基于激光刻蚀的太阳能电池选择性掺杂技术 - 文章

基于激光刻蚀的太阳能电池选择性掺杂技术

作者：ROFIN公司 Richard Hendel 来源：Ringer

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—激光技术使得选择性发射极结构应用于太阳能电池的大规模生产成为可能

晶体硅组件的市场价格约为1.50~2欧元/Wp（最大输出功率），薄膜组件的市场价格约为1.50欧元/Wp，光伏市场的产品价格在一年内下降了30%～50%。由于许多的国家政府宣布“强制光伏上网电价”将会有很大幅度的下降，且该趋势将继续延续下去。对于薄膜太阳能电池制造商来说，他们必须在几年内便能投入到产品的大批量生产中。因此，他们希望能够找到一些削减基础成本的空间，比如，卷到卷生产的灵活性太阳能电池是最有希望实现基础成本削减的。对于满足这种需要的技术，ROFIN公司提供了一种新的高速处理以及高度定制化的卷到卷太阳能电池生产系统。

晶体硅电池转换效率的提升已成为新的焦点

通过控制制造实现晶体硅电池成本下降的空间已经非常有限，现有的一些技术都注重于节约使用材料（比如使用较薄的硅原料层或在表面上使用较少的银质涂层，减少生产中的浪费以及进一步扩大工厂的可用性），但所有这些削减成本的措施只能提供有限的成本削减空间。

因此，制造商将他们的注意力集中到了每Wp产品价格的第二个组成部分：转换效率。可用的技术范围十分广阔，多种高性能的电池所表现出来的效能都大于20％，然而在大规模太阳能电池生产的过程中通过转换效率的盈利将超过必要的额外投资。

光伏设备制造商以及整线制造商均对他们产品的生产处理流程表示乐观，并引进了额外的生产处理步骤以提高产品效能，新增加的处理步骤系统能够直接安装到现有的生产线上。在材料加工过程中使用激光工艺是一种理想的提高产品转换效率的技术手段，相比刻蚀及扩散技术而言，激光加工技术能够提供精确地控制。这样既能够产生成本效益，且不会损伤原料。作为一种清洁且灵活的技术，将其结合到现有的生产线中也是比较简单的。

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选择性发射极结构的再开发及利用

一种最具前途的技术在光伏行业存在已久，在上世纪70年代便已经开始研究讨论的选择性发射极结构。选择性发射极结构能够保证太阳能电池的效能增加1个百分点（对多晶硅太阳能电池最高能达到17%，对单晶硅太阳能电池最高能达到18.5%）。

今天，大批量生产的太阳能电池都有一个完全金属化的背面。一个厚的P层，一个较薄的n硅体层，钝化和防反射层以及一个表面接触电路。更详细的说，通常在金属化的接触区后的n层进行重度掺杂处理，而在接触电极实现轻度掺杂处理。重度掺杂处理能实现降低接触电阻以及得到较好的侧向电导率，对必要的再结合以及紫外光的反应来说，轻度掺杂处理很好的实现。因而这种短波长光谱工作的电池并不能将几乎三倍的光子转换为电能。

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选择性发射极结构在大规模生产中的应用

采用选择性发射极掺杂的应用解决方案被认为是可行性极佳的。从其他的方面来讲这也是一种常识，选择性掺杂技术是综合的大规模生产的必由之路。为了能够得到不同水平的掺杂处理效果而进行额外增加的掺杂处理，使得生产过程更加复杂并需要进行多个步骤（掩膜、刻蚀和扩散等）。另外，还需要相当完美地排列重掺杂处理区域与表面接触点的位置，这是一项非常精细的技术。

最近，研发出了几种新的处理方法能够避免以上提到的缺陷。来自德国的系统集成商以及整线供应商Roth & Rau.Manz.Schmid公司和Centrotherm公司在这个项目上进行了很大的努力。再加上同样是行业内领先的制造商China Sunergy公司也将选择性发射极结构应用到了大规模太阳能电池的生产之中。除了背电极刻蚀为形成重掺杂处理的发射极并使用刻蚀法进行了选择性弱化处理，其他所有关于选择性发射极的处理都是基于激光的方式进行。

