视频
光纤激光器 半导体激光器 激光切割
工业应用
光伏应用
新型激光器提高硅太阳能电池的效率与生产能力
材料来源:激光世界           录入时间:2010-7-22 15:16:48

 面对越来越激烈的市场竞争,光伏电池的生产成本和效率对于制造商来讲正变得愈发重要。利用激光技术实现的发射极穿孔和选择性掺杂能够帮助光伏电池制造商提升竞争优势。

 作者:Klaus Stolberg,Peter Oesterlin,Gabriele Eberhardt

光伏(PV)产业正面临着许多挑战,其中一个主要任务是降低太阳能电池或组件的成本,另一个挑战就是如何提高太阳能电池板组件的效率。薄膜技术由于能够实现最低的每瓦价格,似乎在降低成本方面占据优势;而硅晶(基于晶片)太阳能电池板则在提高效率方面略胜一筹。目前,商用单晶硅电池的效率能达到12%~19%,当然距离35%的理论目标值依然相差甚远。太阳能电池的损耗主要是由光反射、载流子复合、欧姆损耗、正面接触造成的阴影效应等原因造成的。新型太阳能电池采用了一些降低上述损耗的解决方案。

背面接触

以典型的太阳能电池为例,正面前接触布线占去多达10%的总面积,在光活性区形成阴影,导致电池输出降低。如果在太阳能电池背面布线,就可以减小这种阴影效应,而“金属穿孔卷绕”(MWT)技术和“发射极穿透”(EWT)技术能够实现这一点。这两种技术都需要在160~200µm厚的硅片上钻出50~100µm大小的通孔。背接触可从背面和正面双面集电(见图1)。这不但有利于电池的电气连接,而且由于背面接触不再受阴影效应的限制,从而降低了电阻(欧姆)损耗。

 

图1:MWT(金属穿孔卷绕)电池将发射极从正面“卷绕”至背面。完全背面布线是一个技术优点,卷绕的正面接触能占用更大面积。

MWT技术通常需要在1 ~2秒钟内钻出约100个孔;而对于EWT技术,孔的尺寸要小些,但是要以同样的速度钻出约1万个孔。目前的激光技术能够满足这两种技术的要求,但是市面上能够看到的MWT太阳能电池板的数量还很少。商用MWT电池的效率比传统电池的效率大约高1%。

 要获得较高的生产能力,一个关键因素是要在全部激光参数和聚焦条件,以及激光触发与光束偏转的同步之间确定最佳组合。众所周知,脉宽约100ns时,激光在硅中能够达到最佳烧蚀速度(从而具有最快的钻孔速度)。[1]应用工程师强烈渴望在工艺中有这样一个激光源,能够独立于重复频率和脉冲能量之外来调节脉宽。面对这种需求,Jenoptik公司推出了一款名为JenLas disk IR50的激光器。

Jenoptik公司系统地研究了IR50激光器在MWT钻孔方面的性能。在大约1500ns的最佳脉宽下,只需要5~7发激光脉冲就可以完全钻通厚度为180µm的硅片(见图2)。如果进一步提高激光功率,所需的激光脉冲可以减少到3~4发。

 

图2:IR50激光器的硅片钻孔性能,图中显示了钻通厚度为160~300µm的硅片时所需要的激光脉冲发数。

钻孔后,接下来的步骤是受损刻蚀和镀氮化硅(SiN)膜层,SiN膜被广泛用作增透膜和钝化层。由于SiN是电绝缘的,因此在必须再次将其去除,才能对电接触进行丝网印刷。[2],[3]切割过程中的热效应将会在块状硅(bulk silicon)中产生复合中心,而这是必须要避免的。避免其产生的最佳方式是使用飞秒激光脉冲,在这种情况下即使在激光切割之后,也能保持微观棱锥结构(见图3)。研究人员也使用皮秒激光器进行了实验,但结果显现出了一些熔化效应。

 

图3:显微照片所示的是氢氧化钾刻蚀后的c-Si表面结构。单点飞秒激光加工(圆点)没有产生熔化效应,保持了原有结构。

选择性掺杂

除了采用背面接触方法外,还有其他方法提高电池效率。在正面和背面接触的传统电池结构框架下,激光扩散或激光掺杂在晶硅太阳能电池制造中是一个“热门”话题。

 所谓的硅“选择性掺杂”,能够降低接触指下块状硅材料的电阻(欧姆损耗)。这种方法能将电池的绝对效率提高0.3%~0.5%。在该加工过程中,在硅材料被激光熔化的位置,磷涂层从表面扩散到块状硅中。这个位置与随后接触指所在的位置是一致的。例如,与未经处理区域120~150ohm/sq的损耗相比,激光处理区域的表面电阻能大幅降低到20ohm/sq(见图4)。

  

图4:选择性发射体掺杂是一种基于激光的技术,可以通过降低接触电阻来提高光伏电池的效率。

研究人员对从红外到紫外范围内的不同激光器类型和不同波长进行了测试。红外激光器具有非常高的功率,其在硅中辐射的渗透深度达几百微米,导致许多激光功率由于在块状硅材料中所产生的热量而损失掉。此外,还有迹象表明,采用红外激光器比短波长激光器产生了更多的晶格缺陷。

