激光加工技術(shù)在晶硅電池制造中的應(yīng)用

1、激光加工技術(shù)在晶硅太陽電池制造中的應(yīng)用深圳市大族激光科技股份有限公司深圳市大族激光科技股份有限公司2010年年3月月18日日盧建剛盧建剛 高級工程師高級工程光在晶體硅太陽能行業(yè)應(yīng)用簡介激光在晶體硅太陽能行業(yè)應(yīng)用簡介激光摻雜技術(shù)（激光摻雜技術(shù)（Laser Doping)激光鉆孔技術(shù)激光鉆孔技術(shù)(Laser drilling)激光刻邊技術(shù)激光刻邊技術(shù)(Laser Edge Isolation) 激光燒結(jié)技術(shù)激光燒結(jié)技術(shù)(Laser Fired Contacts) 鈍化介質(zhì)膜燒蝕技術(shù)鈍化介質(zhì)膜燒蝕技術(shù)(Dielectric layer Ablation) 激光工藝 應(yīng)用現(xiàn)狀

2、 工業(yè)大量應(yīng)用 工業(yè)部分應(yīng)用R&D實驗室激光刻邊(Edge isolation)埋柵極刻槽(LGBC)制絨 (Texturing)ID 標記 (Marking)鈍化介質(zhì)膜燒蝕(ablation)摻雜 (Doping Diffusion )切割 (cutting)背結(jié)電池鉆孔 (drilling) 燒結(jié) LFC (laser fired contacts)RISE-EWT (LFC, Structuring , drilling)電池檢測(wafer inspection)缺陷修復(fù)(Defection Repair)電池分割(Singulation)焊接 (Soldering) 應(yīng)用背景

3、：應(yīng)用背景：選擇發(fā)射極太陽電池選擇發(fā)射極太陽電池(Selective Emitter SE) 要使硅電池正面與金屬形成良好的歐姆接觸，需要對與金屬接觸的過渡區(qū)域?qū)崿F(xiàn)重摻雜 理想的摻雜濃度分布應(yīng)該是：理想的摻雜濃度分布應(yīng)該是： 光收集區(qū)域輕摻雜光收集區(qū)域輕摻雜 電極接觸區(qū)重摻雜電極接觸區(qū)重摻雜 選擇發(fā)射極作用: 電池有較高的光譜響應(yīng)，有較高的開路電壓和短路電流 發(fā)射區(qū)與電極有良好的歐姆接觸,提高了 填充因子指標選擇發(fā)射極結(jié)構(gòu)示意圖 A: Etch back processB: Diffusion Masking processD:LGBC processC: Self-doping paste

4、processSingle step laser doping 單步激光摻雜法單步激光摻雜法 激光作用在摻雜源(鈍化層)和硅片表面，預(yù)涂層的摻雜原子擴散到硅基材表面，當激光移開后，硅基材冷卻并結(jié)晶，與摻雜原子形成合金，稱為LIMPID法( laser-induced melting of pre-deposited impurity )激光在整個過程中只起到了局部熔化材料，同時摻雜源在一定的熱力學(xué)條件下快速擴散到硅表面,形成重摻雜區(qū)。(來自來自Stuart WENHAM)不需用于擴散掩膜設(shè)備,簡化工藝流程；不需整體高溫處理，避免了產(chǎn)生高溫晶格缺陷和雜質(zhì)缺陷；電極線寬窄，提高了電池有效吸光面積；

5、可將鈍化層一并去除,未去除的鈍化層仍可作為后續(xù)的掩膜；整套工藝設(shè)備簡單,不產(chǎn)生有毒物質(zhì),利于環(huán)保；(來自Stuart WENHAM)(來自Werner) 1 Finlay Colville Laser-assisted selective emitters and the role of laser doping， Photovoltaics International 20092 Dave Clark Lasers in SOLAR Cell production 2009/103 Ulrich et.al Selective emitter by laser doping from pho

6、sphosilicate glass 24th European PVSolar Energy Conference and Exhibition 21-25 September 2009 Hamburg Germany4 UNSW laser doping selective emitter .au5 Stuart Ross Wenham Self aligning method for forming a selective emitter and metallization in a solar cell US Patent 6429037B1 20026 Malte Schulz-ru

7、htenberg, Direct laser doping for high-efficient solar cells ICALEO 2009 M9047 D.S.Ruby Recent progress on the self-aligned selective-emitter silicon solar cell 26th IEEE 19978 Daniel Kary et al laser-doped silicon solar cells by laser chemical processing(LCP) Exceeding 20% efficiency 33rd IEEE 12-1

8、6 May 2008 St.Diego,CA9 M.C.Morilla, et al Laser induced ablation and doping process on high efficient silicon solar cells10Sameshima,T.&Usui,S.1987 “Analysis of dopant diffusion in molten silicon induced by a pulsed Excimer laser”, Jap. Journal of Appl.Phys.,Vol.26 11 張陸成等 激光熱效應(yīng)在高效太陽電池工藝中的應(yīng)用 20

