CN103361733B - 一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统 - Google Patents

一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,包括机架,还包括激光发射头与用于喷射经超声雾化的掺杂源的超声雾化喷嘴,所述超声雾化喷嘴至少为一个且安装在所述机架上,所述激光发射头和所述超声雾化喷嘴靠近设置且均位于待加工硅片的上方,使激光发射头射出的激光在待加工硅片表面形成激光光斑区域,而由超声雾化喷嘴喷射的掺杂源则汇聚于激光光斑区域上以实现激光加热同时使掺杂源扩撒。本发明可以实现同步掺杂,即激光加热同时使掺杂源扩撒,将现有技术中的涂覆掺杂源工序和激光扫描工序同步完成,简化了工艺步骤,而且,本发明系统结构简单,设备价格低廉,因此,生产成本较低。

Description

一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池激光掺杂技术领域,具体涉及一种以超声波喷雾方式提供掺杂源的激光掺杂系统。
背景技术
随着太阳能成为日益可行的清洁能源,提高太阳电池转换效率、降低制造成本成为太阳能电池行业关注焦点。选择性发射极结构是目前提高太阳能电池转换效率的有效方式之一。通过对半导体发射极区域的重掺杂,可以在半导体与金属间形成良好的欧姆接触。可是重掺杂的同时却增加了俄歇复合以及减少了太阳光短波区域的量子效率。为了避免这些缺点,提出了选择性发射极结构:(i)在电池金属栅线正下方实现重掺杂,形成半导体与金属电极间的低电阻接触。(ii)在金属栅线之间空留处低掺杂,以减少俄歇复合和增强短波量子效率。
目前,激光加工技术广泛应用于各类材料和器件的制作过程中,激光具有方向性好、能量集中、非接触性等优点,是现代精细加工的重要工具之一。随着适合于大规模产业化生产的高性能全固化激光器的迅猛发展,激光在太阳电池加工领域的作用越来越重要。激光能实现不同的掺杂形态、限制掺杂区域以达到高度局部化结构,并且不需用扩散掩膜设备、简化了工艺流程。
在激光掺杂形成选择性发射极的制作过程中,掺杂源的形成主要有:硅片表面旋涂或者沉积掺杂源。对于旋涂掺杂而言,每一个硅片需要放置在一个旋涂机上,在工业规模化生产中需要多个旋涂机同时工作,硅片完成旋涂掺杂后再取放至流水线上进行激光扫描,因此,在旋涂掺杂过程中需要相应的硅片取放装置(如机械臂)和掺杂源滴液装置,不仅设备昂贵而且工艺复杂不利于流水线生产;对于掺杂源沉积方式而言,需要使用真空镀膜设备,即要将硅片放置在真空镀膜设备中进行真空沉积掺杂源,完成后再将其取出放置在流水线上进行激光扫描,如此,同样增加了生产步骤,提高了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同步提供掺杂源、实现便捷激光掺杂、降低了生产成本且简化生产工艺的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统。
本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现:一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,包括机架,其特征在于:还包括激光发射头与用于喷射经超声雾化的掺杂源的超声雾化喷嘴,所述超声雾化喷嘴至少为一个且安装在所述机架上,所述激光发射头和所述超声雾化喷嘴靠近设置且均位于待加工硅片的上方,使激光发射头射出的激光在待加工硅片表面形成激光光斑区域,而由超声雾化喷嘴喷射的掺杂源则汇聚于激光光斑区域上以实现激光加热同时使掺杂源扩散。
本发明可以实现同步掺杂,即激光加热同时使掺杂源扩散,将现有技术中的涂覆掺杂源工序和激光扫描工序同步完成,简化了工艺步骤,而且,本发明系统结构简单,设备价格低廉,因此,生产成本较低。
