Nd_YAG激光器切割硅薄膜太阳能电池的工艺参数研究

第 30卷 第 3期2006年 6月激 光 技 术LASER TECHNOLOGYV o.l 30, No. 3June, 2006文章编号 : 1001 3806( 2006)03 0248 04Nd YAG 激光器切割硅薄膜太阳能电池的工艺参数研究刘 源 1, 李正佳 1* , 吴 奇彬 2( 1. 华中科技大学 激光技术国家重点实验室 , 武汉 430074; 2. 华中科技大 学 光电子工程系 , 武汉 430074)摘要 : 结合国内外激光薄膜加工研究 结果 , 从激光与物质相互作用的角度出发 , 建立激光切割硅薄膜太阳 能电池的柱面坐标理论模型。利用 M onte Carlo法求得多层薄膜结构的光场分布 , 进一步用有限 元法 ( fin ite elementm ethod, FEM )求得柱面坐标下热平衡 方程的数值解。得出了能量密度、 脉冲 形状、 重 复频率、 光斑形状 与切割 速度以及 切割质 量之间的关系。关键词 : 激光技术 ; 切割 ; 有限元法 ; 太阳能电池中图分类号 : TG485 文献标识码 : AR esearch of technical param eters of Nd YAG laserscribing silicon film solar cellLIU Yuan1, LI Zheng jia 1, WU Q i bin2( 1. National Laborafory of L aser Technology, HU ST,Wuhan 430074, China; 2. D epartm ent of O pto E lectronics Eng ineering,HU ST,W uhan 430074, Ch ina)Abstrac t: A n optical therm alm odel in cylindr ical coordinate of pulsed laser scribing mu lti layer th in film solar cellmodu leis established. M onte Car lo m ethod is employed to obtain the light fluencies rate of m ulti layer m ateria.l F in ite elem ent me thod( FEM ) is used to solve the heat equation in cylindrical coordinate. A nd the connection of the laser energy density, repeatitionfrequency, the shapeof pulse and facula, scribing rate and scribing quality is obtained.K ey word s: laser technique; scrib ing; fin ite elementm ethod; solar cell作 者简 介 : 刘 源 ( 1979 ), 女 , 硕 士研 究生 , 现 从事 激光与物质相互作用的研究。* 通讯联系人。 E m ai:l zhjl@i m ai.l hust. edu. cn收稿日期 : 2005 03 07; 收到修改稿日期 : 2005 04 08引 言激光加工相比其它加工方式 , 具有割线小、 切割速度快、 割缝边缘垂直度好、 切割时无机械应力等优点。在薄膜太阳能电池加工的过程中 , 可以利用激光对光电池的各个层分别进行切割是一道重要工序。最常用的硅薄膜太阳能电池切割激光器为 Nd YAG, 近年来 ,A rF, KrF, XeC l等准分子激光器等紫外波段的激光器也被应用到硅薄膜半导体材料的 加工领域 [ 1] 。短波长激光器可以聚焦产生更小的光斑 , 可以使割缝更小 ,并且在切割面的平整度和切割质量上也有较大提高。但是 , 准分子激光在硅材料表面的反射率大于 Nd YAG激光器 , 并且准分子激光的重复频率普遍低于 Nd YAG激光器 , 因此不 能达到 Nd YAG 激光器的切割速 率。现有 的 硅 薄 膜 半 导 体 材 料 加 工 设 备 仍 大 量 采 用Nd YAG激光器 , 为了发挥 Nd YAG 的最大切割效用 ,笔者从激光与物质相互作用的基本理论出发 , 建立激光切割硅薄膜太阳能电池的二维理论模型 , 分析多层材料在相变之前的温度场分布 , 指导 Nd YAG 激光器参数的优化设计。1 理论模型与分析激光薄膜切片技术的关键问题是确定最有效的利用激光能量、 大面积快速切割和较高的切割质量时所应具备的条件。而激光波长 , 能量密度 , 脉冲宽度 , 光斑形状与薄膜损伤阈值以及切割质量 , 切割速度之间的关系比较复杂 , 相互关联。