078-(全)激光技术和喷墨打印技术在高效晶体硅电池上的应用-第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集

激光技术和喷墨打印技术在高效晶体硅电池上的应用刘金宁 * ， 潘盛， 孙铁囤（常州亿晶光电科技有限公司，江苏，常州， 213200）摘要 目前，商业化的晶硅太阳能电池主要依靠传统的丝网印刷技术形成电极。然而目前丝网印刷技术的精度和印刷细栅的高宽比很难再提高， 这已经成为制约晶硅电池效率进一步提升的一个主要障碍。 激光技术和喷墨打印技术是完全可以代替传统丝网印刷晶硅电池工艺的两种非常有潜力的技术。 本文主要介绍了激光技术和喷墨打印技术在高效晶体硅电池上的应用。关键词： 硅太阳能电池 , 激光 , 喷墨打印 , 高效晶体硅电池Laser and Ink Jet Print Technology Applied to Industrial Silicon Wafer Solar Cell LIU jin-ning*, PAN sheng, SUN tie-tun Changzhou EGing Photovoltaic Technology Co.Ltd. Abstract In 2010, around 90% of all wafer-based silicon solar cells were produced using screen printing to form the silver front and wet acid or alkali to form the texturing. This paper reviews the dominant high-efficiency silicon solar cell technology looking into the state-of-the-art applications of the laser and ink jet printing in the industrial silicon wafer solar cells. Finally, the laser and ink jet printing technology has been shown to have great potential to replace the conventional texturing and screen printing methods. Keywords silicon solar cells, laser, ink jet printing, screen printing, texturing 1 引言太阳能将是解决人类能源问题的根本途径， 利用太阳能电池可以直接将太阳能转化为电能。目前， 80％的太阳电池是由晶体硅材料制备而成的，制备高效率低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用光伏发电有着十分重要的意义。我们小组一直关注跟踪光伏发展的前沿，开展了一批重要的前瞻性研究。我们主要关注的方向有：各种选择性发射极（ SE）电池技术，发射极电镀技术，双次印刷栅线，原子层沉积（ ALD）钝化，双层膜钝化，非晶硅和碳化硅钝化，激光烧结，激光掺杂，激光刻槽埋栅，激光制绒，喷墨印刷制绒，喷墨印刷发射极，喷墨印刷选择性扩散。2 为何在晶硅电池上采用激光技术和喷墨技术？收稿日期： 2010-9-15 作者简介：刘金宁（ 1982- ）， yoyojn@163.com，男，甘肃庆阳人，物理学硕士，主要从事太阳能和等离子体研究。为了进一步减少晶硅电池少数载流子的复合损失， 提高扩散方块电阻， 增加发射极栅线密度，减少发射极细栅的宽度，是提高晶硅电池效率的有效途径。当前用于晶硅电池上的丝网印刷技术，受印刷浆料颗粒大小和印刷网孔的制约，其栅线宽度很难低于70 微米，印刷细栅的高宽比也很难提高。激光技术和喷墨打印技术可以获得精密度小于 20 微米的图形，其在商业化高效晶硅电池领域有很大的应用潜力。下面介绍激光技术和喷墨打印技术在高效晶硅电池领域的主要应用。2.1 激光刻槽埋栅激光刻槽埋栅 （ LGBC ） 技术是由澳大利亚新南威尔士大学在 1984 年最先提出的，首次将激光技术应用于高效晶体硅电池生产， 并且用于 BP Solar 的 Satum 生产线 [1] [2] 。激光刻槽埋栅集合了多种提高转换效率的技术于一体：局域掺杂选择性发射极技术、高电导率化学镀电极、减少栅线遮挡、以及增加电极高宽比。