CN102723267A - 晶体硅太阳能电池制造方法及激光二次烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅太阳电池制造的激光二次烧结方法，包括如下步骤：第一次烧结：激光脉冲的宽度为0.1至300ns；激光脉冲的数量为1个或1个以上；激光脉冲的能量密度为1至25 J/cm2；激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm；第二次烧结：激光脉冲的宽度为20至1600ns；激光脉冲的数量为1个或1个以上；激光脉冲的能量密度为1至25 J/cm2；激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm。本发明还公开了一种制造晶体硅太阳电池的方法。本发明能提高烧结工艺稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池制造领域，特别涉及晶体硅太阳能电池制造方法及激光二次烧结方法。。
背景技术
现代化太阳电池工业化生产朝着高效低成本化方向发展，利用激光烧结技术实现高效太阳能电池制造是成本十分低廉的一种方法，该方法具有很多优点：
（1）激光烧结接触面积只占电池背面总面积的1-5%，而未接触区域仍然被一定厚度的绝缘层钝化，这样有利于降低背表面少子表面复合；
（2）激光作为一种非接触式加工,一方面只在局部接触部分出现高温熔化，避免硅片经受整体高温影响，避免因常规烧结工艺出现的SiNx钝化效果的降低以及高温缺陷的产生；另一方面,它降低了对材料损伤,因而降低了因高温处理出现较高的不良率；背面点电极周围几微米厚度的区域出现的局部背场，较好地钝化了金属-硅界面；
（3）可以适用于制作更薄的电池,这是晶硅电池发展的主要方向；体现了激光作为非接触式加工的独特优势；
（4）工艺简单、适用、成本低,可以有效地降低电池制作成本。
激光烧结通常需要在电池背面形成15000-20000个直径约100μm的点接触；其基本物理过程可以这样描述：由于金属在红外波长具有高反射率，激光开始作用在金属表面需在短时间内（几百甚至几十纳秒）获得足够高的能量密度才能突破金属的熔化阈值，金属才开始熔化或汽化等物理过程，金属吸收足够能量后需进一步破坏钝化层才能扩散至硅表面形成充分的合金，一旦激光峰值能量过高或作用时间太长，熔化的金属大部分将汽化，导致金属全部蒸发，未能对后续合金形成帮助，导致烧结质量偏差，接触电阻偏大，不能形成良好的欧姆接触。
直到现在，现有激光烧结技术制造高效电池一直未能实现工业化大规模生产，原因在于：
首先，通过实验深入理解激光烧结的原理存在较大困难，包括对掺杂浓度，接触点形貌优化等，这样设计的电池较难全面考虑适应激光工艺要求，诸多因素需要综合考虑：如钝化层种类和厚度，沉积工艺，金属电极材料反射率和厚度，表面形貌，导电性以及硅材料体电阻率，激光导致的热损伤等；
其次，现有激光加工工艺窗口偏窄，尤其对于比较厚的金属层（如丝网印刷铝浆），工业设备对激光参数的控制有较大难度，生产中材料表面状况的变化（如材料厚度或反射率）或激光系统参数的波动（如脉冲能量或者光斑直径在不同的扫描位置区域变化等）都会极大地影响激光烧结质量的稳定性，进而影响电池效率和性能，这些指标在工业化大量生产非常关键；
现有激光烧结多采用两种方法加工，单脉冲烧结或者多脉冲烧结，单脉冲烧结受到脉冲能量和点接触面积大小的限制，通常只能完成薄金属层的加工（＜5μm），比如蒸镀金属铝2μm厚；多脉冲通常完成较厚材料的烧结（5-50μm）,如丝网印刷金属铝浆，厚度可达20μm厚；激光烧结所需要的脉冲能量在很大程度上还取决于材料厚度，沉积工艺以及钝化层种类。
目前绝大多数实验用到的方法都是采用特定的激光参数烧结，比如，单脉冲烧结，一旦选定了重复频率后，那么脉冲宽度和脉冲能量就固定了，脉冲宽度是十分重要的参数，当其它条件一定时，脉冲宽度太窄说明峰值功率太高，金属快速吸收能量后会大部分汽化，材料扩散在硅表面的时间不充分，无法形成良好的合金；脉冲宽度太长说明峰值功率低，激光能量需要克服金属层的高反射率，从而使得材料熔化的时间偏长，激光导致热损伤区域加大，从而降低了电池的性能。