用激光切割薄膜材料 , 必须提供一定的激光脉冲能量使材料熔断和汽化 , 产生刻槽 , 因此 , 作者试图从分析材料在相变前温度场的分布入手 , 分析 Nd YAG激光器切割硅太阳能电池薄膜的各项工艺参数。在薄膜层温度达到熔断阈值点之前几乎所有的激光脉冲能量都是热能形式传入薄膜的 [ 2 ] , 而使材料汽化则需要更多的能量堆积。然而 , 太高的能量密度会引起激光脉冲的主要边缘地带产生的汽化物质所吸收的展宽的激光脉冲数增加。在这种情况下 , 激光器的大量脉冲能量无法到达薄膜。并且 , 随着能量密度的增加 , 割线的宽度也随之增加 , 受到热影响的 区域增加 , 相比之下 , 割线的深度却没有如此显著的增加 [ 3] ,第 30卷 第 3期 刘 源 Nd YAG 激光器切割硅薄膜太阳能电池的工艺参 数研究希望找到一个最佳的切片能量密度有利于展开其它问题的讨论。为此 , 将以常见的太阳能电池单元 a Si/TCO /glass多层结构建立光热模型 , 分析脉冲激光与多层结构物质相互作用过程 , 通过分析激光作用在多层结构物质中温度场的分布来指导激光器切割系统的设 计与制造。 B IANCO等在激光与多层物质相互作用光热模型方面做了大量工作 , 利用多层结构的光传输矩阵描述其光场分布 , 利用有限体积法求解热平衡方程 [ 4] 。本文中采用了 M onte Carlo方法描述光场分布 , 并利用有限元法求解热场分布。1. 1 光热模型随着计算机技术的发展 , 各种数值计算方法得到广泛应用 , 本文中用 M onte Carlo方法描述光场分布 ,利用有限元法求解热场分布。在模拟过程中 , 为了尽量地还原真实状态 , 并且简化计算 , 做出了如下假设与约定。忽略光在物质中的自聚焦现象 (事实上 , 由于材料的复折 射率的实部为常数 , 所以没有表现出自聚焦现象 ); 忽略压电 效应 ,静电效应 ; 在整个激光脉冲作用期间 , 忽略材料表面传向空气的热量损失 (即认为材料与空气的接触面都是绝热的 ); 忽略激光在物质中的散射效应 ; 不考虑物质中的对流与辐 射传热 , 只计算传导 导热 ; 忽略 非热平衡 , 非傅里叶热效应 ; 不考虑温度达到熔点以及沸点时的相变问题 (不考虑熔融潜热 )。各层材料在光学性能和热学性能上都认为是各向同性的 , 而光学性能和热学性能与材料的温度呈非线性关系 , 其拟合函数如表 1所示。本文中的模型是以 脉冲激光作为 有效载荷 , 计算一个脉冲时间内模型内部的温度分布。激光切割硅薄膜的理论模型可以参照三维固体热Table 1 Phys ical p arametersof glass, SnO2 and a Sic/( J kg- 1 K - 1 ) /(W m- 1 K - 1 ) /( kg m - 3 ) nglass[ 6] 1200 1. 4 2200 1. 46 i0. 0SnO2 ( TCO) [7] 371. 0 + 0. 217( T - 273. 15 )39. 6 - 2. 09 ! 10- 2 (T - 273. 15) +4. 62 ! 10- 6 (T - 273. 15) 26640 1. 95 i0. 002a S i[8] 952. 0 + ( 171. 0 ! T ) /6851. 3 ! 10- 9 (T - 900) 3 +1. 3 ! 10- 7 (T - 900) 2 +10- 4 (T - 900) + 1. 023303. 8- i[ 0. 043+6. 297 ! 10- 3 ! ( T - 273. 15) ]传导微分方程 :c Tt = ( T ) + U ! (T, x, y, z, t) ( 1)式中 , U! (T, x, y, z, t) 为热源函数 , , c分别为材料的密度和比热容 , t为时间 , 为热导率 , T 为温度。由于入射光束为高斯光束 , 具有中心对称性 , 光场分布只与离中心的距离有关 , 因此 , 可以将问题转移到柱面坐标下 , 多层结构的光热模型如图 1所示 , 激光入F ig. 1 Opti cal therm alm odel of mu lti layer射方向激光束在箭头所指方向垂直入射 , 为 - z方向 ,( 1)式可以改写成 [ 5] :i ciT it =1r r r iT ir + zi iT izi + U ! (T, r, z, t)( 2)式中 , i为层标号 , i = 1, 2, 3, ? , n, n + 1, r为材料的横向尺寸 , zi 为每层的纵向坐标 , 每层的厚度为 Si, T i 为第 i层的温度分布函数 , i, ci 分别为第 i 层的密度和比热容 , i 为热导率。 ( 2) 式中的 U ! (T, r, z, t) 为柱面坐标下的热源函数 , 其表达式为 :U ! (T, r, z, t) = ! a [ ? c (r, z) + ? d ( r, z) ] ( 3)式中 , T 为温度 , r为材料的横向尺寸 , z为整个模型的厚度坐标 , ! a 为材料吸收系数。 ? c ( r, z)为准直射部分光通量 ; ? d ( r, z)为 散射部分 光通量。 ? c ( r, z) 与? d ( r, z)均由 M onte Carlo法计算获得。( 2)式有如下初始与边界条件 : ( 1) T i ( r, zi, 0) =T in, 材 料在 t = 0 时 温度 均匀 分布 , 为 常 数 T in; ( 2 )T 1 ( r, 0, t)z1= 0, i - 1 T i - 1 (r, Si - 1, t)zi - 1= - i T i (r, 0, t)zi描述层边界的热交换 ; ( 3) T i - 1 ( r, Si - 1, t) = T i ( r, 0, t),相邻层边界温度相等 ; ( 4) Tn + 1 ( r, zn + 1 # , t) = T in, 玻璃基底的厚度远远大于其它层的厚度 , 因此 , 可以看成是半无限的 , 在 zn + 1 # 处 , 温度不受影响 , 仍然为初始温度 T in。1. 2 FEM 求解由于 ( 2) 式难以求得解析解 , 通过 有限元分析法( fin ite elem ent m ethod, FEM )来求解其数值解。首先建立如图 2所示 a Si/TCO /g lass结构的实体249激 光 技 术 2006年 6月Fig. 2 Structure of a Si cell模型 , 激光束从玻璃方向垂直入射。激光束截面能量为高斯分布 : I ( r ) = I 0 exp( - r2 /r 20 ), 半径为 r0 = 20! m,入射激光脉冲波 形函数 f ( t) = t exp( - t /t 0 ) /t20, 其中t0 = 5ns。 输入光强分别为 I0 = 1. 0 ! 1011W /m2 与 I0 =2. 0 ! 1011W /m2, 光斑直径为 40! m, a Si厚度为 0. 5! m,TCO( SnO2 )厚度为 0. 6! m, 玻璃厚度为 20! m。然后对实体模 型进行有 限元网格 划分。 在 z 方向 , a Si被划分为 50个节点 , TCO 被划分为 60节点 ,玻璃厚度远大于 TCO和 a Si层 , 划分为 200节点已经可以描述玻璃内部的热场分布。在 r 方向 , 整个材料半径设定为 100! m, 相对于激光作用区域与实际热影响区域 ( 大约 50! m ), 可以认为 是半无限 的 , 划 分为200节点。时 间 步长 设为 0. 1ns, 材料 光 热参 数 中 ,TCO ( SnO2 )和 a Si的比热容 c, 热导率 为非线性参数 , 如表 1所示 , 在每个时间步长后 , 得到温度与非线性参数的离散序列 , 将非线性连续关系转换为离散序列以便数值计算。参考温度 300K,环境温度 300K。通过 FEM 数值计算获得瞬态温度场如图 3所示。F ig. 3 Tem perature field vs. tim e for th e different incidence energya? I 0 = 1011W /m2 b? I 0 = 2 ! 1011W /m2从 ( 3)式又可以看出 , 热源函数与 ? c ( r, z)相关 ,而 ? c ( r, z)是与脉冲波形函数相关的函数 :? c ( r, z) = I ( r) f( t) ( 1 - rsp) exp( - ! t %z) ( 4)式中 , I ( r )为表面入射光强分布函数 , r sp为反射系数 ,! t %为 总体衰减系数 , f ( t)为激光波形函数。因此 , 不同激光脉冲波形 , 对温度场分布也是会产生影响的。笔者选取了 3种常见的激光脉冲波形来考察脉冲波形与温度场分布的关系。分别选取高斯脉冲f ( t ) = exp [ - 4 ! ( t - t0 ) 2 /t 20 ], 三 角 波 f ( t ) =t/t 0, 0( 40- t) /( t- 5), 5 重复频率 为 2kH z时 , 速率可以到 30mm /s。 当重复频率继续上升时 , 切割质量下降。而如果此时加大输出功率 , 则可能使材料的受热影响范围扩大。实验中获得的质量较好的切割速率与脉冲重复频率配对如图 5所示。F ig. 5 Cu rve of repeatition frequency and scribing velocity在聚焦系统的设计上 , 利用柱面镜聚焦可以获得比用球面聚焦系统更高的切割速率与质量。在模拟过程中 , 激光光斑呈圆形高斯分部 , 光斑半径为 20! m,其 中可能的熔融汽化区域的半径仅有 6! m, 其它区域对材料只有加热作用。