而在紫外波段,由于非常浅的表面层内的高吸收,使得紫外激光非常适合激光扩散。但现有紫外激光器的功率有限,最高通常只有20W,这远不能满足大量生产的需求。

绿光提供了一个较好的折衷方案,其提供的大约1µm的光学渗透深度非常适合0.5µm深的热过程,并且现有绿激光的功率超过100W,完全能够满足大量生产的需求。采用连续光倍频固体激光器,能够很容易地将光束聚焦成一个小至20~40µm的点对晶片表面进行高速扫描。但加工时间取决于光斑直径和扫描速率的比值,加工时间通常在20~100微秒的范围。该加工时间范围内的热扩散长度为30~60µm,在这期间许多热量扩散到晶片体材料中。经过测算,要达到每秒一个晶片的生产率至少需要600~800W的连续激光器功率。如此大的功率需求显然有些不适合用作日常生产工具。

与此相反,调Q固体激光器提供脉宽为300ns或更短的脉冲,相应的热扩散长度只有3.5µm,约为连续光激光加工的10%。有了这样的激光器,只需要200W的激光功率就可以达到相同的生产率,这对24/7的生产设备也是可行的。此外,Jenoptik公司还采用JenLas ASAMA以及其他激光器进行了实验,实验结果也都大有发展前途,这也预示着这一加工方案距离走向实际生产已经为时不远。[4],[5]

对于采用激光加工技术是否会带来额外的生产成本这个问题,答案是积极乐观的。激光加工技术能将晶硅电池的绝对效率提高0.3%,也就是说,更高的电池效率能够带来更高的投资回报,所获得的回报能够补偿激光生产工具的折旧和运行成本。

 激光加工只有真正应用到实际的生产线上, 才能成为一种加工工具。实际生产中,需要处理轻薄、易碎的晶片(通常厚度为180µm),需要简单可靠的分光器和光束整形,以将单束激光分成和接触指一样多的点。同时,还要优化将晶片送入到机器中的工序,使晶片送料/出料的时间最短。此外,由于激光处理线必须与要与应用到后序加工步骤中的接触指相匹配,因此晶片必须与激光扩散成一条线。

 所有这些方案都能提高太阳能电池的效率,并且可以集成到JENOPTIK-VOTAN Solas 1800机器中,这是一款新型专业激光工具,每小时可以加工多达1800片晶片。晶片位置控制、原料储存、安全烧蚀排气阀,以及图像处理和全自动化的质量控制都是实现24/7应用需求的关键因素。目前该系统有两种版本——研发新产品和工艺的独立系统,以及一个用于集成到现有生产系统中的技术模块。

参考文献:

1. M. Leitner, E. Körner, Stuttgarter Lasertage, Proc. Stuttgart (2003).

2. F. Book et al., Proc. 23rd EC PVSEC, Sept. 1-5, 2008, Valencia.

3. K. Neckermann et al., 22nd EPSEC, Sept. 3-7, 2007, Milano.

4. M. Okanovic et al., Proc. 24th EUPVSEC, 2009, Hamburg, Germany.

5. J.R. Köhler et al., Proc. 24th EUPVSEC, 2009, Hamburg, Germany.

关于作者:Klaus Stolberg是JENOPTIK公司工业激光应用经理,Peter Oesterlin是Innovavent公司总经理,Gabriele Eberhardt JENOPTIK公司应用光伏/电子部门负责人。


上一篇:激光在光伏发电产业中的应用 下一篇:激光在香烟减害降焦中的重要应用
相关文章
·半导体激光器在太阳能电池领域的应用    工业应用    2010-7-16 14:52:35
·激光在光伏发电产业中的应用    工业应用    2010-7-22 15:07:39
·三维表面测量提高太阳能电池效率    科研应用    2010-7-22 15:21:54
·德龙激光成立“苏州市太阳能电池激光加工工程技术研究中心    新闻聚集    2010-8-6 9:35:06
·激光技术在太阳能产业的发展前景    市场观察    2010-8-25 9:55:11
·SNEC(2011)国际太阳能光伏展览会    会议展览    2010-8-26 10:05:54
·楚天激光器JHM-2GX-300F太阳能吸热板激光焊接机    产品快讯    2010-9-3 10:56:25
·德龙激光紫外激光晶圆划片项目和激光器项目分别获国家立项支持    新闻聚集    2010-9-25 9:37:52
·华工激光与保定天威签定光伏产品线合作协议    新闻聚集    2010-10-11 10:09:51
·JK激光器在电池组焊接中找到用武之地    工业应用    2010-11-4 10:52:38
·新技术提高下一代太阳能电池效率    技术中心    2010-11-25 11:58:41
·激光技术在薄膜和晶硅太阳能电池制造中的应用    工业应用    2010-11-29 10:36:27
·德研究太阳能吸收器焊接新方法    新闻聚集    2010-12-1 14:12:57
·激光技术在太阳能产业发展前景广阔,市场庞大    市场观察    2011-3-4 10:17:03
·太阳能产业用激光器的庞大市场    市场观察    2011-3-8 9:35:58
·光伏市场将反转 利好切割公司    市场观察    2011-5-27 9:59:34
·北京机床所研制出高效薄膜太阳能电池激光刻膜机    新闻聚集    2011-7-5 0:49:46
·Spectra-Physics公司:采用线状聚焦光斑的激光高速硅晶圆分粒    工业应用    2011-8-15 11:27:19
·晶体硅太阳能电池激光边缘绝缘化处理    工业应用    2011-8-22 13:24:29
·新技术为太阳能发展保驾护航    工业应用    2011-8-31 10:56:46

版权声明:
《激光世界》网站的一切内容及解释权皆归《激光世界》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《激光世界》杂志社。



激光世界独家专访


 
 
 
 
友情链接

SMT China

洁净室

激光世界

微波杂志

视觉系统设计

化合物半导体

工业激光应用

半导体芯科技

首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2019: 《激光世界》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号-3