对于多脉冲烧结，虽然可以适应较厚的金属层，但由于相邻脉冲之间的脉冲宽度相同，上个脉冲烧结后材料表面形貌会有较大变化，这样可以认为是同样脉冲参数作用在不同表面形貌的材料上，加工往往会出现热损伤片大，扩散深度偏大，中间部分金属汽化过多等不利的影响，加工效果和相比单脉冲没有明显改善，仍然影响工艺稳定性；另外多脉冲烧结受产能偏低的限制，很难实现规模生产。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供晶体硅太阳能电池制造方法及激光二次烧结方法，能提高烧结质量，扩大激光烧结工艺窗口，提高烧结工艺稳定性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种晶体硅太阳能电池制造的激光二次烧结方法，包括如下步骤：
1）第一次烧结：
激光脉冲的宽度为0.1ns至300ns；
激光脉冲的数量为1个或1个以上；
激光脉冲的能量密度为1 J/cm2至25 J/cm2；
激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；
激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm；
2）第二次烧结：
激光脉冲的宽度为20ns至1600ns；
激光脉冲的数量为1个或1个以上；
激光脉冲的能量密度为1 J/cm2至25 J/cm2；
激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；
激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm。
优选地，任意相邻的激光脉冲的延迟不低于400ns。脉冲延时有助于在第二个脉冲到来之前，第一个脉冲作用产生的热量有充足的时间扩散，避免相邻脉冲之间热量累积影响，可以降低对材料的热损伤。
两次烧结可以选用两台激光器分别加工处理，也可以采用一台激光器一次处理，激光的波长根据需要可以选择不同。
本发明采用的第二种技术方案为一种利用上述的激光二次烧结方法制造晶体硅太阳能电池的方法，包括如下步骤：
（1）硅片去损伤并制绒；
（2）扩散；
（3）去除硅片背面的PN结并清洗硅片；
（4）在硅片的正表面生长减反射钝化膜；
（5）在硅片的背表面生长钝化膜；
（6）在硅片的背表面制备电极；
（7）在硅片的背表面用激光二次烧结。
进一步地，在所述步骤（6）中，还包括在硅片的正表面制备银电极的步骤。
进一步地，在所述步骤（7）后，还包括退火的步骤。
进一步地，在所述步骤（6）中，在硅片的背表面制备电极的方法可以是以下两种之一：
（A）金属既作背场又实现欧姆接触，包括：
（a1）P型掺杂源：如蒸镀Al（厚度2-4μm）或印刷Al（厚度5-30μm）；
（a2）n型掺杂源：如印刷Sb浆料或者Sn/Sb合金金属膜等；
（B）采用掺杂源作背场，同时采用金属作欧姆接触，包括：
（b1）对P型掺杂源并印刷Ag或Al作接触；如：先印刷Al/B(掺杂源)再
在其表面印刷 Ag或Al浆料(作欧姆接触)；
（b2）对n型掺杂源并印刷Ag或Al作接触：如:印刷P或Sb（掺杂源）并在其表面印刷Ag或Al浆料（作欧姆接触）。
有益效果：本发明可以扩大激光烧结工艺窗口，提高工业生产的稳定性，从而提高电池良率和产能，同时，本发明可以简化生产工艺流程，降低成本，也不会有环境污染，属于绿色加工，相比传统生产工艺有明显的优点。
附图说明
图1是本发明提出的第一次烧结用到的一种短脉冲波形示意图；
图2是本发明提出的第二次烧结用到的一种长脉冲波形示意图；
图3是本发明的电池基体3经过钝化工艺4（PECVD或热氧化），金属层5（丝网印刷或蒸镀）等前道工艺后，采用短脉冲激光6进行第一次激光烧结的示意图；
图4是本发明的电池基体经过第一次激光烧结后形成的点接触7的示意图；