基于激光刻蚀的选择性掺杂技术已经成熟

目前扩散掩膜是其中最先进的一种方式，通过这项技术可以形成一个电介质掩膜（摸）层。然后进行选择性地在电极区进行激光处理。接下来的扩散工艺在散步骤在掩模与非掩模区域上形成了不同的集中掺杂。

直接选择性激光掺杂技术

直接选择性激光掺杂技术对选择性发射极结构来说也是一种可行的技术。由于激光能够精确地控制区域性的热量输入，这就为选择性激光掺杂技术的应用提供了最有利的先决条件。原来的技术将激光与液体或气体等掺杂的源物质结合起来需要高精度的控制技术。相反新的技术使用一个“干”处理过程（例如进行局部的预混及沉淀于固态的掺杂膜层）。

最早的使用磷硅酸盐玻璃层（PSG）的解决方案，在上世纪90年代就已经推出，在发射极的顶部使用传统的掺杂扩散技术，作为下一步处理的掺杂源。由于激光能够局部地消融硅原料的表面，并能够使PSG层中的磷扩散到发射极中。然而，仍然要面对调整厚重的掺杂发射极区域与接触电路的位置的挑战。其他的方法是在表面接触层成型之前，在电介质层的顶部使用磷掺杂剂，激光则在下方消融硅原料，帮助磷掺杂到消融的硅中并带走电介质层，因此，能在随后排列的金属接触层前暴露出硅原料的表面。

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图3、PSG掺杂的样品照片

532nm激光及革新性的光纤传导

太阳能电池的制造推动了激光技术在光束质量、输出能量和脉冲频率等方面的发展。Q开关和半导体泵浦固态激光器是实现这些应用很好的工具，如果结合电介质薄膜以及倍频激光能够得到最好的效果，并实行脉宽以及脉冲能量的调整对绝大多数的选择性刻蚀都是必不可少的。对大多数的选择性消融处理来说都是必不可少的。在太阳能大规模生产中，基于标准生产节拍的要求，基于不同的应用激光器输出功率需要到达100W。

与基频激光1064的固体激光器比较，波长为532nm的二倍频激光器能实现在硅材表面实现1微米深的吸收层。而三倍频激光器接近紫外光的激光器在某种程度上可以实现更好的吸收率，但是适合配套紫外激光器的光学器件极为少见，选择性非常小，而且其使用寿命相对有限，目前对于规模生产尚有瓶颈。

当前的项目都是基于研究所以及太阳能电池制造商而设计，Rofin所提供的最新Powerline L 100 SHG提供了532nm的波长，非常适合于选择性刻蚀处理以及直接掺杂处理应用。其最新的光纤传输系统，特别为这个波长所设计，为这个项目的顺利实施起到了决定性作用。这项技术提供了整个激光光斑区域内的激光能量的平均分布，保证了激光刻蚀及扩散处理的稳定性。

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结论

对于激光设备制造商来说，光伏市场是正在兴起且需求量极大的一个市场。新的能够满足大批量生产要求的高转换效率的电池以及电池优化技术紧紧地把研究机构、生产线制造商和太阳能电池制造商联系了起来。再加上选择性发射极结构，这些是已经在高效能电池的大批量生产中验证过的知名电池产品结构。从LFC到LBC以及被电极电池，激光技术是对“高效能”理念进行尝试与试验中的关键技术。

并且使用激光对电介质层进行选择性掺杂和选择性刻蚀处理为提高电池效能新的技术研究开辟了一片新天地。在许多其他项目中，他们往往只关注前面板与背部的接触层的优化和设计。由于选择性刻蚀使用的激光厚度只有10nm到100nm，因此，对激光的光束质量、脉冲频率稳定性以及长期的稳定性的要求都相当高。这将成为推动适合用于光伏制造的激光器研究发展的源动力，就像ROFIN公司的PowerLine L系列。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/9/2010)


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