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激光加工在太阳能电池制造中的应用与机遇


第2卷 7

第3 期 

Vo .7 N . 1   o3 2  

激光加工在太 阳能 电池制造 中的  应 用 与机 遇 

摘要 :光发电 (ht o a s P o vli ,简P o tc V)作为全世界能 源结构的一个领域 ,在过去5 年得到 了前所未有 

的认 可

与发展。未来5 1年 .硅 晶片与各种各样 薄膜P 技术的改革创新预计能 降低P 能 源的成本  —0 v V
并与电网持平。如果 出现这种情况 ,市场需求将会更大幅度地拉 动光发 电行业的发展。太阳能电池 

流水线式制造工 艺需要 自动化生产设备的支持 ,才能满足光发电行 业高速发展 所带来的挑 战。激光 
处理在这种大批量生产方式 中可提供一些方面的支持。本 文描述 了P 技术的概 况,讨论 了当前和新  V 兴的激光加工在P 制造 中的应用,并指 出实用化给激光技术和 系统带来的一 些必须应对的挑战 。 V  

1 引  言   
过去 几年 ,P V经 常被 高调 描述 成一 个行 业 。  

产量和安装基 数 。全球 在 20 年 这些数据 分别为  00 2 8 8 ,l07M ( 值 ) (峰 值”是指在标  8 ,28   5  W 峰 “ 准地 面条件下用 1 0   m 的标准谱段太 阳光法向   0W/  0   人射太 阳能电池时 的输 出。用 W  W  、M 等表示 。  ) 到 2 0 年末 , 05 据报道生产能力在 1 0 — 0  之    0 1 0MW。 6 8 间. 出产量估计在 1 6  ̄ 3   Wp   0 1 0M 之间, 4 5 世界范围安 

最近 ,生 产能力 和年产 量的高速增 长预计将持续 。   在政府成本激 励的支持下 ,传统 的硅 晶片 P V技术 
现今可在与电网电力需求高峰时相接近 的电力成本  下提供电力 ,但在大多数 情况下 还是 比实用率基准  贵 3 5 。本 节概述 了 P   倍 V行业最近的增长速度 和 

装基数超过 500M ,  0  W 而前一年仅为 360M 。  0  w   
在 2 0 — 05年 间 ,世界 范 围 年增 长 率超 过  00 20 3 %,复 合年增长率 ( A R)估计在 3 %~4 0 CG 5 4 %之  问,2 0 年 的增长率更是达到了峰值 5 %。从那以  04 0 后 ,由于硅供 给短缺 ,增长稍微变慢 ,这种情况预  计将持续到 20 年底 。今后 5 1 ,大部分生产  08 — 0年
的电池还 是基 于体 硅技 术 ,因而增 长将 持续低 于 

当前的容量 、当前 的太阳能电池技术、应用及 当前 
的和近期的成本。  

11 工业增长的衡量 :数据、推动力和先决因素  .  
P V市场在过去 5 、6年里呈爆 炸式增长 。工业 
增长 的轨迹通常通过三方 面衡量 :生产容量 、年 出  

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20 04年的峰值 。然而 ,2 0 年估计仍有超过 3 %的  05 5 增 长。在这个时期 ,市场需 求的增加与生产保持 同  
步 .年安装增量达 3%甚至更 多。一 个新 近的市场  0

因为这些激励政策 .这两 国主导 着太 阳能电池的生  产和安装基数。  

2 0 年 。西班牙、意大利 、法 国和希腊 也开始  06 提供 2 0年或 2 年合 同期 的税 收回馈 ,住宅 安装 回  5 购率在 0 ~ . . 0 5欧元/ 3 4 k Wh之间。这些 回购率都没有 
德 国在 20 0 6年 的 05 8 元/Wh高。韩 国在 20  . 欧 k 1 06

估 计显示 ,安装增 长率 20 04年 为 4 %,20 9 0 5年为 
5 %。虽然评估方法有所不 同,但很明显 20 6 0 5年全 

年增长并没有显著下降。尽管全球性 的多晶硅短缺 
情况在 2 0 年初出现后建造了新的炼制工厂 ,但未  05

年 底开始其 FT计划 .1 I 5年合 同回购率达¥ . 0 7或  7
0 8欧元/Wh . 5 k 。从 20 07年开始 ,在加利福尼亚州 ,  

来基于硅晶片电池增长 的这个先决 因素问题将 持续 
大约 3 年时间。  

作 为加州太阳能计划的一部分 ,将可选择 nT优惠  ( 5年期 回购 率¥ .8 Wh 0 / )或者¥ . / 的安装补  3k 25 Wp 0
助 。澳大利亚和 中国也提 出了一定程 度 的 P V优惠 
激励 。  

是什么推动 了行业 的增长 ?光发 电技术最重要 
的问题就是成本 :大多数情况 。P V供应 电力不能达  到 “ 电网持平 ” ,即与 电网成本相 同时 的供应 电力 。  