图5是本发明的电池基体经过第一次激光烧结后，再采用长脉冲激光8进行第二次激光烧结的示意图；
图6是本发明的电池基体经过第二次激光烧结后形成的点接触9的示意图；
图7是本发明采用两台激光器处理时，先用短脉冲激光器加工的流程示意图；
图8是本发明采用两台激光器处理时，再用长脉冲激光器加工的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明一种利用激光二次烧结方法制造晶体硅太阳能电池的方法，包括如下步骤：
（1）硅片去损伤并制绒；
（2）扩散；
（3）去除硅片背面的PN结并清洗硅片；
（4）在硅片的正表面生长减反射钝化膜；
（5）在硅片的背表面生长钝化膜；
（6）在硅片的正表面制备Ag电极；
（7）在硅片的背表面制备电极；
（8）在硅片的背表面用激光二次烧结；
（9）退火。
其中，所述步骤（5）背表面生长钝化膜的方法为：采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）生长SiO2或SiNx，也可以是a-Si等其它钝化膜。
本发明中所述步骤（8）主要是针对步骤（5）和（7）的工艺采用合适的激光参数实现二次烧结，可以有两种方法实现，如图1至图6所示，具体步骤如下：
方法1，选用2台激光器分别加工处理，先用短脉冲激光6作用在硅片的背表面，脉冲宽度0.1-300ns，能量密度1-25J/cm2，短脉冲激光6的高峰值能量脉冲（参见图1，该脉冲波形可以是矩形波、尖峰波等）在熔化金属层5的同时破坏中间的钝化层4，完成硅片表面的修复；然后利用长脉冲激光8（参见图2，该脉冲波形可以是矩形波、尖峰波等）作用在第一次烧结后形成的点接触7表面，脉冲宽度20-1600ns，能量密度1-25J/cm2，实现二次烧结，形成优质的点接触9；由于第二次烧结脉冲具有较长的脉宽，可以以更低的峰值功率熔化金属，在较长的时间里实现金属和硅的充分合金，整个加工能集成在一台设备里实现。
方法2,用一台激光器一次完成加工处理，一些激光器具有脉冲宽度任意可调的特点，可以预先设置第一次烧结和第二次烧结的激光脉冲宽度，脉冲能量/能量密度以及相邻脉冲的延时，第一次烧结的脉冲宽度为0.1-300ns，能量密度1-25J/cm2，第二次烧结的脉冲宽度20-1600ns，能量密度1-25J/cm2，任意相邻脉冲的延时一般不小于400ns，即可完成二次烧结。
实施例1
一种采用激光二次烧结的高效晶体硅太阳能电池制造方法，以P型单晶硅片为基体材料，制造方法的具体步骤如下：
（1）P型硅片去损伤并制绒；
（2）硼扩散；
（3）去除硅片背面的PN结并清洗硅片；
（4）在硅片的正表面生长SiNx减反射钝化膜；
（5）在硅片的背表面生长SiNx叠层的钝化膜；
（6）在硅片的正表面制备Ag电极；
（7）在硅片的背表面蒸镀厚度为4um的Al电极；
（8）激光二次烧结硅片背表面的Al形成背场，选用一台激光器（型号Pyrophotonics 532-10X）完成加工处理，相应加工参数为：
（a1）第一次烧结脉冲宽度60ns，脉冲数1个，能量密度9J/cm2,矩形脉冲波形，激光波长532nm，重复频率8KHz；
（a2）第二次烧结脉冲宽度250ns，脉冲数1个，能量密度8J/cm2，矩形脉冲波形，激光波长532nm，重复频率8KHz。
如上实施例1，本领域技术人员明白，只需对激光脉冲作相应的控制与设置，即可选用标准的激光加工系统实施。
实施例2
一种采用激光二次烧结的高效晶体硅太阳能电池制造方法，以N型单晶硅片为基体材料，制造方法的具体步骤如下：
（1）硅片去损伤并制绒；
（2）磷扩散；
（3）去除硅片背面的PN结并清洗硅片；
（4）在硅片的正表面生长SiNx减反射钝化膜；
（5）在硅片的背表面生长SiOx叠层的钝化膜；
（6）在硅片的背表面印刷厚度为2um的P掺杂源；
（7）在硅片的背表面印刷厚度为6-20um的银浆；
（8）激光二次烧结硅片背表面的银浆形成背场，选用2台激光器完成加工处理，相应加工参数为；
