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对太阳能电池的高速激光钻孔
作者:Mathew Rekow,Richard Murison    来源:Industrial Laser Solutions
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太阳能发电展厅
太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ...
工业激光器已广泛应用于薄膜太阳能电池的制造中,通常用在刻划和除边工艺中。工业激光器的普遍使用使得这一细分市场现在已经成为全球热点市场之一。然而,工业激光器虽然有优异的市场表现和大量的成功技术示范,却仍然没有对太阳能行业的支柱——晶体硅太阳能电池的制造产生重要影响。最近的一篇评论文章指出,一个关键的原因就是整个太阳能行业近年来的扩展步伐非常快。

制造商们一直倾向于将资源用于管理挑战性产能扩张,同时规避引入新技术所带来的能感知到的风险。但是,按照业界当前的发展程度,技术进步(在很多情况下包括以激光为基础的加工工艺)变得越来越有吸引力,因为制造商们在面临激烈竞争时力图使其产品变得独特。其中称为发射极穿孔卷绕(Emitter Wrap Through, EWT)的一种新技术可以大幅提高电池的转换效率。为了实现EWT技术并满足制造商们对于生产率的需求,必须在1秒钟内在180微米厚的硅片上钻10000至20000个孔。这些孔通常要求极为微小——直径约为40微米或更小——并以1毫米的间距呈规则网格均匀分布在晶片上。

EWT太阳能电池

EWT太阳能电池加工被认为在技术上是可行的。在传统的单晶硅太阳能电池技术中,P型硅太阳能电池的正面掺杂磷来变为“发射极”,收集正极光生载流子。随后在该表面进行丝网印刷,形成母线来收集产生的光生电荷。这一架构的缺点在于太阳能受光面的电极栅线阻挡了部分阳光。因而,人们仍对于在不必大量增加制造复杂性的情况下去除这些电路痕迹的技术感兴趣。EWT太阳能电池通过将发射极穿孔“卷绕”到晶片背面,让电极栅线完全转移到了电池的背面,从而不用占据正面宝贵的发电区域。在晶片上钻的大量孔也会占用一些发电区域,但这要比电极栅线所遮挡的区域要低几个数量级。EWT太阳能电池结构和理想化的标准单晶硅太阳能电池结构的对比见图1。该图示表明了一个额外的好处:光生少数载流子从电池前往“发射极”的平均距离几乎减半,从而改进载流子收集而获利。

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但是,如何以合理的资金成本实现所要求的每秒1晶片的加工生产能力呢?这仍是未解决的问题。迄今为止所获得的数据显示,使用平均功率约100瓦的专业钻孔激光器每秒可以钻孔4000至5000个(“每秒钻孔数”的英文“Holes Per Second”,缩写为hps),据表面情况看,这似乎表明要实现所需要的10000至20000 hps需要极高成本的激光光源和集成。我们在工作中研究了激光脉冲参数对于EWT太阳能电池工艺潜在钻孔速度的影响。我们在工作中还考虑了不同脉冲参数控制下的材料清除的物理过程,记录了通过导通孔对EWT进行高速钻孔的潜在速度能够超过10000 hps,而这仅需要22瓦的激光功率。

实验装备和材料

定制的脉冲激光器 这些实验中使用的PyroFlex-25是一款25瓦1064纳米脉冲的可编程光纤激光器。光纤激光技术能够让脉宽的变化(2至700纳秒)与激光重复频率的变化(10到500赫兹)互不影响。除了变化范围非常宽的脉宽外,还能够通过灵活的编程来产生瞬时激光功率的特定时间波形。在这些实验中,激光脉冲通常被限定为“长方形”波形,这样能够将能量损失最小化为非烧蚀加热,并使钻孔效率最大化(图2)。在实验中还使用了10瓦532纳米的激光,但是与25瓦1064纳米激光相比,其在钻孔工艺中并没有明显的优势。

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钻孔工艺

在高速光束定位时,采用了扫描透镜焦距为100毫米的振镜。在扫描运动时,激光脉冲会保持同步。光斑尺寸大约为30微米,传递到工作面的激光功率大约为22瓦。在这个装备中,有两种不同的方法进行大量矩阵排列的钻孔。第一种方法是同步钻孔,激光光束在整个目标图案上进行反复地扫描,因而任何一个孔的有效冲击钻孔速度大约等于激光重复频率除以正在钻的总孔数。第二种方法是点对点钻孔,连续的激光脉冲以非常高的重复频率每钻好一个孔,然后光束才会移到下一个孔的位置。在研究中,这两个技术我们都使用了。实验中用到的硅晶圆包含了标准的、没有纹理的多晶硅太阳能电池原料,厚度为180±20微米。

结果

1、脉宽决定了材料清除效率。激光烧蚀工艺的常见模型都将材料清除的最终原动力归功于热等离子体的开发。激光不能穿透等离子体羽,因此对于脉冲激光加工来说,传递到工作件上的脉冲速度会受到“等离子体屏蔽”效应的限制。这也是为什么采用同步钻孔而不是点对点钻孔的一个常被提及的原因,换句话说,同步钻孔能够减少每一个孔的有效重复频率,从而避免“等离子体屏蔽”。但是,我们发现如果采用长方形脉冲,这一效应只在相对短的脉宽时存在。图3比较了在相同激光脉冲的条件下,同步和点对点这两种钻孔实验的结果。实验数据清楚显示,当脉宽超过100纳秒时,“等离子体屏蔽”效应不复存在,在比较完成导通孔所需的脉冲数量时,点对点钻孔实际上更有效率。

