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    激光在光伏發電產業中的應用
    材料來源:激光世界           錄入時間:2010-7-22 15:07:39

    在充滿挑戰的經濟時代,工業生產正在不斷追求低成本、高產量的生產過程。這種趨勢使得激光技術在大量重要的光伏產品制造過程中大顯身手。

    作者:Peter G. Borden,應用材料公司

     受到諸多因素的驅動,目前將 太陽能直接轉換為電能的光伏發電產業正處于急劇擴張階段。這些驅動因素包括能源價格上漲、對能源安全的考慮,以及全球氣候變化的危機。例如,在美國,很多州已經采取了積極的可再生能源強制性標準,迫使公共設施利用可再生能源來產生他們所需的大部分電能。例如,北加利福尼亞的公共事業公司PG&E利用光伏發電產生了1.65GW電能[1],占據2008年全世界5.5GW光伏發電總量的30%[2]。

     

    圖1. 激光刻槽埋柵接觸電池的截面圖[8]

    隨著光伏制造生產規模的擴大,必將驅動對降低制造成本的需求。30年來,光伏發電產業一直遵循一條18%的經驗曲線(即:總產量每增加一倍,制造成本就降低18%)[3],First Solar公司已經報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低至2.06美元/瓦[4],并且這個價格還有進一步降低的空間。

    在這樣的大環境下,整個光伏產業正在尋求一切可能的效率改進方法以實現低成本、高產量的生產過程,這也使得激光技術能夠在大量重要的光伏產品制造過程中大顯身手。即使是很小的效率改進,也會對整個系統產生一連串的影響:效率提高會減少模塊數量、降低安裝成本、減少生產用地,并且有能力實現目標跟蹤等能夠進一步提高生產能力的改進。文中介紹了激光技術在硅晶太陽能電池制造和薄膜太陽能電池制造中的應用,以及在不久的將來可能會出現的一些新應用。

     激光在硅晶太陽能電池制造中的應用

    目前,硅晶太陽能電池大約占據了全球光伏發電市場中85%的市場份額[5],其廣泛的生產基地主要位于歐洲和環太平洋地區。大多數硅晶太陽能電池采用絲網印刷接觸磷擴散過程,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,這為激光技術的大量應用提供了廣泛天地。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用是邊緣隔離。作為生產過程中最終測試之前的最后一步,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,使得正面的擴散結與電池的邊緣分離開來,從而降低分流。

    激光技術已經在向太陽能電池制造業進軍,盡管目前的市場份額還相對較小。其中的一項應用是激光刻槽埋柵接觸電池(圖1),它由新南威爾士大學[8]研制并由BP Solar公司投入生產。該生產過程首先利用一束激光在前結擴散之后在氮化硅涂層上切出一道深而窄的凹槽,第二次擴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和寬度較窄、縱橫比高的導體。目前這種方法在實驗室中獲得的轉換效率已超過20%,但在實際量產中得到的轉換效率要稍低些。

     

    圖2:采用導通孔的電池:(圖a)發射器圍壁導通[9],(圖b)金屬圍壁導通[10]

    一些電池的設計利用激光鉆孔來形成發射器圍壁導通(EWT,Advent Solar公司)[9]或金屬圍壁導通(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到背面,使生產商能夠采用表面裝配方法獲得較高的存儲密度和較低的電阻損耗,從而在模塊的水平上提高效率。EWT結在正面和背面都有分布,因此載流子輸運較短的距離就可以被收集,并且正面的EWT結沒有金屬。這種方式提高了效率,特別是對于質量較差的材料。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。這種電池的生產能力在每個晶片兩秒鐘量級。

    更為高級的設計需要刻圖。事實上,已經獲得的最高效率的電池——新南威爾士大學研制的效率為25%的PERL電池,以及SunPower [12]公司生產的最高效率為23.5%的電池,都采用了多次刻圖步驟。為了實現與位于接觸金屬下面的高度摻雜區域的小面積接觸,刻圖步驟是必不可少的。這使得接觸點上的載流子復合降到最低。SunPower公司還在電池背面額外設計了呈指狀交叉的p型和n型觸點,用以消除正面的光線阻擋,并在模塊水平上實現更高的存儲密度。

    目前激光刻圖正在向商業化邁進,這樣人們就可以利用類似的方法來獲得更多的效率改進。電池正面的結構叫做選擇性發射極。在傳統的電池中,當把電流收集到柵線上時,為了既保證接觸電阻較低又使得電阻損耗最小,需要進行高摻雜;而為了提高發射極吸收光子的收集效率又要求低摻雜,因此發射極(正面擴散區)要在這兩者之間進行折中。選擇性發射極只在觸點下方為高摻雜,而在場區中為低摻雜。僅這一道工序就可以使電池的轉換效率提高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選擇性發射極。斯圖加特大學物理電子學院(IPE Stuttgart)的Rödel等人[13]報道了這種工藝,在光場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入其中的摻雜源,這一工藝可以使絕對效率提高0.4%。新南威爾士大學Wenham的研究小組[14]也報道了一種激光摻雜過程,它可以形成更深的摻雜區域以及較窄的金屬柵線,從而使得電池效率進一步提高。

