激光高效加工优化太阳电池制造

激光高效加工优化太阳电池制造2010-10-26 10:27 | 发布者 : guhonghu | 查看数 : 78 | 评论数 : 2 摘要 : 激光高效加工优化太阳电池制造 ----- 暨国内激光技术及企业现状分析文/ 凯瑞 【编者按】 ： 从最初对整个光伏产业涉入激光企业的搜集了解、 到激光在太阳能光伏领域的市场调查、 再到激光技术在高效太阳电池的应用以及后期 . 原文内容由 凯瑞 提供激光高效加工优化太阳电池制造-----暨国内激光技术及企业现状分析文 / 凯瑞【编者按】 ： 从最初对整个光伏产业涉入激光企业的搜集了解、 到激光在太阳能光伏领域的市场调查、 再到激光技术在高效太阳电池的应用以及后期的激光企业跟踪走访，笔者愈深入了解愈发觉激光技术在光伏产业的巨大发展潜力。当前全球光伏业， 降低生产成本、 提高转换效率几乎是所有太阳电池厂商最迫切想解决的难题， 为此各类先进技术层出不穷、 相互争夺市场份额。 在此背景下， 激光技术以其精准性、 速度、 零接触以及良好的热效应等优势应用到光伏产业。 如今， 在光伏领域拥有一套特定且不同工艺参数的激光设备及技术， 以其在线加工系统中的关键地位， 为优化太阳电池制造、 降低生产成本、 提高转换效率发挥着越来越重要的作用。本选题透过激光技术在高效太阳电池中的应用及激光企业的视角， 洞察国内大型太阳电池片生产厂商、 相关产业链企业对自身竞争力及产品高效的重视力度与研发举措， 结合时下光伏业内大片“高效率低成本”的呼声， 笔者深感国内光伏产业的逐渐成熟与理性回归，整个光伏产业悄悄呈现出 “企业技术核心（ CTO）与各环节企业核心技术”对话的趋势！激光技术，高效太阳电池催化剂高效晶体硅太阳电池研究，是在晶体硅太阳电池方面开展的一系列新技术、新工艺研究。如背接触激光贯孔结构设计、 LFC、丝网印刷的新型背接触太阳电池研究、 n 型太阳电池技术研究等。研究水平和影响相当不错，开发的 LFC电池转换效率接近 19%， 目前制备选择性发射极太阳电池转换效率也可达到 19%。 值得一提的是， 对于高效太阳电池的研发， 如今已不仅仅是太阳电池厂商一方的努力， 还有来自各个产业链环节企业、 科研院校、 R&D 实验室的先进工艺加盟， 就像尚德冥王星计划， 实行强强技术合作， 将大大加快高效太阳电池实现量产的速度。据了解， 激光技术在高效太阳电池的制造中， 显示出相对低调却又极其重要的助推催化作用。 我们先来看下激光技术在太阳能光伏产业中一些主要应用， 如激光刻边 (laser edge isolation)、激光掺杂 (laser doping diffusion)、激光烧结 LFC (laser fired contatcts)、埋栅极刻槽 (LGBC)、激光制绒 (Texturing)、钝化介质膜烧蚀(laser ablation)、激光切割 (laser cutting)、背结电池钻孔 (laser drilling)、焊接(Soldering)、 RISE-EWT(LFC,structuring,drilling)、 ID 标记 (Marking)、电池分割(Singulation)等。为更具体地进行阐述， 我们结合当前几大高效太阳电池的制造来看几项主要激光技术在其中扮演的角色及所处位置。1、激光烧结技术 (laser fired contatcts，简称 LFC)该项技术由 Fraunhofer ISE开发，试制阶段 LFC工艺能以 1 0000 个 /s 的速度产生 100 μm 的接点，工业规模化的成本效益提高，其对材料、所有厚度晶片的功能及掺杂水平都没有太大影响，而且能与大多数其它高效率的电池设计兼容，最终的结构使得电池可以有 19%的效率。激光烧结工艺对太阳电池的影响不容忽视， 其优化晶体硅电池制造、 加速电池高效的一个典型案例就是其在背接触电池（ IBC）制作中的应用。背接触电池是由 Sunpower 公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达 19%~20%。