CN110993741A - 一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，包括以下步骤，发出高斯分布的多脉冲激光，对高斯分布的多脉冲激光进行匀化处理，得到平顶分布的多脉冲激光，采用匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。本发明采用多脉冲+匀化后的激光，作用在太阳能电池上，对其进行掺杂处理，尤其是选择性发射极的掺杂，能够提高激光掺杂能力，降低掺杂损伤，改善太阳能电池重掺区域掺杂剂掺杂的均匀性，降低金属接触区域复合，提高太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法及设备。
背景技术
作为未来最重要的清洁能源，太阳能电池转换效率的提升一直是所有能源工作者的目标，主要采用的方法是减小少数载流子的表面复合速度、提高太阳能电池的短路电流和开路电压，降低电池的串联电阻等。
常规p型铝背场电池太阳能晶硅电池的制备过程通常包括：损伤层的去除、制绒、扩散、PN结隔离、PSG去除、正面沉积钝化减反射层、丝网印刷电极、烧结及分选。
常规p型PERC电池太阳能晶硅电池的制备过程通常包括：损伤层的去除、制绒、扩散、PN结隔离，PSG去除、背面沉积钝化层、正面沉积钝化减反射层、背面局部消融、丝网印刷电极、烧结及分选。
选择性发射极技术即在金属栅线与硅片接触部分及其附近进行高浓度掺杂，减小硅片和电极之间的接触电阻和接触复合，降低电池的串联电阻，而在电极以外的区域进行低浓度掺杂，降低表面复合速度，从而提升少子寿命。
选择性发射极技术有多种实现方式，较为常见的有采用重扩散，丝网印刷掩膜材料同时实现图形化，湿法刻蚀实现浅掺区浓度降低，降低表面复合；或者采用丝网印刷在金属接触区域印刷含磷浆料，在扩散工序直接形成高低浓度的掺杂；或者利用扩散过程产生的磷硅玻璃或者硼硅玻璃或者其他含掺杂剂的源层作为掺杂源，采用激光将源层中的高浓度掺杂杂质进一步推进至硅中，形成重掺区，实现金属接触区域的高浓度掺杂，降低金属浆料与硅片的接触电阻，减低金属和硅片的接触复合。
选择性发射极技术和常规P型铝背场、P型PERC、N型Topcon，N型PERT等电池结构均可以叠加形成新型的电池结构，从而提升电池的转换效率。
常规p型铝背场电池、选择性发射极电池、选择性发射极电池及局部接触背钝化电池的结构如图1所示。其中a为常规电池，b为选择性发射极电池，c为选择性发射极电池及局部接触背钝化电池；1：背电极和铝背场，2：p型硅本体，3：掺杂区n+/轻掺杂区n+，4：重掺杂区n++，5：金属电极，6：背钝化层，7：局部钝化膜消融区域，即金属接触区域。
目前，现有激光掺杂常采用的是高斯分布的单脉冲激光，以磷硅玻璃作为掺杂源，由于激光器谐振腔内倍频晶体损伤阈值受限，某一脉宽下，激光峰值功率存在瓶颈，激光器无法在更高的频率下保持较高的单点能量，且由于能量呈中间高边缘低的高斯形状，聚焦后光斑能量分布不均，中间能量密度高，消融能力强于掺杂能力，激光掺杂过程中掺杂剂在激光作用下离开硅片表面，甚至出现硅片受损，破坏原有扩散的PN结的现象，而光斑边缘能量密度低，能量不足以将掺杂剂推进至硅中，形成不了重掺区。采用此方法的掺杂选择性发射极电池通常表现开压、电流提升不足，串联电阻偏大，整体转换效率提升有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法及设备，能够提高激光掺杂能力，从而提高太阳能电池的转换效率。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、发出高斯分布的多脉冲激光；
S2、对高斯分布的多脉冲激光进行匀化处理，得到平顶分布的多脉冲激光；
S3、采用匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。
按上述方法，S2得到的平顶分布的多脉冲激光的脉冲数为2-20；光斑能量密度为0.56-1.4J/cm2，所形成光斑的尺寸等于或大于电池片的电极宽度，光斑间距或者光斑重复率根据加工需要进行控制。
按上述方法，S1的多脉冲激光，为绿光激光或者紫外激光。
按上述方法，S2得到的平顶分布的多脉冲激光，脉宽为皮秒级或者纳秒级。
按上述方法，S2得到的平顶分布的多脉冲激光，光斑的形状为正方形或者长方形。
按上述方法，所述正方形光斑的边长为20-150μm。
按上述方法，所述的正方形光斑的边长为60-120μm。
一种用于完成所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法的多脉冲匀化激光加工设备，包括沿光路依次设置的多脉冲激光发生装置、光束匀化装置、扫描装置和用于承载工件的加工平台；多脉冲激光发生装置发出的多脉冲激光，经过光束匀化装置匀化后，由扫描装置引导至加工平台对工件进行加工。
本发明的有益效果为：采用多脉冲叠加匀化后的激光，作用在表面覆盖含掺杂源的硅片上对其进行激光掺杂处理，尤其是选择性发射极的掺杂，由于其为多脉冲且经过匀化，所形成的光斑能量更为均匀，降低掺杂损伤同时，进一步提升提高掺杂能力，从而可以进一步降低电池浅掺区的掺杂剂浓度，提高方块电阻，降低金属区域接触电阻和接触复合，从而提升太阳能电池的性能。
