CN102916077A - 一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于一种用于提高金属电极与晶体硅的附着力的激光掺杂工艺，包括硅片制绒、硼扩散、生长掩膜、磷扩散、激光掺杂、电镀；通过在激光掺杂工艺中采用具有均匀能量分布的线性聚焦光斑，结合对脉冲波形的控制，实现激光掺杂后既能维持硅表面的绒面形貌又能形成均匀的掺杂浓度分布，可以有效地提高电镀后金属电极与晶体硅的附着力，该方法可以提高电池的性能与稳定性，提高电池转换效率，满足工业化大规模生产。

Description

一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺

技术领域

本发明涉及晶体硅太阳能电池制造，尤其是一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺。

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，激光在太阳电池制造有着几十年的历史,包括早期的埋栅刻槽(LGBC), 激光刻边,打孔(EWT和MWT)以及激光掺杂,其中利用激光掺杂技术制造选择发射极太阳电池可显著地提高太阳电池的转换效率,同时降低电池制造成本,成为产业化生产很有潜力的一种技术。

澳大利亚新南威尔斯大学开发的利用激光掺杂结合电镀工艺制造电池是一种成本低,转化效率高的方法,非常适合工业化大规模生产,其公开的发明专利号：6429037 专利名称“A self aligning method for forming selective emitter and metallization in solar cell”,发明人为S.R.Wenham，M.A.Green，这种技术一般经过制绒,扩散,去PSG,镀膜,烧结工艺等标准后,再激光掺杂和电镀等工艺实现,在激光掺杂前,预先涂一层含掺杂源的膜，通常是含磷源，然后激光加热晶体硅的同时熔化表面钝化层,掺杂磷源在极短的时间内扩散到晶体硅表面,形成重扩区,完成掺杂,由于激光未处理的区域仍然保留着钝化层,可以作为后续电镀的掩膜层,而激光处理过的区域可实现电镀,从而完成选择发射极太阳电池制造.用激光掺杂结合电镀的技术来制造高效太阳电池在无锡尚德电力已实现小规模试生产。

对于上述提到的这种激光掺杂工艺，激光器类型可以是连续激光，也可以是调Q纳秒脉冲激光，还可以是准连续皮秒脉冲，波长可以是355nm或者532nm或其它，对于纳秒激光，脉冲宽度通常在几十到几百纳秒范围，重复频率一般在100～1000KHz，对于准连续皮秒，脉冲宽度1～15ps，重复频率80MHz，扫描速度在1～10m/s,典型速度为3～6m/s，激光掺杂之后，再电镀镍铜银或则镍铜锡等金属层，电镀可以是光诱导电镀，也可以是化学镀，还可以是其它的电镀方法。

然而,这种工艺方法有着重要的缺点,那就是：硅片经过激光掺杂和电镀后,电镀后形成的金属电极与晶体硅的附着力很低,成为影响电池稳定性与可靠性十分重要因素,限制了其工业化大批量生产,虽然业界也提到粘接力过低可通过提高激光能量增加硅的表面粗糙度避免，如利用较高表面粗糙度以便电镀形成牢固的金属电极与硅基接触.如公开文献提到的“Influence of laser power on the properties of silicon solar cells”作者：Z.Hameiri等人发表在Solar Energy materials & solar cell 95(2011) 1085～1094,但是，增加激光能量的方法形成本身就会导致激光损伤, 同时会降低电池的转换效率，影响电池性能。

实际上, 金属与硅的附着力过低本身与激光掺杂工艺有很大关系,一方面,如图2所示激光聚焦后形成的高斯光斑22直径很小,通常只有10-15um,激光高速扫描过程中,由于聚焦高斯光斑能量分布不均,导致光斑沿中心区域和周边区域的温度梯度过大,沿扫描方向光斑重叠区域会出现多次高低温度梯度交替循环,会影响掺杂均匀性并影响到电镀后金属与硅基接触均匀性,另一方面,激光能量时间分配方面并非最优化,通常调Q激光是以脉冲方式向材料表面辐射能量,由于钝化层,掺杂源和硅基材料热物性参数不同,钝化层熔点比掺杂源高得多,当钝化层和硅基熔化时,涂在硅基表面的掺杂源大部分已汽化.只有少部分能顺利扩散到晶体硅表面，也导致了掺杂的均匀性受到很大影响,不利于后续高质量电镀工艺。

