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    激光技術在薄膜和晶硅太陽能電池制造中的應用
    材料來源:激光世界           錄入時間:2010-11-29 10:36:27

    Richard Hendel,Dave MacLellan;Rofin-Baasel公司

    現今,激光已經成為了薄膜太陽能電池生產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,激光技術一直是薄膜太陽能電池發展中的一個關鍵環節。

    機械劃線方法代替了濕化學刻蝕法,因為濕化學刻蝕法不但加工速度過于緩慢,而且對環境也有一定的污染。當然,無磨損的激光加工過程更具有可控性,同時還能降低在后續加工中晶片斷裂的風險。激光技術在薄膜太陽能電池制造中的另一項應用是在模塊密封前的邊緣去除。在這個加工步驟中,激光技術正在逐漸取代傳統的噴砂工藝。噴砂過程會比較臟,并且還能造成環境污染,但是在目前的新生產設備中,噴砂加工方式仍然占據著的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、鉬和這些物質的合成物質(見圖1)。
         

    圖1:薄膜太陽能電池結構圖。

    高質量的激光束會形成較大的聚焦深度,能夠彌補各種各樣的材料不規則性,如大型玻璃基板在平坦度和厚度方面的不均勻,同時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開關半導體激光器泵浦的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,已經成為了這類應用所選用的標準激光器。

    為了滿足工廠中大批量生產的需要,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。

    激光器和c-Si電池:實現批量生產前路漫漫

    在晶硅太陽能電池制造中,激光技術只有在有助于降低每瓦生產成本(c/Wp)的時候才會被考慮使用。降低每瓦生產成本的方法之一是簡化生產過程,例如,用激光加工取代用于邊緣隔離的等離子刻蝕,或是取代機械切割和劃線步驟。另一種降低每瓦生產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,激光輔助制造確實能夠提高太陽能電池的效率,并且已經在實驗室的生產規模中得到了評估。然而,激光技術用于實際大規模批量生產的道路依然是漫長的,因為效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領域競爭的日益激烈,將有助于激光技術在太陽能電池批量生產中發揮它們的作用。

    激光輔助選擇性摻雜

    目前大規模生產的晶硅太陽能電池,必須要在金屬接觸區下面的n型硅層的重摻雜和接觸手指之間的輕摻雜之間做出適當的權衡。該問題的解決方案是發射體的選擇性摻雜,這有望將效率提高一個百分點。目前大多數用于大規模生產的新型選擇性發射體,都依靠激光材料加工。

    一種方法是通過電介質的激光消融進行選擇性摻雜。在摻雜物擴散之前,會產生一個電介質屏蔽層,其接下來會在需要的接觸區域被激光選擇性地打開。因此,隨后的擴散步驟會在屏蔽區和非屏蔽區創建不同的摻雜濃度。直接激光摻雜也是有希望實現發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精確控制、局部熱輸入的激光器摻入硅片中。

    背面接觸技術

    提高太陽能電池效率的另一種經過很好開發的方法是背面接觸,這種方法不但消除了正面引線,而且還增強了太陽活性表面。此外,太陽能電池形成模塊的所有內部連接,不需要任何從正面到背面的連接就可以實現。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格模式鉆出幾十個小孔;發射體纏繞式(EWT)方法大約需要鉆出10000個小孔。對于這兩種方法,Q-開關碟片激光器(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用。

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

    有了選擇性摻雜的發射體,使得這種眾所周知的方法運用到了太陽能電池的大規模生產中。這當然不會是最后一種方法,因為激光是實現高效率的一種關鍵技術。此外,激光刻圖和介電層的選擇性消融,將有助于進一步提升太陽能電池的效率。
     


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