另外，激光掺杂能力的提高，可进一步降低浅掺区掺杂剂的浓度，提高方块电阻，降低表面复合，从而进一步地提高太阳能电池的转换效率。并且，相同功率下，激光掺杂能力的提高，多脉冲匀化后的激光较单脉冲高斯分布激光，能在更高频率加工，从而提升产能。
附图说明
图1为现有技术的电池结构，其中a为p型铝背场常规电池，b为p型选择性发射极电池，c为p型选择性发射极电池及局部接触背钝化电池。
图2为本发明一实施例的设备结构示意图。
图中：1-背电极和铝背场，2-p型硅本体，3-掺杂区n+/轻掺杂区n+，4-重掺杂区n++，5-金属电极，6-背钝化层，7-局部钝化膜消融区域，即金属接触区域，8-多脉冲激光发生装置，9-变倍扩束镜，10-光束匀化装置，11-第一反射镜，12-第二反射镜，13-大口径变倍扩束镜，14-振镜，15-场镜，16-太阳能电池片，17-加工平台，18-控制器。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，包括以下步骤：
S1、发出高斯分布的多脉冲激光；
S2、对高斯分布的多脉冲激光进行匀化处理，得到平顶分布的多脉冲激光；
S3、采用匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。
当在硅片中进行掺杂时，S2得到的匀化后的多脉冲激光的脉冲数为2-20，优选为2-5；光斑能量密度为0.56-1.4J/cm2；多脉冲匀化激光光斑的形状为圆形、长方形或者是正方形，优选为正方形，光斑尺寸(圆形光斑的直径，方形光斑的边长或者长方形光斑的长边长，简称光斑尺寸，下同)等于或大于电池片的金属电极宽度。
进一步的，S1得到的多脉冲激光，为绿光激光或者紫光激光。
进一步的，S2得到的匀化后的多脉冲激光，脉宽为皮秒及或者是纳秒级。
由于电池制备过程中，利用多脉冲匀化激光进行选择性掺杂形成重掺杂区后，在后续工序中通过丝网印刷将金属浆料印刷在重掺杂区，经过烧结形成金属电极。重掺杂区振镜加工图形及丝网印刷网板间存在一定的精度偏差，因此作用于硅片上的多脉冲匀化激光光斑尺寸一般需大于电极宽度。因此光斑尺寸优选范围为20-150μm，更优选的为60-120μm。
本发明还提供一种用于完成所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法的多脉冲匀化激光加工设备，如图2所示，本设备包括沿光路依次设置的多脉冲激光发生装置8、光束匀化装置10、扫描装置和用于承载工件的加工平台17。多脉冲激光发生装置发出的多脉冲激光，经过光束匀化装置10匀化后，由扫描装置引导至加工平台对工件进行加工。
具体的，多脉冲激光发生装置为可以产生多脉冲的激光器或者激光器组件，优选具有多脉冲模式的激光器，例如相干公司的皮秒多脉冲激光器，可设置脉冲包络中所含的脉冲个数及间隔时间，通过功率控制脉冲能量。
光束匀化装置10，可采用空间偏振匀化组件，透镜组、衍射光学元件或者光纤组件。
具体的，空间偏振匀化组件的固体激光器常为线偏振光，通过对激光高斯能量分布计算后，采用具有双折射现象的材质，制作使光偏振方向发生不同角度偏转的空间相位器，后通过检偏器及某种形状的通光口径，最终得到某种形状的线偏振匀化光。
透镜组：通过透镜组合的方法使高斯光得到一定程度的匀化。
衍射光学元件(DOE)：利用光的衍射原理，在元件表面制作具有三维微结构图案的光栅，将激光器的点光源转换为散斑图案，聚焦光斑形状由匀化器件决定。
光纤：将激光经过短焦透镜聚焦后耦合进入满足一定边界条件的波导光纤中，激光从单模变成多模，充满光纤，输出与纤芯形状一致的光束，最终决定聚焦光斑的形状。
进一步的，本设备还包括设置在光束匀化装置前的第一扩束装置，即变倍扩束镜9，以及设置在光束匀化装置后的第二扩束装置，即大口径变倍扩束镜13。大口径变倍扩束镜13出射端通光口径需大于扫描装置的振镜14入射口径。其中光束匀化装置需位于变倍扩束镜9后，大口径变倍扩束镜13需位于光束匀化装置10后。
扫描装置用以将经过匀化的多脉冲激光引导至工件表面并按照预定的扫描路径进行扫描，完成对加工平台17上太阳能电池片16的加工。
一般的，扫描装置包括振镜14和场镜15。其中振镜14包含了独立控制x轴及y轴运动路径的两个镜片，加工幅面随着场镜焦距的增长而增加。
本发明所述激光加工设备还包括控制器18，用以控制上述装置按照前述的方法进行扫描，完成加工。
作为一种优选的方案，上述激光加工设备还可以包括改变光路传输方向的部件，本技术方案中为全反镜，用以改变光路的方向，使其最终进入扫描装置，全反镜的设置可以使光路更加灵活及方便调节，其数量可为一个或多个，本实施例中采用第一反射镜11和第二反射镜12。
实施例
实施案例采用p型硅片，硅片尺寸156.75mm*156.75mm，经去损伤层、制绒、扩散，掺杂源为POCl3，经高温扩散在硅片表面形成PN结的同时，硅片表面覆盖一层含磷的磷硅玻璃。
实施例1至实施例10采用上述硅片，采用本发明的匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。其中激光光斑形状为正方形，控制激光扫描速度，使光斑重叠率为零。
