導(dǎo)讀
目前，晶硅太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)20%。在晶硅太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程中，激光器主要用于晶圓切割和邊緣絕緣。
太陽(yáng)電池簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能電池，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定照度條件的光照度，通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏（Photovoltaic，縮寫為PV），簡(jiǎn)稱光伏。
太陽(yáng)能電池分類：
硅太陽(yáng)能電池工作原理
太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向P區(qū)，光生電子流向N區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。半導(dǎo)體硅原子外層有4個(gè)電子，按固定軌道繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)受到外來(lái)能量作用時(shí)，這些電子會(huì)脫離軌道成為自由電子，并在原來(lái)位置形成一個(gè)“空穴”。如果硅中摻入硼，鎵等元素，由于這些元素可捕獲電子，就形成空穴半導(dǎo)體，用P表示。如果摻入可以釋放電子的磷，砷元素，就形成電子型半導(dǎo)體，用N表示。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合，交界面會(huì)形成一個(gè)P-N結(jié)，形成P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)，阻礙著電子和空穴的移動(dòng)。 首先是P-N結(jié)附近的電子和空穴發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：N型區(qū)域的電子向P型區(qū)域擴(kuò)散，相對(duì)于P型區(qū)域的空穴向N型區(qū)域擴(kuò)散。
在界面層附近，由于電子和空穴的遷移，就會(huì)使N區(qū)域呈現(xiàn)正電性，而P區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)電性，于是形成一個(gè)由N區(qū)域指向P區(qū)域的內(nèi)電場(chǎng)。
（三）光生伏特效應(yīng)
太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)界面層上，會(huì)激發(fā)出新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，在P-N結(jié)內(nèi)部空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。我們把這種效應(yīng)叫做“光生伏特效應(yīng)”，也就是太陽(yáng)能電池的工作原理，因此，太陽(yáng)電池又稱為“光伏電池”。
單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅表面形成幾百萬(wàn)個(gè)四面方錐體即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價(jià)、濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來(lái)制備絨面硅，腐蝕溫度為70-85℃。為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑，以加快硅的腐蝕。制備絨面前，硅片須先進(jìn)行初步表面腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20～25μm，在腐蝕絨面后，進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。
2.工序二：擴(kuò)散制結(jié)：
硅片的單/雙面液態(tài)源磷擴(kuò)散，制作N型發(fā)射極區(qū)，以形成光電轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)：PN結(jié)。POCl3 液態(tài)分子在N2 載氣的攜帶下進(jìn)入爐管，在高溫下經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)磷原子被置換，并擴(kuò)散進(jìn)入硅片表面，激活形成N型摻雜，與P型襯底形成PN結(jié)。主要的化學(xué)反應(yīng)式如下：
POCl3+ O2 → P2O5 + Cl2； P2O5+ Si → SiO2 + P
由于在擴(kuò)散過(guò)程中，即使采用背靠背擴(kuò)散，硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地?cái)U(kuò)散。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會(huì)沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面，而造成短路。因此，必須對(duì)太陽(yáng)能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結(jié)。通常采用等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下，反應(yīng)氣體CF4的母體分子在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成，反應(yīng)腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑磻?yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到達(dá)SiO2表面，在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，被真空系統(tǒng)抽出腔體。