但有些地方存在特例 ,这些地方 电网电力 的获得需  要通过 昂贵 的、小 规模 的手段 ,为了让 P V在 当今 

1 地理分布——市场和生产  . 3

由于上文讨论 的优 惠计划 ,德国与 日本引领着 
P V市场 :表 1 是根据 国际能源署数据 在 20 0 5年按  安 装 量 排名 前 1 0的 国家 。在 生 产 方 面 。 日本 在  20 年 占全球的 4 %,其 中超过 5 %的电池仅 由一  05 7 0

显得有意义 ,仍然需要重大 的财政优 惠。强大 的刺 
激计划从 9 0年代中期开始在一些国家 出现 .提供 了   这种快速增长所需的刺激因素。  
1 . 财政激励  2

家公 司生产 。欧洲 占全球 2 %的产量。美 国占 9   7 %, 以较大 的差距排在第三 。中国 7 %,有望超过美 国。   表 2列 出 了 2 0 0 5年全球前 l 0名的 P V电池生 产厂 
表 1   20 0 5年 按 P V安 装 量 l A ( 际 能 源署 )市 场 排  E 国 名 。 德 国在 2 0 0 5年 安 装 基 数 赶 上 日本 。两 国 占 
主 导地 位 。  

激励 的 目的就是促 进行业 的增 长 。尽管 P V电 
力 的成本 超过 了电网电力 。这刺激 了制造基础设施 

的发展 .以实现与 电网持平所需 的规模化经济 。激 
励机制有 两个 : ( )投 资津 贴 ,政府 给予部 分 的    1

P V系统费用折扣 ; ()税 收回馈 (Is ,电力行    2 FT ) 业有责任 以多年合 同按 一定 的保证率购 回 P V生产  过剩 的电力。激 励政策几 年前在德 国与 日本施行 ,  

其他 国家最近才紧随其后。  
在 日本 ,19 — 0 4年间还有 津贴 ,但也 在逐  94 2 0 渐停止。到 20 年 ,许多住宅与电网相连的 P 05 V系  统可与电网价格持平 ,因为与欧美相 比,其安装成 

本较低 ,而电网电力费用却 比较高 。如今 , 日本 的 
P V行业 已经不需要财政激励就可以持续发展 ,这是 

基于其经济和技术上 的需求。德 国政府从 19 年到  98 2o 0 3年通 过低利息 贷款向 P V系统购买者 施行激励  政策。更有意义的是 ,德国上网电价在 19 年 由法  99

律规定 。并在 20 04年做出修正 ,即 2 1 05年以前开 
始的合 同可 以在 2 年 内亨有 逐渐递 减的回购利率 。 o  
主要 来 源 :国 际能 源 署— — P 电力 系 统  V
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表2 前1 0名太阳能电池生产厂商 ( ) MWp  

20 0 5年 ,网 内分 布 部 分 的市 场 份额 在 全世 界 为  7 %,而在美 国则为 6 %。作为 比较 ,20 2 0 00年相应  份额 为 4 %和 2 %。网内住宅部分受上文讨论 的激  2 3
励计划推动 ,被称为 “ 杀手级应用”  。
1 成 本  . 5

P V系统的安装成本是评估 P V系统 和技术的主  要度量。各种估 计得 出现今基 于体硅 晶片 ( 通常也  叫 “ 晶体硅 ”或者 c s)的 电池 占 8 % 9%的市  —i 4  2
场。成本 分析 因此也基本是基于此种技术 的系统进  行计算。在美国 ,06年 中期安装成本在¥  9 。 20 6 ¥m ,   平均值¥ . ,包括太 阳能电池板 、转换器 ( C到  70 0 D

A ) C 、屋顶安装 、电线和人工 ,其中模块成本 占 P   v 商 。其中,Q C l 德 国) ay ( — e s( l 、S no 日本 )和 Sn  u.
th( e c 中国)在 20 / 0 年 同期增长分别为 1 1   04 05 2 2 %、 9%和 13 2 9 %,因为这一时期新 的生产设施在大幅度  增长 .到 目前格局已发生了变化。  
1 应用 . 4  

系统总安装成本的 5 %~ 0 0 6 %。模块成本通常可细分  为 3部分 : 1 ( )硅晶片原料成本 ; 2 ( )生产 电池的成 

本;()模块或面板制造的成本。一个标准的多晶 3  
c S 基模块 中这些成本 比例大 约分别 为 4%、4 %  —i 0 0
和 2%。模块 生产 成本在¥ .   3 0Wp 0 3 5 ¥ . / 。而美 国  2 9

P V系统通常被视 为适 合 于那 些电 网电力 供应  成本较高或者难以供应 的偏远地 区。这些称为 网外 

20 06年 1 2月平均零售价格为¥ . 。 自从 20 54 5 04年中  期开始 ,由于增长的需求量和更高的太阳光转换效  率 ( )所 带来 的技术更 新 ,模块 的零售价格增长  叼 了约 1%。相 比较 ,1 年后基于新技术的模块生产  0 0 成本 目标是¥ .   。 1 0 或者更少 , 0 仅是现在价格的 l 。 /  3 1   市场技术 【0 6年) . 6 20  

应用 ,包括诸如农村建筑或者远程通信与传感设备 ,  
还有一小部分工业设备 。网外应用近年正 以适度的  速度增长 :数据显示 .全球在 2 0 年的 5 05 年期复合 