这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”，增加了光的吸收和利用，但制造流程也不简单：清洗 — 制绒 — 扩散（ n?）— 丝印刻蚀光阻 — 刻蚀 P扩散区 — 扩散（ P?） — 减反射镀膜 — 热氧化 — 丝印电极— 烧结 — 激光烧结。其中涉及到的工艺难点除了金属电极下重扩散、扩散（ P?）还有激光烧结，激光参数优化后， 点阵间距、 材料种类、 光束质量、 脉冲宽度以及聚焦光斑能量分布对电池指标都有影响。2、激光钻孔技术 (laser drilling)激光钻孔技术当前在高效太阳电池制造中的应用这里要特别提到其在 MWT电池上的应用，因为它对其效率的提高的确起到了不可忽视的催化作用。MWT 电池是不同于 IBC电池的另一种背接触电池， 区别在于它可以两面收集载流子，并将电流由正面传导至背面。它包括金属环绕穿通电池（ MWT）和发射极环绕穿通电池（ EWT），是基于激光表面和背面加工技术的新型太阳电池技术。 MWT 技术由荷兰规模最大的太阳电池生产商 Solland Solar开发，其机理就是通过激光钻孔技术将电池正面收集的能量穿过电池再转移至电池背面， 这种方法可以使每块电池的输出率提高 2%，再经过处理后与太阳电池组件链接，所得输出效率甚至可提高 9%。一般 MWT 每块硅片需要钻约 200 个通孔，它需要激光钻微型通孔，将上表面与下表面连接起来， 为此在此项技术中激光技术显得尤为重要， 而激光钻孔和化槽隔绝的对准及重复性、 孔的大小及形状控制、 激光对硅衬底的损伤及孔内金属的填充等都成为工艺难点。同样， 激光钻孔技术也被广泛应用在 EWT电池的制造工艺中， 与 MWT 不同的是， EWT每块硅片上约需要 2 万个通孔，其钻孔速度对于商业应用是个大问题， 至少每秒得钻几千个孔， 因此这就使得激光钻孔技术成为唯一可满足其商业规模速度的工艺，其作用不言而喻。3、激光切割技术（ laser cutting）通过激光切割机、 激光划片机对太阳硅片进行切割， 由于采用激光这种非接触式加工方式， 解决了材料易碎的问题， 为此它成为当前激光技术在太阳能光伏领域比较常见且已部分实现商业化运作的一种广泛应用。在上述提到的 EWT电池制造中，也需要使用激光切割技术，由于工业化大面积（大于 10X10cm2）硅片的 EWT电池工艺多采用丝网印刷和激光技术，对硅片的质量也具有相对较高的要求， 为此这对 EWT电池的制造工艺也提出了要求，而实现无损伤激光切割就是其中关键工艺之一。国内企业使用较多的常见机型有比较多种类， 如大族激光自主设计一款采用世界先进光纤激光器输出 1064 nm 激光波长、最大输出功率 20W 的 FS02-20光纤激光划片机， 是该司根据太阳能硅片划片和切割等领域的特殊客户要求研制的高端产品。4、激光掺杂技术（ laser doping）激光掺杂太阳电池在实验阶段已有二十多年的历史， 其潜在优势就是能实现不同的掺杂形态、 限制掺杂以达到高度局部化结构； 不需用于扩散掩膜设备、 简化了工艺流程； 也不需整体高温处理， 避免了产生高温晶格缺陷和杂质缺陷； 而且并不掺杂晶片的两面， 因而不需要进行边缘绝缘； 整套工艺设备相对简单不产生有毒物质、利于环保。虽然研发已有段历史但该项技术依然没有完全脱离实验阶段， 只有部分应用于工业及太阳能光伏产业， 其产业化难点在于加工效率、 窄的加工工艺窗口以及掺杂区域接触点的稳定性三个方面。 但也正是因为其具备上述一些优势人们对它的研究与应用从未停止， 众企业中武汉帝尔激光在这方面做的很不错。 除此之外近来业内对于薄膜硅电池中激光诱导掺杂的研究也变得很活跃。