本发明在所述激光发射头的正下方设有用于放置待加工硅片对其定位的移动平台,所述移动平台与传送带接驳将待加工硅片送至移动平台上,并在完成同步掺杂后由传送带送出,而下一个待加工硅片则接续送至移动平台上进行同步掺杂。本发明适用于在流水线上生产,可便捷完成工业规模化生产。
作为本发明的一种优选方式,所述超声雾化喷嘴是两个或两个以上,所述激光发射头发射的激光垂直于待加工硅片的上表面,所述超声雾化喷嘴围括住所述激光发射头,并以激光发射头为中心在同一圆周呈均匀分布,所述超声雾化喷嘴的出口朝向激光发射头的中轴线方向。
作为本发明的一种实施方式,所述机架主要由呈环形的支撑杆和横向的安装杆组成,所述激光发射头伸至所述支撑杆围括区域的中心,所述安装杆的两端分别与支撑杆的内缘面相连,且所述安装杆穿过所述支撑杆围括区域的中心,所述安装杆与激光发射头为可拆卸连接,所述超声雾化喷嘴可转动安装在支撑杆上,即超声雾化喷嘴以支撑杆横截面的中心为旋转中心以调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离和夹角。
优选地,所述安装杆由两短杆组成,两短杆的其中一端分别与支撑杆的内缘面相连,另一端分别伸向支撑杆围括区域的中心,且两短杆的伸出端相对并在伸出端之间形成夹持口,通过夹持口夹紧在激光发射头上实现机架的安装或者放松夹持口实现机架的卸除实现安装杆的可拆卸连接。
为了进一步调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离为适合,作为本发明的一种改进,所述超声雾化喷嘴由至少两个锥形管套接而成,使超声雾化喷嘴整体为伸缩式,以便调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离。
本发明还可以做以下改进,所述光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统还包括激光器、螺旋微调器、用于向超声雾化喷嘴内注入掺杂源的注液泵、用于向超声雾化喷嘴内提供低压气体的储气罐及超声波发生器,所述超声雾化喷嘴的进口分别与储气罐、注液泵通过管路相连,而所述超声波发生器与超声雾化喷嘴电连接,所述激光发射头是激光器的激光射出通道,所述超声雾化喷嘴通过安装在螺旋微调器上实现可转动安装于支撑杆以调节超声雾化喷嘴的转动角度。
本发明在所述储气罐和超声雾化喷嘴之间的管路上设有用于控制流入超声雾化喷嘴的气体流量的粗调减压阀和微调减压阀,所述粗调减压阀位于微调减压阀和储气罐之间。
为了实现自动化控制,本发明所述光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统还包括人机界面平板显示器和可编程逻辑控制器,所述人机界面平板显示器与可编程逻辑控制器连接,所述可编程逻辑控制器与注液泵相连以控制液态掺杂源以设定流量注入超声雾化喷嘴。
与现有技术相比,本发明具有如下显著的效果:
⑴本发明可以实现同步掺杂,即激光加热同时使掺杂源扩散,将现有技术中的涂覆掺杂源工序和激光扫描工序同步完成,简化了工艺步骤,而且,本发明系统结构简单,设备价格低廉,因此,生产成本较低。
⑵本发明超声雾化喷嘴的出口对准激光聚焦点,激光的光路和照射位置固定,无需掩膜板,可精确定位掺杂区域。
⑶本发明采用一体化的方式安装在激光发射头上,适用于一体化设计的设备。
⑷本发明适用于在流水线上生产,可便捷完成工业规模化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明激光发射头与超声雾化喷嘴的立体结构图之一;
图2是本发明激光发射头与超声雾化喷嘴的立体结构图之二;
图3是本发明激光器与超声雾化喷嘴一体安装的结构图;
图4是本发明整个掺杂系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1~4所示,是本发明一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,包括机架1,还包括激光发射头41与用于喷射经超声雾化的掺杂源的超声雾化喷嘴2,超声雾化喷嘴2至少为一个且安装在机架1上,激光发射头41和超声雾化喷嘴2靠近设置且均位于待加工硅片3的上方,使激光发射头41射出的激光5在待加工硅片3表面形成激光光斑区域,而由超声雾化喷嘴2喷射的掺杂源则汇聚于激光光斑区域上以实现激光加热同时使掺杂源扩散。