年增长 率为 1% 9 8  1%。低功率 (4   < 0W)P V电力 
设备 ,如 消费类 电子产品或海洋设备 ,同期 也以年  1%的速度增长 。20 3 0 0年 ,网外 和低功率 P V应用 

P V技术 有时 被认 为经历 了三 代 的技术 发展 。   第一代技术是体硅 晶片 ( 晶或多晶) 单 ;第二代技术  基于薄膜半导体 ;第三代技术仍在研究 中,由不依 
赖 于传统 的以 P N结分离光生载流子 的设 备组成。 —  
包括光 电化学电池 、有机太 阳能 电池和染料敏化电 

分别 占 P V市场 的 4 %和 1%。2 0 年 ,这两部分  3 4 05
分别为 1%和 5 9 %。显然 ,网外应用不是 主要 的增 
长点。  

来看网内应用 。我们先考虑集 中电力生产设施 

池 。由于现在还没有第三代商用 电池生产 ,这里先 
不深入讨论这种技术。  
晶体硅基 ( 一代)电池 

( 10k 。在 全世界范围 ,这部分 5年期 年复合  > 0  W) 增长率是实实在在的 6 %。然 而,全世界市场份额  2 20 — 0 5年的增 长仅为 2 4 0020 %~ %。在美 国,网内集  中设备增 长要慢得多 ,仅为 1%,而市场份额同期  8 从9 %下降到 6 %。那么爆炸式增长发生在哪些方面  呢? 自从 2 0 年开始 ,所 有 P 00 V应用 的增长都来 源  于有电网连接 的分布地 ,如 住宅和小 的商业建筑 。  

硅基 P V晶片的原料制造有 3种途 径 :单 晶锭 

通常用提拉法生长;多晶方形块通过铸造形成;多   晶薄晶片通过从熔融硅中拉出一条薄 “ 丝带”形成。   3 种方法制造的硅晶片形态分别是单晶、多晶和带  
状 。最后一种方法是 一种新 的工艺 ,以减少把硅块 

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锯成 片状 时的材料浪费——现今 的薄 晶片 ,5%的 0   S 材料浪 费在锯 1 i 3中。带状 晶片从 熔融硅 中拉 出。   形成薄且窄的硅片 ,按尺寸切割 即可 。由于 c s 成  —i

过去 ,环境 因素 阻碍了镉 的应用 ,C T  V技  d eP
术未能快速发展 。然而研究表 明,C T 太 阳能 电池  de 无论是在生产过程还是废弃 之后 .对环境 的污染 都 

本的一大部分在于 s原料 ,因此带状硅技术有希望  i
全 面地减少模 块成 本 。多 晶硅通 常 在模块 级具 有  1%  4 0 1%的效率 ,当今 市场更先进 的设计可 以把效  率推高到 1%~ 8   6 1%。 单 晶硅 P 电池效率 通常 比多 晶电池 ( V 模块 级 

不如其它被认可的能源供应技术 。虽然对 于住宅屋  顶系统 ,空间是一个 限制 因素 ,其低效率 也可能降  低吸引力 ,但 成本分析显示 ,较低 的生产成本使得 
C T 仍具有主导 P de V很多市场份额 的潜力。  
Cl / GS S Cl  

为 1%一 8 4 1%)稍高 ,但成本更高。高 田的多 晶电池  改进设计一定程度抵 消了这种优势 ,使得单 晶电池  市场份 额在 20 0 5年下降 到了大约 2%。而多晶 电 8  
池 同年的产量则 占了 5 %。带状硅 电池有两家公 司 6  

这种类型 电池基于包含多化学组分的黄铜化合 

物。常见的有两种 :一个是 7 0年代 中期开始研究 的  
C IS2( I) un e CS ,另一个是 C IG S2( IS 。两种  un ae CG )

吸收化合物 中硒均可用硫代替 。化合物 中加入镓元 
素可以提高 CS的带隙 ,产生更 高的输出 电压 。同 I   时也用这种更容易得到的元 素尽 可能地替换铟。实  验室 内可在玻璃基底和聚酰亚胺基底分别得 到 2 %  0

生产 ,同年 的市 场份额约 3 %。2 0 0 5年产一代 电池 

占有 8%的产量 ,这种 主导地位预计将持续到之后  7
1 。在电池设计和制造工艺高度成熟 的二代技术  0年 面前 ,c S 尽管成本较低 ,但仍面临着被取代 的挑  —i 战。一般认为 ,2 1 0 0年代中期 ,一代 的降低成本策  略将达 到极限 ,模块 成本 可以降N¥ . ~ 1 0 1 0 ¥ . ,但  2 5
不可能再低 了。   薄膜电池 ( 二代 )  

和 1 %的吸 收效率 ,试 制生 产商业 模 块可 以达 到  4
1%~ 1 0 1%。20 05年商业规模化不大 。仅 占全球电池  生产 的 1 %。不论 怎样 .基 于黄铜 的技 术得到 了较  好 的发展 ,很多公 司都宣布 了在 20 0 7年和 20 0 8年  开始 以每车 间 1— 0   0 10sMW。 的水平 批量生 产 的计  划。  

