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激光技术在薄膜和晶硅太阳能电池制造中的应用
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-29 10:36:27

Richard HendelDave MacLellanRofin-Baasel公司

现今,激光已经成为了薄膜太阳能电池生产中的一种不可或缺的工具。对于大部分薄膜材料来讲,单片集成电路所需要的层划线步骤无法通过其他加工方式更加灵活、精确地完成,因此这也是为什么在过去的20多年间,激光技术一直是薄膜太阳能电池发展中的一个关键环节。

机械划线方法代替了湿化学刻蚀法,因为湿化学刻蚀法不但加工速度过于缓慢,而且对环境也有一定的污染。当然,无磨损的激光加工过程更具有可控性,同时还能降低在后续加工中晶片断裂的风险。激光技术在薄膜太阳能电池制造中的另一项应用是在模块密封前的边缘去除。在这个加工步骤中,激光技术正在逐渐取代传统的喷砂工艺。喷砂过程会比较脏,并且还能造成环境污染,但是在目前的新生产设备中,喷砂加工方式仍然占据着的50%以上的市场份额。

要加工的材料包括:位于玻璃基板或柔性基板上的透明导电氧化物层(TCO);位于非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)等薄膜组件上的活性层;以及背面接触层,如铝、银、钼和这些物质的合成物质(见图1)。
     

图1:薄膜太阳能电池结构图。

高质量的激光束会形成较大的聚焦深度,能够弥补各种各样的材料不规则性,如大型玻璃基板在平坦度和厚度方面的不均匀,同时还能保持较小的划线宽度和恒定的划线深度。Rofin Baasel公司的Q开关半导体激光器泵浦的Nd:Vanadate激光器(1064nm或532nm的波长),比如PowerLine SL系列和PowerLine L系列,能提供较短的纳秒脉冲,已经成为了这类应用所选用的标准激光器。

为了满足工厂中大批量生产的需要,划线过程需要的脉冲能量为μJ级别,边缘去除需要的脉冲能量为mJ级别。波长1064nm的基频光和波长532nm的倍频光,通常用于a-Si/μ-Si、CIGS和CdS/CdTe太阳能电池的生产。

激光器和c-Si电池:实现批量生产前路漫漫

在晶硅太阳能电池制造中,激光技术只有在有助于降低每瓦生产成本(c/Wp)的时候才会被考虑使用。降低每瓦生产成本的方法之一是简化生产过程,例如,用激光加工取代用于边缘隔离的等离子刻蚀,或是取代机械切割和划线步骤。另一种降低每瓦生产成本的方法是提高太阳能电池的光伏效率。

大量的研究显示,激光辅助制造确实能够提高太阳能电池的效率,并且已经在实验室的生产规模中得到了评估。然而,激光技术用于实际大规模批量生产的道路依然是漫长的,因为效率的提高程度必须要明显超过增加的投资成本。目前,薄膜太阳能电池技术领域竞争的日益激烈,将有助于激光技术在太阳能电池批量生产中发挥它们的作用。

激光辅助选择性掺杂

目前大规模生产的晶硅太阳能电池,必须要在金属接触区下面的n型硅层的重掺杂和接触手指之间的轻掺杂之间做出适当的权衡。该问题的解决方案是发射体的选择性掺杂,这有望将效率提高一个百分点。目前大多数用于大规模生产的新型选择性发射体,都依靠激光材料加工。

一种方法是通过电介质的激光消融进行选择性掺杂。在掺杂物扩散之前,会产生一个电介质屏蔽层,其接下来会在需要的接触区域被激光选择性地打开。因此,随后的扩散步骤会在屏蔽区和非屏蔽区创建不同的掺杂浓度。直接激光掺杂也是有希望实现发射体选择性掺杂的一种方法。通过PSG层,需要掺入的磷原子被一个精确控制、局部热输入的激光器掺入硅片中。

背面接触技术

提高太阳能电池效率的另一种经过很好开发的方法是背面接触,这种方法不但消除了正面引线,而且还增强了太阳活性表面。此外,太阳能电池形成模块的所有内部连接,不需要任何从正面到背面的连接就可以实现。这种方法不但增加了封装密度,而且还降低了成本。金属缠绕式(MWT)方法需要在太阳能电池上以网格模式钻出几十个小孔;发射体缠绕式(EWT)方法大约需要钻出10000个小孔。对于这两种方法,Q-开关碟片激光器(如罗芬的StarDisc碟片激光器)能提供较快的加工速度(见图2)。
      

图2:罗芬的StarDisc碟片激光器用于太阳能电池打孔应用。

Q开关激光器能在TEM00基模下,为这些应用提供了较高的功率和理想的脉冲宽度,而且加工时间非常短,每个太阳能电池的加工时间只有几秒钟。

有了选择性掺杂的发射体,使得这种众所周知的方法运用到了太阳能电池的大规模生产中。这当然不会是最后一种方法,因为激光是实现高效率的一种关键技术。此外,激光刻图和介电层的选择性消融,将有助于进一步提升太阳能电池的效率。
 


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