在本实施例中,超声雾化喷嘴2是三个,为锥形管状,激光发射头41发射的激光5垂直于待加工硅片的上表面,超声雾化喷嘴2围括住激光发射头41,并以激光发射头41为中心在同一圆周呈均匀分布,超声雾化喷嘴2的出口朝向激光发射头41的中轴线方向。机架1主要由呈环形的支撑杆11和横向的安装杆12组成,激光发射头41伸至支撑杆11围括区域的中心,安装杆12的两端分别与支撑杆11的内缘面相连,且安装杆穿过支撑杆围括区域的中心,安装杆12与激光发射头41为可拆卸连接,超声雾化喷嘴2可转动安装在支撑杆11上,即超声雾化喷嘴2以支撑杆11横截面的中心为旋转中心以调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离和夹角。
在本实施例中,安装杆12由两短杆组成,两短杆的其中一端分别与支撑杆11的内缘面相连,另一端分别伸向支撑杆围括区域的中心,且两短杆的伸出端相对并在伸出端之间形成夹持口,通过夹持口夹紧在激光发射头41上实现机架1的安装或者放松夹持口实现机架1的卸除实现安装杆的可拆卸连接,此时三个超声雾化喷嘴2对称固定于激光发射头41上,可适用于一体化设备,每个超声雾化喷嘴2的出口对准激光聚焦点,激光的光路和照射位置固定,在激光发射头41的正下方设有用于放置待加工硅片3对其定位的移动平台20,移动平台20与传送带接驳将待加工硅片3送至移动平台20上,并在完成同步掺杂后由传送带送出,而下一个待加工硅片则接续送至移动平台上进行同步掺杂。移动平台20可以沿水平面纵向、横向位移以调节待加工硅片的位置为适合,因此,激光扫描时通过移动待加工硅片来实现激光对准待加工硅片。
为了进一步调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离为适合,超声雾化喷嘴2由至少两个锥形管套接而成,使超声雾化喷嘴整体为伸缩式,以便调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离。
还包括激光器4、螺旋微调器、用于向超声雾化喷嘴2内注入掺杂源的注液泵13、用于向超声雾化喷嘴内提供低压气体的储气罐8及超声波发生器7,储气罐8中是惰性压缩气体-氩气,提供喷雾所需气压,注液泵13可以稳定调节流量,超声雾化喷嘴2的进口分别与储气罐8、注液泵13通过管路相连,而超声波发生器7与超声雾化喷嘴2电连接,激光发射头41是激光器4的激光射出通道,每个超声雾化喷嘴2通过安装在螺旋微调器6上实现可转动安装于支撑杆11以调节超声雾化喷嘴2的转动角度,可通过刻度来调节超声雾化喷嘴的转动角度,即可相对于机架调节喷雾角度,使喷雾汇聚于待加工硅片上的激光光斑区域。储气罐8和超声雾化喷嘴2之间的管路上设有用于控制流入超声雾化喷嘴的气体流量的粗调减压阀9和微调减压阀10,粗调减压阀9位于微调减压阀10和储气罐8之间。
还包括人机界面平板显示器11和可编程逻辑控制器12,人机界面平板显示器11与可编程逻辑控制器12连接,可编程逻辑控制器12与注液泵13相连以控制液态掺杂源以设定流量注入超声雾化喷嘴2。超声波发生器控制超声波喷头电压和频率。通过超声波发生器调节振动频率,超声雾化喷嘴使用频率非常高的振动产生极其小而均匀的液滴,微液滴尺寸、形貌由振荡频率决定。
本发明超声雾化原理是:超声雾化喷嘴采用非常高频的振动替代了高压力或者压缩空气,用来产生极其细微且十分均匀的喷雾颗粒,在液体表面产生了非常微细的振动以达到雾化目的。在雾化过程中,通过增加振幅,这种细微的振动传递到各个液滴,直到共振为止。振动的波长和所产生颗粒的大小决定于振动的频率,高频振动产生更好的雾化效果。
本发明的工作过程是:激光5从激光器4发射出后作用于正下方的待加工硅片3的上表面,超声雾化喷嘴三个喷嘴向着待加工硅片3对称喷射出超声波雾化的掺杂源(磷酸或者硼酸),同时激光辐射掺杂区域,实现掺杂源供给与激光辐射同时进行,既而实现同步掺杂。