薄膜 (F T )的使 用 目的很简单 :通过在模块 级 
使用低成本的材料和极少量 的高成本半导体光 吸收  材料 ,将模块成本降至¥  。 l 甚至更 低。Z e e 注  wi l b
意 到 ,这种想 法 自 P V出现开始就 已经 有 了,但 困  

吸 收 层 和 前 置 ( 阳 侧 )透 明传 导 氧 化 物  太
( C )的连接材料 、黄铜吸收层 的制备方法都具有  TO 选择 弹性 。膜层可 以沉积在玻璃 、柔软的金属或塑  料基底 上。沉积于玻璃上 ,黄铜技术成本与效率可 

难在于研制足够高转换效率 的膜层 .并且要足够稳  定 ,可 以低成本批量 生产 同时 又有高产量 。如今 ,  
以下 3种技术 ( 基于不 同的吸收材料 )仍处于早期  的商业生产阶段。  
Cd e T 

以与 C T 相 媲美 。柔 性基底 的使 用提供 了发 展高  de
产量 、低成本 、卷线式的生产线。这是一种极有意  义 的技术 ,强烈推动着行业 向低成本 的方向发展 。  
TF S   i

碲化镉在 薄膜 P V电池 中用作 光吸收材料 已超 

硅薄膜 通常通过硅烷 和氢气 的混合 气体采用化 

过 了 3 。与其它 T 0年 F材 料相 比 ,C T 更 容 易沉  de 积 ,因此 ,生产扩大化的精密过程控制不那么困难 。  

学汽相沉积方法获得。其它沉积技术有 离子辅 助沉 
积 、气相外延 、反应溅射法或简 单的蒸发 。脉冲激  光沉积早期曾做过研究 ,并不优 于这些 普通的高产  量半导体技术。氢气在混合气体 中很重 要 .具 有断  开悬空键并 减少光 生载体再结合 的作用 。依赖 于沉 
积过程 的不同技术 细节 ,可以得 到不同微结构、具 

实验室最好的样品效率可达 1. 65 %。但用玻璃 作为  基底生产的模块 ,田值通常只有 8 9 %  %。有两家公 
司有大 量生 产 的能力 ,20 05年生 产总 量 3  W。 2M ,  
约为全球的 1 %。 .   8

M    2 1   a r 0  0
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1  曼

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有显著不同光 电特性 的 s 层。总的来 说,用 S膜制  j i 作的太阳能 电池效率可能会比体硅 电池的低 ,但 同   样具有较低 的生产成本。  
到 目前 为止 .最成熟 的 r r F硅技 术是氢化 无定 

c S: 电池 的结构 ,由于微 晶与非 晶形 s 膜不  —i H下 j

同的带隙 ,可以接收更宽 的光谱段 。基于这种串联  结构 的商用 电池效率 可超 过 8 %,最近分量表模 块 
的 研 究 则 有 稳 定 的 1% . 值 。 B acme指 出 , 2 , 7 eua  

形硅 a S H。其在 8 —i : 0年代就 已进入 商业生产 ,通常  用于低功耗 的应用 。由于只有 5 7 %~ %的效率 ,适合 
于建筑级 电力供 应 的规模 化面 板尺 度技术 受到 限  制 。在网内应用快速发展的 2 0世纪初 ,无定形硅薄  膜技术 占据了全球超过 1%的产量。如今 ,由于具  0 有 1%~ 6 3 1%模 块级 效率 的 c s 模 块大 批量生 产 , —i   aS 薄膜仅 占了 4   —i %。

2 0 晶体 硅 薄膜技 术没有任 何一 种方 案较为 理  0 6年
想 ,各项研究仍在并行进行 。   纵观各种各样的 S 薄膜技术 .按基底材料可对  i

其 商业潜力做一个简单的分类 :玻璃 、软金属薄 片   或其它刚性材料 。经典的玻璃基底 a s 薄膜技术被  —i
认 为难 以应 用于 C T d e和 C S I S I/ G ,因为这种技 术  C

既不能使它们有高效 率 ,也不能实现低成本 。市场 
上 另外两种 技术最 近则受到 了关注 。Sno的 H T ay I 

然而 ,活跃的商业 化努力仍在持续 。由许多公 
司组成 的 R D组 织 ,利用多重连 结的 “ & 堆叠 ”T   F 电池制作 的大面板 得到 了稳定 的 8 9 %一 %的模 块效  率。要达到这样的效 率 ,需要进行非常复杂 的二重  和 三重连结设计 ,给大批量生产过程 的控制和成本  带来 了挑战。较 为活跃 的降低成本的发展领域包括 

( 异质结本征薄层 )太阳能 电池 由沉积于薄单晶硅片  上的多层 a S 组成 。HT电池 以 l% 1%的模块效  —i I 5  7 率正大规模 生产 。20 ,Sn o 05年 ay 生产 了 12M   2   Wp
的这种电池 ,占据 了全球将 近 7 %的产量 。C GS. S  o  

