CN102598310A - 背接触太阳能电池中的通孔的激光钻孔 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及在制造背接触太阳能电池(诸如发射极穿绕(EWT)太阳能电池)期间、用于在硅衬底中激光钻孔的方法和设备。在一个实施例中，该方法和设备使用短焦距平场透镜和动态扫描技术来在硅衬底中完成单次脉冲钻孔。相比于常规的设备和处理，该方法和设备使得速度和在EWT太阳能电池衬底中的孔的质量增加。

Description

背接触太阳能电池中的通孔的激光钻孔
技术领域
本发明涉及使用单脉冲钻孔、短焦距平场透镜和动态扫描技术的结合进行的、背接触太阳能电池(诸如发射极穿绕(EWT)太阳能电池)中的通孔的激光钻孔。
背景技术
在当前广泛使用的太阳能电池设计中具有形成在前表面或接受光的表面附近的p/n结，其由于光能被吸收在所形成的电池中而产生电子/空穴对。传统的电池设计在电池的前侧上具有一组电触点，并且在太阳能电池的背侧上具有第二组电触点。在典型的光伏模块中，这些独立的太阳能电池被串联地电互连，以增加所产生的电压。这种互连通常通过将导电带从一个太阳能电池的前侧焊接到相邻的太阳能电池的背侧来完成。
背接触太阳能电池在后表面上具有负极性和正极性的触点。背接触硅太阳能电池相比于传统的硅太阳能电池具有数个优点。该第一优点是背接触电池由于减小或消除的触点遮蔽损耗(从触点网格反射的阳光不能够被转换为电力)而具有更高的转换效率。第二优点是因为两种导电型触点在相同的表面上，背接触电池更容易被组装在电路中，并因而更便宜。作为示例，通过在单个步骤中封装光伏模块和太阳能电池电路，利用背接触电池可以相比于当前的光伏模块组件实现显著成本节约。背接触电池的最后优点是通过更加均匀的外观而更加美观。美观对于一些应用非常重要，诸如建筑物集成的光伏系统以及用于汽车的光伏顶棚。图1示出了典型的背接触电池结构100。硅衬底101可以是n型或p型。重度掺杂发射极(n++102或p++103)可以在一些设计中被省略。p型105和n型106金属触点设置在结构100的后表面上。可替换地，重度掺杂发射极在其他设计中可以在后表面上直接彼此接触。后表面钝化104有助于减小在后表面处的光生载流子的损耗，并且帮助减小在触点之间的未掺杂表面处由于分路电流而引起的电损耗。
存在几种制造背接触硅太阳能电池的方法。这些方法包括金属化回绕(MWA)、金属化穿绕(MWT)、发射极穿绕(EWT)以及背结结构。MWA和MWT在前表面上具有金属电流收集网格。这些网格分别绕边缘或穿过穿孔到达后表面，以制造背接触电池。相比于MWT和MWA电池，EWT电池的独特特征是在电池的前侧上没有金属覆盖，这意味着入射到电池上的光都不会被阻挡，导致更高的效率。EWT电池将电流收集结(“发射极”)经由硅衬底中的掺杂导体通道从前表面卷绕到后表面。“发射极”指的是半导体装置中的重度掺杂区域。
通常，使用激光在硅衬底中钻孔来形成EWT电池。发射极(即，在p型硅衬底的表面上的n+结)扩散到前表面、后表面和孔表面中。因此，导电通道或通孔形成为连接衬底的前表面和后表面。发射极通常具有受限的传导率，传导率具有在30到150欧姆每平方之间的值。因此，高密度的通孔(例如，每平方毫米0.5到5个孔)是必要的，以限制由于在前发射极或通孔中的电流流动所引起的电阻损耗。因此，156mm×156mm EWT硅太阳能电池可能需要高达120,000个孔，这需要大量的时间来执行激光处理步骤。
各种激光已经被用来加工硅，该激光包括具有从飞秒到微秒的脉冲宽度的红外(IR)和紫外(UV)波长激光。为了从硅实现大量移除，通常使硅衬底到达蒸发温度以上，以在烧蚀过程中引起硅材料的喷出。传统地，为了快速地机械加工硅，使用了高功率密度(即，大于30GW/cm2)，由此过热体积通过爆发沸腾引起了液体硅液滴喷出。在Quanming Lu等人于Appl.Phys.Lett.80，3072(2002)中发表的“Delayedphase explosion during high-power nanosecond laser ablation of silicon”中描述了这种机械加工的示例。