在实现超声波喷雾激光掺杂时,可以根据工艺需要控制每个超声雾化喷嘴的喷雾条件。在其它实施例中,也可以是单喷嘴喷雾或双喷嘴喷雾,即超声雾化喷嘴采用一个或者两个,也可以采用大于三个以上。
本发明的实施方式不限于此,根据本发明的上述内容,按照本领域的普通技术知识和惯用手段,在不脱离本发明上述基本技术思想前提下,本发明机架的结构、超声雾化喷嘴可转动安装在机架上的方式、机架可拆卸安装在激光发射头上的方式等具有其它的实施方式,因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更,均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,包括机架,其特征在于:还包括激光发射头与用于喷射经超声雾化的掺杂源的超声雾化喷嘴,所述超声雾化喷嘴至少为一个且安装在所述机架上,所述激光发射头和所述超声雾化喷嘴靠近设置且均位于待加工硅片的上方,使激光发射头射出的激光在待加工硅片表面形成激光光斑区域,而由超声雾化喷嘴喷射的掺杂源则汇聚于激光光斑区域上以实现激光加热同时使掺杂源扩散;所述超声雾化喷嘴由至少两个锥形管套接而成使超声雾化喷嘴整体为伸缩式,以便调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离。
2.根据权利要求1所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:所述超声雾化喷嘴是两个或两个以上,所述激光发射头发射的激光垂直于待加工硅片的上表面,所述超声雾化喷嘴围括住所述激光发射头,并以激光发射头为中心在同一圆周呈均匀分布,所述超声雾化喷嘴的出口朝向激光发射头的中轴线方向。
3.根据权利要求2所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:所述机架主要由呈环形的支撑杆和横向的安装杆组成,所述激光发射头伸至所述支撑杆围括区域的中心,所述安装杆的两端分别与支撑杆的内缘面相连,且所述安装杆穿过所述支撑杆围括区域的中心,所述安装杆与激光发射头为可拆卸连接,所述超声雾化喷嘴可转动安装在支撑杆上,即超声雾化喷嘴以支撑杆横截面的中心为旋转中心以调节超声雾化喷嘴的出口与硅片之间的距离和夹角。
4.根据权利要求3所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:还包括激光器、螺旋微调器、用于向超声雾化喷嘴内注入掺杂源的注液泵、用于向超声雾化喷嘴内提供低压气体的储气罐及超声波发生器,所述超声雾化喷嘴的进口分别与储气罐、注液泵通过管路相连,而所述超声波发生器与超声雾化喷嘴电连接,所述激光发射头是激光器的激光射出通道,所述超声雾化喷嘴通过安装在螺旋微调器上实现可转动安装于支撑杆以调节超声雾化喷嘴的转动角度。
5.根据权利要求4所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:在所述储气罐和超声雾化喷嘴之间的管路上设有用于控制流入超声雾化喷嘴的气体流量的粗调减压阀和微调减压阀,所述粗调减压阀位于微调减压阀和储气罐之间。
6.根据权利要求5所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:在所述激光发射头的正下方设有用于放置待加工硅片对其定位的移动平台,所述移动平台与传送带接驳将待加工硅片送至移动平台上,并在完成同步掺杂后由传送带送出,而下一个待加工硅片则接续送至移动平台上进行同步掺杂。
7.根据权利要求6所述的光外同轴超声波喷雾激光掺杂系统,其特征在于:还包括人机界面平板显示器和可编程逻辑控制器,所述人机界面平板显示器与可编程逻辑控制器连接,所述可编程逻辑控制器与注液泵相连以控制液态掺杂源以设定流量注入超声雾化喷嘴。
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