5、激光刻边技术 (laser edge isoation)这是目前已实现大量工业应用的一种激光技术， 该项技术主要应用于标准丝网印刷太阳电池（ Standard silion solar cell）上，而当前它与其他两类设备形成竞争势态，构成三种产业化 PN结去边方法，在此我们不妨做个简单比较，如表：方法 优点 缺点 成本分析等离子蚀刻技术1、 技术成熟、 产量大2、 一次设备投资成本低1、电池崩边，缺角不良率高 2、 边刻、 钻刻工艺不稳定，影响电池效率3、需要消耗较多的化学物质1、消耗费用较大2、人工费用及运行成本均不低激光刻边（边缘隔离）1、 工艺稳定， 并联电阻与电池效率均稳定2、 可实现在线生产 3、非接触式加工对材料损伤小，绿色加工、利于环保1、 一次性投资费用高 2、自动化设备程度高1、初期投资成本较高 2、运行成本低、设备维护费用低、消耗费用少湿法蚀刻1、 可以将去 PSG和背面单面蚀刻作为整体进行 2、工艺比较稳定1、设备比较昂贵 2、需要安装有毒物质处理系统在消耗费用、设备成本、设备利用率及维护费用方面的成本相当、均不低（表：三种产业化 PN结去边方法比较，数据来源：大族激光）激光刻边能取得良好的隔离效果、 能取得和标准等离子体蚀刻类似的转换效率， 电池整体指标也不会受影响。 激光刻边的短路电流偏低， 是因为激光是沿着电池正面周围刻槽电池边缘部分有面积损失，但可以通过较高的填充因子弥补。激光刻边的短路电流偏差较大其实只是由于实验时 CCD精密定位时出现的随机误差所致。 到目前为止， 工业生产中对三种不同蚀刻方法的电池效率比较数据仍然没有一致的结论， 这也说明了电池制造工艺的多样性， 也体现出了优化激光工艺参数的重要性。 如今业界普遍认为激光刻边不是增加效率的一步， 而是避免损失的一步工艺。目前国内众企业中， 深圳大族激光已能提供基于产业化的晶体硅太阳电池激光刻边设备，高精度的 CCD定位系统确保电池有效面积最大化，能以最低的运行成本实现产业化生产。6、薄膜太阳电池激光划线技术激光技术除了广泛应用于晶体硅电池的制造工艺中， 同时在非晶硅薄膜电池领域也有延伸触角并成为不可或缺的一种技术支撑， 薄膜太阳电池激光划刻技术就是其中之一。在非晶硅薄膜太阳电池组件生产中， 激光设备在“划刻”过程中发挥着两大重要作用： 第一， 它把连续的膜层细分为单个电池； 第二， 在单个电池之间建立串联连接结构。 这需要两个不同的系统来完成： 第一步用红外激光， 用于第一层的 TCO刻划；第二步用绿激光来刻划非晶硅层；第三步用绿激光同时处理非晶硅层及背电极。 这些线条非常紧密且精确地间隔开， 以保证最大限度地减少了发电层的损失。日前，在欧盟资助的“用于强化太阳能工业加工的高级激光器”计划(ALPINE)中， 光子晶体光纤激光器已被作为要实现低成本 CdTe和 CIS电池而主要发展的一种新型激光器。除了以上介绍的几种激光技术外， 还有其他激光技术应用在太阳电池制造的不同环节，为满足高生产能力、高转换效率、低成本的需求起着关键性的作用，而应用于高效率电池设计的各项激光技术也正是在这种背景下不断进行着技术更新与改进，并得到了很好的验证评估。当前国内激光企业在光伏行业的发展现状激光技术在应用于光伏产业之前就已经大量应用于机械制造、汽车、造船、微电子等材料加工的各个领域行业， 其快速、 精确、 零接触以及良好的热效应迅速在各行业中体现出较好的优越性， 在良好的市场经济环境培育下我国激光产业及企业得到了很好的发展。 目前国内激光企业主要集中在湖北、 北京、 江苏、 上海和广东等经济发达省市， 已基本形成以上述省市为主体的华中、 环渤海湾、 长江三角洲、 珠江三角洲四大激光产业群。 四大激光产业群培育出 300 多家激光企业， 在这其中每家企业又各有所长， 如专注医疗机械的楚天激光、 在大功率切割领域拥有优势的华工激光、 在激光打标领域占市场优势的深圳大族激光、 激光划片机占据优势的珠海粤茂以及中国电子科技集团公司第四十五研究所等。近年来随着光伏生产技术的不断进步， 进一步降低太阳能发电成本、 逐渐脱离政府补贴， 使其达到“平价上网”成为了光伏产业众企业共同的目标。 和其他产业一样， 激光的精确性与速度再次成为光伏产业的催化剂， 光伏生产领域开始大量使用激光技术。 国内知名激光企业也陆续从传统领域涉入新能源产业， 展开不同程度地投入与发展， 如今， 激光企业和光伏企业越走越近， 开始共同研发新技术， 期冀获得更有效的光伏模块、 更高效的太阳电池。 