通过激光机械加工喷出的材料也使得在硅衬底上方形成等离子体。所产生的等离子体具有通过反射和吸收损耗而减小硅衬底上的激光功率密度的效果。为了对抗这种效果，可以提供惰性气体覆盖物以减小等离子体密度，由于激光束与所产生的等离子体的相互作用而引起激光功率的减小较小。如在J.Ren，M.Kelly和L.Hellelink在Opt.Lett.30，648(2005)中发表的“Laser ablation of silicon in water with nanosecond and femtosecondpulses”中所述，已经发现了水和其他液体涂层也对于改善激光机械加工速率有帮助。这样的液体涂层通过减小反射、并且转而通过从硅衬底的热表面排除氧气以减小等离子体密度，来帮助改善将激光能量光学耦合到硅衬底中。
用于在硅中钻通孔的激光器和扫描系统需要具有高的产量、高的质量(即，必须容易移除最小的剩余损伤和碎片)、孔图案的良好准确性以及高精度，以使得随后的太阳能电池图案(即，发射极扩散部和金属触点/网格)可以被精确地排列并且要求低的资金和工作成本。激光处理产量的一个限制因素是钻每个通孔所需的脉冲数。根据传统方法，提供了一种透镜，该透镜的焦距提供了等于或超出被钻孔的衬底的尺寸的扫描区域。例如，传统地，具有至少256mm焦距的透镜被用来在156mm×156mm衬底的整个表面上钻出孔的图案。然而，所产生的功率密度太低而不足以打穿典型的EWT太阳能电池衬底。因此，需要多次钻孔，这显著地减小了产量。因此，需要用于在衬底(例如背接触太阳能电池衬底)中钻通孔的改善的方法和设备。
发明内容
在一个实施例中，形成穿过衬底的孔的方法包括：使用激光扫描仪形成穿过衬底的第一部分的孔的第一图案；将激光扫描仪定位在衬底的与第一部分相邻的第二部分上方；以及形成穿过衬底的第二部分的孔的第二图案，其中，利用单次激光脉冲来形成每个孔。
在另一个实施例中，一种用于形成穿过衬底的孔的图案的设备包括：定位台，其构造为保持和横向移动衬底；激光扫描仪，其构造为具有小于衬底的表面区域的一半的扫描区域，其中，激光扫描仪被构造为形成穿过衬底的第一部分的孔的图案，而不需要移动衬底或激光扫描仪，并且其中，激光扫描仪被构造为利用单次激光脉冲形成每个孔。
附图说明
因此，通过参照实施例(其中的一些在附图中示出)，可以获得具体理解本发明的上述特征的方式、上文中概述的本发明的更加具体的描述。然而应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施例并且因此不被认为是本发明的范围的限制，因为本发明可以应用到其他等效实施例。
图1是一般背接触太阳能电池的图，其中仅突出了在背表面上的特征。
图2是根据本发明的实施例的设备的侧视图。
图3是定位在图2的定位台上以执行根据一个实施例的激光钻孔操作的衬底的示意俯视图。
图4是定位在图2的定位台上以执行根据一个实施例的激光钻孔操作的衬底的示意俯视图。
图5是定位在定位台上以执行根据一个实施例的激光钻孔操作的衬底的示意俯视图。
图6是定位在静止台上以执行传统的激光钻孔操作的衬底的示意俯视图。
图7是将相对于图3-6在示例1-4中描述的处理的处理时间进行比较的图表。
为了清楚，在可以应用时使用了相同的附图标记，以表明附图之间相同的元件。可以想到一个实施例的特征可以被结合到其它实施例中，而不需要进一步说明。
具体实施方式
本发明涉及在制造背接触太阳能电池(诸如发射极穿绕(EWT)太阳能电池)期间、用于在硅衬底中激光钻孔的方法和设备。在一个实施例中，该方法和设备使用短焦距平场透镜和动态扫描技术来在太阳能电池衬底中完成单次脉冲钻孔。相比于传统的设备和处理，该方法和设备使得速度和在EWT太阳能电池衬底中的孔的质量增加。可以受益于这里公开的概念的太阳能电池装置可以包括形成在衬底上的装置，该衬底包括单晶硅、多结晶硅、多晶硅、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、铜铟镓硒(CIGS)、铜铟硒(CuInSe2)、磷化铟镓(GaInP2)，以及诸如GaInP/GaAs/Ge、ZnSe/GaAs/Ge的异质结电池，或可以用来将阳光转换为电力的其他类似衬底材料。在一个实施例中，太阳能电池衬底包括单晶硅、多结晶硅或多晶硅。
