Richard Hendel，Dave MacLellan；Rofin-Baasel公司

現(xiàn)今，激光已經(jīng)成為了薄膜太陽能電池生產(chǎn)中的一種不可或缺的工具。對于大部分薄膜材料來講，單片集成電路所需要的層劃線步驟無法通過其他加工方式更加靈活、精確地完成，因此這也是為什么在過去的20多年間，激光技術(shù)一直是薄膜太陽能電池發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

機(jī)械劃線方法代替了濕化學(xué)刻蝕法，因?yàn)闈窕瘜W(xué)刻蝕法不但加工速度過于緩慢，而且對環(huán)境也有一定的污染。當(dāng)然，無磨損的激光加工過程更具有可控性，同時(shí)還能降低在后續(xù)加工中晶片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。激光技術(shù)在薄膜太陽能電池制造中的另一項(xiàng)應(yīng)用是在模塊密封前的邊緣去除。在這個(gè)加工步驟中，激光技術(shù)正在逐漸取代傳統(tǒng)的噴砂工藝。噴砂過程會(huì)比較臟，并且還能造成環(huán)境污染，但是在目前的新生產(chǎn)設(shè)備中，噴砂加工方式仍然占據(jù)著的50％以上的市場份額。

要加工的材料包括：位于玻璃基板或柔性基板上的透明導(dǎo)電氧化物層（TCO）；位于非晶硅（a-Si）、碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）等薄膜組件上的活性層；以及背面接觸層，如鋁、銀、鉬和這些物質(zhì)的合成物質(zhì)（見圖1）。
     

圖1：薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。

高質(zhì)量的激光束會(huì)形成較大的聚焦深度，能夠彌補(bǔ)各種各樣的材料不規(guī)則性，如大型玻璃基板在平坦度和厚度方面的不均勻，同時(shí)還能保持較小的劃線寬度和恒定的劃線深度。Rofin Baasel公司的Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器泵浦的Nd：Vanadate激光器（1064nm或532nm的波長），比如PowerLine SL系列和PowerLine L系列，能提供較短的納秒脈沖，已經(jīng)成為了這類應(yīng)用所選用的標(biāo)準(zhǔn)激光器。

為了滿足工廠中大批量生產(chǎn)的需要，劃線過程需要的脈沖能量為μJ級別，邊緣去除需要的脈沖能量為mJ級別。波長1064nm的基頻光和波長532nm的倍頻光，通常用于a-Si/μ-Si、CIGS和CdS/CdTe太陽能電池的生產(chǎn)。

激光器和c-Si電池：實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)前路漫漫

在晶硅太陽能電池制造中，激光技術(shù)只有在有助于降低每瓦生產(chǎn)成本（c/Wp）的時(shí)候才會(huì)被考慮使用。降低每瓦生產(chǎn)成本的方法之一是簡化生產(chǎn)過程，例如，用激光加工取代用于邊緣隔離的等離子刻蝕，或是取代機(jī)械切割和劃線步驟。另一種降低每瓦生產(chǎn)成本的方法是提高太陽能電池的光伏效率。

大量的研究顯示，激光輔助制造確實(shí)能夠提高太陽能電池的效率，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)規(guī)模中得到了評估。然而，激光技術(shù)用于實(shí)際大規(guī)模批量生產(chǎn)的道路依然是漫長的，因?yàn)樾�率的提高程度必須要明顯超過增加的投資成本。目前，薄膜太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域競爭的日益激烈，將有助于激光技術(shù)在太陽能電池批量生產(chǎn)中發(fā)揮它們的作用。

激光輔助選擇性摻雜

目前大規(guī)模生產(chǎn)的晶硅太陽能電池，必須要在金屬接觸區(qū)下面的n型硅層的重?fù)诫s和接觸手指之間的輕摻雜之間做出適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。該問題的解決方案是發(fā)射體的選擇性摻雜，這有望將效率提高一個(gè)百分點(diǎn)。目前大多數(shù)用于大規(guī)模生產(chǎn)的新型選擇性發(fā)射體，都依靠激光材料加工。

一種方法是通過電介質(zhì)的激光消融進(jìn)行選擇性摻雜。在摻雜物擴(kuò)散之前，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電介質(zhì)屏蔽層，其接下來會(huì)在需要的接觸區(qū)域被激光選擇性地打開。因此，隨后的擴(kuò)散步驟會(huì)在屏蔽區(qū)和非屏蔽區(qū)創(chuàng)建不同的摻雜濃度。直接激光摻雜也是有希望實(shí)現(xiàn)發(fā)射體選擇性摻雜的一種方法。通過PSG層，需要摻入的磷原子被一個(gè)精確控制、局部熱輸入的激光器摻入硅片中。

背面接觸技術(shù)

提高太陽能電池效率的另一種經(jīng)過很好開發(fā)的方法是背面接觸，這種方法不但消除了正面引線，而且還增強(qiáng)了太陽活性表面。此外，太陽能電池形成模塊的所有內(nèi)部連接，不需要任何從正面到背面的連接就可以實(shí)現(xiàn)。這種方法不但增加了封裝密度，而且還降低了成本。金屬纏繞式（MWT）方法需要在太陽能電池上以網(wǎng)格模式鉆出幾十個(gè)小孔；發(fā)射體纏繞式（EWT）方法大約需要鉆出10000個(gè)小孔。對于這兩種方法，Q-開關(guān)碟片激光器（如羅芬的StarDisc碟片激光器）能提供較快的加工速度（見圖2）。
      

圖2：羅芬的StarDisc碟片激光器用于太陽能電池打孔應(yīng)用。

Q開關(guān)激光器能在TEM₀₀基模下，為這些應(yīng)用提供了較高的功率和理想的脈沖寬度，而且加工時(shí)間非常短，每個(gè)太陽能電池的加工時(shí)間只有幾秒鐘。

有了選擇性摻雜的發(fā)射體，使得這種眾所周知的方法運(yùn)用到了太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)中。這當(dāng)然不會(huì)是最后一種方法，因?yàn)榧す馐菍?shí)現(xiàn)高效率的一種關(guān)鍵技術(shù)。此外，激光刻圖和介電層的選擇性消融，將有助于進(jìn)一步提升太陽能電池的效率。