面對(duì)越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，光伏電池的生產(chǎn)成本和效率對(duì)于制造商來(lái)講正變得愈發(fā)重要。利用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的發(fā)射極穿孔和選擇性摻雜能夠幫助光伏電池制造商提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

 作者：Klaus Stolberg，Peter Oesterlin，Gabriele Eberhardt

光伏（PV）產(chǎn)業(yè)正面臨著許多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)主要任務(wù)是降低太陽(yáng)能電池或組件的成本，另一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何提高太陽(yáng)能電池板組件的效率。薄膜技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)最低的每瓦價(jià)格，似乎在降低成本方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)；而硅晶（基于晶片）太陽(yáng)能電池板則在提高效率方面略勝一籌。目前，商用單晶硅電池的效率能達(dá)到12％～19％，當(dāng)然距離35％的理論目標(biāo)值依然相差甚遠(yuǎn)。太陽(yáng)能電池的損耗主要是由光反射、載流子復(fù)合、歐姆損耗、正面接觸造成的陰影效應(yīng)等原因造成的。新型太陽(yáng)能電池采用了一些降低上述損耗的解決方案。

背面接觸

以典型的太陽(yáng)能電池為例，正面前接觸布線(xiàn)占去多達(dá)10％的總面積，在光活性區(qū)形成陰影，導(dǎo)致電池輸出降低。如果在太陽(yáng)能電池背面布線(xiàn)，就可以減小這種陰影效應(yīng)，而“金屬穿孔卷繞”（MWT）技術(shù)和“發(fā)射極穿透”（EWT）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。這兩種技術(shù)都需要在160～200µm厚的硅片上鉆出50～100µm大小的通孔。背接觸可從背面和正面雙面集電（見(jiàn)圖1）。這不但有利于電池的電氣連接，而且由于背面接觸不再受陰影效應(yīng)的限制，從而降低了電阻（歐姆）損耗。

圖1：MWT（金屬穿孔卷繞）電池將發(fā)射極從正面“卷繞”至背面。完全背面布線(xiàn)是一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，卷繞的正面接觸能占用更大面積。

MWT技術(shù)通常需要在1 ～2秒鐘內(nèi)鉆出約100個(gè)孔；而對(duì)于EWT技術(shù)，孔的尺寸要小些，但是要以同樣的速度鉆出約1萬(wàn)個(gè)孔。目前的激光技術(shù)能夠滿(mǎn)足這兩種技術(shù)的要求，但是市面上能夠看到的MWT太陽(yáng)能電池板的數(shù)量還很少。商用MWT電池的效率比傳統(tǒng)電池的效率大約高1％。

 要獲得較高的生產(chǎn)能力，一個(gè)關(guān)鍵因素是要在全部激光參數(shù)和聚焦條件，以及激光觸發(fā)與光束偏轉(zhuǎn)的同步之間確定最佳組合。眾所周知，脈寬約100ns時(shí)，激光在硅中能夠達(dá)到最佳燒蝕速度（從而具有最快的鉆孔速度）。^[1]應(yīng)用工程師強(qiáng)烈渴望在工藝中有這樣一個(gè)激光源，能夠獨(dú)立于重復(fù)頻率和脈沖能量之外來(lái)調(diào)節(jié)脈寬。面對(duì)這種需求，Jenoptik公司推出了一款名為JenLas disk IR50的激光器。

Jenoptik公司系統(tǒng)地研究了IR50激光器在MWT鉆孔方面的性能。在大約1500ns的最佳脈寬下，只需要5～7發(fā)激光脈沖就可以完全鉆通厚度為180µm的硅片（見(jiàn)圖2）。如果進(jìn)一步提高激光功率，所需的激光脈沖可以減少到3～4發(fā)。

圖2：IR50激光器的硅片鉆孔性能，圖中顯示了鉆通厚度為160～300µm的硅片時(shí)所需要的激光脈沖發(fā)數(shù)。

鉆孔后，接下來(lái)的步驟是受損刻蝕和鍍氮化硅（SiN）膜層，SiN膜被廣泛用作增透膜和鈍化層。由于SiN是電絕緣的，因此在必須再次將其去除，才能對(duì)電接觸進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。^[2],[3]切割過(guò)程中的熱效應(yīng)將會(huì)在塊狀硅（bulk silicon）中產(chǎn)生復(fù)合中心，而這是必須要避免的。避免其產(chǎn)生的最佳方式是使用飛秒激光脈沖，在這種情況下即使在激光切割之后，也能保持微觀棱錐結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。研究人員也使用皮秒激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果顯現(xiàn)出了一些熔化效應(yīng)。

圖3：顯微照片所示的是氫氧化鉀刻蝕后的c-Si表面結(jié)構(gòu)。單點(diǎn)飛秒激光加工（圓點(diǎn)）沒(méi)有產(chǎn)生熔化效應(yīng)，保持了原有結(jié)構(gòu)。

選擇性摻雜

除了采用背面接觸方法外，還有其他方法提高電池效率。在正面和背面接觸的傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)框架下，激光擴(kuò)散或激光摻雜在晶硅太陽(yáng)能電池制造中是一個(gè)“熱門(mén)”話(huà)題。