激光钻孔操作产量的一个限制因素是钻每个通孔所需的脉冲的数目。一般来说，具有更短焦距的透镜能够具有更小的光斑尺寸和更高的功率密度，但是更短焦距的透镜具有更小的视野和更加有限的焦深。因此，短焦距透镜不能被用来在典型的EWT太阳能电池衬底的整个表面上提供孔图案。在一个示例中，EWT太阳能电池衬底至少是156mm×156mm×3mm。
使用长焦距透镜通常使得能够具有更大的视野，因此可以利用基于检流计的反射镜扫描仪(下文中称作为“扫描仪”)来执行激光光斑的快速移动。然而，使用长焦距透镜需要使用多次脉冲来形成每个孔。因此，扫描仪必须在孔的图案中的每个点处停留，以在相同位置处实现多次脉冲来形成孔，这导致了延长的处理时间，或者扫描仪必须在每个衬底上精确地将图案扫描多次，这导致了很大的机会由于每次之间的对准误差而损坏衬底。
在本发明的一个实施例中，使用短焦距透镜来提供来自每个激光脉冲的更高的能量集中，以从硅衬底更有效地移除材料。短焦距导致了在焦点处具有小光束直径的高功率密度。因此，可以利用单次脉冲来对于每个通孔进行钻孔。为了利用高的重复速率，扫描仪以动态钻孔模式运行。在该模式中，扫描仪不在每个孔位置处停止；相反，而是通过脉冲速率和扫描仪中的反射镜的移动速度来确定通孔节距。因此，动态模式允许在给定视野内对于通孔更快地钻出孔。视野之后被快速地重新定位到衬底的不同部分，以完成钻孔过程。在一个实施例中，使用台架法或机动X/Y台来将视野重新定位到衬底的不同部分。
图2是根据本发明的实施例的设备200的示意侧视图。激光源210被设置并且将电磁能量的脉冲提供到基于检流计的扫描仪220中。激光源210可以是工作在红外波长(诸如1030nm的波长)中的调Q激光器。在一个实施例中，激光源210产生具有从约4到约6mJ/脉冲的总能量的长脉冲，诸如约1.5μs或以上的脉冲宽度。在一个实施例中，通过使用布置在激光器与衬底之间的水冷快门来控制脉冲宽度和频率。扫描仪220是常规的基于检流计的扫描仪，该扫描仪具有检流计、一个或多个反射镜(例如，X反射镜和Y反射镜)以及控制系统的伺服驱动器板。扫描仪220被构造为在安装到该扫描仪220的透镜225的视野内、引导在X-Y平面中的脉冲图案。透镜225可以是短焦距(诸如163mm或100mm)透镜。
扫描仪220可以被安装到定位台架230。在一个实施例中，定位台架230包括轨道和致动器(例如，线性电机)，以提供仅在X方向上的扫描仪220的移动。在另一个实施例中，定位台架230是X-Y定位系统。
衬底240(诸如EWT太阳能电池衬底)定位在扫描仪220下方的定位台250上。在一个实施例中，定位台250是常规的X-Y定位台，该X-Y定位台具有构造为将衬底240沿着X方向和Y方向二者移动的一个或多个致动器(例如，线性电机)。
系统控制器280被用来控制和协调X-Y定位台250、定位台架230、扫描仪220和激光器源210输出部(例如，水冷快门)的运动。系统控制器280包括连接到设备200的每个受控组件的存储器(未示出)、中央处理器(CPU)(未示出)和支持电路(未示出)。
图3是定位在定位台250上以执行根据一个实施例的激光钻孔操作的衬底240的示意俯视图。在一个实施例中，衬底240是具有在约150μm到约300μm之间的厚度的156mm×156mm硅衬底。衬底240示意性地示出为被划分为象限I、II、III和IV。参照图2和图3A，根据一个实施例的透镜225具有164mm的焦距。在该示例中，那么扫描仪220具有约80mm×80mm的扫描区域，并且激光源210提供了具有约1.5μs或以上的脉冲宽度并具有从约4到约6mJ/脉冲的总能量的脉冲。因此，仅需要单次脉冲来穿过具有小于300μm厚度的衬底240钻每个孔。