如果用球面聚焦系统形成更小的光斑 , 则割缝方向的光斑尺寸进一步减小 , 切割速率将下降。而在保证能量密度的前提下 , 适当加大割缝方向的光斑尺寸 , 可以增加切割速率 , 提高切割质量。因此可采用柱面镜聚焦 , 聚焦后光斑如图 6所示。Fig. 6 Laser facula resu lted froma? spherical focus system b? cy lindrical focus system3 结 论激光器的各类参数与高质 量切割的关系 非常复杂 , 本文中建立的相变前薄膜结构内部热传导模型 , 有助于更好地理解激光与多层结构材料的相互 作用过程 , 对激光器的设计提供了理论参考。在下一步的研究中将考虑相变引起的材料相态的变化 , 进一步细化模拟过程。参 考 文 献[ 1] MATUL ION IS I, NAKADE S, COM PAAN A D et al. W avelength andpu lse du ration effects in laser scribing of th in film s [A ]. Photovo ltaicSpeciali sts Conference, 1997, C onference Record of the Twenty SixthIEEE [ C ]. An aheim, CA: IEEE Press, 1997. 491~ 494.[ 2] COMPAAN A D, MATULI ON IS I, M ILLER M et a l. Op tim ization oflaser scribing for thin film photovolaics [A ]. Photovoltaic Sp ecialistsConference, 1996, ConferenceR ecord of the Twenty Fifth IEEE [ C ].W ash ington DC: IEEE Press, 1996. 769~ 772.[ 3] QI J, W ANG K L, LIANG M Ch etal. Study on laser scribing of siliconw afer with aQ sw itched Nd YAG laser [ J]. Journal ofM aterials E ngineering, 1999, 44 ( 3): 45 ~ 48( in Ch in ese).[ 4] B IANCO N, MANCA O. Two d im ensional trans ient ana lysis of absorbing th in film s in laser treatments [ J]. Am erican Society orM echan icalEngin eers Journal ofH eatT ransfer, 2000, 122 ( 2): 113 ~ 117.[ 5] ANGELUCC I N, B IANCO N, MANCA O et al. Therma l transient analysis of th in film m ultilayers heated by pulsed laser [ J]. In ternationalJournal ofH eat andM ass T ransfer, 1997, 40 ( 11): 4487~ 4491.[ 6 ] GRI GOROPOULOS C P, PARK H K, XU X et a l. M odeling of pulsedlaser irradiation of th in silicon layers [ J]. In ternational Journal ofH eat andM assTransfer, 1993, 36( 4): 919~ 924.[ 7] K IYAMA S,H IRONO Y, HOSOKAW A H et a l. T emp erature distribution analysis in m u lti layer th in film stru cture by laser beam irrad iation[ J]. Japan Society of Precision Engin eering, 1990, 56 ( 6 ): 1500 ~1506.[ 8] ONG C K, TAN H S, SIN E H eta l. Calcu lation ofm elting threshold ofcrystallin e and am orphou sm aterials due to pulsed laser irrad iation[ J]. M aterial Science& Eng ineering, 1986, 79( 3 ): 79~ 85.251