1 的一种被称做 “ a r 玻璃上 的硅晶体”的多晶硅技术 
现在正进行批量生产 。该方法基 于沉积于硼硅酸盐 

扩大玻璃基底 尺寸以实现 区域相关效率 ;改进光捕 
获机制 以提高 7 7 ;减少这些电池 的光诱导退化特性 ,  

玻璃 的 a s 层晶体化技术。多晶 ( —i 大颗粒 )薄膜不 
到 2x / m厚 ,但 能有效地捕 获光能 。全级模 块的效  率 为 7 %一 %,介 于 a S 和 CSCG . 9 5 —i I/IS之 间 ,正进 

提高 aS: —i H沉积速率 。使得批量生产具有更高的成 
本效益 :还有各种各样大量生产设备 的发展。   晶体硅薄膜技术是过去 1— 5年研究 与发展 的  01 主 题 。晶 态 的硅 薄 膜可 分 为 多 晶 ( 粒 尺 寸 1   颗 ~

行试制生产。2 0 年预计产量将升至 2  W。 07 0M 。  

1 0 / 、纳晶 (   0z 0 m) 颗粒尺寸< 肿 )和微晶  c S  1 —i : H) 。最后一种是 由 S 纳米 晶体 (0S f m)掺入  i 1  o    n
a S: —i H形成的复杂形态的晶体。 c S: p —i H还处于发展 

2 硅 晶片 生产 工 艺 和激 光 应 用 
21 基本 电池结构  .  

如上文提及 .多晶硅 片覆盖 了现在商用太阳能 

初期 。迄今为止最有效的方案是将其与 a s 层接合  —i
形成 串联 ( 双结 )电池。这种 以 a S H上 电池覆盖  —i :

电池的大多数 。提高效率的先进设计层出不穷 .难 
于细述 ,这里仅描述那些应用激光工艺的设计 。我 

图 l 丝 网印 刷 A 背 面电 场 ( 1B F i 阳能 电 池示 意 图   I A一 S )S 太  

1 6




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实现不 同的掺杂形态 ,限制掺杂以达到高度局部化 

仅用于有选择 地形成 SN A i  R膜层 的开 口.前置金  属接点就可直接 电镀于发射极层 。这样就不用丝 网   印刷 ,印刷造成的机械应力 和烧结形成 的热应力都  可消除.而这些应力对薄晶片和先进设计 的影响正  逐 渐增加 。绿光 (3 m)和 U (5 m)固体  5 2n V 3 5n 激光器 已成功应用 ,证实了这种方法 的可行性。  
26 接点烧结  .

结构 ,而且并不 掺杂 晶片 的两面 ,因而不需要进行 
边缘绝缘 。尽管如此 , 这种技术还是没有脱离实验阶  段. 薄膜硅 电池 中激光诱导掺杂 的研究依然很 活跃。  
25 前接点 的形成  .

在标准晶片电池 中,前置 A 接点形成 网格状 , g  

精巧 的 “ 手指” ( 引脚 )与 2 3个宽总线交叉 ,在  ~ 模块级提供单元与单元之 间的相互联络 ( 如图 1 。 ) 
晶片被金属覆盖 的部分不能吸收光线 ,丝 网印刷工  艺和接触传导性 的局限使得 “ 手指 ”线宽有最小要 

在标准 的 A 一 S 1B F电池 中 ,在丝 网印刷 膏高温 
烧结时 ,欧姆接触发生在前表面的 舷 、后表面的 A  l

电极与基底半 导体之 间。降低成本 的目标持续推动  着 晶片 向越来 越薄的方 向发展 ,高温烘烤也变得更 
加 困 难 。 背 面 的 A 层 与 硅 不 同 的热 膨 胀 系 数  l ( T )造成薄晶片在烧烤时产生热应力 ,使得 晶片  CE

求 。令人 庆幸 的是 ,提高前 接点的纵横 比 ,使其更  深更窄 ,因而可 以保持甚至增加每个 引脚 中金属 的  体积 。同时减少对工作材料 的掩蔽 。一个对标准接 
点形成工艺 的强化是将前接点埋 置到晶片表 面的凹  

弯 曲变形 ,导致在模块整合制造 阶段 晶片破坏 。薄  晶片 同时还会 造成其它 的根本性 问题 。晶片 的光学 
长度 比太 阳光长波长 的吸收长度短 ,因而需要在背 

槽 ,如图 3 所示。这种想法在 8 0年代 中期已 申请 了  
专利 ,并在 B  o r PSl 进行商业批量生产 。在 S   R a i A  N 膜层应用后 。宽 度与深度 在 2 — 0. 的 凹槽每 隔  03 / t m 2 3m —  m沿着单元方 向被 激光切割 。Y G激光 的一  A 次 、二次和三次谐波波长光 ( 04 3 ,3 5n   1 6 ,5 2 5 m)   都 可用于激光加工过程。考虑到成本与对硅片 的损 

面有一个 比丝网印刷 A 层更有效的反射面。标准 电 l   池大多数载流子在后表面再结合 ,抑制 了电池效率 ,   这对于薄 电池也变得更严重。   基于这些考虑 .电池设计者在硅 和背面 A 接点  l 间加入钝化氧化层或者氮化层 .同时用反应溅射法  取代丝网印刷沉积 A 。钝化氧化层 在高效率 的设计  l 中成 为 一 体 , 比如 Psi   m trad R a  e  as eE ie n  erC l v t  l (E C ,一个已有 2 年 的设计 ,在绝 缘的钝化层  PR ) 0 中做出许多小开 口,使 A 能与硅 晶片接通 。最初 , l   这种设 计用照相平版 印刷法完成 ,但该工艺对于工  业应 用来说 成本 太高 。激光烧 结连 接 (ae r   L s fe r d i