4.工序四：去除磷硅玻璃
該工藝用于太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)制造過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)腐蝕法即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。在擴(kuò)散過(guò)程中，POCL3與O2反應(yīng)生成P2O5淀積在硅片表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成SiO2和磷原子，這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃。去磷硅玻璃的設(shè)備一般由本體、清洗槽、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂、電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)配酸系統(tǒng)等部分組成，主要?jiǎng)恿υ从袣浞?、氮?dú)狻嚎s空氣、純水，熱排風(fēng)和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。若氫氟酸過(guò)量，反應(yīng)生成的四氟化硅會(huì)進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸。
5.工序五：減反射膜制備
適合作為抗反射層的材料，包括氧化鈦（TiO2）、氮化硅（SiNx）、一氧化硅（SiO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化銫（CeO2）等?？狗瓷鋵拥耐坎技夹g(shù)，以化學(xué)蒸鍍法（Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱CVD）最普遍被工業(yè)界采用。CVD法又可分為APCVD （Atomspheric Pressure CVD）、PECVD(Plasma Enhanced)及RPCVD(Reduced Pressure CVD)。在工業(yè)界上，APCVD和PECVD被普遍采用。物理蒸鍍法雖也可被用來(lái)制造抗反射層，但普及率不高。PECVD法一般是被用來(lái)產(chǎn)生氮化硅（SiNx）的抗反射層，在做法上，是在反應(yīng)爐內(nèi)通入SiH4及NH3（或N2）氣體，使它在硅晶表面產(chǎn)生一層非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化硅（ SiNx ）抗反射層。在這抗反射層里，會(huì)含有將近40%原子比例的氫原子，所以雖然我們把非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化硅化學(xué)式寫成SiNx，但它實(shí)際上應(yīng)該是a-SiNx:H。
用絲網(wǎng)印刷的方法，完成背場(chǎng)、背電極、正柵線電極的制作，以便引出產(chǎn)生的光生電流。工藝原理：給硅片表面印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過(guò)燒結(jié)后形成歐姆接觸，使電流有效輸出；正面電極用Ag金屬漿料，通常印成柵線狀，在實(shí)現(xiàn)良好接觸的同時(shí)使光線有較高的透過(guò)率；背面通常用Al金屬漿料印滿整個(gè)背面，一是為了克服由于電池串聯(lián)而引起的電阻，二是減少背面的復(fù)合；
背電極印刷及烘干（銀漿或鋁漿）；背電場(chǎng)印刷及烘干（鋁漿）；正面電極印刷（銀漿）。完成網(wǎng)印的晶片，要置于高溫爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的過(guò)程，這目的在于燒掉金屬膏里的有機(jī)化合物，并使得金屬顆粒燒結(jié)在一起，形成好的導(dǎo)體，同時(shí)也要借著高溫與晶片表面形成很好的接合，正面的金屬膏是涂在ARC層上面，而背面的金屬膏是涂在N型硅上面。在燒結(jié)過(guò)程，金屬膏內(nèi)的活性物質(zhì)必須要穿透ARC層，而與N+發(fā)射極接觸。所以燒結(jié)的溫度與時(shí)間是很重要的，過(guò)度的燒結(jié)會(huì)使得銀原子穿透N+發(fā)射極而進(jìn)入底部的P型基板。反之，不足的燒結(jié)程度，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的接觸電阻。
8.工序八：檢驗(yàn)和分級(jí)
通過(guò)模擬太陽(yáng)光脈沖照射PV電池表面產(chǎn)生光電流，光電流流過(guò)模擬負(fù)載，在負(fù)載兩端產(chǎn)生電壓，負(fù)載裝置將采樣到的電流、電壓傳送給SCLoad計(jì)算,得到IV曲線及其它指標(biāo)。SCLoad 根據(jù)測(cè)試結(jié)果，按照給定的分類規(guī)則分類。
太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)：
激光應(yīng)用