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当脉宽较长时,几乎没有证据可以证明有明显的等离子体屏蔽,因此简单从熔化和汽化角度来说,选择使用钻孔机制看来是合理的。通过简单的计算,我们可以估算出以熔化和汽化的方式清除孔里的一定体积的硅所需的总能量。计算显示,以熔化的方式清除直径为40微米的孔里的硅需要1.5毫焦的能量,完全汽化这些硅需要8毫焦的能量。对比结果显示在图4中,在形成差不多体积的导通孔时,熔化需要的总脉冲能量分别约为4毫焦和2毫焦。这一观察显示,实际上只汽化了一半甚至更少的硅,而且如果有任何额外的能量用于蒸汽电离化,汽化的硅将会更少。因此,硅的大部分必须以液态的形式从孔中排出,最可能的原因归功于一小部分的熔化物转化为快速甚至爆炸式膨胀的蒸汽相。这一参数还可以扩展至更短的脉宽,会大大降低材料清除速度,能够传递到导通孔的总能量多于理论上清除一定体积的硅所需要的能量。因此,额外的能量可以用来将等离子体电离化,从而可以创建等离子体屏蔽。

通过这一模型,我们现在推断出,单个激光脉冲所熔化的体积大小会受到硅上方介质传播速度的限制,其他的研究团体也得出这一结论。尽管硅对于1064纳米射线的吸收很复杂,非常依赖于温度,熔化前的光线传播可以被视为扩散过程,直至汽化开始和熔化物排出。所以,我们容易理解为什么当脉宽更长时钻孔工艺需要的能量更少,如图5所示,减少能量传递的速度使得在汽化作用将熔化的材料从表面排出之前有更多的材料能够被熔化。而且,图5的数据显示,当重复频率增加时需要的总能量也会减少。这反映了一个事实,那就是,当重复频率增加时,脉冲能量会减少,原因在于激光器的平均功率的限制。只要有充足的额外能量用于排出熔化物,被清除材料的多少主要取决于脉宽而不是脉冲能量,因此在某种程度上,当脉冲能量减少时(重复频率会增加),材料清除工艺会更“节能”。

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最终,通过增加脉宽和激光重复频率,数据都趋向于脉冲能量的下限,此时已经完全停止生成导通孔。简单地说,在这一下限所处的点上,超过维持推进所需能量的额外激光能量,已经不足以产生充足的蒸汽来排出熔化物。图4中左右两幅SEM图的对比可以用来定性地描述这一结论。在图4的左图,激光能量很充裕,超过了产生充足蒸汽以有效排出熔化物所需的最小值,因此会产生相对干净的带有垂直侧壁的孔。在图4的右图,能量靠近下限,没有多余的能量排出熔化物,因此会产生更多的重铸和导通孔壁的锥体。

2、时间脉冲波形提升了钻孔效率。通过理解材料清除动态,我们能够继续考虑激光能量在脉冲里的时间分布带来的影响。由于热传导速度看上去是熔化物体积的决定性因素,超过熔化所需的额外激光能量会导致部分汽化和熔化物的排出,我们推测,衡量脉冲后半部分的脉冲能量也许很有益处。在脉冲的前半部分,很慢的能量传递会生成最大可能的熔化物体积。在脉冲的后半部分,能量传递的速度加快,工艺过程会从生成熔化物转换到生成蒸汽(和排出熔化物)。图6显示了考察试验的初始设定,可以清楚看到,提高脉冲能量在激光脉冲后半部分所占的比例,会帮助提高钻孔效率。这跟调Q激光脉冲的工艺动态有所不同,时间脉冲波形在脉冲的相对前半部分形成波峰,接着是很长的逐渐衰减的尾部(如图2)。看上去,调Q激光器会在脉冲前半部分需要传递低能量的某一时刻传递高能量,而在脉冲后半部分需要传递高能量的时刻传递低能量。那么,最终结果就是较大比例的激光脉冲能量被用来过度汽化,甚至可能会被用作离子化烧蚀羽。

3、“椅子”波形的激光脉冲能够取得最快的钻孔速度。当使用700纳秒的“椅子”波形脉冲时(如图2),可以取得最快的钻孔速度,此时60%的脉冲能量集中在脉冲的后半部分。形态与图4的右图在性质上相似。这一结果是在点对点模式下取得的,激光运行时的重复频率是50千赫,在每一个孔的位置会有四个连续的450微焦的脉冲。也就是说,有效的钻孔速度达到12500 hps,完成每个孔所需的总脉冲能量只有1.8毫焦。在我们正在使用的装置上,我们被限制在大约1平方英寸的区域内进行处理。在这个区域内,要求穿透所有的孔,以保证结果的有效性。当使用400纳秒长方形脉冲时,我们取得了最垂直的侧壁和最干净的形态,尽管此时的有效钻孔速度已经显著降为5000 hps,如图4中的左图所示。

总结

我们可以得出结论,对硅材料进行导通孔钻孔时,如果采用时间波形脉冲,能够取得足够高的有效钻孔速度,以支持符合成本效益的EWT制造。EWT不需要大孔,而且我们展示了在180微米厚的硅板上,只使用大约22瓦的平均激光功率,以高达12500 hps的有效钻孔速度,就能有效地钻出25微米导通孔。如果激光源的脉宽范围跨度很大,其时间波形和灵活性让我们能够对导通孔钻孔时发生的物理过程有更深刻的理解,我们期待随着工作的推进能够精益求精。由于采用EWT概念来开发完整的太阳能电池架构尚处于早期部署阶段,我们相信激光技术现在开始展示出支持太阳能电池制造所需的能力。

本文作者Mathew Rekow(电子邮箱:mrekow@esi.com)是PyroPhotonics Lasers公司的首席应用工程师,Richard Murison是首席技术官和产品营销总监。PyroPhotonics Lasers公司是ESI公司的子公司。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/29/2012)
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