9、09年5月 激光與光電子學(xué)進展12 Turner, et al 1981 solar cells made by laser induced diffusion directly from phosphine gas Appl. phys. Lett., Vol.3913Guo，J.H et al 2006 laser formed electrodes for solar cells Patent WO/2006/005116 A1 14 A.Grohe Novel laser technologies for crystalline silicon solar cell productio

10、n SPIE Vol 7202 200915Mahir Okanovic et.al Influence of different laser parameters in laser doping from phosphor-silicate glass 24th EPVSEC16 Gee.J et.al Buried contact solar cells with self-doping contacts US Patent 20050172998應(yīng)用背景：應(yīng)用背景：背接觸太陽電池背接觸太陽電池Back contact cell來自 Frauhofer ILT(來自Xsil )(來自Xsi

11、l )(來自Xsil )1 Nils Peter Harder Laser processed high-efficiency silicon RISE-EWT solar cells and characterisation 2009 01 Solid state physics2 ROFIN Presentation 2008 093 High throughput laser percussion Interconnect Microvia Process Xsil Company EMC 3D 20074 High peak power solid state laser for mi

12、cromachining of hard materials SPIE 2003 5 Devices and drilling and removing material using a laser beam US patent 200900451766N.brinkmann et al Epitaxy-through-hole processes for epitaxy wrap-through solar cells 24th EUPVSEC 20097A.A Mewe et al MWT plug Metallization Improved performance and proces

13、s stability of PUM and ASPIRE Cells 23rd EUPVSEC 2008方法 優(yōu)點 缺點等離子蝕刻技術(shù)1:技術(shù)成熟,產(chǎn)量大2:一次設(shè)備投資成本低1:電池崩邊,缺角不良率高；2:過刻、鉆刻工藝不穩(wěn)定,影響電池效率；3:需要消耗較多的化學(xué)物質(zhì)；4:較高人工費用，較高的運行成本激光刻邊(邊緣隔離)1:工藝十分穩(wěn)定,并聯(lián)電阻和電池效率十分穩(wěn)定；2:可以實現(xiàn)在線生產(chǎn)；3:非接觸式加工對材料損傷小,綠色加工,利于環(huán)保；4: 運行成本低,設(shè)備維護費用極低1:一次投資費用高2:自動化設(shè)備程度高濕法蝕刻1:可以將去PSG和背面單面蝕刻作為整體進行,2:工藝相對穩(wěn)定1:設(shè)備十分昂

14、貴2:需要安裝有毒物質(zhì)處理系統(tǒng)激光去邊示意圖來自COHERENT應(yīng)用背景：應(yīng)用背景：標準絲網(wǎng)印刷太陽電池標準絲網(wǎng)印刷太陽電池Standard silicon solar cell圖4不同去邊結(jié)方法的電池各指標比較11 圖5激光和等離子蝕刻的電池指標比較3 類別XXXXXVoc VIscAFF% Eta %Rshunt 激光工藝第1批50片0.6300.0025.360.0477.370.9517.0917.090.250.25159159激光工藝第1批50片0.6300.0025.360.0477.501.1117.1017.100.350.35324324最好等離子工藝 第1批200片0.6

15、300.0035.380.0477.691.1917.1917.190.350.352121激光工藝第2批50片0.6290.0025.380.0576.821.1316.9816.980.190.199898標準等離子工藝第2批50片0.6270.0015.400.02 76.12 0. 616.8416.840.150.156565(來自E. Schneiderlochner)(來自RPreu)激光僅在初期需要較高的投資成本,但由于運行費用極低，總體成本仍然很低 Monte Carlo模型考慮 5年使用期，將單片成本 分為消耗費、 設(shè)備成本、設(shè)備利用率和維護費四部分； 數(shù)據(jù)表明：濕法蝕刻攤

16、到每一部分的成本都相當；等離子具有最高消耗費用,其次設(shè)備成本； 激光設(shè)備維護費、消耗費和利用率幾乎可以忽略；,單片費用主要是設(shè)備成本； (來自Finally&O.Papathanasiou)(來自E. Schneiderlochner)Hauser分析利用激光刻邊并入Inline 是成本最低的一種方案；Correia指出：等離子的主要限制集中在Batch Processing以及Labour Cost，其它如用化學(xué)氣體，對環(huán)境影響等因素均需考慮，總之，激光依然具有成本優(yōu)勢；Roth認為大多數(shù)電池廠寧愿使用激光，主要在于激光易實現(xiàn)自動化在線生產(chǎn)；此外，激光刻邊十分穩(wěn)定，其結(jié)果是Rshun

17、ts值穩(wěn)定；因此能有效地避免損失；究竟采用何種去邊工藝還需要電池生產(chǎn)商對每片ROI 分析決定，R.Preu在對三種去邊方法比較得出：導(dǎo)入激光可以取得最低的投資成本；等離子蝕刻經(jīng)常出現(xiàn)Rshunts值不穩(wěn)定，低Rshunts值電池片如果再采用激光刻邊，就可提高Rshunts值而不會影響電池效率，真正做到每片電池是良品。1 Finlay Colville Laser scribing tools edge in front， Global solar technology 2009 3-4 P.122 Ing. Ludger et al Analysis of different laser co