如图3所示，扫描仪220形成遍及衬底240的象限I的孔的图案310。在一个示例中，孔具有约40到约70μm之间的直径。扫描仪220速度约为3750mm/s，并且激光脉冲重复速率约为15kHz。当在象限I中形成孔的图案310之后，扫描仪220被定位为在衬底240的象限II中形成孔的图案310。在一个示例中，扫描仪220经由定位台架230移动到象限II上方的位置。在另一个实施例中，衬底240通过定位台250移动，以使得扫描仪220定位在衬底240的象限II上方。之后，扫描仪使用上述参数形成遍及衬底240的象限II的孔的图案310。之后如上所述地重复定位扫描仪220或衬底240的处理，以在衬底240的象限III和IV中钻出孔的图案310。因此，在仅对于每个孔使用单次脉冲的状态下，横跨整个衬底240钻出了孔的图案，以随后用在EWT太阳能电池的制造中。在该示例中，发现已经实现了约6.5秒的整个衬底240的处理时间。
图4是定位在定位台250上以执行根据另一个实施例的操作的衬底240的示意俯视图。与第一示例类似，衬底240是具有在约150μm到约300μm之间的厚度的156mm×156mm硅衬底。衬底240示意性地示出为被划分为二等分I和II。参照图2和图4，根据本实施例的透镜225具有164mm的焦距。与第一示例类似，扫描仪220具有约80mm×80mm的扫描区域，该扫描区域覆盖了衬底240的约四分之一。与第一示例类似，仅需要单次脉冲来穿过具有小于300μm厚度的衬底240钻每个孔。
与上文中参照图3描述的第一示例相反，本示例在穿过衬底240钻出孔的图案410的同时，沿着X方向提供了在扫描仪220与衬底240之间的相对移动。在一个实施例中，在钻出孔的图案410的期间，由使扫描仪220移动的定位台架230来提供相对移动。在另一实施例中，在钻出孔的图案期间，通过定位台250来提供相对移动。因此，图案410覆盖衬底240的整个二等分I。在该示例中，孔具有约40到约70μm之间的直径。扫描仪220速度约为3750mm/s，并且激光脉冲重复速率约为15kHz。当在二等分I中形成孔的图案410之后，扫描仪220被定位以在衬底240的二等分II中形成孔的图案410。在一个示例中，扫描仪220经由定位台架230移动到二等分II上方的位置。在另一个实施例中，衬底240通过定位台250移动，以使得扫描仪220定位在衬底240的二等分II上方。之后，扫描仪使用上述参数形成遍及衬底240的二等分II的孔的图案410。因此，在仅对于每个孔使用单次脉冲的状态下，横跨整个衬底240钻出了孔的图案，以随后用在EWT太阳能电池的制造中。在该示例中，发现已经实现了约5.5秒的整个衬底240的处理时间。
图5是定位在定位台250上以执行根据另一个实施例的操作的衬底240的示意俯视图。与先前示例类似，衬底240是具有在约150μm到约300μm之间的厚度的156mm×156mm硅衬底。衬底240示意性地示出为被划分为部分I-IX。参照图2和图5，根据本实施例的透镜225具有100mm的焦距。与第一示例类似，扫描仪220具有约55mm×55mm面积的扫描区域，该扫描区域覆盖了衬底240的约九分之一。与前两个示例类似，仅需要单次脉冲来穿过具有小于约300μm厚度的衬底240钻每个孔。
如图5所示，扫描仪220形成遍及衬底240的部分I的孔的图案510。在该示例中，在该示例中，孔具有约40到70μm之间的直径。扫描仪220速度约为3750mm/s，并且激光脉冲重复速率约为15kHz。当在部分I中形成孔的图案510之后，扫描仪220被定位以在衬底240的部分II中形成孔的图案310。在一个示例中，扫描仪220经由定位台架230移动到部分II上方的位置。在另一个实施例中，衬底240通过定位台250移动，以使得扫描仪220定位在衬底240的部分II上方。之后，扫描仪使用上述参数形成遍及衬底240的部分II的孔的图案510。之后如上所述地重复定位扫描仪220或衬底240的处理，以在衬底240的部分III-IX中钻出孔的图案510。因此，在仅对于每个孔使用单次脉冲的状态下，横跨整个衬底240钻出了孔的图案，以随后用在EWT太阳能电池的制造中。在该示例中，发现已经实现了约9秒的整个衬底240的处理时间。