伤 ,在这些波长选择之间需要做一个权衡 :短波损  伤小 ( 因而有更 长的载流子 寿命 ) ,但激 光成 本更  高。激光 凹槽的侧壁 是 n型掺杂 ,并用 电镀技术填 
入铜 .形成低接触电阻的引脚 。该技术在研究 阶段  已与其它几种先进电池设计 的技术结合使用 ,具有 
1%一 0 7 2 %的效率 。  

这种理念 的简化最近有报道 。其 中,激光消融 

L C p n t t np it F   e er i   o ns ao  

E a o ae   v p rt d A u n m  l mi u

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1 0 /m  0 x

图 4 用 激 光烧 结 高效 率 电池 接 点 。a   ()局部 接 点 穿过 钝 化层 示 意 图 ;b ( )典 型 L C点 ;c F F ( )L C点横 截 面 的扫描 电镜 图 。  

璺_ w.   o  I —wmi . _ 而 ef m w o nc o

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cnat.简 L C)技术 由 Fan o r S ot s c F r hf   E开发 ,用  u eI 激光制成这些局 部化 的接点 ,为 P R E C和相 似高  电池设计 的完全商业生产铺平道路 。在每一侧 ,一 

两种基本方法得到 了发展 ,两者都需要在晶片上打 
孔 。在金属层贯穿 ( e l r   ruh简 M )的  M t  a t o g, WT aw p h

方案 中 ,引脚仍 留在前表面但总线则移到后面 。在 
前 面的引脚与后面 的总线相交处 ,用激光垂直地开 

个 Q开关 Y G激光脉冲将 A 材推过钝化层 ,进入  A l 硅几个微米 深处 ,形 成一个 局部化 的 A/i 金层  1 合 S
( 图 4。 如 )  

通 孔使两者 电接通 。在对 孔壁扩散 n型掺杂层后 ,   孔 内填入金属。每个 晶片大约需要用 固体激光器开 
10 20 0~ 0 个孔 。  

试制阶段 L C工艺能以 1 o F 000个, 的速度产生  s 10 m的接点 ,工业规模化 的成本效益提高 。其对  0肛 材料 、所有厚度 晶片的功能及 掺杂水 平都没有太大  影 响,而且能与大多数其它高效率的电池设计兼容。  

在发射极贯 穿 ( WT E )的方案 中 ,发射极 自身 
贯穿通孔 .因而发射极 与基 电极都可置 于背 面。在  这种设计 中,每个晶片大约需要开 2  0 个 孔 ,因 00 0  

最终的结构使得电池可以有 1%  0 7 2%的效率 。可用  于这种应用的激光器还 有 C   O 激光器 、脉 冲半 导体 
激光器和脉冲光纤激光器 。  
27 背面接点设计 :M . WT和 E   WT

而钻孔速度对于商业应用是个大 问题 ,至少每秒得 

皤 

钻几千个 孔。但 晶片 的厚度也在降低 ,这样 的速度 
用 大功率 Y G激光在红外 、可见和紫外波段均可实  A 现 。钻孔速度与孔的质量之间需要做一个细致的权  衡 ,因为长波长和低劣的光速质量对硅的损伤极大  影 响着 电池的性能。图 5 显示 了 MW T和 E WT的设  计 ,以及不 同激光波长钻出的孔 。  

另一个主要 的先进 电池设计是将发射极接点置  于晶片的背面,而正面则不需要镀金属 。这改进 了   电池的性 能与外观 ,正处于有限 的商业生产 中。有 

囱 
Emitrc ntcs te   o a t 

Ba ec ntcs s  0 a t 

图5 M   WT WT激 光 打 孔 。 () 、E a MWT法 ;b E ( )WT法 ;c ( )e实 验 室 中对 20z 晶片 打 孔 。 ()d ( ) 8/ m  

28 全部后接点设计 :交叉后接点  .


设 计 ( t dga db c otc 简 IC i e i te akcn t B )重新 受 到 n r it a,  

个更先进 的方法不仅 将发射 极接点与基极接 

关注缘于这些 电池可能 的高效率 .及对于找到薄 电  
池新 的低成本简易加工技术 的需要 。S n o e op u Pw r r  C

点置于背面 ,还将 p n - 结也 置于背面。发射极 与基 
极交叉成 梳状结构 的基 本构思 曾在 7 0年代在 聚光  P V系统中进行过研究。对单太 阳电池交叉后接点 的  

正在 大规模生产 IC电池 ,而 不用激光 加工技 术 。 B  
在研究阶段 ,一个被称为 R S IE的另类的 IC电池 , B  

第2 卷 7

第3 期 

V0.7 No3 1   2 . 

