在充滿挑戰(zhàn)的經(jīng)濟(jì)時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)正在不斷追求低成本、高產(chǎn)量的生產(chǎn)過程。這種趨勢(shì)使得激光技術(shù)在大量重要的光伏產(chǎn)品制造過程中大顯身手。

作者：Peter G. Borden，應(yīng)用材料公司

 受到諸多因素的驅(qū)動(dòng)，目前將 太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正處于急劇擴(kuò)張階段。這些驅(qū)動(dòng)因素包括能源價(jià)格上漲、對(duì)能源安全的考慮，以及全球氣候變化的危機(jī)。例如，在美國(guó)，很多州已經(jīng)采取了積極的可再生能源強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，迫使公共設(shè)施利用可再生能源來產(chǎn)生他們所需的大部分電能。例如，北加利福尼亞的公共事業(yè)公司PG&E利用光伏發(fā)電產(chǎn)生了1.65GW電能^[1]，占據(jù)2008年全世界5.5GW光伏發(fā)電總量的30%^[2]。

圖1. 激光刻槽埋柵接觸電池的截面圖^[8]

隨著光伏制造生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，必將驅(qū)動(dòng)對(duì)降低制造成本的需求。30年來，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直遵循一條18%的經(jīng)驗(yàn)曲線（即：總產(chǎn)量每增加一倍，制造成本就降低18%）^[3]，F(xiàn)irst Solar公司已經(jīng)報(bào)道了其光伏制造成本為0.98美元/瓦^[4]。目前硅模塊的成本已經(jīng)低至2.06美元/瓦^[4]，并且這個(gè)價(jià)格還有進(jìn)一步降低的空間。

在這樣的大環(huán)境下，整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)正在尋求一切可能的效率改進(jìn)方法以實(shí)現(xiàn)低成本、高產(chǎn)量的生產(chǎn)過程，這也使得激光技術(shù)能夠在大量重要的光伏產(chǎn)品制造過程中大顯身手。即使是很小的效率改進(jìn)，也會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生一連串的影響：效率提高會(huì)減少模塊數(shù)量、降低安裝成本、減少生產(chǎn)用地，并且有能力實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤等能夠進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力的改進(jìn)。文中介紹了激光技術(shù)在硅晶太陽能電池制造和薄膜太陽能電池制造中的應(yīng)用，以及在不久的將來可能會(huì)出現(xiàn)的一些新應(yīng)用。

 激光在硅晶太陽能電池制造中的應(yīng)用

目前，硅晶太陽能電池大約占據(jù)了全球光伏發(fā)電市場(chǎng)中85%的市場(chǎng)份額^[5]，其廣泛的生產(chǎn)基地主要位于歐洲和環(huán)太平洋地區(qū)。大多數(shù)硅晶太陽能電池采用絲網(wǎng)印刷接觸磷擴(kuò)散過程，得到的典型效率為15％～17%^[7]。目前，硅晶太陽能電池廠商正在不斷尋求效率的提升，其中許多效率提升都需要刻圖，這為激光技術(shù)的大量應(yīng)用提供了廣泛天地。下面首先介紹目前硅晶太陽能電池所采用的制造工藝，然后再介紹一些有潛力顯著提高效率的方法。

目前激光在硅晶片中的主要應(yīng)用是邊緣隔離。作為生產(chǎn)過程中最終測(cè)試之前的最后一步，使用YAG或釩酸鹽激光沿著硅太陽能電池的外圍切出一道幾微米深的凹槽，使得正面的擴(kuò)散結(jié)與電池的邊緣分離開來，從而降低分流。

激光技術(shù)已經(jīng)在向太陽能電池制造業(yè)進(jìn)軍，盡管目前的市場(chǎng)份額還相對(duì)較小。其中的一項(xiàng)應(yīng)用是激光刻槽埋柵接觸電池（圖1），它由新南威爾士大學(xué)^[8]研制并由BP Solar公司投入生產(chǎn)。該生產(chǎn)過程首先利用一束激光在前結(jié)擴(kuò)散之后在氮化硅涂層上切出一道深而窄的凹槽，第二次擴(kuò)散形成高度摻雜的接觸表面。隨后在凹槽里填充沉積鎳和銅，這樣就形成了高效率的前結(jié)和寬度較窄、縱橫比高的導(dǎo)體。目前這種方法在實(shí)驗(yàn)室中獲得的轉(zhuǎn)換效率已超過20%，但在實(shí)際量產(chǎn)中得到的轉(zhuǎn)換效率要稍低些。

圖2：采用導(dǎo)通孔的電池：（圖a）發(fā)射器圍壁導(dǎo)通^[9]，（圖b）金屬圍壁導(dǎo)通^[10]