 如果能对激光参数（包括峰值功率和能量密度，能量分布等）在时间和空间两方面进行设计和优化控制,那么就能够维持激光掺杂后表面后仍能较好维持晶体硅表面的绒面结构,同时实现均匀的掺杂效果,就能改善电镀后金属电机与晶体硅的接触,提高它们之间的附着力。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种掺杂后既能维持硅表面的绒面形貌，同时形成均匀的掺杂浓度分布，可以有效地提高电镀后金属电极与晶体硅的附着力的工艺。

技术方案：为了实现以上目的，本发明提供的一种用于提高金属电极与晶体硅的附着力的激光掺杂工艺，硅片制绒，硼扩散，生长掩膜，磷扩散，激光掺杂，电镀， 所述的激光掺杂采用聚焦线性光斑光学系统及结合整形的脉冲波完成，所述的聚焦线性光斑能量分布均匀，其短轴长轴之比为1:2-1:50，短轴尺寸为10-30um，长轴尺寸为20-1500um。

所述的整形脉冲波是可调制的，在2个或2个以上时间区间段具备不同的脉冲能量与峰值功率。

所述的2个时间区段为第一时间区段、第二时间区段，所述的第一时间区段时间为0.1-100ns，所述的第二时间区段的时间为1-2000ns。

有益效果：本发明提供的一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺，通过在激光掺杂工艺中采用能量分布均匀的线性聚焦光斑，结合对脉冲波形的控制，实现激光掺杂后既能维持硅表面的绒面形貌又能形成均匀的掺杂浓度分布，可以有效地提高电镀后金属电极与晶体硅的附着力，该方法可以提高电池的性能与稳定性，提高电池转换效率，满足工业化大规模生产。

附图说明

图1是一种激光掺杂用到的聚焦线性光斑光学系统示意图；

图2是高斯光斑示意图；

图3是用于激光掺杂用到的优化的聚焦后线性光斑示意图；

图4是激光掺杂用到的常规聚焦光斑形成的高斯能量分布示意图；

图5是一种激光掺杂用到的线性聚焦光斑具有均匀能量分布的示意图；

图6是激光掺杂用到的常规脉冲波形示意图；

图7是激光掺杂整形后的脉冲波形示意图；

图8是激光掺杂整形后的其它相关的脉冲波形示意图。 

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。

实施例1：

如图1所示，一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺，包括以下步骤： 

（1）硅片制绒：选用，以p型单晶硅片为基体材料并制绒；

（2）硼扩散：硅片清洗后将硅片面对面放入扩散炉中进行硼扩散；

（3）生长掩膜：硅片的正面采用SiNx和SiOx叠层减反射钝化膜，硅片的背面印刷铝浆料并作烧结处理；

（4）旋涂磷酸；

（5）激光掺杂：采用聚焦线性光斑光学系统结合整形脉冲波完成对硅片的加工，所述的聚焦线性光学系统，包括激光器1，光学整形系统2，反射镜3，聚焦透镜4，工作台7，所述的激光器1与所述的光学整形系统2相连接，所述的反射镜3设于所述的光学整形系统2与所述的聚焦透镜4之前，所述的工作台7设于聚焦透镜4的下方，聚焦后的线性光斑5短轴长之比为1:20，短轴尺寸为10um，长轴尺寸为200um，沿长轴方向与扫描方向平行，分布为均匀的能量，重复频率8KHz；激光平均功率1.6W；光斑与光斑之间的重叠率约10%，工作台7移动速度为1440mm/s,激光器1型号Pyrophotonics 532-10X，采用图7所示的波形，激光脉冲能量约200uJ,脉冲数1个，时间t1区域脉冲宽度为5ns, t2区域脉冲宽度为100ns，平均能量密度约8J/cm2,在时间t1区域，由于脉宽短，足够高的峰值功率实现对硅片表面SiNx膜的烧蚀，减少熔化时间，在时间t1区域，较长的脉宽具有较低的峰值功率可以让硅有一定的时间熔化，可以让掺杂源有足够的时间扩散到硅表面，以此，可以确保激光处理后既能保证有均匀的掺杂浓度又能维持晶体硅表面的绒面结构，可提高电镀后金属电极与硅的附着力；