在德国的 IF S H正深入研究 。该研究机构 、I S E及德 

激光 在发射极 引脚上钻 孔用 于 E WT的方法 和 L C F  处理用于基极 引脚 的方法与 IC理念相结合。激 光  B

国商业伙伴正在推行一个 IC近似理念 ,计划近期  B 要以 1   MW 的水平试制生产 。  
在 RS I E电池 中,发射 极和基极 置于不 同的台 

消融法 已经采用许多激光器进行 了评估 ,包括受激  准分子 激光 、三倍 Y G (5  m)和 Q开关 Y G A 3 5a A 
激光 。不 同种类激光 在消融与 E WT钻孔 中的加 工  速度和质量 之间 的平衡 在有些文献 中已有所讨论 。   对 于消融 ,I (  6 m)波长 与可 见 (3 m) R 104a 5 2n   或者 U (5 m)相 比,在更 深处 的硅 中会产 生  V 3 5n

阶高度 ,需要 激光 消融 大面积 材料 以形 成低 台阶  ( 图 6 。氧化 钝化层或 氮化钝化 层都会 被消融 , 如 )   达到硅 内一定深度处。随后 的湿法腐蚀去除激光导 
致的硅 晶体损伤 .产生一个平整 的表面用于较低的 

引脚 ( 发射极 ) 。在 大多数最经典 的 R S IE设计 中 ,  

明显的损伤。  

图 6 IE E  R S — WT电池 的激 光 消融 .显示 的是 背面 向上 。基极 引脚 与 发射 极 引 脚 的垂 直 间隔 大约 为 4 /   ()U   P S 0. t m。 a V D S  

激 光 (5 m) ( )Q开关 Y G 激光 ; ()受激 准 分子 激 光 。 35r ; b i   A   c  

29 边缘绝缘化  .

并避免 了绝缘沟槽到 电池边缘 的微裂纹 。如图 7所 
示 ,标准 固体激光器的波 长 ( 6 ,5 2 5 m) 1 4 3 ,35a   0

从 图 2可见 。在标 准 A 一 S 1B F电池 生产过程 的  最后 .上下表 面必须相互绝缘 ,因为 n型层的扩散  出现在 电池 的所有表面 .连接 了前面的发射极引脚 

都可用 于制造 沟槽 。短波可以使微 裂纹 与沟槽 的尺 
度更小 , 沟槽与 电池的边缘更接近。 研究还显示 , 水射  流引导激光可 以很好地减少晶体表面以下的损伤 。  

和后 面的基极 引脚 ,形成一个分流 的通路 ,降低 了   电池 的效率 。电绝缘 的方法是沿着 电池 的外 围,在  前表面边缘附近 的发射极层开槽 。其它绝缘技术包  括等离子体和湿法腐蚀 ,但激光仍是开出沟槽最具 
成本效益的方法 。   凹槽 必须 很好地 开入底层基 片的 P型硅中 ,深 

激光技术纳入商业大批量 电池生产线 已有几年 ,   还有很 多 的设 备 供应 商 的供 应 系统 ,吞 吐量 高达  20 0片/  0 h  然而 ,如果背面发射极层 的单面湿法腐 
蚀成为标准的制造工艺 ,激光技术可能不再适用。  
21 模块接点的激光焊接  .O

度通常为 1  0z 02 / m。凹槽越接近晶片边缘 ,电池的 
有效光 吸收面积 就越大 。因此 ,较窄 的沟槽更 好 ,  

太 阳能 电池 的焊接 主要是用薄金属带连接相 邻 

电池的母线。 由于电池通常是 串联结构 ,因此金属 

卜—wmi .   w    o w.ef m o n  o c

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第3 期 

Vo. 7 N .  1   o3 2

带通过每个 电池 的正面后接到其下一个相邻 电池 的  
背面。一旦焊接 固定 ,电池阵列就用玻璃 、聚合物 

损坏 ,可 以不用分离焊接连 在一起 的电池 串就能解 

决 。Y G脉冲激光和连续大功率二极管激光器已证  A
实可用于这种技术 ,并且不亚 于含铅 和无铅焊锡 的  焊接。  

涂层 和支撑板叠压成模块。随着电池越来 越薄 ,操 
作电池 串也变得越来越困难 ,叠压时如果 某些 电池 

破 坏 ,则要么重 新焊接替换 ,要么整个 模块报废 。  
最近有 报道 .激光焊接为把某些电池和金属带先于 

3 薄膜 制 造 工艺 和 激 光应 用 
31单片单元集成  .

焊接过程放入模块 内提供了可能 ,激光束 穿过透 明   玻璃或者聚合物薄片达到焊接 点 ,如果叠压 时电池 

薄膜太 阳能 电池通常上层是透明传导氧化物层 

图 7 用 于 边缘 绝 缘 化 的激 光 凹 槽 。 ( )104n   a  6 m;( )52r ;()3 5n b 3 m c 5 m;( )典 型 绝缘 线 ,35n ;()35n 绝  i d 5 m e 5 m 缘 凹槽 的狭 窄豁 口。  

(C T O)发射极 ,其下是一层或 多层活性 ( 光吸 收 )  