激光器是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池模塊的重要工具，特別是高性能超短脈沖激光器，其能提供持續(xù)時(shí)間僅幾個(gè)皮秒的超短脈沖，這不但能幫助制造商提高產(chǎn)量，而且還能優(yōu)化加工工藝。在針對(duì)解決未來(lái)能源問(wèn)題的討論中，光伏能源作為一種可再生能源扮演著重要角色。技術(shù)進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)電能平價(jià)消費(fèi)的一個(gè)至關(guān)重要的前提條件，比如通過(guò)技術(shù)進(jìn)步將光伏發(fā)電的成本降低到接近傳統(tǒng)能源的成本。
目前，晶硅太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)20%。在晶硅太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程中，激光器主要用于晶圓切割和邊緣絕緣。
晶圓切割是半導(dǎo)體芯片制造工藝流程中的一道必不可少的工序，在晶圓制造中屬后道工序。將做好芯片的整片晶圓按芯片大小分割成單一的芯片（晶粒），稱之為晶圓切割。
激光屬于無(wú)接觸式加工，不對(duì)晶圓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的作用，對(duì)晶圓損傷較小。由于激光在聚焦上的優(yōu)點(diǎn), 聚焦點(diǎn)可小到亞微米數(shù)量級(jí), 從而對(duì)晶圓的微處理更具優(yōu)越性, 可以進(jìn)行小部件的加工; 即使在不高的脈沖能量水平下, 也能得到較高的能量密度, 有效地進(jìn)行材料加工。
①激光切割是非機(jī)械式的，屬于非接觸式加工，可以避免出現(xiàn)芯片破碎和其它損壞現(xiàn)象。②激光切割采用的高光束質(zhì)量的光纖激光器對(duì)芯片的電性影響較小，可以提供更高的切割成品率。④激光可以切割厚度較薄的晶圓，可以勝任不同厚度的晶圓切割。⑤激光可以切割一些較復(fù)雜的晶圓芯片，如六邊形管芯等。⑥激光切割不需要去離子水，不存在刀具磨損問(wèn)題，并可連續(xù)24小時(shí)作業(yè)。⑦激光具有很好的兼容性，對(duì)于不同的晶圓片，激光切割具有更好的兼容性和通用性。
傳統(tǒng)切割方式和激光切割對(duì)比
聯(lián)盟單位迅鐳激光主營(yíng)板材激光切割機(jī)、管材激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、半導(dǎo)體、新能源電池、汽車配件等相關(guān)系列產(chǎn)品及其自動(dòng)化配套設(shè)備。該公司的硅晶圓劃片機(jī)-FLD/UVLD采用先進(jìn)的激光加工工藝，由激光器通過(guò)聚焦鏡聚焦的高能激光束，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀輪進(jìn)行劃線，具有速度快、精度高、無(wú)耗材、無(wú)水加工等優(yōu)勢(shì)。
硅晶圓切割機(jī)-FLC/UVLC，該設(shè)備采用先進(jìn)的激光加工工藝，專門針對(duì)異形(六邊形、圓形)硅襯底晶圓的切割、劃線、開槽的加工應(yīng)用，迅鐳自主開發(fā)的雙視覺(jué)定位切割系統(tǒng)，有效解決了異形晶圓無(wú)法切割的難題。
邊緣絕緣
目前在晶體硅太陽(yáng)能電池制造中應(yīng)用最廣泛的激光工藝之一是激光邊緣絕緣處理。傳統(tǒng)工藝使用等離子處理邊緣絕緣，但用到的蝕刻化學(xué)品昂貴且對(duì)環(huán)境有害。激光邊緣絕緣化處理則更加環(huán)保且節(jié)能。太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中N型離子摻雜/擴(kuò)散到P型硅基體形成微米級(jí)的N型摻雜膜層，這個(gè)膜層包圍了整個(gè)晶圓片，從而造成了電池前后兩面電極的分流，為了避免分流就必須對(duì)電池邊緣進(jìn)行絕緣化處理。典型的激光邊緣絕緣化處理是通過(guò)在盡可能靠近太陽(yáng)能電池外緣的周圍進(jìn)行刻劃溝槽來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了獲得最佳的絕緣效果，溝槽的深度必須大于離子擴(kuò)散層，典型的溝槽深度為10-20um，寬度為20-40um。納飛光電研發(fā)設(shè)計(jì)的355nm紫外納秒激光器波長(zhǎng)短，脈寬窄（25ns左右），光束質(zhì)量高（M2＜1.2），高峰值功率和高重復(fù)頻率（單脈沖-500kHz）能夠帶來(lái)高精度、均勻光滑的絕緣劃線。有了激光成型的凹槽，太陽(yáng)能電池漏電流造成的能量損失大大降低。
未來(lái)激光技術(shù)有望在光伏制造過(guò)程中獲得更多應(yīng)用空間，如晶硅太陽(yáng)能電池鈍化層的選擇性燒蝕，具有高光束質(zhì)量的超短脈沖和高脈沖能量的激光特別適合這類應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上只有碟片式激光技術(shù)能夠滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。碟片激光器的輸出功率可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)量，而且其輸出的超短脈沖所擁有的卓越的光束質(zhì)量，能顯著提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。激光技術(shù)已經(jīng)在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中贏得了一席天地，并且其選擇性、非接觸式的加工工藝也已經(jīng)超越了其他工藝。隨著太陽(yáng)能電池生產(chǎn)所面臨的成本壓力日趨增大，將會(huì)促使高功率、高性能激光器在大規(guī)模生產(chǎn)中被廣泛采用。
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