其中，实施例1至实施例9所用硅片扩散后的方阻为115Ω/□，实施例10所用硅片扩散后方阻为150Ω/□。
更为细节的，实施例1至实施例10的激光掺杂的工艺为：
实施例1，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns级脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例2，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为4，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例3，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为6，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例4，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为1.03J/cm2。
实施例5，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为1.4J/cm2。
实施例6，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.56J/cm2。
实施例7，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为150μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例8，激光掺杂的工艺为：紫外激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例9，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为120μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
实施例10，激光掺杂的工艺为：绿光激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，方形光斑边长为120μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
对比例
对比案例采用p型硅片，硅片尺寸156.75mm*156.75mm，经去损伤层、制绒、扩散，掺杂源为POCl3，经高温扩散在硅片表面形成PN结的同时，硅片表面覆盖一层含磷的磷硅玻璃。
对比例1至对比例5采用上述硅片，采用单脉冲未匀化、或者多脉冲未匀化的激光按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。控制激光扫描速度使光斑重叠率为零。
其中，对比例1至对比例4所用硅片扩散后的方阻为115Ω/□，对比例5所用硅片扩散后方阻为150Ω/□。
具体的，对比例1至对比例7的掺杂工艺为：
对比例1，激光掺杂的工艺为：绿光激光，为高斯分布的单脉冲激光，脉宽选择ns脉宽，圆形光斑直径为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
对比例2，激光掺杂的工艺为：绿光激光，为高斯分布的多脉冲激光，脉冲个数为2，脉宽选择ns脉宽，圆形光斑直径为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
对比例3，激光掺杂的工艺为：紫外激光，为高斯分布的单脉冲激光，脉宽选择ns脉宽，圆形光斑尺寸为80μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
对比例4激光掺杂的工艺为：绿光激光，为高斯分布的单脉冲激光，脉宽选择ns脉宽，圆形光斑尺寸为120μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
对比例5激光掺杂的工艺为：绿光激光，为高斯分布的单脉冲激光，脉宽选择ns脉宽，圆形光斑尺寸为120μm，设置激光功率、频率，控制能量密度为0.625J/cm2。
性能测试
1、方阻测试。
为测试实施例和对比例的掺杂方阻，对实施例和对比例采用同样的方法和参数进行掺杂，区别在于沿硅片进行整面掺杂，线间距和光斑大小一致。然后采用四探针测试方块电阻，通过激光掺杂前后方块电阻的下降幅度来评估掺杂能力。
表1实施例及对比例的方块电阻测试结果
实施例1、2与对比例1比较可见，匀化后多脉冲激光较高斯分布单脉冲激光掺杂后方块电阻下降更多，具有更强的掺杂能力，即能有效提升产能；
实施例1、2与对比例2比较可见，匀化后多脉冲激光较匀化后多脉冲激光掺杂后方块电阻下降更多，具有更强的掺杂能力，即能有效提升产能。
一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，脉冲个数优选的为2-20，实施例1-3表明，更为优选的，当脉冲个数为2-6范围内时，能够实现更为有效的掺杂。