对于批量生产来说太贵;还有机械划线和激光划线 。  

材料 ( d e I/I S — i C T ,CSCG ,a S: H等) ,置于构成基电 
极 的金属层 之上 。由于基底通常是玻璃 ,可 以置于 

机械划线 已成功应用于较软 的半导体层 .而激光划 
线在过 去几年 已成为首 选工具 ,现在 正纳 入 C T  de

太 阳侧 ( T O层相 邻 ,上基底 ) 与 C ,也 可置于后侧 
( 与金属层相邻 ,下基底 ) 。上基底和下基底这两种 
结构 ,在 电池设计 中不同 .相应 地在制造过程细节  上也不同 。图 8 CG 是 IS电池用作 上基底 .C T d e电  池用作下基底 的结构示意图 .这是对应这两种吸收  材料 的典型结构。  

和 a S: —i H薄膜模块的商业化生产 中。  
分离与交互实现通过 3步 图案划刻 ,如 图 8所  示 。激光划线 可以从上部直 接对要划 的膜层进行 ,  

也可 以透过玻璃进行 。高脉冲频率 Q开关 固体激光 
器发 出的 1 6 m和 5 2n   4n 0 3 m波长 已被证 实可以划 

刻 大部分膜层 .Z O这种能被 U n V波段 消融 的膜层  除外 。一些激光设备制造 商和最终用户 采用双 波长  的方法 , 1 6 m形成 T O和 C T 层的图案 , 用   4n 0 C de 用  52n 3 m刻划 a S: x— i —i H、i S: c H和金属层 。据报道,   目 前的工具划刻速度能超过 200m /.0c x 2  m  0  m s6 m l0c  

薄膜层 在模块全 尺度 范围内沉积。在典型 的大  面板上 ,层堆叠必须被分成许 多小的串联单元 ,使 
得 面板可 以产生足够高的电压 ,同时又有足够低的  电流。用于单元分离与交互的过程是单片集成过程。  

集成细节取决于单元设计 和材料 ,但单元分离 和交  互大体都是通过在 不同的电池制作 过程 中在 3种材  料层 ( C T O、半导体 和金属 )上制 造切 E实 现 的。 l   划切 的技术可以是照相平版 印刷技术 ,但这种技术 

板子 加工 时间在 6   2  之 间 。图案 间距 通常 为  o 10s
5 1  ~ 0mm,单元间划刻的损失间距为 O — . m   . 1   m。 5 0
32 其 它 激光 工 艺  .

或者 由于正在使用更 高成本效益 的工艺 ,或者 
w w w om


en f com i o



_


M ar. 2 1 a. O 0 r l

_ 一   —


21  

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Vo. 7 N .  1   o3 2

黛  麟 

v e  
sa e pc 

图 8 用 于单 片 集成 的激光 划 线 。 ()C T   a d e电池 上 基底 ; ()CG   b I S电池 下 基底 。  

由于技术 尚未成熟 ,还有 几种薄膜 P v的激光加工 

有报道 ,虽然还没有 商业上 的应用 ,但研究也仍在 
继续。  

工艺 尚未进入商业化舞台。这些工 艺通 常很适合 于 
受激准分子激光器 ,包括 :  

( )脉冲激光沉积 (L ); i PD   ( )S 晶体化 ( aS 到  一 i 2 i 从 —i s 或者 p S) — i;   ( )掺杂过程 中掺杂物的扩散和, 3 或退火损伤。  
多年 来 ,P D据报 道可 用于 Z OA T O)  L n :1( C 、 a S、CS和 TO A —i I i2( R膜 ) ,及 其它 P V材料 。P D L  作为一种 CSCG I/IS材料沉积技术 而受到特别关注 ,  

4 结 论 
多年来 ,许许多多的激光 工艺在太 阳能 电池生 

产 中得到 了评估应用 ,如今 。其 中一些工艺 已纳入 
了大批量生产中。薄硅 晶片推动 的新 电池设计 、新 

兴 的薄膜 技术和整个行 业 向高效 率低成本 的冲击 ,   将激光技术带入 了商业生产 中。由于对高生产能力  和低成本 的需求 ,大功率 、高光速质量脉冲 固体激  光器的实用性仍将在大规模生产 中对扩大应用起决  定作用 。在 已有 的 P V工厂 中应用设备和工 艺 ,以  减少或缓解激光导致的硅体损伤 ,这对于本文所 讨  论 的一些应 用仍是必需 的。为满 足生产量 的需要 ,   移除或修整小体积材料的工艺正期待着当前和近期  的激光技术在商业上的应用 ,而用于高效率 电池设 
计 的激光消融技术正是这样一种新兴的技术。  

因为它可提供化学计量控制 。但 P D的成本效益通  L
常不能与其它沉积技术相 比。激光结 晶法在平板行  业得到 了很好的发展 ,在 c S 基和 p S 基薄膜技  —i —i

术 中正积极探索。虽然 吸收层 晶体化足够的聚光厚  度用单步工艺不 可能实现 ,但在技术上 由于 晶体形 
态可控 ,对后续 的、逐层组合的方法有着进一步成  功的保证 。另处 ,大块基底保持在较低的温度 ,与  热结 晶技术相比 ,可应用于更多的材料 。早期太阳  能 电池中用激光诱导掺杂剂扩散和退火在文献中已 

苏法 刚

译 

2  2

W W. if. r  W o no o me cn
M a .2 1  r O0


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