片所示的是氢氧化钾刻蚀后的 c-Si 表面结构。 单点飞秒激光加工 （圆点）没有产生熔化效 应，保持了原有结构。选择性掺杂除了采用背面接触方法外， 还有其他方法提高电池效率。 在正面和背面接触的传统电池结构框架下， 激光扩散或激光掺杂在晶硅太阳能电池制造中是一个 “ 热门 ” 话题。所谓的硅 “ 选择性掺杂 ” ，能够降低接触指下块状硅材料的电阻（欧姆损耗） 。这种方法能将电池的绝对 效率提高 0.3％～ 0.5％。 在该加工过程中， 在硅材 料被激光熔化的位置，磷涂层从表面扩散到块状硅中。 这个位置与随后接触指所在的位置是一致的。例如，与未经处理区域 120～ 150ohm/sq 的损耗相 比，激光 处理区域的表面电阻能大幅降低到20ohm/sq（见图 4） 。图 4 选择性发射体掺杂是一种基于激光的技术， 可以通过降低接触电阻来提高光伏电池的效率。研究人员对从红外到紫外范围内的不同激光器类型和不同波长进行了测试。 红外激光器具有非常高的功率， 其在硅中辐射的渗透深度达几百微米， 导致许多激光功率由于在块状硅材料中所产生的热量而损失掉。 此外， 还有迹象表明， 采用红外激光器比短波长激光器产生了更多的晶格缺陷。而在紫外波段， 由于非常浅的表面层内的高吸收， 使得紫外激光非常适合激光扩散。 但现有紫外激光 器的功率有限，最高通常只有 20W，这远不能满足大量生产的需求。绿光提供了一个较好的折衷方案， 其提供的大约 1m 的光学渗透深度非常适合 0.5m 深的热过程， 并 且现有绿激光的功率超过 100W， 完全能够满足大量生 产的需求。 采用连续光倍频固体激光器， 能够很容 易地将光束聚焦成一个小至 20～ 40m 的点对晶片表面进行高速扫描。 但加工时间取决于光斑直径和扫描速 率 的比值，加工时间通常在 20～ 100 微秒的范围。该加工时间范围内的热扩散长度为 30～ 60m，在这期 间许多热量扩散到晶片体材料中。 经过测算， 要达到 每秒一个晶片的生产率至少需要 600～ 800W 的连续 激光器功率。如此大的功率需求显然有些不适合用作日常生产工具。与此相反，调 Q 固体激光器提供脉宽为 300ns 或更短的脉冲，相应的热扩散长度只有 3.5m，约为连 续光激光加工的 10％。有了这样的激光器，只需要 200W 的激光功率就可以达到相同的生产率，这对 24/7 的生产设备也是可行的。此外， Jenoptik 公司还采用JenLas ASAMA 以及其他激光器进行了实验，实验结果 也都大有发展前途，这也预示着这一加工方案距离走向实际生产已经为时不远。 [4],[5] 对于采用激光加工技术是否会带来额外的生产成本这个问题， 答案是积极乐观的。 激光加工技术能将 晶硅电池的绝对效率提高 0.3％，也就是说，更高的电池效率能够带来更高的投资回报，所获得的回报能够 补偿激光生产工具的折旧和运行成本。激光加工只有真正应用到实际的生产线上， 才能成为一种加工工具。实际生产中，需要处理轻薄、易 碎的晶片（通常厚度为 180m） ，需要简单可靠的分光器和光束整形，以将单束激光分成和接触指一样 多 的点。 同时， 还要优化将晶片送入到机器中的工序， 使晶片送料 /出料的时间最短。此外，由于激光处理线 必须与要与应用到后序加工步骤中的接触指相匹配，因 此晶片必须与激光扩散成一条线。所有这些方案都能提高太阳能电池的效率，并且可以集成到 JENOPTIK-VOTAN Solas 1800 机器中， 这是 一款新型专业激光工具， 每小时可以加工多达 1800 片晶片。 晶片位置控制、 原料储存、 安全烧蚀排气阀， 以及图像处理和全自动化的质量 控制都是实现 24/7 应用需求的关键因素。 目前该系统有两种版本 研发 新产品和工艺的独立系统， 以及一个用于集成到现有生产系统中的技术模块。参考文献1. M. Leitner, E. Krner, Stuttgarter Lasertage, Proc. Stuttgart 2003. Jenoptik 激光器中国区负责人丗贺先生 18701636124 2. F. Book et al., Proc. 23rd EC PVSEC, Sept. 1-5, 2008, Valencia. 3. K. Neckermann et al., 22nd EPSEC, Sept. 3-7, 2007, Milano. 4. M. Okanovic et al., Proc. 24th EUPVSEC, 2009, Hamburg, Germany. 5. J.R. Khler et al., Proc. 24th EUPVSEC, 2009, Hamburg, Germany. 关于作者 Klaus Stolberg 是 JENOPTIK 公司工业激光应用经理， Peter Oesterlin 是Innovavent 公司总经理， Gabriele Eberhardt JENOPTIK 公司应用光伏 /电子部门负责人。