作为比较，使用了具有254mm焦距的透镜的常规设置。为说明本示例，图6是定位在静止台650上的衬底240的示意俯视图。在该示例中，扫描区域覆盖156mm×156mm衬底240的整个区域。扫描仪速度和脉冲重复速率与上文中参照图3描述的相同。因为透镜的焦距更长，所以需要四个脉冲来钻出每个孔。在该示例中，发现整个衬底240的处理时间约为17.5s。
图7是将相对于图3-6在示例1-4中描述的处理的处理时间进行比较的图表。示例1指的是上文参照图3描述的示例。示例2指的是上文参照图4描述的示例。示例3指的是上文参照图5描述的示例。示例4指的是上文参照图6描述的使用常规处理和设备的示例。钻孔时间指的是在整个衬底上钻出孔的图案所花费的总时间。反射镜稳定时间指的是在孔的每根线的开始和结束处将扫描仪中的反射镜加速和减速所花费的总时间。如可以从图7中看到，本发明的处理由于单次钻孔处理的特性而得到了显著的时间节省。
虽然已经参照这些优选实施例描述了本发明，但是其他实施例可以实现相同结果。本发明的改变和修改对于本领域技术人员很明显，并且意图覆盖全部这种修改和等价形式。上文中引用的全部专利、参考文件和公开内容的全部内容都通过引用结合在本说明书中。

Claims (14)

1.一种用于形成穿过衬底的孔的方法，其包括如下步骤：
使用激光扫描仪在所述衬底的表面的第一部分内形成穿过所述衬底的孔的第一图案；
将所述激光扫描仪定位在所述衬底的表面的第二部分上方，所述第二部分与所述第一部分相邻；以及
在所述第二部分内形成穿过所述衬底的孔的第二图案，其中，利用单次激光脉冲来形成每个孔。
2.根据权利要求1所述的处理，其中，所述激光扫描仪具有被构造为使得所产生的扫描区域基本小于所述衬底的表面区域的透镜。
3.根据权利要求2所述的处理，其中，所述激光扫描仪具有被构造为使得所产生的扫描区域小于所述衬底的表面区域的一半的透镜。
4.根据权利要求3所述的处理，还包括在形成所述孔的第一图案和第二图案期间移动所述衬底。
5.根据权利要求3所述的处理，其中，将所述激光扫描仪定位在所述第二部分上方包括相对于所述扫描仪移动所述衬底。
6.根据权利要求3所述的处理，其中，将所述激光扫描仪定位在所述第二部分上方包括移动所述激光扫描仪。
7.根据权利要求3所述的方法，还包括如下步骤：
将所述激光扫描仪定位在所述衬底的表面的第三部分上方，所述第三部分与所述第二部分相邻；以及
在所述第三部分内形成穿过所述衬底的孔的第三图案。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，每个孔具有在约40μm到约70μm之间的直径。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衬底具有约156mm的宽度、约156mm的长度以及约0.3mm的厚度。
10.一种用于形成穿过衬底的孔的图案的设备，其包括：
系统控制器；
定位台，其构造为在平面内移动所述衬底，其中，通过来自所述系统控制器的指令来控制所述衬底的移动；
激光扫描仪，其构造为具有基本小于所述衬底的表面区域的扫描区域，其中，所述激光扫描仪被构造为在所述衬底的表面区域的第一部分内形成穿过所述衬底的孔的图案，而不需要移动所述衬底或所述激光扫描仪，其中，所述激光扫描仪包括：
激光源；以及
布置在激光器与所述衬底之间的透镜，其中，所述系统控制器控制所述激光源以将电磁能量发射透过所述透镜，以使得利用单次激光脉冲形成每个孔。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述透镜具有约163mm的焦距。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述透镜具有约100mm的焦距。
13.根据权利要求10所述的设备，还包括被构造为移动所述激光扫描仪的定位台架。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述激光器被构造为发射在约1030nm的波长下的电磁能量。
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