一些電池的設(shè)計(jì)利用激光鉆孔來形成發(fā)射器圍壁導(dǎo)通（EWT，Advent Solar公司）^[9]或金屬圍壁導(dǎo)通（MWT，荷蘭能源研究中心/Solland Solar公司）^[10]電池，如圖2a和2b所示。這些電池利用通孔將正面的接觸傳導(dǎo)到背面，使生產(chǎn)商能夠采用表面裝配方法獲得較高的存儲(chǔ)密度和較低的電阻損耗，從而在模塊的水平上提高效率。EWT結(jié)在正面和背面都有分布，因此載流子輸運(yùn)較短的距離就可以被收集，并且正面的EWT結(jié)沒有金屬。這種方式提高了效率，特別是對(duì)于質(zhì)量較差的材料。小孔是利用釩酸鹽激光多次穿透鉆出的。EWT電池需要約10,000次穿透，而MWT電池只需要幾十次。這種電池的生產(chǎn)能力在每個(gè)晶片兩秒鐘量級(jí)。

更為高級(jí)的設(shè)計(jì)需要刻圖。事實(shí)上，已經(jīng)獲得的最高效率的電池——新南威爾士大學(xué)研制的效率為25%的PERL電池，以及SunPower ^[12]公司生產(chǎn)的最高效率為23.5%的電池，都采用了多次刻圖步驟。為了實(shí)現(xiàn)與位于接觸金屬下面的高度摻雜區(qū)域的小面積接觸，刻圖步驟是必不可少的。這使得接觸點(diǎn)上的載流子復(fù)合降到最低。SunPower公司還在電池背面額外設(shè)計(jì)了呈指狀交叉的p型和n型觸點(diǎn)，用以消除正面的光線阻擋，并在模塊水平上實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度。

目前激光刻圖正在向商業(yè)化邁進(jìn)，這樣人們就可以利用類似的方法來獲得更多的效率改進(jìn)。電池正面的結(jié)構(gòu)叫做選擇性發(fā)射極。在傳統(tǒng)的電池中，當(dāng)把電流收集到柵線上時(shí)，為了既保證接觸電阻較低又使得電阻損耗最小，需要進(jìn)行高摻雜；而為了提高發(fā)射極吸收光子的收集效率又要求低摻雜，因此發(fā)射極（正面擴(kuò)散區(qū)）要在這兩者之間進(jìn)行折中。選擇性發(fā)射極只在觸點(diǎn)下方為高摻雜，而在場(chǎng)區(qū)中為低摻雜。僅這一道工序就可以使電池的轉(zhuǎn)換效率提高0.8%。

采用激光刻圖方法，僅通過一次激光照射就可以制成一個(gè)選擇性發(fā)射極。斯圖加特大學(xué)物理電子學(xué)院（IPE Stuttgart）的Rödel等人^[13]報(bào)道了這種工藝，在光場(chǎng)傳播過程中形成的摻磷玻璃，是一種可以利用單次激光照射將摻雜物驅(qū)入其中的摻雜源，這一工藝可以使絕對(duì)效率提高0.4%。新南威爾士大學(xué)Wenham的研究小組^[14]也報(bào)道了一種激光摻雜過程，它可以形成更深的摻雜區(qū)域以及較窄的金屬柵線，從而使得電池效率進(jìn)一步提高。

在電池的背面，首選的結(jié)構(gòu)是點(diǎn)接觸和一個(gè)后向反射器，它被調(diào)諧到在單程通過電池過程中未被吸收的紅外光波長(zhǎng)。最著名的結(jié)構(gòu)是由德國(guó)弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）的Preu和Grohe開發(fā)的激光點(diǎn)火觸點(diǎn)^[15]。該結(jié)構(gòu)首先形成一個(gè)場(chǎng)電解質(zhì)，并涂一層鋁膜。觸點(diǎn)上的點(diǎn)火將鋁推進(jìn)到硅中。p型摻雜物鋁在各個(gè)點(diǎn)火點(diǎn)上與p型電解質(zhì)形成接觸。

作為電解質(zhì)蝕刻或擴(kuò)散掩�？虉D的一種方法，激光燒蝕電解質(zhì)正在被人們廣泛研究。對(duì)于這種方法人們關(guān)注的兩個(gè)問題是高度粗糙的前表面的效能和激光誘導(dǎo)損傷。這兩個(gè)問題都促使人們考慮使用皮秒紫外激光^[16]。圖3給出了分別利用納秒和皮秒激光燒蝕氮化硅層之后形成的粗糙表面的對(duì)比圖。納秒激光燒蝕使得表面融化，而皮秒激光燒蝕之后的表面則沒有顯示出可見的損傷。Englehart和Hermann ^[17]對(duì)利用這兩種激光燒蝕得到的選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)中的二極管飽和電流進(jìn)行了比較，并用氫氟酸蝕刻方法得到的結(jié)果作為參考。對(duì)比結(jié)果表明，利用氫氟酸蝕刻方法得到的結(jié)果比皮秒激光得到的結(jié)果好3倍，而比納秒激光得到的結(jié)果好30倍。