（a1）第一次烧结脉冲宽度200ns，脉冲数2个，能量密度6J/cm2,尖峰脉冲波形，激光波长1030nm，重复频率15KHz，激光器型号Jenoptik IR70；
（a2）第二次烧结脉冲宽度600ns，脉冲数1个，能量密度10J/cm2，尖峰脉冲波形，激光波长1030nm或532nm，重复频率15KHz,激光器型号Jenoptik IR70或Pyrophotonics Laser 532-10W。
如上实施例2，本发明还根据上述应用案例用到的激光烧结工艺流程进行了详细描述：
如图7和图8所示，本领域技术人员明白，通过对机械结构和激光光学系统的优化设计，在一台激光加工系统内集成2台激光器（第一激光器10和第二激光器11），2套光路系统，一套高精度的视觉定位系统（未图示），在加工过程中每台激光器的脉冲宽度和单脉冲能量有所区别，激光波长为1064nm或1030nm,也可为532nm或515nm，甚至还可以采用355nm。激光经扩束，反射后入射到振镜，或者固定聚焦光学系统（取决于设计，此处未给出示意图，本领域技术人员知道，它属于常规的光学系统），聚焦后到达硅片表面，开始加工。
从图7可以看出，当硅片19在左边的位置12时，第一激光器10开始第一次烧结，同时第二激光器11正在右边的位置13进行上一片硅片的第二次烧结；当第一激光器10和第二激光器11同时完成加工后，送卸料机构（未图示）将吸盘14上面的经第二激光器11加工过的上一片硅片取出，同时，送卸料机构将第一激光器10第一次烧结过的硅片19移动到位置13，如图8所示，经过CCD精确定位后，第二激光器11开始对硅片19的第二次烧结，同时，送卸料机构将下一片待加工的硅片放入位置12，第一激光器10开始下一片硅片的第一次烧结，至此，整个流程完毕。
Claims (7)
1.一种晶体硅太阳能电池制造的激光二次烧结方法，包括如下步骤：
1）第一次烧结：
激光脉冲的宽度为0.1ns至300ns；
激光脉冲的数量为1个或1个以上；
激光脉冲的能量密度为1 J/cm2至25 J/cm2；
激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；
激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm；
2）第二次烧结：
激光脉冲的宽度为20ns至1600ns；
激光脉冲的数量为1个或1个以上；
激光脉冲的能量密度为1 J/cm2至25 J/cm2；
激光脉冲的波形为矩形波或尖峰波；
激光的波长为1064nm、1030nm、532nm、515nm或355nm。
2.根据权利要求1所述一种晶体硅太阳能电池制造的激光二次烧结方法，其特征在于：任意相邻的激光脉冲的延迟不低于400ns。
3.一种利用如权利要求1或2所述的激光二次烧结方法制造晶体硅太阳能电池的方法，包括如下步骤：
（1）硅片去损伤并制绒；
（2）扩散；
（3）去除硅片背面的PN结并清洗硅片；
（4）在硅片的正表面生长减反射钝化膜；
（5）在硅片的背表面生长钝化膜；
（6）在硅片的背表面制备电极；
（7）在硅片的背表面用激光二次烧结。
4.根据权利要求3所述制造晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，还包括在硅片的正表面制备银电极的步骤。
5.根据权利要求3所述制造晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于：在所述步骤（7）后，还包括退火的步骤。
6.根据权利要求3所述制造晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，在硅片的背表面制备电极的方法为金属既作背场又实现欧姆接触。
7.根据权利要求3所述制造晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，在硅片的背表面制备电极的方法为采用掺杂源作背场，采用金属作欧姆接触。
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