实施例4、实施例5、实施例6表明，优选的，能量密度为0.56-1.4J/cm2范围内能实现更为有效掺杂。
实施例1与实施例7比较可见，光斑尺寸不同时，激光波长、脉宽及单点能量一致的情况下，掺杂能力无明显区别。但线宽越大，对激光单点能量要求越高。相同功率激光器进行匀化时，窄线宽与宽线宽相比，能在更高频率下加工，在此基础上结合现有振镜加工精度及印刷网版精度，优选线宽范围20-150μm，更为优选的为60-120μm。
实施例8与对比例3比较可见，紫外波长下，匀化后多脉冲较单脉冲具有更强的掺杂能力。
实施例9和实施例10比较可见，将扩散后的方块电阻提升至150Ω/□时，同样条件下掺杂的方阻下降率增大。
2、电性能测试。
为测试实施例和对比例的电性能，实施例9至10及对比例4至5按照对应的方法完成掺杂后，按照PERC电池标准工艺流程，采用相同的工艺进行PSG去除、背面沉积钝化层、正面沉积减反射层、背面局部开口、丝网印刷电极、烧结及分选，测试其电池转换效率，并评估电池电性能的改善。
表2实施例及对比例的电性能测试结果
从实施例9和对比例4的测试结果可以看出，本发明的多脉冲匀化激光掺杂可以进一步改善金属电极区域的接触电阻，降低复合，从而提升电池的开压和电流，电性能的转换效率改善，提高了0.13％。
实施例10扩散后的方块电阻提升至150Ω/□时，浅掺区表面复合进一步改善，而采用多脉冲匀化激光掺杂，实现金属电极区域更大幅度的激光掺杂，保证了接触电阻从而实现电池电性能的转换效率改善，提高了0.14％。
从对比例4和5的测试结果可以看出，高斯分布的单脉冲激光掺杂能力弱，当扩散方块电阻提升时，激光重掺后方块电阻下降幅度虽有提升，但掺杂后的方块电阻偏高，金属电极接触电阻偏大，提升方块电阻未能实现电池电性能的改善。
采用本发明的多脉冲匀化激光对太阳能电池进行选择性掺杂时，降低掺杂损伤，能够提高方阻的均匀性同时提高掺杂能力。
其进一步的有益效果是，因为激光掺杂均匀性的改善和掺杂能力的提高，选择性发射极可进一步优化高温扩散工艺，降低浅掺区的掺杂剂浓度，提高方块电阻，降低电池表面复合，而金属电极区域可降低接触电阻和接触复合，从而提升电池的转换效率。
进一步的，当光斑的形状为长方形和方形时，在进行加工时，进一步提高了掺杂的均匀性，增加加工图形(电极)的对位工艺控制窗口。
应当理解的是，以上实施例仅针对部分进行了解释，本技术领域的技术人员可以知悉的，采用红外激光、皮秒脉宽时，采用匀化后其他形状的平顶光斑时，可以推至其技术效果类似。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、发出高斯分布的多脉冲激光；
S2、对高斯分布的多脉冲激光进行匀化处理，得到平顶分布的多脉冲激光；
S3、采用匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描，完成掺杂剂掺杂。
2.根据权利要求1所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：S2得到的平顶分布的多脉冲激光的脉冲数为2-20；光斑能量密度为0.56-1.4J/cm2，所形成光斑的尺寸等于或大于电池片的电极宽度。
3.根据权利要求2所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：S2得到的平顶分布的多脉冲激光，脉宽为皮秒级或者纳秒级。
4.根据权利要求3所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于S2得到的平顶分布的多脉冲激光，光斑的形状为正方形或者长方形。
5.根据权利要求4所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：正方形光斑的边长为20-150μm。
6.根据权利要求1所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：采用匀化后平顶分布的多脉冲激光，按照金属电极图形进行扫描时，其光斑重复率为零。
7.根据权利要求1所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法，其特征在于：S1的多脉冲激光，为绿光激光或者紫外激光。
8.一种用于完成权利要求1至7中任意一项所述的多脉冲匀化激光太阳能电池加工方法的多脉冲匀化激光加工设备，其特征在于：本设备包括沿光路依次设置的多脉冲激光发生装置、光束匀化装置、扫描装置和用于承载工件的加工平台；多脉冲激光发生装置发出的多脉冲激光，经过光束匀化装置匀化后，由扫描装置引导至加工平台对工件进行加工。
9.根据权利要求8所述的多脉冲匀化激光加工设备，其特征在于：所述的光束匀化装置为偏振匀化组件、透镜组、衍射光学器件或者光纤组件。
10.根据权利要求8所述的多脉冲匀化激光加工设备，其特征在于：所述多脉冲激光发生装置为具有多脉冲模式的激光器。
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