    在電池的背面,首選的結構是點接觸和一個后向反射器,它被調諧到在單程通過電池過程中未被吸收的紅外光波長。最著名的結構是由德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer ISE)的Preu和Grohe開發的激光點火觸點[15]。該結構首先形成一個場電解質,并涂一層鋁膜。觸點上的點火將鋁推進到硅中。p型摻雜物鋁在各個點火點上與p型電解質形成接觸。

    作為電解質蝕刻或擴散掩?虉D的一種方法,激光燒蝕電解質正在被人們廣泛研究。對于這種方法人們關注的兩個問題是高度粗糙的前表面的效能和激光誘導損傷。這兩個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]對利用這兩種激光燒蝕得到的選擇性發射極結構中的二極管飽和電流進行了比較,并用氫氟酸蝕刻方法得到的結果作為參考。對比結果表明,利用氫氟酸蝕刻方法得到的結果比皮秒激光得到的結果好3倍,而比納秒激光得到的結果好30倍。

     

     圖3:經過(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比圖。

    在一次最具前景的激光刻圖展示中,德國ISFH Hameln研究所的研究人員Englehart等人展示了背交叉單次蒸發(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,據報道其光電轉換效率為22%。

     激光在薄膜電池板中的應用

    由于采用玻璃等價格低廉的襯底作為涂層,同時將激光刻圖和導體沉積結合使用,從而產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。這種互聯是將高電流、低電壓輸出轉化為低電流、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模塊中;而薄膜方法則是將一個集成電路封裝到一個模塊中。

    圖4中的小插圖顯示了最常見的互聯結構,在沿著電池板長度的方向,每個電池使用三個激光劃線器。它們通常被叫做P1、P2和P3(分別對應于圖案1、2和3)。P1劃線器將玻璃上的透明導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,并在透明導電氧化物涂層處截止。P3劃線器將背面的導體分離成多個電池,同樣也在透明導電氧化物涂層處截止。這道工序將電池板分成一組寬度約為1cm的電池。典型的電池板寬度為1m,因此可以做出100個相互串聯的電池。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,以免其導致劃線之間不能完美平行。因此,劃線器結構需要占據300~500mm寬,約為有效面積的3%~5%。

    圖4:P2激光劃線器視圖:顯示透明導電氧化物紋理的a)側面,b)頂面低倍率,c)頂面高倍率。插圖:薄膜互聯結構。

    在一個有代表性的工藝中,P1劃線器使用一臺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。其中有很多關鍵的參數,包括脈沖重復性、層厚控制、光點尺寸控制、平行劃線的對準、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電氧化物層的粗糙紋理形成的。這種粗糙結構使得漫射光發生散射,從而增強了光吸收。

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

    小結

    目前激光在光伏發電產業中的最大應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這一需求的推動下,激光技術很有可能獲得大量更多應用,特別是在基于晶片的領域。其中的一些應用,例如激光摻雜產生選擇性發射極結構,正在向商業化邁進。其他能夠實現更加精細的刻圖、會引起損傷、或者工藝窗口較窄的應用,則需要更長的時間才能出現。然而,顯而易見的是,低成本、高吞吐量和非接觸等特性,無疑將會使激光加工在光伏發電產業中獲得越來越多的應用。

    參考文獻

    1. Photon International, May 2009, p. 18.

    2. P. Mints, “Photovoltaic industry 2009: a Journey into Uncertainty,” Photovoltaics International, second quarter, 2009.

    3. R. Swanson, SPIE Photonics Innovation Summit, 25 Nov. 2008, Burlingame, CA.

    4. First Solar Q4 financial report, 2/24/09.

    5. Ref 1 ibid, p. 76.

    6. Ref 2 ibid.

    7. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, A. Luque and S. Hegedus Ed., 2003 (Wiley), Ch. 7.

    8. M.A. Green, “Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice,” UNSW Press, 1995, Ch. 11.

    9. P. Hacke, et. Al., “Busbarless Emitter Wrap-Through Solar Cells and Modules,” 33rd IEEE PVSC, San Diego, CA (2008).

    10. C.J.J. Tool, et. Al, “17% mc-Si Solar Cell Efficiency Using Full In-Line Processing with Improved Texturing and Screen-Printed Contacts on High-Ohmic Emitters, 20th European PVSEC, Barcelona, Spain, 6-10 June 2005.

    11. Ref 8 ibid, Ch. 10.

    12. R. Swanson, 33rd IEEE PVSC, San Diego, CA (2008).

    13. T. Röder, et al., “0.4% Absolute Efficiency Gain of Industrial Solar Cells by Laser Doped selective Emitter,” 34th IEEE PVSC, Philadelphia, PA (2009).

    14. S. Wenham and M. A. Green, US patent 6,429,037.

    15. A. Grohe, et al., “Laser Processes for the Industrial Production of High Efficiency Silicon Solar Cells,” Proceedings of the 22nd European PVSEC, Milan, Italy, Sept. 2007.

    16. V. Rana, Photonics West Technical Symposium, San Jose CA, January 2009.

    17. P. Englehart, S. Hermann, et. Al, “Laser Ablation of SiO2 for Locally Contacted Si Solar Cells With Ultra-Short Pulses,” Prog. Photovolt. Res. Appl, 15, 6, p. 521-527, 2007.

    18. P. Englehart, et. Al, Prog. Photovolt. Res. Appl, 15, p. 237-243, 2007.


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