 所謂的硅“選擇性摻雜”，能夠降低接觸指下塊狀硅材料的電阻（歐姆損耗）。這種方法能將電池的絕對(duì)效率提高0.3％～0.5％。在該加工過(guò)程中，在硅材料被激光熔化的位置，磷涂層從表面擴(kuò)散到塊狀硅中。這個(gè)位置與隨后接觸指所在的位置是一致的。例如，與未經(jīng)處理區(qū)域120～150ohm/sq的損耗相比，激光處理區(qū)域的表面電阻能大幅降低到20ohm/sq（見(jiàn)圖4）。

圖4：選擇性發(fā)射體摻雜是一種基于激光的技術(shù)，可以通過(guò)降低接觸電阻來(lái)提高光伏電池的效率。

研究人員對(duì)從紅外到紫外范圍內(nèi)的不同激光器類(lèi)型和不同波長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)試。紅外激光器具有非常高的功率，其在硅中輻射的滲透深度達(dá)幾百微米，導(dǎo)致許多激光功率由于在塊狀硅材料中所產(chǎn)生的熱量而損失掉。此外，還有跡象表明，采用紅外激光器比短波長(zhǎng)激光器產(chǎn)生了更多的晶格缺陷。

而在紫外波段，由于非常淺的表面層內(nèi)的高吸收，使得紫外激光非常適合激光擴(kuò)散。但現(xiàn)有紫外激光器的功率有限，最高通常只有20W，這遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大量生產(chǎn)的需求。

綠光提供了一個(gè)較好的折衷方案，其提供的大約1µm的光學(xué)滲透深度非常適合0.5µm深的熱過(guò)程，并且現(xiàn)有綠激光的功率超過(guò)100W，完全能夠滿(mǎn)足大量生產(chǎn)的需求。采用連續(xù)光倍頻固體激光器，能夠很容易地將光束聚焦成一個(gè)小至20～40µm的點(diǎn)對(duì)晶片表面進(jìn)行高速掃描。但加工時(shí)間取決于光斑直徑和掃描速率的比值，加工時(shí)間通常在20～100微秒的范圍。該加工時(shí)間范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度為30～60µm，在這期間許多熱量擴(kuò)散到晶片體材料中。經(jīng)過(guò)測(cè)算，要達(dá)到每秒一個(gè)晶片的生產(chǎn)率至少需要600～800W的連續(xù)激光器功率。如此大的功率需求顯然有些不適合用作日常生產(chǎn)工具。

與此相反，調(diào)Q固體激光器提供脈寬為300ns或更短的脈沖，相應(yīng)的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度只有3.5µm，約為連續(xù)光激光加工的10％。有了這樣的激光器，只需要200W的激光功率就可以達(dá)到相同的生產(chǎn)率，這對(duì)24/7的生產(chǎn)設(shè)備也是可行的。此外，Jenoptik公司還采用JenLas ASAMA以及其他激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都大有發(fā)展前途，這也預(yù)示著這一加工方案距離走向?qū)嶋H生產(chǎn)已經(jīng)為時(shí)不遠(yuǎn)。^[4],[5]

對(duì)于采用激光加工技術(shù)是否會(huì)帶來(lái)額外的生產(chǎn)成本這個(gè)問(wèn)題，答案是積極樂(lè)觀的。激光加工技術(shù)能將晶硅電池的絕對(duì)效率提高0.3％，也就是說(shuō)，更高的電池效率能夠帶來(lái)更高的投資回報(bào)，所獲得的回報(bào)能夠補(bǔ)償激光生產(chǎn)工具的折舊和運(yùn)行成本。

 激光加工只有真正應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)線(xiàn)上， 才能成為一種加工工具。實(shí)際生產(chǎn)中，需要處理輕薄、易碎的晶片（通常厚度為180µm），需要簡(jiǎn)單可靠的分光器和光束整形，以將單束激光分成和接觸指一樣多的點(diǎn)。同時(shí)，還要優(yōu)化將晶片送入到機(jī)器中的工序，使晶片送料/出料的時(shí)間最短。此外，由于激光處理線(xiàn)必須與要與應(yīng)用到后序加工步驟中的接觸指相匹配，因此晶片必須與激光擴(kuò)散成一條線(xiàn)。

 所有這些方案都能提高太陽(yáng)能電池的效率，并且可以集成到JENOPTIK-VOTAN Solas 1800機(jī)器中，這是一款新型專(zhuān)業(yè)激光工具，每小時(shí)可以加工多達(dá)1800片晶片。晶片位置控制、原料儲(chǔ)存、安全燒蝕排氣閥，以及圖像處理和全自動(dòng)化的質(zhì)量控制都是實(shí)現(xiàn)24/7應(yīng)用需求的關(guān)鍵因素。目前該系統(tǒng)有兩種版本——研發(fā)新產(chǎn)品和工藝的獨(dú)立系統(tǒng)，以及一個(gè)用于集成到現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中的技術(shù)模塊。

參考文獻(xiàn)：

1. M. Leitner, E. Körner, Stuttgarter Lasertage, Proc. Stuttgart (2003).

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. Köhler et al., Proc. 24th EUPVSEC, 2009, Hamburg, Germany.

關(guān)于作者：Klaus Stolberg是JENOPTIK公司工業(yè)激光應(yīng)用經(jīng)理，Peter Oesterlin是Innovavent公司總經(jīng)理，Gabriele Eberhardt JENOPTIK公司應(yīng)用光伏/電子部門(mén)負(fù)責(zé)人。