 圖3：經(jīng)過（a）納秒和（b）皮秒激光燒蝕后，涂有粗糙氮化硅涂層的太陽能電池前表面的對(duì)比圖。

在一次最具前景的激光刻圖展示中，德國(guó)ISFH Hameln研究所的研究人員Englehart等人展示了背交叉單次蒸發(fā)（RISE）工藝太陽能電池，它完全是通過激光刻圖方法形成的。這種器件采用了呈指狀交叉的背接觸，由激光刻圖掩模層蝕刻形成，據(jù)報(bào)道其光電轉(zhuǎn)換效率為22%。

 激光在薄膜電池板中的應(yīng)用

由于采用玻璃等價(jià)格低廉的襯底作為涂層，同時(shí)將激光刻圖和導(dǎo)體沉積結(jié)合使用，從而產(chǎn)生一連串相互連接的電池，因此薄膜電池板可以降低電池的成本。這種互聯(lián)是將高電流、低電壓輸出轉(zhuǎn)化為低電流、高電壓輸出所必不可少的條件。它可以使得以電流的平方計(jì)算的歐姆功率損耗最小。從某種意義上說，硅晶片方法是將一組分立的器件封裝到一個(gè)模塊中；而薄膜方法則是將一個(gè)集成電路封裝到一個(gè)模塊中。

圖4中的小插圖顯示了最常見的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，在沿著電池板長(zhǎng)度的方向，每個(gè)電池使用三個(gè)激光劃線器。它們通常被叫做P1、P2和P3（分別對(duì)應(yīng)于圖案1、2和3）。P1劃線器將玻璃上的透明導(dǎo)電氧化物涂層切成條紋狀。P2劃線器將吸收體層（例如非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒）切成平行的條紋，并在透明導(dǎo)電氧化物涂層處截止。P3劃線器將背面的導(dǎo)體分離成多個(gè)電池，同樣也在透明導(dǎo)電氧化物涂層處截止。這道工序?qū)㈦姵匕宸殖梢唤M寬度約為1cm的電池。典型的電池板寬度為1m，因此可以做出100個(gè)相互串聯(lián)的電池。劃線器的寬度可以窄至50mm，但是需要留有一定的容許量來克服小角度誤差，以免其導(dǎo)致劃線之間不能完美平行。因此，劃線器結(jié)構(gòu)需要占據(jù)300～500mm寬，約為有效面積的3％～5%。

圖4：P2激光劃線器視圖：顯示透明導(dǎo)電氧化物紋理的a）側(cè)面，b）頂面低倍率，c）頂面高倍率。插圖：薄膜互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

在一個(gè)有代表性的工藝中，P1劃線器使用一臺(tái)1064nm脈沖釩酸鹽激光器，而P2和P3劃線器使用532nm脈沖釩酸鹽激光器。其中有很多關(guān)鍵的參數(shù)，包括脈沖重復(fù)性、層厚控制、光點(diǎn)尺寸控制、平行劃線的對(duì)準(zhǔn)、吞吐量，以及濺射物的控制，特別是在P1劃線器之后。圖4給出了P2劃線器從吸收體層到透明導(dǎo)電氧化物層的截面圖和頂部視圖。頂部視圖顯示了劃線的扇貝形狀，這是由于激光脈沖和位于吸收體層下面的透明導(dǎo)電氧化物層的粗糙紋理形成的。這種粗糙結(jié)構(gòu)使得漫射光發(fā)生散射，從而增強(qiáng)了光吸收。

另外一個(gè)應(yīng)用是激光掃邊，這與邊緣隔離過程中的薄膜相當(dāng)。薄膜吸收體層和透明導(dǎo)電氧化物層延伸到玻璃的邊緣。這兩層結(jié)構(gòu)與電池的四周相隔幾個(gè)毫米，使得激活層與周圍環(huán)境相互隔離，并且在包含光伏發(fā)電層的玻璃薄片與保護(hù)電池免受環(huán)境影響的另一層玻璃薄片之間形成了一個(gè)很好的層壓接合表面。

小結(jié)

目前激光在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的最大應(yīng)用是晶片電池的邊緣隔離以及薄膜電池板的激光劃線和激光掃邊。在為電池刻圖以獲得更多的效率增長(zhǎng)這一需求的推動(dòng)下，激光技術(shù)很有可能獲得大量更多應(yīng)用，特別是在基于晶片的領(lǐng)域。其中的一些應(yīng)用，例如激光摻雜產(chǎn)生選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)，正在向商業(yè)化邁進(jìn)。其他能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)的刻圖、會(huì)引起損傷、或者工藝窗口較窄的應(yīng)用，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能出現(xiàn)。然而，顯而易見的是，低成本、高吞吐量和非接觸等特性，無疑將會(huì)使激光加工在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中獲得越來越多的應(yīng)用。

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