图 1 基于激光刻槽埋栅技术的土星电池结构示意图 (图片来自参考文献 2) 2.2 激光参杂选择性发射极（ LDSE ）相比激光刻槽埋栅是利用激光将硅片表面烧蚀挥发，在发射极位置形成沟槽，激光掺杂选择性发射极是利用激光将硅片表面瞬间熔化，使磷原子快速扩散进硅片表面，形成发射极重掺杂。 LDSE 也是由新南威尔士大学最早提出的一种可大规模商业化生产的高效太阳能电池。 也具有局域掺杂选择性发射极、 高电导率化学镀电极、 减少栅线遮挡、以及增加电极高宽比的优良特性。 LDSE 技术在制备电极时，可以选择电镀也可以选择传统的丝网印刷工艺或喷墨印刷电极工艺，对传统工艺更具亲合性。新南威尔士大学还联合 R&R 共同推出的 LDSE 交钥匙一体化工程。2.3 激光烧结（ LFC ）激光烧结 LFC（ Laser Fired Contact ）技术最早是由德国弗朗合费太阳能研究所（ Fraunhofer ISE ）在 2000 年提出并研究的 [5]。激光烧结技术，采用氮化硅或氧化硅对硅电池背面进行钝化，然后再沉积 1 到 2 微米后的铝背场，通过激光烧结使铝背场穿透钝化层，形成铝硅合金。这种技术由于提供了良好的背表面钝化，主要是通过降低背表面复合来提高效率，更适合于超薄太阳能电池。激光烧结技术（见图 2）要求激光器 1 到 2 秒内要在 125*125mm 的硅片上制作 15000 个激光烧结点。图 2 晶体硅太阳能电池激光烧结过程示意图 ( 引自 A. Grohe) 2.4 激光穿孔（ MWT&EWT ）EWT （ emitter wrap through ）和 MWT （ Metallization Wrap Through ）都属于背接触高效电池，相比 Sunpower 的背接触背结（ BC-BJ ）电池， EWT 和 MWT对硅材料的要求可以比较低 。 EWT 电池原型最早由 J.M. Gee 等人提出 [2]。其结构（见图 3）是不但在电池的前面形成 N 型发射极区域，还在电池的背面形成交叉的梳状 N 型区域和 P 型区域，通过激光打孔，孔扩散和孔填充导电浆料，连接电池正面的 N 型区域和背面的 N 型区域。图 3 EWT 电池结构示意图 ( 引自 A. Grohe) MWT （ metallization wrap through ）电池的结构和传统丝网印刷电池的结构比较接近。 MWT 电池（见图 4）的前面是发射极和细栅结构，主栅移到了电池的背面。电池的背面印刷铝背场和 P 型区电极。通过激光穿孔，孔扩散和孔填充导电浆料，将正面的细栅和背面的主栅连接起来。图 4 MWT 电池结构示意图（图片来自 H. Knauss）MWT 结构接近传统丝网印刷电池， 制作简单。 这种电池将前面的主栅移到了后面，减少了遮光面积，电池的正极和负极在同一表面，简化了组件封装。这种电池结构被IMEC ， ECN 和 Fraunhofer ISE 等小组广泛研究。2.5 激光制绒（ Laser Texturing ） [3]激光制绒主要应用于多晶硅的制绒，可以降低多晶硅的表面光反射率。 首先用激光在硅片表层烧蚀密排的小孔或线条， 然后通过氢氟酸和硝酸的混合溶液清除掉激光烧蚀灰烬和损伤， 就会在硅片表面形成均匀密排的锥形小孔或 V 型沟槽。 这些锥形小孔或 V型沟槽的存在增加了硅太阳能电池表面的陷光效果。图 5 和图 6 分别是利用激光制绒制作的蜂窝状小孔和 V 型槽绒面结构的扫描电镜显微照片。图 5 利用激光制绒形成的栅格的扫描电子照片 ( 图片引自文献 3) 图 6 利用激光制绒形成平行沟型槽的扫描电子显微照片 (图片引自文献 1) 2.6 喷墨打印制作绒面目前单晶制绒主要是采用氢氧化钾和异丙醇混合溶液对晶体硅的各向异性腐蚀原理形成金字塔结构的绒面， 多晶制绒主要采用硝酸和氢氟酸的混合体系在硅片表面随机腐蚀凹坑结构的绒面。 这两种方法都不能对硅片表面形成的微结构进行严格的控制，不能得到理想的表面减反射结构。 与激光制绒相同， 喷墨印刷制绒可以在硅片表面形成非常规则精细的倒金字塔或 V 型沟状绒面。 其实现过程一般是先在抛光的硅片表面生长一层致密的阻挡层， 然后喷墨印刷腐蚀液。通过控制印刷腐蚀液的量和喷墨印刷的形状在硅片表面腐蚀出不同的绒面结构。从图 7 和图 8 可以看出，相比激光制绒，喷墨印刷形成的绒面，表面更规则，损伤层更小。图 7 喷墨印刷形成的倒金字塔绒面 ( 图片引自参考文献 6) 图 8 喷墨印刷形成的 V 型沟状绒面结构 (图片引自参考文献 6) 2.7 喷墨打印发射极电极图案通过喷墨打机将导电浆料印刷到发射极，可以形成比传统丝网印刷技术精细的电极结构和更优越的高宽比。 