（6）电镀：在电池正面电镀镍、铜、银。

实施例2：

如图1所示的激光掺杂用到的聚焦线性光斑光学系统，所述的聚焦线性光学系统，包括激光器1，光学整形系统2，反射镜3，聚焦透镜4，工作台7，所述的激光器1与所述的光学整形系统2相连接，所述的反射镜3设于所述的光学整形系统2与所述的聚焦透镜4之前，所述的工作台7设于聚焦透镜4的下方，所述的激光器1通过光学整形系统2发射整形后的聚焦线性光斑5，所述的聚焦线性光斑5经反射镜3投射到聚焦透镜4上，所述的聚焦透镜4聚焦线性光斑5对放在工作台7上的硅片6进行加工，硅片6随着工作台7的运动，聚焦线性光斑5作用在硅片6表面，聚焦线性光斑其短轴长轴之比为1:30，短轴尺寸为20um，长轴尺寸为600um，激光波长为515nm，光斑的长轴方向相互连接起来，重叠率6%，光斑聚焦后到达样品表面，开始加工。

从图2，图4所示，常规的聚焦光斑为圆形光斑，并且为聚焦的高斯能量分布，完成一次扫描加工需要多次的光斑与光斑重叠，例如，聚焦10um的圆形光斑，给定10%的重叠率，在125mm长的范围内需要约13900个脉冲光斑重叠连接起来，又由于光斑是高斯能量分布，光斑中心区域和边缘区域温度梯度相差大，完成掺杂需要多次高低温度多次交替热循环，对掺杂均匀性不利，也加大了对材料的损伤；

如图3，图5所示为改进的聚焦线状光斑，由于在沿长轴方向与扫描方向一致，且聚焦的光斑沿长轴方向为均匀的能量分布，完成一次扫描加工需要较少次数的光斑与光斑重叠，降低了光斑重叠区高低温度梯度循环的次数，有利于形成均匀的掺杂，例如，聚焦形成的10um*200um的线形光斑，给定10%的重叠率，在125mm长的范围内只需约695个脉冲光斑重叠连接起来，大大降低了高低温度梯度交替循环的次数，有利于形成均匀掺杂，也降低了对材料的损伤。

另外一方面，为了提高电镀后金属电极与硅基的附着力，利用现有的线性光斑条件下实现整形的脉冲波形加工可以维持激光掺杂后原有表面绒面结构，脉冲波形在2个或以上时间区间段具备不同的脉冲能量与峰值功率，脉冲波形能方便调制：满足脉冲波形在第一时间区段8内即在较短脉冲时间区间内足够高的峰值能量去除钝化层材料，脉冲时间约2～100ns；又在第二时间区段9即较长脉冲时间内具备较低峰值能量维持硅熔化，脉冲时间约10～2000ns，掺杂源有足够的时间完成扩散；更进一步还可以是在第三个时间区间段或合适的脉冲时间段并满足进一步扩散和退火作用，脉冲波形在内不同时间段内方便调制。如图6所示的常规的激光掺杂使用一个脉冲加工，脉冲波形和脉冲时间无法调制，如图7，图8所示的改进的激光掺杂则使用整形的脉冲波形，脉冲时间和能量均可以调节，图7所示的用于激光掺杂的整形后的脉冲波形示意图中在第一时间区段8，较短的脉冲时间和较高的峰值功率有利于去除表面的钝化膜而不至于导致太多的熔化，在第二时间区段9较长脉冲时间和较低的峰值功率有利于延长硅的熔化时间以及掺杂源有足够的时间扩散到硅里面，完成激光掺杂工艺，图8也提出了针对多层钝化层材料而设定的不同脉冲波形示意图，可以满足多种电池材料结构的设计应用要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺，硅片制绒，硼扩散，生长掩膜，磷扩散，激光掺杂，电镀，其特征在于： 所述的激光掺杂采用聚焦线性光斑光学系统及结合整形脉冲波完成，所述的聚焦线性光斑能量均匀分布，其短轴长轴之比为1:2-1:50，短轴尺寸为10-30um，长轴尺寸为20-1500um。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺，其特征在于：所述的整形脉冲波是可调制的，在2个或2个以上时间区间段具备不同的脉冲能量与峰值功率。

3.根据权利要求2所述的一种用于提高金属电极与晶体硅附着力的激光掺杂工艺，其特征在于：所述的2个时间区段为第一时间区段（8）、第二时间区段（9），所述的第一时间区段（8）时间为2-100ns，所述的第二时间区段（9）的时间为10-2000ns。

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