逐渐涌现出一批专注于光伏产业的激光企业如武汉帝尔、 武汉三工光电、 珠海粤茂等。 在此， 我们这里介绍几家在光伏领域颇为不错的激光企业。1、国内太阳能光伏领域主要激光企业概况武汉帝尔 ----为高效太阳电池而生的企业武汉帝尔激光科技有限公司， 拥有一支专业技术类人才组成的精干团队， 一直专注于太阳能光伏的应用领域， 为国内外客户提供一整套太阳能晶体硅和非晶硅激光加工解决方案及相关配套设施。 值得一提的是， 该司自公司成立以来始终坚持“用激光技术助推高效太阳电池”的定位， 并与国内知名的太阳电池片生产厂商及科研院校合作开发研究高效太阳电池， 目前已取得不错成效。 旗下产品主要有： 激光刻槽机、 激光选择性掺杂设备、 半导体激光划片机、 光纤激光划片机、硅片激光打孔机、激光刻膜机、激光清边机等。深圳大族激光 ----加大投入进军新能源光伏产业大族激光公司是一家知名的激光加工设备生产厂商、 上市公司， 其激光信息标记系列产品产销量居世界第一位，目前，大族激光在销售额和技术水平方面，已跻身世界第四。 在传统领域取得一定地位的大族激光如今也已涉入光伏产业领域， 旗下相关产品有太阳能行业激光刻划机系列、 激光焊接机系列、 激光切割机系列等， 在非晶硅太阳电池领域， 该司已开发出 S1407非晶硅激光边缘刻蚀机及第 5 代非晶硅刻划机系列等。 据悉， 在下一步该司将加大对激光技术与设备在太阳能光伏产业的投入。武汉三工光电 ----欲打造为激光在光伏行业应用中的旗舰武汉三工光电设备制造有限公司致力于激光加工设备和太阳能成套设备的研发、 生产、 销售和服务， 并为客户提供完整的激光应用解决方案， 目前拥有包括激光打标、 金属切割、 太阳能成套设备、 激光雕刻切割、 激光器生产研发在内的八个事业部， 200 余员工。武汉三工光电董事长何成鹏曾说： “三工 =激光 +太阳能”， 寓意武汉三工光电就是专注于太阳能行业的激光应用。武汉三工光电原是一家普通激光设备公司， 一次偶然机会进入了光伏产业， 随着光伏产业的飞速发展， 三工光电也得到高速发展， 早在 2008年其年销售额达到 6700 万元， 其中光伏产业销售额约占到总收入的 60%。楚天激光 ----中国激光看武汉，武汉激光看楚天楚天激光成立于 1985 年， 全国第一家民营激光公司， 是国内激光企业中规模大、 产品种类多、 市场网络健全的专业激光产品制造商，下辖工业激光、 医疗激光、激光加工三大产业集团。对于太阳能光伏产业，楚天激光积蓄了一段时间，他们看好太阳能产业， 特别是高功率激光加工及应用等方面。 楚天激光总裁吴让大向就曾向媒体表示： “激光的市场热点趋势在绿色能源产业上， 而激光加工如激光切割、激光焊接、激光热处理等将会有一个较大的增长空间。”但就目前而言， 该司的主力及优势还在传统领域， 虽然有“中国激光看武汉、武汉激光看楚天”的豪言壮举， 但如果要做到“光伏激光也看楚天”， 还有待加大积累与发展。当然， 还有其他许多优秀的激光企业， 如苏州德龙激光等， 这里不一一详细介绍， 随着光伏产业的发展， 相信将有更多激光企业将其新工艺、 新设备投入进来。2、激光在太阳能光伏产业的市场展望当前每家太阳电池生产厂商及相关企业所研发的高效太阳电池技术路线不一样决定其所合作的企业与技术也不一样， 激光企业作为其中一项关键环节， 为此， 需要满足各个企业的高度定制， 这也就决定了当前光伏行业内品种较多的激光设备，从而将这个市场变得更加细分化。现在业内大型知名光伏企业都共同关注着接下来有可能实现量产化的设备，他们通过“企业技术核心 （ CTO、 企业 R&D 实验室） 对话各环节企业核心技术”的方式展开技术交流、 寻找关键工艺来实现其最终目的： 走通量产化之路， 而激光企业要想获得更大的市场就需要不断地配合以实现其量产化之路。 激光在太阳能光伏产业的众多应用决定了其在这个产业的市场前景， 只要太阳能光伏的商业化努力持续活跃、 只要高效太阳电池持续研发、 只要这个产业需要持续发展， 那么激光就不会退出这个舞台， 激光企业也将拥有固定的市场份额， 份额多大， 由技术决定！