喷墨打印可以通过电脑程序来控制印刷电池发射极电极的图案，特别适合印刷电极图案设计试验。 Fujifilm dimatix 推出了 DMP-3000 材料喷印沉积系统，其定位精度误差小于 5 微米，远高于传统印刷 20 微米的定位精度。 OTB和 Innovalight [7]推出的交钥匙高效 SE 电池工艺方案也利用了喷墨打印技术。Innovalight 开发的 Cougar 工艺，通过在发射极电极区域印刷直径在 1 到 3 个纳米的重掺杂纳米硅墨颗粒，来实现在发射极选择性重掺杂。其工艺过程是：1 清洗制绒2 印刷硅墨3 烘干硅墨4 正面浅扩散同时发射极印刷硅墨区域实现重扩散5 刻边6 洗磷7 PECVD 沉积减反射层8 印刷，烧结和测试Cougar 工艺实际上只在传统的晶硅电池工艺基础上多加了两道简单的工序就可以实现选择性扩散，而且整个过程也不会用到额外的化学品，也不会增加污染。 Cougar技术中也可以选择传统的丝网印刷工艺来实现较低质量的硅墨印刷。图 9 是 Cougwr工艺制作的 SE 电池片与正常工艺电池片量子效率的对比，从图上可以看出这种 SE 电池有良好的短波响应。图 9 使用 Cougar 工艺制作选择性发射极电池的内量子效率和正常工艺电池的内量子效率对比（图片引自参考文献 7）3 总结展望2010 年， 太阳能电池产量超过 14 吉瓦， 其中晶体硅电池占到了 77% 。 晶体硅太阳能电池主要还是以传统的丝网印刷工艺为主。 在众多晶体硅电池改进技术中激光技术和喷墨打印技术是最有希望代替传统丝网印刷技术。 激光技术在高效晶体硅太阳能电池上的应用主要有激光制绒 ,激光烧结，激光穿孔，激光刻蚀和激光掺杂。喷墨印刷技术在高效晶体硅电池上的应用主要有喷墨印刷制绒， 喷墨印刷发射极电极，喷墨印刷硅墨选择性扩散。只有设备厂商和电池生产商共同努力推进，降低设备成本和工艺成本，激光技术和喷墨印刷技术才能在商业化高效晶硅太阳能电池道路上迅速发展。引用：[1] L.A. Dobrza?ski, A. Drygala Development of the laser method of multicrystalline silicon surface texturization ， Archives of Matarials Science and Engineering V38 Issue 1 July 2009 P 5-11 [2] NB Mason, TM Bruton and MA Balbuena, Laser grooved buried grid silicon solar cells from pilot line to 50 MWp manufactrue in ten years, PV in Europe, Rome Oct 2002 [3] L.A. Dobrza ń ski, A. Dryga?a， Laser texturization in technology of multicrystalline silicon solar cells， Journal of achievements in matarials and manufacturing engineering, V38 Issue 1 July 2009 P 5-11 [4] Dirk-Holger Neuhaus and AdolfMunzer, Industrial silicon wafer solar cell, Advances in optoelectronics, V2007,ID245521,15p [5] J.Juunge,C.Srumpel, Laser Fired Contacts for High Efficiency Solar Cells based on EFG Material, 23rd EC PVSEC, September 1-5, 2008, Valencia [6] N. Borojevic, A. Ho-Baillie, Inkjet texturing for high efficiency commercial silicon solar cells, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008 [7] Homer Andoniadis, Silicon ink high efficiency solar cells, 34th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, 7-12 June 2009