18、ncepts for edge isolation of crystalline solar cells Proceedings 23rd EU PVSEC Valencia3 E. Schneiderlochner et al Review on different technologies for industrial solar cell edge isolation Proceedings 21st. European PVSEC， Dresden， 20064 Ronald et al Excimer laser junction Isolation of crystalline s

19、ilicon solar cells Transactions on electron devices IEEE pp353-354 February 1990 5 E. Schneiderlochner et al Scanning Nd：YAG laser system for industrially applicable processing in silicon solar cell manufacturing Photovoltaic Energy Conversion, 20036 M.D Abbott Laser isolation of shunted regions in

20、industrial solar cells 2007 7 A Hauser Comparison of different techniques for edge isolation 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition Munich 20018 S.A.G.D Correia et al Selective laser ablation of Dielectric layers 9 S.Roth, In solar Industry，pp 26-27 December 2008 10 E. Sch

21、neiderlochner at Conference on PhAST San Jose 200811 RPreu Innovative and efficient production processes for silicon solar cells and Modules SOLPRO IV 19th EPSEC Paris P978-981 200412 RPreu et al at 20th EUROPEAN PVSEC Barcelona, 200513Finlay Colville Laser manufacturing processes & the solar ro

22、admap CLEO PhAST 200814A Schoonerderbeek et al In proceeding of 69th Laser material processing Conference pp85-90 2007 15 S.A.G.D Correia et al at 21st European PVSEC，Dresden 200616O.Papathanasiou & S.chunduri，in etching equipment surveys within photon international December 2007&200817晶體硅太陽

23、能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望( 中國新能源網(wǎng))當脈沖高峰值能量突破鋁膜熔化閾值后，鋁膜會快速熔化，在熔化過程中如果繼續(xù)給予同樣的能量密度，鋁繼續(xù)吸收能量形成增強等離子體云并迅速汽化，當關(guān)閉激光后，鋁并不像預(yù)期的均勻擴散到硅材料表面,而是大部分鋁已經(jīng)蒸發(fā),無法形成較好的歐姆接觸。激光和金屬作用時,首先需要較高峰值能量突破金屬的熔化閾值(對高反材料尤為重要),由于既要熔化鋁(不能汽化),又要熔化硅,同時鋁原子還要穿過鈍化層擴散到硅表面能形成共熔；現(xiàn)有資料論述比較籠統(tǒng)，即使R.preu也未深入解釋LFC原理，更多地只是從實驗方法來闡述；應(yīng)用背景：應(yīng)用背景：背點接觸太陽電池背點接觸太陽電池Back

24、point contact cell來自來自E.Schneiderlochner 博士論文博士論文背面鈍化層質(zhì)量,鈍化層結(jié)構(gòu)、種類、材料厚度；硅電池材料厚度對LFC工藝的影響；鋁膜表面狀況,厚度和純度對實施LFC工藝的影響；重復(fù)頻率、光斑尺寸、焦深、焦點位置、脈沖能量大小(單脈沖/多脈沖)對電池指標影響激光參數(shù)優(yōu)化后,點陣間距、材料種類對電池指標影響光束質(zhì)量、脈沖寬度、聚焦光斑光斑能量分布對電池指標影響實驗室研究主要是小尺寸電池(20mmX20mm) ，利用振鏡掃描不存在任何問題；大面積尺寸(125mmx125mm) 必須考慮光學(xué)系統(tǒng)對加工效果的影響；掃描范圍越大, 電池表面點陣一致性會變差,

25、會影響電池性能激光方面，有必要研究脈沖波形對形成良好的硅鋁共熔體產(chǎn)生的影響，需改進激光器設(shè)計，包括對波形的控制或者優(yōu)化光斑能量密度分布電池方面，LFC工藝本身并沒有問題，但若電池前后道工藝搭配不好,電池效率則無法提高，這可能需要改進前后道工藝來適應(yīng)LFC工藝；LFC也可能和doping和isolation工藝類似(如Doping后P原子濃度過低, isolation后并聯(lián)電阻值偏低),需要前后道工藝搭配來自來自COHERENT不同材料在三種波長激光的吸收系數(shù)來自來自COHERENT應(yīng)用背景：背點接觸/正面SE電池Back point contact & SE Cells355 30ns

26、材料SiO2532 10ps 材料SiO2來自Peter Engelhart來自來自Peter Engelhart來自來自Peter Engelhart來自來自Peter Engelhart1 E.Schneiderlochner laser fired rear contacts for crystalline silicon solar cells progress in photovoltaics research and applications 2002 p29-342 E.Schneiderlochner LFC 博士論文 2004年 Germany3 Ralf Preu E.Schneiderlochner Method of producing a semiconductor-Metal c